JP2006214833A - Resonator exciting method and measuring method of electromagnetic physical property values - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は共振器の励振方法及び電磁気的物性値の測定方法に関するもので、特に30GHz以上のミリ波領域で電子部品として使用するメタライズ同時焼成誘電体基板におけるメタライズの導電率と誘電体基板の誘電定数等の測定方法に関するものである。 The present invention relates to a resonator excitation method and an electromagnetic property measurement method, and in particular, the metallized conductivity and the dielectric substrate dielectric in a metallized co-fired dielectric substrate used as an electronic component in a millimeter wave region of 30 GHz or more. It relates to a method for measuring constants and the like.
近年においては、移動体通信技術の発展、普及に伴い、マイクロ波回路構成用の誘電体基板の誘電定数測定法が強く求められている。誘電体基板のマイクロ波における誘電定数測定法は種々提案されているが、その中でも空洞共振器法(JIS R 1641、2002年制定)は高精度測定法として認知されている。空洞共振器法では基板の面方向の誘電定数が測定される。 In recent years, with the development and popularization of mobile communication technology, there is a strong demand for a dielectric constant measurement method for dielectric substrates for microwave circuit configuration. Various methods for measuring dielectric constants of microwaves on dielectric substrates have been proposed. Among them, the cavity resonator method (JIS R 1641, established in 2002) is recognized as a high-precision measurement method. In the cavity resonator method, the dielectric constant in the surface direction of the substrate is measured.
一方、セラミックスが電子部品として使用される場合、同時焼成技術により、メタライズとセラミックスが同時に焼成され、電子部品を構成する場合が多い。この場合、セラミックスの誘電定数は、セラミックスだけで焼成した場合との焼成条件の違いや、メタライズとの相互拡散により変化する可能性があるので、誘電定数測定は同時焼成体による試料で測定する必要がある。 On the other hand, when ceramics are used as an electronic component, the metallization and the ceramic are often fired at the same time by the simultaneous firing technique to constitute an electronic component. In this case, the dielectric constant of ceramics may change due to differences in firing conditions compared to firing with ceramics alone or due to interdiffusion with metallization. There is.
しかしながら、前記空洞共振器法で測定できる試料は誘電体単体の基板であり、メタライズと同時焼成されたセラミックス基板の測定はできない。メタライズと同時焼成されたセラミックス基板の誘電特性を測定する方法として、入出力用マイクロストリップラインからギャップ結合で励振検波されるリング共振器を利用した測定法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、非特許文献1では、共振器は入出力用マイクロストリップラインからギャップ結合で励振検波が行われており、このような方法では、励振検波効率が固定されるため、共振点のインサーションロスを好適な値(例えば−20から−50dB)に調整することが困難であるという問題があった。
However, in
さらに、近年においては、より高周波での電磁気的物性値の測定が要求されるようになっているが、上記非特許文献1では2GHz以下での測定(共振)となっており、特に、30GHz以上のミリ波帯では、従来の励振方法では、インサーションロスを好適な値に調整できないため、測定が困難であった。これにより、非特許文献1のような測定法では、30GHz以上のミリ波帯の誘電特性を測定することが困難であった。
Furthermore, in recent years, the measurement of electromagnetic property values at higher frequencies has been required, but in the
本発明は、インサーションロスを容易に調整できる共振器の励振方法、及びメタライズと同時焼成されたセラミックスにおける、メタライズやセラミックスの電磁気的物性値を30GHz以上のミリ波帯で精度よく測定できる電磁気的物性値の測定方法を提供することを目的とする。 The present invention provides an excitation method for a resonator that can easily adjust insertion loss, and an electromagnetic property that can accurately measure the electromagnetic properties of metallized ceramics and ceramics simultaneously fired with metallized in the millimeter wave band of 30 GHz or higher. It aims at providing the measuring method of a physical-property value.
