B5G材料發展：材料世界網

張麗敏、蔡政禹、官祺恩、鄭志龍 / 工研院材化所

無線通訊發展非常快速，雖然5G才剛正式進入商轉，並且有一些問題與痛點尚未解決，但已經有許多國家開始研擬6G的相關技術。對於材料與量測設備在太赫茲方面的需求，陸陸續續有許多研究結果發表於國際期刊。本文藉由介紹近期應用在太赫茲頻段的發表文獻，提供讀者瞭解材料的結構設計方向與電性的量測方法，俾能掌握下個世代材料與設備的發展趨勢，具有明確的開發方向。

【內文精選】

前言

5G具有10 Gbps的峰值速率與1毫秒的低延遲，下載一集60分鐘的美劇只需6秒鐘，也因為有比4G更大的頻寬，而能與更多終端智能設備相連，但5G在應用上還是有技術侷限性。因此，B5G/6G是將蜂窩無線通訊與衛星通訊相融合，進而達到全球無縫覆蓋和萬物互聯的終極目標。

B5G/6G的應用頻段分別在0.1~0.3 THz與0.1~10 THz範圍內，此頻段稱為太赫茲(Terahertz)頻段，其具有下列幾項優點：豐富的頻譜資源、峰值傳輸速度達到100 Gbps~1 Tbps、室內定位精度達到10釐米/室外1米、通訊時延0.1毫秒、超高可靠性，以及連線裝置密度達到每立方米超過百個；且因太赫茲頻段在太空不存在吸收損耗的問題，具有傳輸速度快和傳輸距離遠的優勢，更能應用於衛星間通訊，可以提供更大的覆蓋範圍。此外，天線技術是發展無線通訊(Wireless Communications)的關鍵重點之一，而太赫茲從頻率上來看，是介在無線電波和光波之間，從圖二可看到毫米波和太赫茲波會受到雨水的衰減、氧及水分子的共振吸收，不適用於遠距離無線電通信，使得其在天線材料選擇、結構及加工等方面是一大難題。本文將介紹幾篇國際期刊對於有機材料在太赫茲頻段的電、光特性與量測設備機制之探討進行整理。

圖二、毫米波和太赫茲波的特點

材料與量測設備在THz應用時的特性需求

根據IDTechEx發表「Low-loss Materialsfor 5G 2021~2031」所提到之趨勢、技術和預測，可知基於PCB應用的先進封裝和層壓板的原材料需求增加，到2031年5G低損耗(Low Loss)材料市場將超過1.1億美元。另外再細分出不同低損耗材料的使用量，到2031年關鍵材料會從主導材料的Epoxy和BT，轉向PI & MPI、PTFE、LTCC以及其他(Hydrocarbon/PPO/PPE/PEEK/LCP/Glass)等。因此從5G到B5G、甚至6G所選用的材料特性來看，有幾個重要指標將影響材料選擇：介電常數、介電損失以及吸水率，對於軟性基板的應用而言，還需要加上成本與可製造性。本文將藉由文獻彙整，初步探討材料與設備在太赫茲頻率應用時的特性與規格基本需求。

太赫茲波會受到雨水、氧及水分子的共振吸收，使得訊號在傳輸時造成損耗，於是IEEE的會員Islam等人也在2020年IEEE Access發表的文章中，探討使用太赫茲時域光譜進行實驗量測時，聚合物和玻璃分別在有或無空氣下的光學特性。除了利用穿透光譜的標準系統測量材料的不同光學特性，包括折射率、相對介電常數、損耗角正切、吸收係數和穿透率外，另外還研究了材料的熱和化學依賴性，以確定適合在太赫茲應用的材料種類，所選材料再根據特性的不同，可用於諸如波導、濾波器、透鏡、極化保持元件、超材料和超表面、吸收器和太赫茲頻率範圍內的傳感器等應用。此篇研究所使用的量測設備裝置和示意圖如圖九所示，使用脈衝寬度≤50 fs(使用1.5 m光纖)的雙通道超短脈衝激光器(Advantest TAS7400TS)，採用簡單的光纖耦合配置，自由空間太赫茲產生和檢測，激光中心波長、輸出功率和重複頻率分別為1,550 nm、≧20 mW和50 MHz。此系統是放置在…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。