FPOR (法布里-珀羅開放式諧振器)：邁向 6G 與 D-Band (110-170GHz) 的測試利器

在無線通訊技術從 5G 毫米波 (FR2) 跨入 6G 亞太赫茲 (Sub-THz) 的演進過程中，頻譜的開發戰線已經推進到了 D-Band (110 GHz 至 170 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「精確度」的物理戰爭。

當頻率高達 100 GHz 以上，電磁波的波長縮短至毫米級，傳統微波頻段使用的傳輸線法或封閉式金屬腔體，開始面臨物理極限，金屬波導的導體損耗急劇增加，且樣品尺寸要求微小至難以加工，更重要的是，6G 應用所需的低損耗材料（如石英、藍寶石或次世代高分子），其損耗因數 (Df) 往往低至萬分之一 (0.0001) 以下，在這種極端條件下，如何將材料的微弱訊號從背景雜訊中提取出來？

法布里-珀羅開放式諧振器 (Fabry-Pérot Open Resonator, FPOR) 正是解開這道難題的關鍵鑰匙，這項源自光學領域的技術，如今被轉化為毫米波與太赫茲頻段的測試利器，成為驗證 6G 關鍵材料特性的黃金標準；本文將帶您深入 FPOR 的運作機制，探討它如何在不破壞樣品的前提下，實現 D-Band 的超高靈敏度量測。

什麼是 FPOR？從光學到毫米波的跨界技術

FPOR 的結構設計與傳統的微波金屬腔體截然不同，它採用了一種「開放式」的架構，主要由兩個經過精密研磨的反射鏡面組成：通常是一個球面鏡和一個平面鏡，或者兩個球面鏡，彼此相對放置。

這種結構會在兩鏡之間形成一個開放的共振空間，當毫米波訊號耦合進入這個空間時，電磁波會在兩個鏡面之間來回反射，形成駐波，這與雷射共振腔的原理如出一轍，只不過這裡處理的是肉眼不可見的毫米波，這種設計最大的優勢在於它沒有側壁，這意味著電磁波不會像在金屬波導中那樣，因為接觸金屬側壁而產生巨大的導體損耗。

因此，FPOR 系統通常擁有極高的品質因子 (Q 值)，在 D-Band 頻段下，一個設計精良的 FPOR，其 Q 值可以輕易超過 100,000，甚至達到 200,000 以上，這比傳統傳輸線法的靈敏度高出數個數量級，使其能夠偵測到極低損耗材料所引起的微小能量變化。

核心物理機制：高斯光束與能量集中

要理解 FPOR 為何能測得準，必須先認識其內部獨特的電磁場分佈模式——高斯光束 (Gaussian Beam)；在 FPOR 共振腔中，電磁波並非均勻分佈，而是以特定的「TEM00q」高斯模態存在，這種模態的能量高度集中在共振腔的中心軸線上，並隨著徑向距離增加而呈高斯函數衰減，換句話說，電磁場最強的地方是在兩個鏡面正中央的「光束腰 (Beam Waist)」位置。

這種能量分佈特性對量測帶來了兩大優勢：

• 消除邊緣效應：
  由於能量集中在中心，樣品邊緣處的電磁場強度極弱，這意味著樣品的邊緣切割平整度不再是影響量測精度的關鍵因素，也不會像平行板法那樣產生邊緣電容效應。
• 極致的靈敏度：
  測試時，待測樣品被精確地放置在光束腰的位置，也就是電場最強的地方，這確保了電磁波與材料進行最充分的交互作用，從而將材料介電特性對共振頻率和 Q 值的影響最大化。

