6G 次太赫茲（Sub-THz）與毫米波主動/被動元件的高頻網路分析與晶圓級（On-Wafer）量測

跨越頻譜荒原，邁向次太赫茲的微觀物理視界

隨著 5G 毫米波（mmWave）技術在 2026 年已步入成熟的商業化部署，全球通訊標準與國防航太領域的技術前緣，已無可避免地轉向了被稱為「頻譜最後荒原」的次太赫茲（Sub-Terahertz, Sub-THz）與太赫茲（THz）頻段。為了滿足 6G 網路對於每秒 Tbps 等級的超高資料吞吐量需求，以及新一代微型化武器尋標器與超高解析度成像雷達的嚴苛規格，系統運作頻率正從傳統的微波頻段，急遽攀升至 D 頻段（110 至 170 吉赫茲）、G 頻段（140 至 220 吉赫茲），甚至逼近 1.1 太赫茲的極端領域。

在這個波長僅剩下數百微米甚至數十微米的電磁波世界裡，傳統射頻工程的直覺與經驗法則已徹底失效。趨膚效應（Skin Effect）、介電損耗以及表面粗糙度對電磁波造成的物理散射，將主導所有主動與被動元件的效能。研發工程師在面對 100 吉赫茲以上的晶片與模組時，面臨的不再是單純的電路設計問題，而是極度複雜的材料科學與微波幾何物理學挑戰。

國際測試規範的極限收緊與 IEEE/3GPP 標準演進

針對運作於 100 吉赫茲以上頻段的收發器模組與射頻前端（RF Front-end），包含 IEEE 802.15.3d（全球首個次太赫茲通訊標準）以及 3GPP 第 19 與 20 版（Release 19/20）針對 6G 頻譜的前期研究規範，皆針對元件的「線性度」、「雜訊指數」與「頻帶外抑制能力」設下了幾近苛求的測試閾值。

規範之所以急遽收緊，主要源於兩大系統性瓶頸：

第一，連續超寬頻帶帶來的頻譜平坦度要求。

6G 標準動輒要求連續數十吉赫茲（GHz）的通道頻寬。在如此巨大的頻寬下，放大器與濾波器的頻率響應極易出現嚴重的振幅與相位漣波（Ripple）。法規嚴格限制了元件在整個通帶內的群延遲變異與增益平坦度，任何微小的阻抗不匹配，都會在時域上造成致命的符號間干擾（ISI），導致超高階調變訊號無法解調。

第二，嚴苛的帶外輻射與影像頻率抑制。

高頻元件廣泛採用倍頻與混頻技術來產生次太赫茲載波。這必然會伴隨產生大量的諧波（Harmonics）與混疊雜訊（Spurs）。為了防止這些不需要的輻射干擾相鄰通道或軍用氣象衛星的被動探測頻段（如 23.8 吉赫茲或特定太赫茲大氣吸收視窗），規範強制要求發射器必須具備極高的影像抑制比與諧波衰減能力。這將網路分析儀在超高頻段的動態範圍與雜訊底限逼向了基礎熱物理的極限。

工程實務上的「三大技術難題」

在實驗室內執行次太赫茲頻段的向量網路分析（Vector Network Analysis, VNA）與元件特性校準時，研發工程師遭遇了三大極難跨越的物理與量測瓶頸：

難題一：波導介面的機械幾何公差與晶圓級（On-Wafer）校準的數學平移災難

當頻率超越 100 吉赫茲，傳統的同軸電纜（Coaxial Cables）會因為過度嚴重的介電損耗與高次模態（Higher-order Modes）激發而完全失去傳輸能力。取而代之的是精密加工的矩形金屬波導（Rectangular Waveguides）。然而，波導的物理尺寸隨著頻率升高而等比例縮小。以 300 吉赫茲為例，其波導開口尺寸僅有不到一毫米寬。

