5G/6G 通訊材料挑戰：如何精準測量毫米波頻段 (28GHz/39GHz) 的 Dk/Df？

隨著 5G 通訊技術全面進入毫米波 (mmWave) 世代，頻譜的主戰場已從 Sub-6GHz 轉移至 FR2 頻段的 28 GHz 與 39 GHz，對於材料研發工程師而言，這不僅僅是頻率數字的提升，更是一場關於「材料特性掌握度」的嚴峻考驗。

過去在 10 GHz 以下，我們常依賴規格書上的數據進行模擬，但當頻率拉高到毫米波頻段時，許多工程師發現：「為什麼模擬結果與實測差距越來越大？」 答案往往隱藏在材料的色散效應 (Dispersion)、各向異性 (Anisotropy) 以及傳統測試方法的頻率限制中；本文將探討為何傳統方法在毫米波頻段失效，以及如何透過 分裂圓柱諧振腔 (SCR) 等技術，精準捕捉 28/39 GHz 的介電常數 (Dk) 與損耗因數 (Df)。

挑戰一：拒絕「推測」，告別低頻外推法

在 4G 時代，許多材料商提供的 Dk/Df 數據僅測量至 1 GHz 或 10 GHz（通常使用 SPDR 方法），當工程師需要 28 GHz 的數據時，常見的做法是利用 Djordjevic-Sarkar 或 Debye 模型進行數學外推，然而真實世界的材料並非理想模型。

1. 介電鬆弛 (Dielectric Relaxation)：
   高分子材料在特定頻率點會發生極化機制的改變，導致 Dk 值急劇下降或 Df 值出現峰值。
2. 玻璃纖維效應：
   複合材料中的編織結構在波長縮短至毫米級時，會產生更複雜的散射與共振效應。

若直接使用 10 GHz 的數據「推算」 39 GHz 的表現，極易忽略材料在高頻下的非線性變化，導致濾波器頻偏或天線增益不足，因此「在工作頻率下直接量測」 是 5G/6G 研發的唯一真理。

挑戰二：捕捉 28/39 GHz 的利器 — 分裂圓柱諧振腔 (SCR)

要測量 20 GHz 到 80 GHz 的頻譜，傳統的 SPDR（分裂柱諧振器）因尺寸限制已無法適用，此時，分裂圓柱諧振腔 (Split Cylinder Resonator, SCR) 成為了業界標準（IPC-TM-650 2.5.5.13）的首選；SCR 的運作原理： SCR 是一個從中間切開的金屬圓柱腔體，樣品被夾在上下兩個半腔體之間，它利用特定的 TE 模態（橫電波），其電場沿著圓柱的圓周方向分佈，這帶來了兩個關鍵優勢：

1. 覆蓋毫米波頻段：
   SCR 的設計天生適合高頻，一個設計精良的 SCR 治具，可以激發出多個高階模態（如 TE011, TE012, TE013...），您只需要放入一次樣品，進行一次頻率掃描，就能同時獲得 20 GHz, 28 GHz, 39 GHz, 甚至到 80 GHz 等多個離散頻點的 Dk/Df 數據，這完美解決了 5G 多頻段驗證的需求。
2. 消除氣隙 (Air Gap) 誤差：
   由於電場向量平行於樣品表面，根據電磁邊界條件，電場在穿過空氣與樣品的介面時是連續的，因此即便樣品與金屬腔體之間存在微小的接觸縫隙，也不會像平行板電容法那樣產生巨大的串聯電容誤差，這對於表面可能不完全平整的 PCB 基板或薄膜材料來說，是極為重要的特性。

挑戰三：看清材料的「方向性」 (Anisotropy)

在 5G 設計中，另一個常見的陷阱是各向異性。

• SCR 量測的是： 平面方向 (In-Plane, X-Y 軸) 的 Dk/Df。
• 5G 電路用的是： 垂直方向 (Out-of-Plane, Z 軸) 的 Dk/Df（例如微帶線、貼片天線）。

對於含有玻璃纖維的複合材料，平面 Dk 通常比垂直 Dk 高出 10% ~ 15%，如果工程師直接將 SCR 測得的 28 GHz 平面數據（例如 Dk=3.5）套用到天線模擬（實際 Z 軸 Dk=3.1），天線的中心頻率將會發生顯著偏移。

解決方案： 建立「3D 材料數據庫」。

• 使用 SCR 快速獲取 28/39 GHz 的 平面 Dk/Df（用於品管與材料篩選）。
• 針對關鍵設計，搭配 帶狀線法 (Stripline Method) 或利用 SCR 數據結合各向異性係數進行修正，推算出真實的 Z 軸特性。

挑戰四：高溫下的穩定性 (Tcc)

5G 基地台與車用雷達常在戶外高溫環境下運作。材料的 Dk 值隨溫度變化的程度，由 介電常數溫度係數 (Tcc) 定義，SCR 的開放式金屬結構非常適合搭配環境試驗箱，透過自動化系統，可在 -50°C 至 +150°C 的循環中，連續監測 28 GHz 下的頻率漂移。這能協助工程師篩選出在極端氣候下仍能保持訊號穩定的優質材料。

面對 28 GHz 與 39 GHz 的挑戰，依賴低頻數據外推已不再可行，分裂圓柱諧振腔 (SCR) 技術憑藉其寬頻覆蓋、抗氣隙干擾及高溫測試能力，成為 5G 毫米波材料驗證的核心工具，然而工程師在使用時仍需保持對「材料各向異性」的警覺，正確解讀平面與垂直方向的特性差異，才能確保設計一次到位。

升級您的材料實驗室：DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案

要精準駕馭 5G/6G 材料量測，您需要一套能整合毫米波儀器、精密治具與自動化溫控的完整系統，奧創系統推出了全方位的 「DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案」，協助您從容應對毫米波挑戰，本系統採用開放式架構，完美支援 R&S ZNA/ZNB、Keysight 與 Anritsu 等主流品牌網分，無論您的實驗室既有設備為何，奧創系統皆能提供軟硬體整合服務，助您以最優化的預算升級 5G/6G 材料驗證能力。

了解更多：

• DK/DF 高頻介電材料特性量測整合式解決方案
• 高頻介電材料特性分析解決方案
• D 頻段介電質特性分析解決方案

立即聯繫奧創系統，預約 SCR 毫米波量測方案實機展示，讓您的 5G 產品贏在材料起跑點。