本発明の共振器の励振方法は、誘電体基板の一方の面に共振導体が形成され、前記誘電体基板の他方の面にグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振することを特徴とする。共振器としては、マイクロストリップラインリング共振器或いはマイクロストリップライン共振器がある。 According to the resonator excitation method of the present invention, a resonator having a resonant conductor formed on one surface of a dielectric substrate and a ground conductor formed on the other surface of the dielectric substrate is connected to a loop having a diameter of 0.6 mm or less. It is characterized by being excited by an antenna. As the resonator, there is a microstrip line ring resonator or a microstrip line resonator.
また、本発明の共振器の励振方法は、誘電体基板の一方の面に共振導体とグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振することを特徴とする。共振器としては、コプレナーラインリング共振器、コプレナーライン共振器がある。 The resonator excitation method of the present invention is characterized in that a resonator having a resonance conductor and a ground conductor formed on one surface of a dielectric substrate is excited by a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less. As the resonator, there are a coplanar line ring resonator and a coplanar line resonator.
さらに、本発明の共振器の励振方法は、誘電体基板の内部に共振導体が形成され、前記誘電体基板の両面にグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振することを特徴とする。共振器としては、ストリップラインリング共振器、ストリップライン共振器がある。 Furthermore, the resonator excitation method of the present invention includes a resonator in which a resonant conductor is formed inside a dielectric substrate and ground conductors are formed on both surfaces of the dielectric substrate with a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less. It is characterized by excitation. As the resonator, there are a stripline ring resonator and a stripline resonator.
さらに、本発明の共振器の励振方法は、共振器の共振周波数fが30GHz以上であることを特徴とする。共振器の共振周波数fが30GHz以上である場合には、従来のギャップ結合による励振では、励振効率を調整できないため、励振が困難になるが、本発明の共振器の励振方法では、本来励振が困難なリング共振器やストリップライン共振器等の共振周波数の高い高次モードであっても、直径の小さな、特に0.6mm径以下のループアンテナを用いることにより、30GHz以上においても励振検波が可能となる。 Furthermore, the resonator excitation method of the present invention is characterized in that the resonance frequency f of the resonator is 30 GHz or more. When the resonance frequency f of the resonator is 30 GHz or more, excitation is difficult because the excitation efficiency cannot be adjusted by the conventional excitation by gap coupling. However, in the excitation method of the resonator according to the present invention, excitation is inherently not possible. Even in high-order modes with high resonance frequency such as difficult ring resonators and stripline resonators, excitation detection is possible even at 30 GHz or higher by using a loop antenna with a small diameter, especially 0.6 mm or less. It becomes.
即ち、従来のリング共振器等の平面回路共振器の励振検波は、入出力用ラインと共振導体の間に設けられたギャップによる結合が用いられてきた。ギャップ結合では共振点のインサーションロス(−20から−50dBが好適)を調整することが難しいが、本発明では同軸ケーブル先端に設けられたループアンテナを用いることにより、ループアンテナの位置を微調整できるので、共振器の励振検波を容易に行うことができ、特に、直径が0.6mm以下のループアンテナを用いることにより、30GHz以上においても励振検波が可能となる。 That is, for the excitation detection of a conventional planar circuit resonator such as a ring resonator, coupling by a gap provided between the input / output line and the resonant conductor has been used. With gap coupling, it is difficult to adjust the insertion loss at the resonance point (preferably -20 to -50 dB). In the present invention, the position of the loop antenna is finely adjusted by using the loop antenna provided at the end of the coaxial cable. Therefore, the excitation detection of the resonator can be easily performed. In particular, the excitation detection can be performed even at 30 GHz or more by using a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less.