在測試治具的組裝過程中，兩段金屬波導法蘭（Flange）之間只要存在微米（Micrometer）等級的機械錯位，或是鎖固螺絲的扭力有些微不平均，都會在接縫處產生強烈的電磁波反射與洩漏，形成無法預測的電壓駐波比（VSWR）惡化。 更為艱鉅的挑戰在於「晶圓級量測」（On-Wafer Measurement）。

對於 RFIC 開發者而言，必須將微型探針（Probes）精準降落在矽晶片或砷化鎵裸片上的微小焊墊上。為了消除探針與波導轉接頭帶來的巨大寄生效應，工程師必須執行複雜的穿透-反射-線（Thru-Reflect-Line, TRL）等進階校準演算法。如果我們用文字來描述這個數學概念：TRL 校準是透過量測數條實體長度極度精準的微帶線，利用矩陣運算將量測的「參考平面」從儀器端一路數學平移（Mathematical De-embedding）至探針的尖端。在高頻下，只要探針滑動接觸晶片時的壓力造成了幾微米的物理長度變化，這個數學平移矩陣就會徹底崩潰，導致量測到的散射參數（S-parameters）出現違反物理法則的偽訊號（例如被動元件的插入損耗顯示為正值）。

難題二：高倍頻架構下的極端轉換損耗與絕對動態範圍枯竭 （Dynamic Range Exhaustion）

次太赫茲的測試訊號無法由單一振盪器直接產生，必須依賴毫米波轉換器（mmWave Converters）內部的倍頻器（Multipliers）將微波訊號放大並倍頻至數百吉赫茲。在這個過程中，訊號能量會呈現指數級的衰減。

當工程師要測量一個高頻帶通濾波器（Bandpass Filter）的阻帶抑制（Stopband Rejection）能力時，面臨了「動態範圍枯竭」的嚴峻物理限制。動態範圍的定義是量測系統的最大輸出功率與接收機本底雜訊（Noise Floor）之間的差值。在 500 吉赫茲的頻段下，轉換器的輸出功率往往只有零點幾毫瓦甚至微瓦等級（例如 -10 dBm 以下）。若接收機的本底雜訊受限於熱雜訊極限無法進一步壓低，整個系統的動態範圍可能只剩下 50 到 60 分貝。如果待測濾波器的阻帶衰減高達 80 分貝，那麼穿透濾波器後的微弱訊號將完全被淹沒在網路分析儀的熱雜訊汪洋中。工程師將無法判斷該濾波器是真正達到了設計抑制標準，還是僅僅觸碰到了測試儀器的測量盲區，這對高頻雷達抗干擾元件的驗證是致命的盲點。

難題三：複雜混頻與差動電路的真實激發相位同調挑戰 （True Differential Stimulus and Phase Coherence）

現代 6G 晶片與高頻雷達接收前端大量採用平衡式（Balanced）差動架構，以抵銷偶數次諧波並提升抗共模雜訊能力。此外，次太赫茲系統中經常整合升降頻混頻器（Mixers），這使得元件的輸入與輸出頻率完全不同。

要驗證這些複雜的多埠與變頻元件，工程師面臨極大的挑戰。首先，針對差動電路，傳統的測試方法是單端注入訊號再利用數學矩陣轉換為差模響應，但這種「數學虛擬」的方法無法觸發放大器在真實大訊號大功率下的非線性壓縮行為。工程師需要「真實差動激發」（True Differential Stimulus），也就是儀器必須同時從兩個埠輸出兩組頻率完全相同、且相位精準相差 180 度的次太赫茲微波訊號。

在數百吉赫茲的頻段下，波長極短，要維持多個獨立訊號源之間的絕對相位同調（Phase Coherence）是一項幾近不可能的物理任務。任何測試線纜的溫度微小漂移、或是儀器內部合成器的細微相位抖動（Jitter），都會瞬間破壞 180 度的相位關係，導致測得的共模抑制比（CMRR）與增益嚴重失真。若缺乏具備多個內部獨立訊號源且能透過硬體直接鎖相的高階網路分析架構，工程師只能依賴外部的機械式移相器與混合環（Hybrid Couplers），這在次太赫茲頻段不僅造價高昂，且其本身的損耗與誤差往往大於待測物本身。

