次太赫茲材料介電特性量測技術：材料世界網

陳炯雄 / 工研院材化所

第五代行動通訊(5G)才剛商轉，已有國家開始試驗第六代行動通訊(6G)技術。6G的資料傳輸率將是5G的10~100倍，當開始討論由5G邁向6G時，相關研究單位都指出有些未來性的科技需要被開發，其中一個是將頻率持續向高頻推升的「次太赫茲技術」。而由目前5G所使用的毫米波技術，如何提升為太赫茲科技以應用在未來的6G網路，為此技術開發之重要議題。在頻段上，美國聯邦通信委員會(FCC)也開放95 GHz到3 THz的電磁波頻率範圍作為試驗頻譜，以加速6G相關技術研發。在次太赫茲頻譜下，首先必須要了解材料在高頻電場之介電行為，本文將介紹現有市場材料之各種介電量測技術，並說明工研院材化所自行開發之次太赫茲頻段材料介電特性量測平台現階段的技術能量，可協助國內產業進行相關材料介電特性驗證，期望能在下世代通訊材料開發上取得先機。

【內文精選】

前言

以物理概念來分析，材料的介電特性是經由外部電場極化所產生的一種特性，因此，可產生高頻極化電場的架構便可以進行材料介電測試。而常見可產生高頻電場的方法主要有共振腔與波導天線。共振腔依照結構設計可以產生不同模態的電磁波，如TE、TM、TEM三種模式，其中以TEM Mode可測試到更高頻段。波導天線則為產生平面波行進穿過介電材料，經由解析電磁波在空間的行為求出材料之介電特性。

透過二個波導天線在空間中進行電磁波傳輸，經由網路分析儀量測待測材料於空間S參數進行轉換，求出複數介電係數與複數導磁係數，此方法為量測材料磁特性方法之一，我們稱之為自由空間法或S參數法。另一種為開放式的共振腔，其主要產生的電磁模態為TEM Mode，而TEM為電場與磁場正交，此一電磁特性與光波相近，具有TEM電磁場的諧振腔特性，又可以稱為準光腔。測試方式為量測材料樣品共振訊號與品質因子對比於空氣之共振訊號，其特點為適合測試低損耗材料與多頻率點的寬頻測試範圍。此方法稱為法布里–佩羅共振腔或簡稱開放式共振腔。

自由空間法

自由空間法的模型為平面波行進穿透過待測材料，在材料介質中因介電特性或導磁特性，使行進波偏折後產生多次的穿透與反射，訊號上造成振幅與相位之變化，透過測量訊號帶入NRW Model獲得介電常數與介電損耗。此方法要獲得正確的訊號必須仰賴精準機構定位與TRL校正，下面將進一步詳細說明。

校正在高頻量測上扮演著極重要的一個環節，常見的校正有包含SOLT(Short、Open、Load、Through)與TRL(Through、Reflect、Line)。其目的為透過標準件與參數修正回歸，使得向量網路分析儀可以將訊號匹配面修正至待測物前，換句話說，從待測物至儀器端之間的所有誤差項須在儀器中進行補償修正，在校正後所測試的訊號便視為待測物之特徵訊號，並不會有路徑上的其他效應。

現有市場中僅有日商KEYCOM與EM Labs將Free Space系統產品化。KEYCOM這套系統可進行反射式測量，因此具有可以調整入射角度之機構，Horn Antenna輸出後將透過一介電透鏡將波轉換為平行波束，再進入到待測物。

EM Labs前身為關東電子，為儀器大廠Keysight的Solution Partner，該公司主要專注於材料測試治具設計開發，其所設計的Free Space介電測試系統為修正改良的NRWMethod，強調其測試上的穩定性。該系統之獨特性為在Horn Antenna輸出口整合了一個介電透鏡，讓電磁波輸出時為平面波且具有波束聚焦之效果，投射至待測物時的面積縮小，降低因樣品表面不均勻產生的幾何效應，以提升量測穩定性，且依據不同頻段Horn Antenna的尺寸也不同。整體外觀如圖五所示。

圖五、(a)由介電透鏡將波束聚焦；(b)不同頻段對應不同大小之治具

工研院材化所自建之iProphet次太赫茲材料介電量測系統

工研院材料與化工研究所現有毫米波段之技術能量為20 GHz~110 GHz半球式結構Open Resonator，技術特點為核心演算程式自行設計開發，可以涵蓋厚度範圍0.01 mm~2 mm，符合市售基板材料標準製程可測試厚度範圍；並搭配高解析度樣品移動自動化裝置，可進行不同測試頻率下因波長的不同，將樣品移動至測試頻率點之電場極化最強處，透過核心演算程式判讀可在不同頻率、厚度、介電特性之樣品移至共振位置進行多點式掃頻測試；系統相容於市場上三大品牌網路分析儀，具備彈性的選擇。實驗室目前搭配Anritsu VectorStar ME7838A頻率範圍20 GHz~110 GHz自動化測試系統，外觀如圖九---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。