また、本発明者等は、ライン幅が0.5mm以上のリング共振器等の高次モードをループ径の小さなループアンテナで励振し、共振周波数と無負荷Qを測定することで、メタライズと同時焼成されたセラミックス基板における、セラミックスの比誘電率、誘電正接、メタライズの導電率等の電磁気的物性値を30GHz以上のミリ波帯で精度よく測定できることを見出し、本発明に至った。 In addition, the inventors have excited a higher order mode such as a ring resonator with a line width of 0.5 mm or more with a loop antenna having a small loop diameter, and measured the resonance frequency and no-load Q, thereby simultaneously with metallization. The present inventors have found that electromagnetic property values such as the relative dielectric constant, dielectric loss tangent, and metallization conductivity of a ceramic substrate that has been fired can be accurately measured in the millimeter wave band of 30 GHz or higher.
即ち、本発明の電磁気的物性値の測定方法は、誘電体基板の一方の面に共振導体が形成され、前記誘電体基板の他方の面に、前記共振導体と同じ電磁気的物性値を有するグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振検波し、前記共振器の共振周波数fと無負荷Q値Quを測定し、該共振周波数fと無負荷Q値Quの測定値に基づき、前記誘電体基板及び/又は前記共振導体の電磁気的物性値を算出することを特徴とする。このような測定法に用いられる共振器としては、ストリップラインリング共振器、ストリップライン共振器があり、これらの共振器においてライン幅が0.5mm以上であることが望ましい。 That is, according to the method for measuring an electromagnetic property value of the present invention, a resonant conductor is formed on one surface of a dielectric substrate, and a ground surface having the same electromagnetic property value as that of the resonant conductor is formed on the other surface of the dielectric substrate. The resonator on which the conductor is formed is excited and detected with a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less, and the resonance frequency f and the unloaded Q value Qu of the resonator are measured. An electromagnetic property value of the dielectric substrate and / or the resonant conductor is calculated based on a measured value. As resonators used in such a measuring method, there are a stripline ring resonator and a stripline resonator, and it is desirable that the line width of these resonators is 0.5 mm or more.
また、本発明の電磁気的物性値の測定方法は、誘電体基板の一方の面に共振導体と、前記共振導体と同じ電磁気的物性値を有するグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振検波し、前記共振器の共振周波数fと無負荷Q値Quを測定し、該共振周波数f及び無負荷Q値Quの測定値に基づき、前記誘電体基板及び/又は前記共振導体の電磁気的物性値を算出することを特徴とする。このような測定法に用いられる共振器としては、コプレナーラインリング共振器、コプレナーライン共振器があり、コプレナーラインリング共振器、コプレナーライン共振器においてライン幅が0.5mm以上であることを特徴とする。 In addition, according to the method for measuring an electromagnetic property value of the present invention, a resonator in which a resonant conductor and a ground conductor having the same electromagnetic property value as the resonant conductor are formed on one surface of a dielectric substrate has a diameter of 0. Excitation detection is performed with a loop antenna of 6 mm or less, and the resonance frequency f and the unloaded Q value Qu of the resonator are measured. Based on the measured values of the resonance frequency f and the unloaded Q value Qu, the dielectric substrate and / or An electromagnetic property value of the resonant conductor is calculated. As a resonator used in such a measurement method, there are a coplanar line ring resonator and a coplanar line resonator, and the line width of the coplanar line ring resonator and the coplanar line resonator is 0.5 mm or more. It is characterized by that.
さらに、本発明の電磁気的物性値の測定方法は、誘電体基板の内部に共振導体が形成され、前記誘電体基板の両面に、前記共振導体と同じ電磁気的物性値を有するグラウンド導体が形成された共振器を、直径0.6mm以下のループアンテナで励振検波し、前記共振器の共振周波数fと無負荷Q値Quを測定し、該共振周波数fと無負荷Q値Quの測定値に基づき、前記誘電体基板及び/又は前記共振導体の電磁気的物性値を算出することを特徴とする。このような測定法に用いられる共振器としては、マイクロストリップラインリング共振器、マイクロストリップライン共振器があり、マイクロストリップラインリング共振器、マイクロストリップライン共振器においてライン幅が0.5mm以上であることが望ましい。 Further, according to the method for measuring an electromagnetic property value of the present invention, a resonant conductor is formed inside a dielectric substrate, and ground conductors having the same electromagnetic property value as the resonant conductor are formed on both surfaces of the dielectric substrate. The resonator is excited and detected with a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less, and the resonance frequency f and the unloaded Q value Qu of the resonator are measured. Based on the measured values of the resonance frequency f and the unloaded Q value Qu. The electromagnetic property value of the dielectric substrate and / or the resonant conductor is calculated. As a resonator used in such a measurement method, there are a microstrip line ring resonator and a microstrip line resonator, and the line width of the microstrip line ring resonator and the microstrip line resonator is 0.5 mm or more. It is desirable.
