📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 5周 🛰️ 讓電波飛起來：電磁 × 微波 × 天線
——電波真正「飛起來」的物理工程
47／150單元： 微波電路製造 🛠 PCB／封裝／工藝
—— 5G、6G、Starlink 的硬體力量從哪裡生？
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🎯 單元導讀
在學完：
✔ Maxwell
✔ 天線
✔ S 參數
✔ 濾波器
✔ 相控陣
你應該開始注意到：
高頻下，只要「一點點」製造偏差，整個系統就會毀掉。
• 線寬偏 0.1 mm？→ 中頻還好，mmWave 直接爆
• 介電常數誤差？→ 濾波器中心頻率跑掉
• 焊錫太多？→ 匹配全毀
• 封裝引線太長？→ 變成電感，PA 效率跌
• PCB 層壓不均？→ 相控陣 phase error 上升
• 表面粗糙？→ mmWave 損耗激增
所以本章要講的是：
⭐ 無線硬體真正的底層「工藝」
⭐ 微波 PCB、封裝、材料、焊接、量產的技術系統
這是 5G/6G/LEO 的靈魂。
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🧠 一、高頻電路 vs 低頻電路：為什麼製造差這麼多？
低頻世界（數百 kHz / MHz）像泡麵：
怎麼煮都能吃。
微波世界（GHz–30GHz）像壽司：
一刀切歪一點就不行。
原因是：
原因在於電磁波的波長與頻率成反比：
λ = c / f
其中：
λ：波長
c：光速（約 3 × 10⁸ m/s）
f：頻率
• 3.5 GHz：λ ≈ 8.6 cm
• 28 GHz：λ ≈ 1.07 cm
• 60 GHz：λ ≈ 5 mm
因此：
線寬、via、腔體、封裝、介質的每一點誤差都會影響電磁場分布。
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🧩 二、微波 PCB 為什麼跟一般 PCB 不一樣？
一般 PCB（Digital）重視：
• 成本
• EMIRFI
• 走線靠寬度控制電流容量
微波 PCB 重視：
• 介電常數（εr）
• 損耗角（tan δ）
• 線寬＝精準控制傳輸線阻抗
• 表面粗糙會加大導體損
• 金屬厚度會影響匹配
• 板材溫度穩定度（Starlink 超重要）
微波 PCB = 一塊板子同時也是「電磁波導體」。
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📄 三、常見微波 PCB 材料（通訊工程必懂）
常見高頻 PCB / 基板材料整理
• FR-4
o 用途：Wi-Fi、低頻 RF
o 特性：成本低、易加工，但在高頻下介電損耗大，不適合毫米波
• Rogers 系列（如 RO4350）
o 用途：5G 基地台、微波電路
o 特性：介電常數 εr 較低、損耗小、穩定度佳，適合高頻應用
• PTFE（特氟龍）
o 用途：毫米波（mmWave）、高頻通訊
o 特性：超低介電損耗、電氣特性優異，但成本高、加工難度較大
• 陶瓷基板
o 用途：衛星通訊、雷達系統
o 特性：溫度與頻率穩定性最高，適合極端環境與高可靠度需求
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🛠 四、微波走線設計：線就是「電磁波管道」
常見的走線形式：
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① Microstrip（微帶線）
上銅／下接地
5G sub-6GHz 常用
優點：簡單
缺點：容易輻射、損耗較高
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② Stripline（帶狀線）
上下都是接地 → 夾心狀
mmWave/高密度板常用
優點：低輻射、穩定
缺點：製造難
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③ CPW（coplanar waveguide）共面波導 ⭐ 相控陣常用
GND SIGNAL GND
優點：走線密度高、可調共模、易於天線 feed
mmWave PA → 就是 CPW 走線。
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📦 五、RF 封裝：PA、LNA、Mixer 全靠它
高頻下，封裝決定性能。
常見封裝：
• QFN → 手機、CPE、RF 前端
• BGA → 高階 RFIC
• Flip-Chip → Starlink/6G 相控陣
• Waveguide Package → 衛星用
封裝引腳太長？→ 變電感
倒裝焊不平？→ phase mismatch
底板散熱差？→ PA 熱崩潰
因此 RF 封裝必須做到：
✔ Very short interconnect
✔ High thermal conductivity
✔ Grounding 完整
✔ Via stitching 密
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🧲 六、工藝誤差 vs 高頻失效：為什麼 mmWave 最難做？
微波元件的失效機制：
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① 線寬誤差 → 阻抗跑掉（S11 爆）
例：微帶線應該 1.14mm → 做成 1.20mm → 匹配全毀。
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② Via 太稀疏 → 不連續 → 反射（S21 掉）
