SCR (分裂圓柱諧振腔) 技術解析：如何在不切割樣品的情況下測量 5G 材料？

在 5G 毫米波 (mmWave) 與 77GHz 車用雷達的研發戰場上，材料工程師最不願意面對的場景之一，就是為了測試一塊昂貴的基板或薄膜，必須將其破壞性切割成微小的細條，塞入波導管中進行測量，這不僅浪費樣品，切割邊緣的毛邊更可能引入無法修正的誤差。

面對 10 GHz 至 80 GHz 以上的高頻段，是否有兩全其美的方案？既能保持樣品完整，又能達到共振腔等級的量測精度？分裂圓柱諧振腔 (Split Cylinder Resonator, SCR) 正是為解決此一痛點而生的關鍵技術；作為 IPC-TM-650 2.5.5.13 標準的指定方法，SCR 已成為驗證低損耗 (Low Loss) 電路板基材、雷達罩與軟性基板不可或缺的工具，本文目標在於從物理機制層面，剖析 SCR 如何在不接觸金屬壁的前提下，精準捕捉材料的介電指紋。

什麼是 SCR 分裂圓柱諧振腔？

SCR 的結構設計極具巧思，想像一個精密的金屬圓柱腔體，從中間水平切開分為上下兩個半腔，下半部固定，上半部則可垂直移動，測量時操作者只需將待測的平面樣品（如 PCB 基板、薄膜或片材）插入上下腔體之間的間隙 (Gap)，透過千分尺或精密機械結構調整閉合，夾持住樣品即可開始測量。

這種設計最大的優勢在於「非破壞性」 (Non-destructive)，樣品尺寸只需大於腔體直徑，無須切割成特定的小塊形狀，也無須在樣品表面鍍金或塗銀，這對於生產線上的抽樣檢查 (QC) 以及研發階段的快速篩選至關重要，因為測試後的樣品仍可繼續用於後續製程或保存。

物理核心：TE 模態與「消失」的接觸電阻

要理解 SCR 為何精準，必須探討其內部運作的電磁場模態，SCR 通常運作於系列模態（通常為或更高的模態），在這個模態下，電磁場具有兩個對量測極為有利的物理特性：

電場的「切線」分佈

在圓柱腔體內部，電場線並非垂直撞擊金屬壁或樣品表面，而是以同心圓的方式在水平面上流動，平行於樣品表面，根據電磁邊界條件，電場的切線分量在跨越介質邊界（空氣-樣品）時是連續的，這意味著即使樣品與金屬腔體之間存在微小的空氣隙，也不會像平行板電容法那樣產生巨大的垂直電場壓降誤差，因此 SCR 對樣品放置的平整度具有極佳的容忍力，消除了「空氣隙 (Air Gap)」這個高頻量測中的頭號殺手。

側壁電流為零

由於電場呈現環狀分佈，在圓柱金屬側壁上不會感應出垂直電流，也不存在流經上下腔體接縫處的電流，這代表上下兩個半腔體即使在物理上是分開的（中間夾著絕緣樣品），在電氣上卻不會因為電流被切斷而導致 Q 值（品質因子）劇烈下降，這種特性確保了 SCR 即使在「分裂」狀態下，仍能維持極高的 Q 值（通常 > 6000 甚至上萬），這是實現高靈敏度損耗量測的物理基礎。

頻率偏移與 Q 值衰減：解碼 Dk 與 Df

SCR 的量測原理是基於「微擾」概念的延伸，當我們將介電材料放入諧振腔中，材料的特性會改變腔體原本的儲能狀態，具體表現為兩個可觀測的物理量變化：

• 共振頻率的偏移 (Frequency Shift) → 決定介電常數 (Dk)：
  電磁波在介電材料中行進速度會變慢。當樣品插入腔體，原本的共振波長被「壓縮」，導致共振頻率向低頻移動。透過精確量測空腔頻率與放入樣品後的頻率之間的差值，配合樣品的厚度資訊，系統即可反推算出材料儲存電能的能力，即介電常數。

• 品質因子的下降 (Q-factor Drop) → 決定損耗因數 (Df)：
  品質因子 Q 代表系統「儲存能量」與「消耗能量」的比率。空的金屬腔體損耗極低（Q 值極高）。當放入有損耗的介電材料後，材料內部會將部分電磁能轉化為熱能，導致系統總能量耗散增加，Q 值顯著下降。

傳統的計算往往需要繁雜的數學推導，但在 SCR 系統中，透過量測空腔與負載後的 Q 值變化，並利用軟體自動扣除金屬壁的導體損耗，即可精確分離出材料本身的介電損耗 (Df)，SCR 對損耗角正切的解析度可達 甚至更精細的等級，這對於驗證 5G 低損耗材料至關重要。

覆蓋 5G 關鍵頻段：從 10 GHz 到 84 GHz

不同於 SPDR (分裂柱介電諧振器) 主要鎖定 20 GHz 以下的頻段，SCR 技術的強項在於向更高頻延伸，標準的 SCR 治具可覆蓋 10 GHz 至 60 GHz 的寬頻範圍，這涵蓋了 5G FR2 毫米波的主要頻段，而進階的 SCRN 系列治具，更將量測上限推升至 84 GHz。

這意味著研發工程師可以使用同一套測試方法論，從 X-Band 一路驗證到車用雷達 (77/79 GHz) 的頻段，且 SCR 支援多模態諧振，單一個治具腔體往往能在其頻寬內提供多個頻率點的數據（例如每隔 5-10 GHz 一個點），雖然不如傳輸線法連續，但其數據的「絕對準確度」遠高於寬頻掃描方法。

總結來說，SCR 分裂圓柱諧振腔技術透過巧妙的電磁場模態設計，解決了高頻材料測試中「非破壞性」與「高精確度」難以兼得的矛盾，它消除了氣隙誤差，並利用高 Q 值特性將微小的材料損耗放大至可觀測範圍，對於致力於開發 5G 毫米波基板、車用雷達天線罩以及低損耗高頻薄膜的研發團隊而言，SCR 不僅是符合 IPC 標準的合規工具，更是確保材料特性數據真實可靠的物理防線。

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