Page 36 - 電路板季刊第110期

34 專業技術 材料高頻介電特性量測技術之發展 Development of High-Frequency Dielectric Properties Measurement Techniques for Materials

典型自由空間量測系統由 VNA、毫米波延伸模組、發射與接收天線、定位平台
及吸波材料構成。發射端產生準平面波，樣品置於場域均勻區後，接收端記錄經過材
料的傳輸與反射訊號。為避免多重反射與繞射效應，系統通常需在樣品周圍加裝吸波
體，並透過時域閘門（time gating）去除不必要的多徑訊號。由於量測為非接觸方
式，因此特別適合厚板、片狀或大面積樣品，不需額外加工成特定尺寸。

自由空間法的優勢包括：可進行連續掃頻，頻率範圍可由數 GHz 延伸至數百
GHz，並能在較寬的頻段內同時取得介電常數與損耗因子。此方法亦具備量測快速、
樣品製備簡單、可支援高溫或高濕等環境模擬條件的特性，因此常用於高分子基板、
天線基材、雷達吸波材料與複合材料之研究。然而，其限制在於量測解析度受限於訊
號對雜訊比（SNR）與定位精度，對於極低損耗或薄膜材料，靈敏度不足；此外，樣
品表面粗糙度、厚度誤差及邊界繞射亦會造成反演不確定度。
近年來，為改善準確度，自由空間法多結合聚焦透鏡系統以縮小波束，或利用
全向性場重建演算法以提升反演精度。同時，系統軟體亦可透過誤差修正模型（如
TRL、LRM 校正）降低系統性偏差。隨著 6G 及次太赫茲研究的推進，自由空間法因

其寬頻與高靈活性，已成為國際標準化組織（如 IEEE、IEC）建議的重要介電量測方
法之一。
綜合而言，自由空間法在厚板或中高損耗材料的高頻量測中展現顯著優勢，但在
低損耗精密應用中，仍需搭配共振腔法等高 Q 值量測技術互補。其未來發展將朝向更
高頻段（>300 GHz）、更高精度的反演演算法以及標準化測試平台，以滿足次世代通
訊材料開發之需求。

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市售系統主要有三家，第一家為日本 Keycom 公司具備多種形態之材料測試方
法與治具，可提供材料電磁特性之驗證；第二間為波蘭 QWED，其為SPDR 發明人
KrupKa 教授所屬之公司，產品主要包含SPDR、FPOR、TE01 cavity resonator等，
最後一間則為EM Lab ，他是專屬於儀器大廠Keysight 的治具供應商，主要治具包含
SCR、FPOR、Cavity等，這些也是目前市場上主要常見的治具，其銷售管道都需經
過Keysight。下面我們將簡介SCR、SPDR、FPOR這目前在市場上之主流產品。

由 EM Labs所推出的分離式柱狀共振腔（Split Cylinder Resonator, SCR） [7]，
是一種以單一頻率對應單一共振腔結構的高頻材料量測系統。其設計原理為在固定模
態下，透過量測樣品對腔體共振頻率與 Q 值的影響，反演出材料的介電常數與損耗
正切。由於腔體 Q 值極高，因此特別適合應用於介電損耗小於 0.01 的低損耗基板材
料。SCR 產品系列涵蓋 10 GHz 至 80 GHz，共配置 9 組不同頻率的腔體，每一頻率
對應不同尺寸與同軸接頭規格（如表二所列），以確保量測精度與穩定性。
SCR 的結構由左右兩個半圓柱形共振腔組成，量測時需將待測樣品置於腔體中央

並加壓夾緊，使樣品完全填充在電場區域中。這種方式特別適合具有一定柔性的基板材
料，例如軟性電路板（flexible PCB）或銅箔基板（copper clad laminates, CCL）。樣
品在夾持時能與腔體表面充分貼合，減少氣隙產生，進而提高量測再現性。