突破 110GHz：如何利用 R&S ZCxxx 毫米波轉換器延伸測試頻率？

隨著 6G 通訊標準逐步往 D-Band (110-170 GHz) 甚至 G-Band (140-220 GHz) 推進，傳統基於同軸連接器 (Coaxial) 的測試系統面臨了無法跨越的物理障礙——1.0mm 接頭的截止頻率限制在 110 GHz，為了探索亞太赫茲 (Sub-THz) 的未知領域，研發實驗室必須轉向「波導 (Waveguide)」架構；本文將深入解析 R&S ZCxxx 毫米波轉換器系列 的運作原理，探討其如何透過 頻率倍頻 (Frequency Multiplication) 與 外差混頻 (Heterodyne Mixing) 技術，將標準 VNA 的測試能力無縫延伸至 1.1 THz，同時我們將剖析在高頻測試中至關重要的動態範圍 (Dynamic Range)、輸出功率控制以及波導校正技術，助您構建可靠的 6G 研發環境。

同軸電纜的終點，波導技術的起點

在射頻微波的世界裡，頻率與尺寸成反比，當我們使用的 VNA 同軸接頭從 3.5mm (26.5 GHz)、2.92mm (40 GHz)、2.4mm (50 GHz) 一路縮小到 1.85mm (67 GHz) 和 1.0mm (110 GHz) 時，我們已經觸碰到了精密機械加工的極限。

為什麼 110 GHz 是分水嶺？

1.0mm 同軸接頭是目前商用標準中能支援最高頻率的實體介面，其物理截止頻率約在 110 GHz，一旦超過此頻率同軸結構內的電磁波將產生高階模態 (Higher-order Modes)，導致訊號傳輸不可預測且損耗急劇增加，為了進入 6G 研究的 D-Band (110-170 GHz) 或更高頻段，我們必須捨棄同軸電纜，改用 金屬波導 (Rectangular Waveguide) 傳輸訊號，波導利用空氣作為介質，金屬壁作為邊界，具有極低的傳輸損耗，是亞太赫茲頻段的唯一選擇。

然而，標準的桌上型 VNA 本體通常僅支援到 67 GHz 或 110 GHz，要量測 170 GHz 或 330 GHz 的 S 參數，我們不需要購買一台「天價」的全新 THz VNA，而是可以透過外掛 「毫米波轉換器 (mmWave Converters)」 來實現頻率延伸，這正是 R&S ZCxxx 系列 存在的意義。

核心技術解密：頻率延伸的物理機制

毫米波轉換器並非單純的「天線」，它是一個複雜的頻率處理模組，包含了倍頻器、混頻器、濾波器與定向耦合器。其運作核心基於兩個主要過程：發射端的倍頻 與 接收端的降頻。

R&S ZCxxx 毫米波轉換器 (mmWave Converters)

發射路徑：倍頻 (Frequency Multiplication)

VNA 主機無法直接產生 140 GHz 的訊號，因此轉換器接收來自 VNA 的較低頻率射頻訊號 (RF Source)，並利用內部的 倍頻器 (Multiplier) 將頻率放大。

• 物理觀念：
  假設倍頻係數為 6 (x6)，VNA 只需要發出 20 GHz 的訊號，經過轉換器內部的非線性元件處理後，就能輸出 120 GHz 的測試訊號。
• R&S ZCxxx 的優勢：
  這些轉換器針對特定波導頻段（如 WR12, WR10, WR6.5）進行了最佳化設計，確保倍頻後的訊號純淨度，並有效抑制不需要的諧波 (Harmonics)。

接收路徑：外差混頻 (Heterodyne Mixing)

當 140 GHz 的測試訊號經過待測物 (DUT) 後，VNA 主機的接收器無法直接處理這麼高的頻率，此時轉換器扮演了 下變頻器 (Down-converter) 的角色。

• 物理觀念：
  轉換器利用一個來自 VNA 的 本地振盪訊號 (LO, Local Oscillator)，與接收到的高頻訊號進行混頻，根據混頻原理，會產生一個頻率較低的 中頻訊號 (IF, Intermediate Frequency)。
• 回傳處理：
  這個 IF 訊號（通常在 MHz 到 GHz 等級）通過電纜回傳給 VNA 主機進行數位化與分析。

透過這種「低頻進、高頻測、低頻回」的架構，R&S ZCxxx 讓一台標準的 R&S ZNA 或 ZVA 能夠「隔空」控制並分析高達 1.1 THz 的電磁波特性。

關鍵性能指標：在太赫茲頻段看見細節

在 100 GHz 以上的頻段，空氣吸收、波導損耗與待測物的插入損耗都會大幅增加，要在如此惡劣的訊號環境中取得可信數據，轉換器的性能至關重要。

高動態範圍 (High Dynamic Range)

動態範圍定義了系統能量測到的最大訊號與最小雜訊底層 (Noise Floor) 之間的比值。

• 挑戰：在 D-Band 或 G-Band，訊號每經過一公分的傳輸路徑都可能衰減數 dB，如果轉換器的動態範圍不足（例如只有 80 dB），當量測高隔離度的濾波器或低損耗材料時，訊號很容易淹沒在雜訊中。
• R&S ZCxxx 表現：該系列轉換器通常提供 >100 dB 甚至更高的動態範圍（視頻段而定），這意味著即使在測試 6G 濾波器的阻帶 (Stopband) 或高阻抗材料時，仍能保持極佳的訊號雜訊比 (SNR)，畫出清晰的 S21 曲線。

