高頻介電材料特性分析

精準掌握材料特性：從 RF 到 THz 的全方位介電量測解決方案

「高頻介電材料特性分析」測試解決方案是一套專為精準分析材料電氣特性而設計的完整系統，本方案整合了從 mHz 低頻到 THz 毫米波（mmWave）頻段所需的核心儀器、多樣化的量測方法、關鍵的轉換演算法及專用的量測治具，現今，高效能介電材料的應用對於電子、航太國防、汽車科技，乃至醫療製藥與尖端科學研究等領域，其重要性日益增加，因此精準的特性分析扮演著關鍵角色 。

此解決方案的核心在於提供一套非破壞性且相對快速的測試流程 ，讓使用者能深入洞察材料本質，例如：觀察材料因老化、溫度或濕度產生的變化、確保 PCB 材料與 RF 電路的相容性、在品質控制中確認材料的一致性，或是在汽車應用中檢測保險桿對雷達頻率的穿透性 。

方案的基礎儀器涵蓋了適用於低頻段的阻抗分析儀（如 MFIA），以及在高頻 RF 與微波頻段作為量測核心的向量網路分析儀 (VNA)（如 R&S ZNA）；透過與毫米波轉換器的結合，VNA 的量測能力更能延伸至 THz 範圍，滿足前瞻應用的需求；VNA 透過量測待測物 (MUT) 的反射與傳輸係數，也就是 S 參數，來取得原始資料，接著，方案內建的轉換方法（如 Nicolson-Ross-Weir 演算法）會將這些 S 參數精確轉換為複數電容率與磁導率等關鍵材料常數，為確保量測結果的準確性與可靠性，一個設計優良的量測治具至關重要 ，因此本方案也整合了 KEYCOM、QWED、SPEAG 與 SWISSto12 等領導廠商的專用治具，以應對從固體、液體到粉末等不同形態樣品的測試挑戰 。

核心量測儀器

根據不同的頻率範圍與應用需求，選擇對應的核心分析儀器是整個測試方案的基礎。

阻抗分析儀 (mHz 至 MHz)：

• 適用於低頻範圍，例如 Zurich Instruments 的 MFIA 阻抗分析儀。
• 運作原理：儀器輸出一組 AC 電壓訊號，並量測返回的電流訊號及樣品兩端的電壓降，藉此計算出包含相位資訊的複數阻抗 。

向量網路分析儀 (VNA) (MHz 至 THz)：

• 適用於 RF、微波及毫米波頻段，是高頻材料分析的核心，代表型號包括 R&S®ZNA、R&S®ZNB 等 。
• 運作原理：透過量測散射參數 (S 參數)，即待測物 (MUT) 對入射波的反射 (S11​) 與傳輸 (S21​) 係數，來分析材料特性 。
• 高頻擴展：可搭配 R&S®ZCxxx 毫米波轉換器，將量測頻率擴展至 THz 範圍 。

 

不同技術解決方案應用於低、中、高頻材料特性分析

左側：阻抗分析儀透過量測電壓與電流來計算阻抗 Z 。
右側：向量網路分析儀透過量測 S 參數來進行分析，並可搭配升頻器擴展至 THz 頻段 。

量測方法選擇

根據待測物的損耗特性、型態、尺寸及目標頻率，選擇最合適的量測方法。
 

量測配置圖說

使用同軸線進行導波傳輸/反射法量測
 

使用天線與待測物進行自由空間法量測
 

使用波紋波導進行高頻材料特性分析
 

使用開放式同軸探棒量測液體樣品
 

使用共振腔量測待測物
 

使用平行板法與阻抗分析儀進行量測
 

資料轉換與分析

從 VNA 量測到的 S 參數需透過特定演算法轉換，才能提取出材料的複數電容率 (ϵ) 與磁導率 (μ)。

• Nicolson-Ross-Weir (NRW) 演算法：
  一種經典的轉換方法，但對樣品長度有限制，且不適用於低損耗材料 。
• 迭代演算法：
  可同時求解電容率與磁導率，不需精確的樣品放置資訊 。
• 新型非迭代法：
  一種快速且穩定的方法，適用於任意樣品長度且不需初始值猜測 。
• 短路傳輸線 (SCL) 法：
  一種單埠反射量測方法，僅適用於電容率計算 。

整合式量測治具

為確保量測的準確性與可重複性，搭配專為不同方法與應用設計的精密治具至關重要，本方案整合多家領導廠商的治具，提供一站式選擇。

KEYCOM 解決方案

• DPS03 開放式共振器：
  用於高頻 (20 GHz - 330 GHz)、超薄膜與低損耗材料的高準確度量測 。
• DPS10 自由空間系統：
  適用於厚樣品，可消除氣隙誤差 。
• PER01 磁性量測系統：
  專用於量測材料的複數磁導率，頻率範圍涵蓋 100 kHz 至 30 GHz 。

KEYCOM DPS03 開放式共振器治具
 

KEYCOM DPS10 自由空間量測設置

QWED 解決方案

• 分裂柱介電共振器 (SPDR)：
  基於共振法，為 PCB 層壓板等介電片材提供極高準確度的 Dk 與 Df 量測 。
• 法布里-珀羅開放式共振器 (FPOR)：
  提供寬頻 (5 GHz - 170 GHz) 的自動化、高準確度量測，並可分析平面內非等向性 。

QWED SPDR 量測設置
 

QWED FPOR 搭配 R&S ZNA 與升頻器的量測設置

SPEAG 解決方案

• 介電評估套件 (DAK) 產品線：採用開放式同軸探棒法，提供從 4 MHz 到 67 GHz 的寬頻高精度量測 。
• DAK-R 分裂圓柱共振器：符合 IPC 測試方法，可在單一儀器中提供 10 GHz 至 45 GHz 的多個共振頻率點量測 。

SPEAG DAK-R 量測設置
 

SPEAG DAK-TL2 材料測試套件與 DAK 儀器
 

SWISSto12 解決方案

• 材料特性分析套件 (MCK)：採用波紋喇叭天線的緊湊型治具，結合了自由空間與波導法的優點 。頻率可從 25 GHz 延伸至 1.1 THz ，測試流程快速且可重複性高 。

SWISSto12 MCK 治具系列

測試解決方案選擇

根據待測物的具體特性，選擇最佳的方法組合是成功的關鍵，下表提供一個快速參考指南。

材料與建議的量測及轉換方法