5G|5G/6G时代低功耗的超宽带材料测量技术
国立产业技术综合研究所（以下简称“ AIST”）理事长石村和彦、AIST物理测量标准研究室室主任岛田洋蔵、电磁测量研究组主任研究员加藤悠人、高级研究员堀部雅弘为我们开发了一种测量技术 ， 可以方便地测量用于高频平板电路和其他应用的金属材料的电导率 ， 其超宽频段可达100GHz及以上 。
近年来 ， 毫米波电磁波在高速大容量无线通信中的应用不断扩大 。 在第五代(5G)移动通信系统商用化取得进展的同时 ， 第六代(6G)移动通信系统的研发也备受关注 。 因此 ， 为了保障6G的研发 ， 急需开发低功耗的先进材料 ， 来解决高频电路功耗的传输损耗会随着频率的增加而增加这一问题 。
在高频电路中 ， 整个电路的传输损耗是由介质基板的介电损耗和导体损耗决定的 ， 而导体损耗是由金属线的导电率决定的 。 虽然电介质的表面经过了粗化处理 ， 以保持金属和电介质之间的粘附力 ， 但在毫米波波段 ， 粗化会导致电导率的下降 。 但是 ， 由于传统的电导率测量需要一个由极小的电介质柱组成的谐振器 ， 而且测量只能在单一的频率下进行 ， 而这个频率是由电介质柱的大小决定的 。 与此同时 ， 在100GHz以上的频段内测量金属电导率的简单技术还没有建立起来 。 在本研究中 ， 研究员开发了一种电磁场分析算法 ， 可以根据其高阶模激励的共振特性的尖锐度 ， 精确地测定夹在金属箔和电介质基体之间的电介质谐振器的电导率 ， 并成功地测量了从10GHz到100GHz以上超宽频段的金属电导率 。 在广泛的应用范围内 ， 实现了与传统技术同等精度的简单易行的测量技术 。 新研发的技术有望加速5G和6G低功耗先进材料的发展 。
【5G|5G/6G时代低功耗的超宽带材料测量技术】
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图1：毫米波电导率测量用谐振器
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图2：新技术与传统电导率测量技术的比较
研究的社会背景：
5G技术于2020年3月起在日本投入商用 ， 实现了最高传输速度为10Gbps的超高速无线通信 。 为了提高5G业务的传输速度和容量 ， 采用了更高的工作频率 ， 日本已经分配了一个频段 ， 比如28GHz频段 ， 国际上也有协议为5G分配到171GHz 。 在5G商业化的同时 ， 全球范围内已经开始研发6G并预计在2030年左右推出 。 在6G中有望使用超过100GHz的毫米波频率 ， 以达到或超过5G速度的高速大容量通信 ， 但由于毫米波频段的电路传输损耗一般会随着频率的增加而增加 ， 因此开发低功耗的先进材料是实现6G的关键 。
在高频电路中 ， 整个电路的传输损耗由介质基体的介电损耗和金属线的导体和辐射损耗之和决定 。 因此 ， 发展低功耗的先进材料是实现6G的关键 。 在高频电路中 ， 整个电路的传输损耗由介质基体的介电损耗和金属线的导体和辐射损耗之和决定 。 虽然为了降低导体损耗 ， 需要提高导电率 ， 但为了保持金属和电介质之间的粘附力 ， 电介质表面的粗糙化一直是毫米波频段的问题（图3） 。 因此 ， 为了验证性能的改善 ， 需要精确测量100GHz及以上毫米波频段的金属导电率 。 然而 ， 传统的电导率测量需要一个介电谐振器 ， 其大小与频率成反比 ， 目前还没有建立一个简单的技术来测量100GHz以上频段的金属电导率 。
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图3：高频电路中的传输损耗
研究背景：
AIST在微波到毫米波波段的电介质测量方面已经达到了世界最高的精度水平 ， 并为开发低损耗电介质基板、降低高频电路中的介电损耗做出了贡献 。 在介电常数测量方面 ， 研究员采用了在介电基板之间设置金属圆盘的平衡型圆盘谐振器的测量方法 ， 开发出了可以测量170GHz以下超宽频段的介电常数的技术 。 该技术利用了在平衡盘谐振器中 ， 由于结构对称性 ， 只有某些电磁场模式被选择性激发的情况 。 另一方面 ， 为了降低高频电路的功耗 ， 降低介电损耗以及电导损耗是不可缺少的 ， 这就需要高精度的电导测量技术 。 但是 ， 由于测量频率的提高 ， 谐振器的尺寸已经缩小 ， 在考虑处理精度的研究方面 ， 毫米波段的实用电导率测量技术还没有建立起来 。 在本研究中 ， 研究员重点研究了平衡型盘式谐振器在超宽频带上的模式选择性 ， 并致力于开发一种利用等间距高阶模式谐振轻松测量超宽频带（从10GHz到100GHz以上）金属导电率的技术 。
研究内容：
平衡型盘式谐振器由两个介电基板之间的金属盘组成 。 当电源通过同轴线输入到谐振器中心时 ， 只有特定的谐振模式被选择性地激发 。 传统的做法是将已知电导率的铜盘和未知介电常数的介电基片组合成谐振器 ， 测量表示谐振尖锐度的Q值 ， 以测量超宽频带的介电常数 。 新开发的电导率测量利用两种平衡型盘式谐振器 ， 将相同的介电基片和不同的金属结合起来 ， 如图4所示 。
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图4：用于电导率测量的平衡型盘式谐振器
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图5：谐振波测量结果示例
图5上半部分显示了由已知电导率的参考铜盘和待测金属盘(黄铜和不锈钢)组成的谐振器中高达110GHz的谐振波形 。 由于平衡盘谐振器的超宽模式选择性 ， 证明只有某些谐振模式 ， 在所有谐振器中以相等的间隔出现 。 通过测量约16GHz的基模共振和约13GHz间隔出现的高模共振的共振特性 ， 确定了每个共振频率下的电导率 。 由于谐振器的供电机构所使用的同轴线的特性 ， 可以输入到谐振器中的信号频率被限制在110GHz ， 所以本研究将测量范围限制在110GHz 。 另一方面 ， 研究通过使用超细同轴线来测量介电常数 ， 演示了一个可以输入信号到170GHz的谐振器 ， 现在研究院也在尝试开发更高频率的电导率测量 。
下部分是第一、第四、第八模式的共振波形放大图 。 按电导率高的顺序 ， 即铜、黄铜、不锈钢 ， 谐振变得不那么尖锐 ， Q值减小 。 在本研究中 ， 研究员开发了一种电磁场分析算法 ， 可以通过分析由参考铜盘和待测金属盘组成的谐振器的Q值 ， 严格确定电导率 。 这种算法可以在10GHz到100GHz以上的超宽频段内精确测量金属导电率（下图6所示） 。
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图6：金属导电率测量结果示例
新开发的技术可以方便准确地测量超宽带内的电导率 ， 包括100GHz以上的毫米波频段 ， 这在以前是很难做到的 。 该测量技术有望加速先进材料的开发 ， 以降低毫米波电路板的电导损耗 ， 从而降低5G和6G的功耗 。
未来的研究计划：
该研究已经演示了独立金属盘的电导率测量 ， 研究员开发的技术原则上也可以应用于装有铜箔的电介质基板上的铜包层基板电导率测量 。 今后 ， 该组研究员将验证作为安装板使用的铜箔基板的电导率的测量 ， 以及以毫米（mm）为单位的铜箔基板的电导率的测量 。
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