高輸出功率 (High Output Power)

為了對抗路徑損耗，發射端的功率必須足夠強。

• 物理現實：許多毫米波轉換器在高頻端的輸出功率會急劇下降，但 R&S ZCxxx 系列在設計上特別強化了輸出級，例如 R&S ZC140 (D-Band) 可提供典型值 +7 dBm 至 +9 dBm 的輸出功率。
• 應用價值：高功率輸出對於 OTA (Over-the-Air) 天線測試或需要穿透厚樣品的材料測試至關重要，它確保了有足夠的能量到達接收端，維持量測的穩定性。

功率控制與線性度 (Linearity)

雖然高功率很重要，但對於某些主動元件（如低雜訊放大器 LNA）或晶圓級測試 (On-wafer)，過大的功率會導致元件飽和或燒毀。

• 可變衰減器：
  R&S ZCxxx 系列配備了 手動或電子控制的衰減器，例如 R&S ZC140 提供 0 到 40 dB 的調整範圍。
• 電子功率控制 (Electronic Power Control)：
  搭配 R&S ZNA 的自動電平控制 (ALC) 功能，使用者可以在 VNA 介面上直接設定目標功率，系統會自動調整轉換器的增益，進行 功率掃描 (Power Sweep) 測試，這在量測放大器的 P1dB 壓縮點時是必備功能。

系統整合：R&S ZNA 的旗艦優勢

硬體只是基礎，如何讓使用者「無感」地操作這套複雜系統才是關鍵，R&S ZNA 高階向量網路分析儀 在設計之初就將毫米波擴充性納入考量。

R&S ZNA 向量網路分析儀專為航太、衛星測試應用而生，具備四個相位同調訊號源、170 dB 高動態範圍與 0.002 dB 超低追蹤雜訊，提供高效能、DUT 為中心的操作體驗，輕鬆應對複雜的射頻量測與生產任務。

後面板 LO 輸出 (Rear Panel LO)

傳統 VNA 外接轉換器時，往往需要額外的訊號產生器來提供 LO 訊號，或從前面板拉線，造成佈線混亂且不穩定， R&S ZNA 設計了專用的 後面板 LO 輸出介面 (Option ZNA-B8)，LO 訊號直接從機背傳輸給轉換器，前面板的測試埠保持乾淨，這種架構不僅減少了相位漂移，更支援 多達 4 個轉換器 的同時連接，實現真正的多埠毫米波測試（例如差分線路或多天線 MIMO 測試）。

軟體整合：像操作單機一樣簡單

在 R&S ZNA 的操作介面上，使用者只需在選單中勾選對應的轉換器型號（如 ZC170），系統會自動載入倍頻係數、功率限制與頻率對應表，VNA 螢幕上的頻率軸會直接顯示 110 GHz - 170 GHz，使用者無需在大腦中進行繁瑣的頻率換算。這種「隨插即用」的體驗，大幅降低了毫米波測試的入門門檻。

應用場景：從晶片到 6G 材料

利用 R&S ZCxxx 延伸頻率後，我們可以解鎖哪些關鍵應用？

6G D-Band 材料特性分析 (FPOR)

這是目前最熱門的應用，為了開發 6G 所需的低損耗基板，必須精確量測材料在 140 GHz 下的 Dk 與 Df。

• 解決方案：將一對 R&S ZC170 轉換器 連接至 法布里-珀羅開放式諧振器 (FPOR),。
• 運作：轉換器產生 D-Band 訊號，FPOR 形成高 Q 值的駐波場。透過分析放入樣品後的共振頻率偏移與 Q 值變化，可計算出精確的介電參數，ZC170 的高頻率穩定度與動態範圍，是解析 等級超低損耗因數的關鍵。

晶圓級量測 (On-Wafer Probing)

半導體晶片上的電路非常微小，必須透過顯微探針台 (Probe Station) 進行接觸。

• 挑戰：同軸電纜在 100 GHz 以上的損耗極大，若將 VNA 放在桌上，透過長電纜連接探針，訊號在到達晶片前就已衰減殆盡。
• 優勢：R&S ZCxxx 轉換器體積緊湊，可以直接安裝在探針台的顯微鏡支架上，最大限度縮短波導與探針之間的距離。這大幅減少了路徑損耗，提高了 S 參數量測的準確度。

天線與 OTA 測試

對於車用雷達或 6G 陣列天線，需要量測遠場輻射場型。

• 配置：利用 ZCxxx 的高輸出功率作為發射源，另一端作為接收源，進行轉台掃描。高動態範圍確保了在天線旁瓣 (Side-lobe) 或零點 (Null) 處仍能測得有效數據。

未來的頻譜，現在就能掌握

110 GHz 曾是射頻工程師的「不可逾越之牆」，但隨著 R&S ZCxxx 毫米波轉換器 的成熟，這道牆已被打破。透過精密設計的波導元件、倍頻混頻架構以及與 R&S ZNA 的深度整合，實驗室可以輕鬆將測試能力延伸至太赫茲領域；對於致力於 6G 通訊、車用雷達與先進半導體研發的團隊而言，投資一套具備頻率延伸能力的 VNA 系統，不僅是滿足當下的測試需求，更是為未來 10 年的技術競爭力佈局，從 WR15 (50-75 GHz) 到 WR1.0 (750-1100 GHz)，R&S ZCxxx 系列提供了一張通往未來的完整頻譜地圖。

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