盧俊安、陳炯雄／工研院材化所
國內5G行動通訊已於2020年7月正式上路，目前主要電信商之佈建頻段以Sub-6G為主；然毫米波頻段亦已於3GPP確立，主因為現行毫米波技術所需克服之問題眾多且不確定性過高，在優先提高頻寬條件下，Sub-6G頻段成為目前各國電信業者之主要首選。然在後續完備mMTC與低延遲等特性需求下，未來需仰賴提升通訊頻率至毫米波頻段，以擴增傳輸頻寬與降低訊號延遲。對應提高無線通訊之操作頻率至毫米波頻段，首先面臨的問題在於材料對電磁場訊號之關係，進一步需有效了解材料於毫米波頻段下其介電特性之行為。本文將介紹現有市場材料之各種介電量測技術，並展示工研院材化所自行開發之相關毫米波頻段材料介電特性量測平台。目前此平台可量測厚度10μm~1mm、介電常數1.05~50、介電損耗0.0001~0.05之材料特性，且依照客戶進行相關客製化與自動化量測需求，並同步建立相關材料樣品準備技術。
【內文精選】
前 言
對於第五代行動通訊(5G)應用需求，頻譜上分成FR1與FR2。FR1包含Sub-6G（6 GHz以下），與傳輸頻寬較大的毫米波段（24 GHz以上）；而FR2則包含20 GHz以上之頻段應用。依據ITU-R所發表之未來無線通訊的願景及需求，2020年的無線通信需求將較2010年成長1,000倍以上。大量資料量的傳輸，未來通訊協定將定位在10 Gbps等級傳輸能力之寬頻系統，其工作頻率必然落在毫米波(mmWave)波段。針對此一波段所開發的晶圓、電路板、射頻構裝等相關材料，在民生應用市場上將進行新材料的開發，以符合未來全球電子設備高頻化的趨勢，尤其在5G基地台、物聯網、雲端運算等產業需求，促使資通訊產品走向高速、高頻、高容量的無線傳輸。
目前毫米波技術5G通訊的頻段以28GHz/39 GHz較有可能，應用仍以多層板為主要電路板的設計，由於大量資料的傳輸，因此需要有夠低的介電損失及導體損失。此外，現階段由於在高頻功率放大器效率不佳，大多能量轉為熱導致系統溫度上升，且高頻天線具高度指向性，所以需要有大量的天線及高頻功率放大器組合，導致系統有更多的熱需要導出。因此，如何建立兼具導熱及高頻傳輸所需的板材成為關鍵需求。
市售產品現況
目前市場上已提供幾種測試夾具，依結構區分成封閉式共振腔與開放式共振腔。封閉式架構包含Keysight的SCR、QWED的SPDR、EM Labs的SCR等具有Cavity結構所形成的高頻共振腔，其特點為一個頻率對應一個共振腔，如需進行不同頻率測試則需購置多個共振腔。開放式架構則包含KEYCOM的DSP03、Damaskos的900T、QWED的FPOR、AET的OCR，其特點為可用一個共振腔進行多個頻率點的測試，其中AET的OCR最高頻率只能測試到18 GHz，其他的開放式共振腔都可以測試超過40 GHz以上。下面將列舉5個具有代表性的共振腔進行介紹。
⑤Open Coaxial Resonator Method為AET公司所開發之測試技術（圖六），原理上為利用高頻同軸線內部所產生的電場為架構，將此設計成一種為同軸結構之共振腔，在開口端進行訊號之饋入與擷取。其特點為樣品只需1 cm見方的大小、厚度約0.5 mm，在測試時需將樣品平貼在同軸共振腔的開口，結構上為單一側電場訊號饋入樣品，所以電場訊號只會極化樣品所接觸的表面區域，也就是其並非測試整個基板材料，例如具有玻纖布含浸材料的基板，測試結果可能只有表面…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、AET所開發之同軸式共振腔介電測試
★本文節錄自《工業材料雜誌》406期，更多資料請見下方附檔。