また、本発明の電磁気的物性値の測定方法は、共振周波数f及び無負荷Q値Quに基づき、共振導体の導電率、誘電体基板の比誘電率及び誘電正接のうち少なくとも一種の電磁気的物性値を算出することを特徴とする。 The method for measuring an electromagnetic property value of the present invention is based on the resonance frequency f and the no-load Q value Qu, and at least one of the electromagnetic property of the conductivity of the resonance conductor, the relative dielectric constant of the dielectric substrate, and the dielectric loss tangent. A value is calculated.
本発明の電磁気的物性値の測定方法は、リング共振器やストリップライン共振器等において、ライン幅が0.5mm以上であれば、スクリーン印刷工法で形成された共振導体であっても端面の凹凸の効果を受けずに電磁気的物性値を測定できることを利用している。即ち、発明者らは、スクリーン印刷工法で形成されたリング共振器やストリップライン共振器では共振導体の端面の凹凸が激しく、ライン幅が0.5mm以下では、端面の凹凸効果により誘電体の比誘電率、誘電正接が大きく測定されることを発見した。図9はガラスセラミックスと銅メタライズの同時焼成により作成された、直径10mm、ライン幅0.1から2.0mm、誘電体厚さ0.3mmのリング共振器の高次モードの共振周波数fを測定し、比誘電率を計算した結果であり、比誘電率のライン幅依存性を示している。ライン幅が小さくなると電流分布がラインの端により集中するため、スクリーン印刷工法によるライン端面の凹凸の大きい部分に電流が集中することで電流経路が長くなり、結果として比誘電率が大きく測定されるものと推測している。 The method for measuring electromagnetic property values according to the present invention can be used for ring resonators, stripline resonators, etc., as long as the line width is 0.5 mm or more. It is possible to measure the electromagnetic property value without receiving the effect of. That is, the inventors found that the ring resonator and stripline resonator formed by the screen printing method have severe irregularities on the end face of the resonant conductor. It was discovered that dielectric constant and dielectric loss tangent are greatly measured. FIG. 9 shows the measurement of the resonance frequency f of the higher-order mode of a ring resonator having a diameter of 10 mm, a line width of 0.1 to 2.0 mm, and a dielectric thickness of 0.3 mm prepared by simultaneous firing of glass ceramics and copper metallization. This is the result of calculating the relative permittivity, and shows the dependence of the relative permittivity on the line width. When the line width is reduced, the current distribution is concentrated at the end of the line. Therefore, the current path becomes longer by concentrating the current on the uneven portion of the line end surface by the screen printing method, and as a result, the relative dielectric constant is measured to be large. I guess that.
また、本発明の電磁気的物性値の測定方法では、誘電体基板がセラミックス又はガラスセラミックスからなり、共振導体とグラウンド導体がスクリーン印刷工法等で印刷され、同時焼成されて一体化されていることを特徴とする。これにより、メタライズと同時焼成するセラミックスにおいて、より現実に即した状態で電磁気的物性値を測定できる。さらに、支持基板及び共振器が同時焼成されて一体化されていることにより、誘電体層が薄く、単層では共振器が形成できない場合にも、支持基板上に共振器を同時焼成で一体形成することにより、測定に用いる試料を、容易に現実に即した状態(実際に用いられる厚さ)で作製できる。 In the method for measuring electromagnetic property values according to the present invention, the dielectric substrate is made of ceramics or glass ceramics, and the resonant conductor and the ground conductor are printed by a screen printing method or the like, and are simultaneously fired and integrated. Features. Thereby, the electromagnetic property value can be measured in a more realistic state in the ceramic that is fired simultaneously with the metallization. In addition, because the support substrate and resonator are fired and integrated, the dielectric layer is thin, and even if a single layer cannot form a resonator, the resonator is integrally formed on the support substrate by simultaneous firing. By doing so, the sample used for the measurement can be easily produced in a state that is realistic (thickness that is actually used).