Via 是接地牆。
Via spacing 不對 → 電場亂跑。
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③ 表面粗糙 → 損耗增大（特別在 Ka 波段）
肌膚效應（Skin Effect）讓高頻電流只走外層。
粗糙表面 → 阻抗不均 → 插損上升。
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④ 板材 εr 不穩定 → 濾波器中心頻率漂移
基地台濾波器每 0.1 誤差 → 頻率跑幾十 MHz。
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⑤ PA/LNA 焊點太大 → 引入寄生 RLC → 增益下降
尤其是 28GHz 以後，每 0.1mm 都是災難。
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🛰 七、Starlink／LEO 微波工藝到底有多硬？
三大挑戰：
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① 多層相控陣 → 20–40 層高速板
每層都要精準控制長度、相位、損耗。
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② 熱膨脹（CTE）不均 → 波束角度偏移
板料溫度上升 → 介電常數變
→ beam steering error → 鎖不到衛星
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③ 外太空溫度極端 → 材料要不變形、不吸水、不裂
所以 Starlink 使用：
PTFE、LCP、陶瓷、複合封裝。
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🏙 八、電信實務：微波工藝的重要性
CHT 的現場問題很多都與工藝有關：
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1️⃣ feeder + connector 工藝不良 → S11 爆 → PA 受傷
水氣進入 → 焊點氧化 → 匹配變差。
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2️⃣ 微波板材受潮 → εr 改變 → 濾波器中心偏移 → SINR 下滑
CHT 對濾波器的測試非常嚴格。
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3️⃣ Massive MIMO 陣列中任一通道焊點偏差 → 相位錯 → 波束歪掉
工藝失敗＝整塊 massive MIMO 毀掉。
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🎛 九、ASCII 圖：微波 PCB 與一般 PCB 差異
一般 PCB： ────── trace（不在意阻抗）
微波 PCB： ──▮▮▮──（線寬精準）──▮▮▮──（via stitch）──
一般焊點： ●
微波焊點： ●（尺寸受控、位置受控、寄生受控）
在一般 PCB 設計中，走線主要負責導通訊號，通常不需嚴格控制阻抗，只要電氣連接正確即可；相對地，微波 PCB 中的走線本身即是傳輸線，線寬、間距與參考平面必須精準設計以確保特性阻抗一致，並常搭配 via stitching 來維持回流路徑與電磁場的穩定。同樣地，一般焊點僅著重機械與電氣接合，而在微波電路中，焊點的尺寸、位置與形狀皆需受控，因其寄生電感與電容會直接影響阻抗匹配與高頻效能。
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🛠 十、CHT / 5G / mmWave 實務題
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1️⃣ 為什麼 28GHz mmWave 小基站對「PCB 表面粗糙度（Ra）」要求超高？
因為：
✔ Skin effect 讓高頻電流走外層
✔ 外層越粗 → 阻抗越變形 → 損耗越高 → S21 急速下降
mmWave 失效 70% 都是走線粗糙度造成的。
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2️⃣ 為什麼腔體濾波器比 PCB 濾波器更適合 CHT 宏基站？
因為：
• 更高 Q
• 更低插損
• 溫度穩定
• 結構強、不受 PCB 誤差影響
對於 3.5 GHz 這種頻段，腔體濾波器＝王者。
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3️⃣ 為什麼相控陣天線需要「多層 PCB + Flip-Chip 封裝」？
因為：
✔ 每個 path 要控制相位 → 長度偏差不可容忍
✔ Flip-chip 超短互連 → 低寄生
✔ 多層 PCB 才能做 feed network + 控制線路
這些全部都是工藝技術。
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✔ 十一、小結與啟示
📌 微波電路＝電磁工藝 × 材料工程 × PCB × 封裝 × 測試
📌 GHz/mmWave 系統對製造誤差極敏感
📌 材料（εr/tanδ）決定損耗與穩定度
📌 PCB、封裝、焊接，每 0.1mm 都會影響匹配與相位
📌 Starlink/LEO 之所以強，是因為工藝做到極致
📌 CHT 的基地台穩定度，也高度依賴 RF 工藝品質
一句話收尾：
⭐ 電磁波很聰明，但微波工藝才是讓它乖乖工作的魔法。