相關產品

面對 6G 次太赫茲與超高頻微波元件測試中最嚴苛的波導校準、動態範圍枯竭以及真實差動相位同調挑戰，Rohde & Schwarz (R&S) 提供了一系列擁有頂級射頻硬體架構與突破性擴頻技術的網路分析解決方案，協助高頻研發工程師穿透微波物理的極限迷霧。

R&S®ZNA 高階向量網路分析儀 (Vector Network Analyzer)

R&S®ZNA 是專為應對最複雜主動/被動元件特性分析而生的頂級測試平台，支援高達 110 GHz 的原生頻率範圍，並具備以下突破性優勢以解決上述難題：

• 多重內部訊號源與真實差動激發： R&S®ZNA 可選配高達四個內部相位同調（Phase Coherent）的獨立訊號源，無需外部繁瑣的合成器，即可直接在極高頻段輸出精準 180 度反相的微波訊號。完美滿足次太赫茲平衡式放大器的大訊號非線性壓縮與真實差動量測需求。

• 卓越的動態範圍與直接中頻存取 (Direct IF Access)： 具備領先業界的射頻效能與極低的軌跡雜訊，並提供直接中頻存取與前端本振 (LO) 輸出功能，這為搭配高頻擴頻器並最大化系統測量動態範圍奠定了最堅實的硬體基礎。

• 純觸控操作與進階校準管理： 獨特且直覺的純觸控介面結合強大的校準軟體，能輕鬆管理複雜的晶圓級去嵌入（De-embedding）與多埠 TRL 校準模型，大幅降低操作失誤帶來的相位平移災難。

R&S®ZCxxx 毫米波轉換器 (Millimeterwave Converters)

當研發需求跨越 110 GHz 進入 D 頻段、G 頻段甚至太赫茲領域時，R&S®ZCxxx 模組提供了無縫且強悍的頻率擴充方案，徹底解決高頻測試的功率與範圍痛點：

• 突破物理極限的高輸出功率與高動態範圍： 單一系列涵蓋從 50 GHz 飆升至 1.1 THz 的測試頻段（如 R&S®ZC1100 可達 1100 GHz）。透過精密的內部倍頻與低損耗波導設計，在超高頻段仍能提供相對極高的輸出功率（例如 110 GHz 時可達 +15 dBm 典型值），結合 ZNA 的超低雜訊接收機，可創造出驚人的動態範圍，讓工程師得以清晰觀察高頻濾波器最深層的阻帶衰減細節。

• 可變輸出功率與電子功率控制： 具備精細的可變輸出功率調節能力，允許工程師在次太赫茲頻段精確描繪主動放大器的增益壓縮曲線（Gain Compression），而不僅僅侷限於傳統的線性 S 參數測量。

• 自動參數設定與緊湊設計： 與 R&S 網路分析儀無縫整合，提供隨插即用的自動參數設定，極為緊湊的體積讓其能夠直接安裝於晶圓探針台（Probe Station）的微調座上，將測試埠與探針之間的波導長度縮至最短，徹底降低機械公差與電磁反射。

R&S®ZNB 向量網路分析儀 (Vector Network Analyzer)

若專注於 43.5 GHz 甚至 54 GHz 以下的 RF 元件研發與高產量生產線，R&S®ZNB 提供了兼具極致速度與精度的方案：

• 極致的掃描速度與寬廣動態範圍： 提供高達 140 dB 至 150 dB 的超大動態範圍，且擁有極短的掃描時間（例如掃描 401 點僅需 4 毫秒，或 R&S ZNB3000 在 1601 點下僅需 11.8 毫秒）。是量測高拒斥比濾波器以及多埠天線陣列（結合矩陣開關）時，提升產線吞吐量與保證量測良率的理想選擇。