さらに、本発明の電磁気的物性値測定方法によれば、共振周波数f及び無負荷Q値Quの温度依存性を測定し、電磁気的物性値の温度依存性を得ることもできる。また、本発明の電磁気的物性値の測定方法は、ミリ波帯において有効であり、特に共振周波数が30GHz以上である場合に好適である。 Furthermore, according to the electromagnetic property value measuring method of the present invention, the temperature dependency of the resonance frequency f and the no-load Q value Qu can be measured to obtain the temperature dependency of the electromagnetic property value. In addition, the method for measuring an electromagnetic property value of the present invention is effective in the millimeter wave band, and is particularly suitable when the resonance frequency is 30 GHz or more.
次に本発明の電磁気的物性値測定方法の計算方法について述べる。本発明の電磁気的物性値測定方法では、リング共振器等の共振周波数f及び無負荷Q値Quを測定し、これらのデータを用いて、FEM等の数値解析により、リング導体の導電率、誘電体基板の比誘電率及び誘電正接のうち少なくとも一種の電磁気的物性値を算出できる。 Next, a calculation method of the electromagnetic property value measuring method of the present invention will be described. In the electromagnetic property value measuring method of the present invention, the resonance frequency f and the no-load Q value Qu of a ring resonator or the like are measured, and by using these data, numerical analysis such as FEM is performed to determine the conductivity and dielectric of the ring conductor. It is possible to calculate at least one electromagnetic property value of the relative dielectric constant and the dielectric loss tangent of the body substrate.
誘電体基板の比誘電率の算出のためには、想定される範囲で比誘電率と共振周波数の関係をFEM等の数値解析で求めておき、この関係を適当な関数で近似し、この近似関数と共振周波数fの測定値から比誘電率を算出できる。また、リング導体の導電率、誘電体基板の誘電正接の算出のためには、共振器の形状因子Gや誘電体基板の電界エネルギー集中率PeをFEMで計算し、このG、PeとQuの測定値からリング導体の導電率、誘電体基板の誘電正接を算出できる。 In order to calculate the relative permittivity of the dielectric substrate, the relationship between the relative permittivity and the resonance frequency is obtained by numerical analysis such as FEM within an assumed range, and this relationship is approximated by an appropriate function. The relative dielectric constant can be calculated from the measured value of the function and the resonance frequency f. For calculating the conductivity of the ring conductor and the dielectric loss tangent of the dielectric substrate, the resonator form factor G and the electric field energy concentration rate Pe of the dielectric substrate are calculated by FEM. From the measured values, the conductivity of the ring conductor and the dielectric loss tangent of the dielectric substrate can be calculated.
本発明の共振器の励振方法によれば、共振器を30GHz以上の周波数で容易に励振できる。また、本発明の電磁気的物性値の測定方法によれば、従来困難であったメタライズとの同時焼成体の30GHz以上における誘電特性測定を実現できる。 According to the resonator excitation method of the present invention, the resonator can be easily excited at a frequency of 30 GHz or more. Moreover, according to the method for measuring electromagnetic property values of the present invention, it is possible to realize dielectric property measurement at 30 GHz or more of a co-fired body with metallization, which has been difficult in the past.
本発明の電磁気的物性値の測定方法を、図1を用いて説明する。先ず、測定試料として、測定に用いる図1に示すマイクロストリップラインリング共振器Aを作製する。 The method for measuring electromagnetic property values of the present invention will be described with reference to FIG. First, a microstrip line ring resonator A shown in FIG. 1 used for measurement is prepared as a measurement sample.