頻率偏移與 Q 值衰減：解碼 Dk 與 Df

FPOR 的量測原理同樣基於共振擾動理論，但其精度要求更高，當一片介電材料插入兩鏡之間的共振場中，會引發兩個主要的物理現象：

• 共振頻率的移動 (決定 Dk)：
  材料的介電常數 (Dk) 會改變電磁波在腔內的傳播速度（相速度），導致共振波長改變，進而使共振頻率發生偏移，系統透過建立精密的電磁模型，將量測到的頻率偏移量與樣品厚度進行比對，即可反推算出材料的 Dk 值，由於 FPOR 的頻譜非常純淨，頻率解析度極高（例如每 1.5 GHz 一個頻點），因此可以獲得高精度的 Dk 數據。

• 品質因子的下降 (決定 Df)：
  這是 FPOR 的強項所在，損耗因數 (Df) 的計算依賴於 Q 值的變化，背後的物理意義是：材料的損耗正比於「有樣品時的 Q 值倒數」減去「空腔時的 Q 值倒數」，再除以一個「電能填充因子」，這個電能填充因子代表了有多少比例的電磁能量實際儲存在樣品內部，由於 FPOR 的高斯光束將能量高度集中在樣品處，填充因子得以被精確計算，配合原本極高的空腔 Q 值，使得 FPOR 能夠測量損耗角正切低至 1.0 x 10^-4 (萬分之一) 的材料，且不確定度優於 5%，這對於驗證 6G 低損耗聚合物、單晶圓片或高頻 PCB 基板至關重要。

平面內異向性 (Anisotropy) 分析

除了精準度，FPOR 還具備一項其他共振腔難以企及的能力：偵測材料的平面內異向性 (In-plane Anisotropy)。

許多高頻基板材料（如加強纖維編織的層壓板）在物理結構上具有方向性，這導致其介電特性在 X 軸與 Y 軸方向上並不相同，傳統的 SPDR 或 SCR 通常量測的是平面內的平均值，難以區分這種差異。

FPOR 利用的高斯模態具有線性極化 (Linearly Polarized) 的特性，這意味著電場向量是固定在特定方向上的，當我們旋轉待測樣品時，如果材料存在異向性，共振頻率會隨著旋轉角度而發生變化，甚至在特定角度出現「模態分裂 (Mode Splitting)」現象——即一個共振峰分裂成兩個。

工程師只需旋轉樣品，觀察其中一個共振曲線的消長，即可分別測量出材料在不同軸向上的 Dk 與 Df 值，這對於設計對極化敏感的 6G 天線或雷達天線罩來說，是不可或缺的材料參數資訊。

適用於 110-170 GHz 的 6G 材料開發

FPOR 技術特別適用於 D-Band (110 GHz - 170 GHz) 的材料驗證，這是一個充滿挑戰的頻段，傳統的導波傳輸法在此頻段容易受到連接器重複性與傳輸損耗的干擾，而自由空間法 (Free Space Method) 雖然也是非破壞性，但對於低損耗材料的解析度往往不足，且容易受到多重反射的影響，FPOR 結合了共振腔的高靈敏度與開放式結構的便利性，能夠測試各種型態的平面材料，包括：

• 6G 通訊基板： 如低損耗聚合物、液晶高分子 (LCP)。
• 半導體晶圓： 如高阻矽、碳化矽 (SiC)、石英。
• 車用雷達材料： 針對未來更高頻段的雷達天線罩與透鏡材料。

FPOR 法布里-珀羅開放式諧振器透過光學級的精密架構與高斯光束的物理特性，成功克服了 D-Band 頻段下導體損耗與樣品尺寸的限制，它提供了目前業界在 110-170 GHz 頻段內，針對低損耗材料最精確的 Dk/Df 量測手段，對於致力於搶佔 6G 技術制高點的研發團隊而言，FPOR 不僅是一台儀器，更是透視材料微觀電氣特性的顯微鏡。

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理解了 FPOR 在 6G 頻段的強大優勢後，如何將其落實到實驗室的日常運作中？要駕馭 D-Band 的量測，您需要的不僅僅是一個治具，而是一套包含毫米波頻率擴展、精確 VNA 控制與複雜參數提取演算法的完整系統。

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非破壞性樣品特性分析 - TEM0,0,27 高斯模態 (f0 = 20.693 GHz)

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