リング共振器Aは、共振導体であるリング導体1と、誘電体基板2と、グラウンド導体3とを具備して構成されており、これらのマイクロストリップラインリング共振器Aは支持基板4上に形成されている。リング導体1とグラウンド導体3は、同一材料から構成されており、同じ電磁気的物性値を有している。
The ring resonator A includes a
即ち、誘電体基板2の上面にリング導体1が形成されており、誘電体基板2と支持基板4との間にはグラウンド導体3が形成されている。リング導体1の直径Dはリング導体の幅の中央間距離を示している。
That is, the
マイクロストリップラインリング共振器Aの放射損が無視できない場合には、図2に示すように、マイクロストリップラインリング共振器Aを囲む遮蔽導体5を設置することが望ましい。この遮蔽導体5は、マイクロストリップラインリング共振器A全体を囲むように構成され、中空円筒導体の端面に導体板を付加した構造などが好適である。 When the radiation loss of the microstrip line ring resonator A cannot be ignored, it is desirable to install a shielding conductor 5 surrounding the microstrip line ring resonator A as shown in FIG. The shield conductor 5 is configured to surround the entire microstrip line ring resonator A, and a structure in which a conductor plate is added to the end surface of the hollow cylindrical conductor is suitable.
測定試料の誘電体基板がセラミックス、ガラスセラミックスからなる場合には、マイクロストリップラインリング共振器Aは同時焼成して形成されたり、誘電体基板2にリング導体1、グラウンド導体3を焼き付けて形成される。即ち、基板成形体に導体パターンを形成し、同時焼成したり、焼成された誘電体基板に、導体パターンを形成し、高温で焼き付けてマイクロストリップラインリング共振器が形成される。同時焼成の場合には、支持基板4もマイクロストリップラインリング共振器Aと同時焼成することができ、マイクロストリップラインリング共振器の作製が特に容易となる。
When the dielectric substrate of the measurement sample is made of ceramics or glass ceramics, the microstrip line ring resonator A is formed by simultaneous firing or formed by baking the
また、測定試料の誘電体基板が有機樹脂からなる場合には、マイクロストリップラインリング共振器Aは、誘電体基板2と、リング導体1、グラウンド導体3が接合、または圧着されて形成される。いずれの場合にも、共振電磁界が放射しないように、リング導体1、グラウンド導体3の厚みは少なくとも5μm以上、特に10μm以上が望ましい。
When the dielectric substrate of the measurement sample is made of an organic resin, the microstripline ring resonator A is formed by bonding or press-bonding the
図1ではグラウンド3は誘電体基板2の下面全面に形成されているが、リング導体1の下方に形成されていれば、誘電体基板2の下面の一部に形成されていても良い。より具体的には、グラウンド3は、リング導体1のリング幅の3倍以上のリング幅を有するリング状グラウンド導体としても良い。
In FIG. 1, the
以下に、導電率及び誘電定数の測定工程について説明する。先ず、リング共振器を、同軸ケーブル10の先端に形成された直径0.6mm以下のループアンテナ11により励振し、対向する位置に設けられた検波用の直径0.6mm以下のループアンテナ11により検波し、マイクロストリップラインリング共振器の共振周波数f、無負荷Q値Quを求める。ループアンテナ11の直径は、図3(b)に示すように、ループアンテナの最大長さによって規定される。
Below, the measurement process of electrical conductivity and a dielectric constant is demonstrated. First, the ring resonator is excited by a
このループアンテナ11は、図3に示すように、同軸ケーブル10の先端に形成されており、ループアンテナ11の一方端は、同軸ケーブル10の中心導体に接続されており、他方端は、同軸ケーブル10の外部導体にハンダ12等により接続されている。尚、(a)は側面図、(b)は、(a)を上方から見た図、(c)は(a)を斜めから見た図である。
As shown in FIG. 3, the
このようなループアンテナ11の直径を変化させて、リング共振器を励振して得られた波形図を、図4、5に示す。図4は、直径1mmのループアンテナにより、ガラスセラミックスと銅メタライズの同時焼成により作成された、直径D=10mm、ライン幅W=0.5mm、誘電体厚さd=0.3mmのマイクロストリップラインリング共振器を励振して得られた波形図である。30GHz以上ではノイズレベルが上昇していることが分かる。このようなノイズレベルの上昇は特に無負荷Q値Quの測定精度の低下の原因になる。一方、図5は直径0.6mmのループアンテナにより、図1と同じマイクロストリップラインリング共振器を励振して得られた波形図である。30GHz以上においてもノイズレベルの上昇は認められず、良好な共振波形が得られていることが判る。
Waveform diagrams obtained by exciting the ring resonator by changing the diameter of the
図4では周波数の上昇とともに電磁場の波長は小さくなるので、アンテナもこれに伴い小さくしないと、共振電磁場以外の不要な信号を検波するため、ノイズレベルが上昇しているものと考えられる。図5では直径0.6mmのループアンテナを用いることにより、共振電磁場以外の不要な信号を検波せず、良好なノイズレベルを実現している。図4,5の結果より直径が0.6mm以下のループアンテナによれば30GHz以上において、共振電磁場以外の不要な信号を検波せず、良好なノイズレベルを実現できることがわかる。 In FIG. 4, since the wavelength of the electromagnetic field decreases with increasing frequency, it is considered that the noise level is increased because unnecessary signals other than the resonant electromagnetic field are detected unless the antenna is also reduced accordingly. In FIG. 5, by using a loop antenna having a diameter of 0.6 mm, an unnecessary signal other than the resonance electromagnetic field is not detected, and a good noise level is realized. 4 and 5, it can be seen that a loop antenna having a diameter of 0.6 mm or less can realize a good noise level without detecting unnecessary signals other than the resonance electromagnetic field at 30 GHz or more.
次に解析工程について説明する。まず、共振周波数fの測定値から、有限要素法(FEM)やモードマッチング法などの数値解析により、誘電体基板2の比誘電率ε’を求める。ここでは有限要素法を用いる場合について述べる。図1で示されるリング共振器の共振周波数fは、誘電体基板2の比誘電率ε’、厚さd、リング径D、リング幅w、リング導体の厚みtの関数となっている。d、D、w、tを測定値、あるいは設計値に固定し、誘電体基板2の比誘電率ε’を予想される範囲で数点設定し、対応する共振周波数fを有限要素法で計算する。これらの計算結果から、共振周波数fと比誘電率ε’の関係を適当な関数で近似し、この近似式と共振周波数fの測定値から、誘電体基板の比誘電率ε’を計算する。
Next, the analysis process will be described. First, the relative dielectric constant ε ′ of the
次に、Quの測定値から、リング共振器の導体の導電率σ、あるいは誘電体基板の誘電正接tanδを下記式1により求める。ただし、導電率σを求める時にはtanδが既知である必要があり、tanδを求める時にはσが既知である必要がある。
式1において、μは導体の透磁率である。Peは電界エネルギーの集中率、Gは形状因子であり、非特許文献2「J. Krupka, K. Derzakowski, A. Abramowicz, M.E. Tobar and R.G. Geyer, “Use of whispering-gallery modes for complex permittivity determinations of ultra-low-loss dielectric materials,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, pp.752-759, June 1999」に記載されている。
In
より具体的にはPeはマイクロストリップラインリング共振器の誘電体基板2内の電界エネルギーの集中率である。電界エネルギーの集中率は、共振器に蓄えられる電界エネルギーに対する、個々の部分に蓄えられる電界エネルギーの分率として定義される。Peは次式2で与えられる。
式1のGはリング共振器の形状因子を示すもので、次式3で与えられる。
式2、3は、有限要素法(FEM)やモードマッチング法などの数値解析法により求める。
求められたPe、Gを式1に代入し、導電率σ、誘電正接tanδの関係式を求める。この後、σを求める場合には、別の方法、例えば「吉川、中山, “VおよびW帯における空洞共振器の端に装荷された平板試料の複素誘電率測定法の検討”, 信学ソ大, C-2-63, Sept. 2004. 」で測定、或いは類推したtanδの値を式1に代入して、σを求める。
The obtained P e, by substituting G in
tanδを求める場合には、別の方法、例えば、「A. Nakayama, Y. Terashi, H. Uchimura and, A. Fukuura, “Conductivity measurement at the interface between the sintered conductor and dielectric substrate at microwave frequencies,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-50, No.7, pp. 1665-1674, July 2002. 」
で測定、或いは類推したσの値を式1に代入して、tanδを求める。
To obtain tan δ, other methods such as “A. Nakayama, Y. Terashi, H. Uchimura and, A. Fukuura,“ Conductivity measurement at the interface between the sintered conductor and dielectric substrate at microwave frequencies, ”IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-50, No.7, pp. 1665-1674, July 2002.
Substituting the value of σ measured or estimated in (1) into
尚、上記形態では、共振器としてリング共振器を用いた場合について説明したが、図6に示すように、リング導体の代わりに線路21を形成し、マイクロストリップライン共振器を形成し、この共振器を用いて測定することもできる。ここで、符号22は誘電体基板、23はグラウンド導体、24は支持基板を示す。
In the above embodiment, the case where a ring resonator is used as the resonator has been described. However, as shown in FIG. 6, a
また、図7に示すように、誘電体基板32の一方の面に共振導体31と、該共振導体31と同じ電磁気的物性値を有するグラウンド導体33を形成したコプレナーライン共振器を形成し、この共振器を用いて測定することもできる。ここで、符号34は支持基板を示す。
Further, as shown in FIG. 7, a coplanar line resonator in which a
さらに、図8に示すように、誘電体基板42の内部に共振導体41が形成され、誘電体基板42の両面に共振導体41と同じ電磁気的物性値を有するグラウンド導体43が形成されたストリップライン共振器を形成し、この共振器を用いて測定することもできる。ここで、符号44は支持基板を示す。
Further, as shown in FIG. 8, a strip line in which a
本発明の電磁気的物性値測定方法を用いて、銅メタライズと同時焼成されたガラスセラミックスの30GHz以上における比誘電率ε’、誘電正接tanδを図1に示す共振器を用いて求めた結果を表1に示す。ここで、ループアンテナの直径を0.6mmとした。測定試料であるマイクロストリップラインリング共振器の誘電体の厚みdは0.3mm、0.1mmとし、リング導体の幅wは1.0mm、0.5mmとした。高次共振モードの測定により、30、50、80GHz付近の周波数でのε’とtanδの測定を実現している。尚、導電率σの値は上記文献より、30〜40GHzでは3.0×107(S/m)、50GHz以上では2.2×107(S/m)とした。
表1よりガラスセラミックスの誘電定数は30〜80GHzの領域でε’=4.96〜5.00、tanδ=10〜20×10−4であることが分かる。一方、本発明者等は、直径1mmのループアンテナを用いて、図1に示す共振器を励振したところ、共振周波数30GHz以上ではノイズレベルが上昇し、30GHz以上でのtanδは測定できなかった。 It can be seen from Table 1 that the dielectric constant of the glass ceramic is ε ′ = 4.96 to 5.00 and tan δ = 10 to 20 × 10 −4 in the region of 30 to 80 GHz. On the other hand, when the present inventors excited the resonator shown in FIG. 1 using a loop antenna having a diameter of 1 mm, the noise level increased at a resonance frequency of 30 GHz or higher, and tan δ at 30 GHz or higher could not be measured.
1・・・リング導体
2、22、32、42・・・誘電体基板
3、23、33、43・・・グラウンド導体
4、24,34、44・・・支持基板
5・・・遮蔽導体
A・・・リング共振器
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