JP2006266944A - 誘電特性測定方法および誘電特性測定用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波帯における円柱状誘電体試料の誘電特性の測定において、容易に挿入損失の調整が可能、かつ、従来と同等の測定精度にて比誘電率および誘電正接を測定することが可能な測定方法および測定用治具を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の誘電特性測定方法は、上側平板状導体１１と下側平板状導体１２との間にこれらに接するように円柱状誘電体試料１３を配置して共振器１を構成するとともに、円柱状誘電体試料１３を中心として左右方向対称となる位置の一方に共振器１への信号を入力する入力側イメージ線路２を、他方に共振器１からの信号を出力する出力側イメージ線路３を端部同士が対向するように配置し、共振器１のＴＥモードを励振させて共振器１の共振周波数と無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから誘電特性を算出することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にミリ波領域で電子部品または回路基板として使用する誘電体材料の比誘電率または誘電正接を測定するための誘電特性測定方法および誘電特性測定用治具に関するものである。

回路基板や半導体素子用パッケージに用いられるマイクロストリップライン、ストリップラインやコプレーナガイド等のインピーダンスおよび伝送損失の計算のために、これらに用いられる誘電体基板の比誘電率や誘電正接を測定することは重要である。近年、車載用レーダやミリ波無線ＬＡＮの開発が行われてきており、これらの回路設計のために、ミリ波領域における基板の比誘電率や誘電正接の測定値が必要となってきた。

一般に、基板材料の比誘電率や誘電正接を求めるには、円柱状誘電体試料が用いられ、その誘電特性測定方法としては、図４に示すように、上側平板状導体４１と下側平板状導体４２の間にこれらに接するように誘電体試料４３を配置して共振器４を構成するとともに、誘電体試料を中心として左右方向対称となる位置の一方に、共振器４への信号を入力する入力側ＮＲＤガイド５と、他方に共振器４からの信号を出力する出力側ＮＲＤガイド６とを配置し、共振器４のＴＥモードを励振させて共振器の共振周波数と無負荷Ｑを測定し、この共振周波数と無負荷Ｑから比誘電率と誘電正接を求める方法がＪＩＳ規格として規定されている（非特許文献１参照）。ここで、入力側ＮＲＤガイド５は上側平板状導体４１と下側平板状導体４２と誘電体ストリップ５１とから構成され、出力側ＮＲＤガイド６は上側平板状導体４１と下側平板状導体４２と誘電体ストリップ６１とから構成されている。この測定方法では、共振器の上下導体とＮＲＤガイドの上下導体とを一体にした構造の測定用治具が採用されている。
尚、上記測定においては、図５のように誘電体ストリップを直結して、予め挿入損失を補正しておく必要がある。
ＪＩＳ ファインセラミックスのミリ波帯における誘電特性測定方法（ＪＩＳ Ｒ １６６０−３：２００４）

しかしながら、ＮＲＤガイドを用いて共振器を励振させる方法では、誘電体ストリップ５１、６１が上側平板状導体４１と下側平板状導体４２に覆われる構造上、挿入損失を調整するときに誘電体ストリップ５１、６１が見えない。つまり、最適な測定値を得るために誘電体試料４３と誘電体ストリップ５１、６１の距離を近づけたり遠ざけたりして挿入損失を調整する必要があるが、この調整に際しては、上側平板状導体４１を外したり取り付けたりしなければならず、多くの時間を費やすこととなっていた。

本発明は、ミリ波帯における円柱状誘電体試料の誘電特性の測定において、容易に挿入損失の調整が可能、かつ、従来と同等の測定精度にて比誘電率および誘電正接を測定することが可能な測定方法および測定用治具を提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意検討を重ねた結果、入出力においてイメージ線路を採用することで上記目的を達成することを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、上側平板状導体と下側平板状導体との間にこれらに接するように円柱状誘電体試料を配置して共振器を構成するとともに、前記円柱状誘電体試料を中心として左右方向対称となる位置の一方に前記共振器への信号を入力する入力側イメージ線路を、他方に前記共振器からの信号を出力する出力側イメージ線路を端部同士が対向するように配置し、前記共振器のＴＥモードを励振させて該共振器の共振周波数と無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから誘電特性を算出することを特徴とする誘電特性測定方法である。

ここで、前記ＴＥモードがＴＥ_０１１モードまたはＴＥ_０２１モードであるのが好ましい。

また、前記共振器の温度を変化させて誘電特性を測定するのが好ましい。

また本発明は、前記円柱状誘電体試料を挟持して上下方向に所定の間隔をおいて固定される下側平板状導体と該下側平板状導体より面積の狭い上側平板状導体と、該下側平板状導体と誘電体ストリップとから構成される入力側イメージ線路および出力側イメージ線路とを具備し、前記入力側イメージ線路の前記誘電体ストリップと前記出力側イメージ線路の前記誘電体ストリップとが、前記下側平板状導体上で前記円柱状誘電体試料を挟んで対向するように配置されていることを特徴とする誘電特性測定用治具である。

ここで、前記入力側イメージ線路および前記出力側イメージ線路の誘電体ストリップ上面が前記上側平板状導体の下面よりも低く配置されているのが好ましい。

本発明によれば、上側平板状導体を取り外すことなく、上側から誘電体ストリップの調整が可能であるから、容易に挿入損失を調整することができ、この挿入損失の調整に費やす時間を従来に比べて大幅に短縮することができる。また、従来の測定方法よりも測定可能な誘電体の高さに対する自由度が増える。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

本発明の誘電特性測定方法は、図１に示すように、上側平板状導体１１と下側平板状導体１２との間にこれらに接するように円柱状誘電体試料１３を配置して共振器１を構成するとともに、円柱状誘電体試料１３を中心として左右方向対称となる位置の一方に共振器１への信号を入力する入力側イメージ線路２を、他方に共振器１からの信号を出力する出力側イメージ線路３を端部同士が対向するように配置し、共振器１のＴＥモードを励振させて共振器１の共振周波数と無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから誘電特性を算出することを特徴とするものである。

この誘電特性測定方法は、円柱状誘電体試料１３を挟持して上下方向に所定の間隔をおいて固定される下側平板状導体１２とこの下側平板状導体１２より面積の狭い上側平板状導体１１と、下側平板状導体１２と誘電体ストリップ２１、３１とから構成される入力側イメージ線路２および出力側イメージ線路３とを具備し、入力側イメージ線路２の誘電体ストリップ２１と出力側イメージ線路３の誘電体ストリップ３１とが、下側平板状導体１２上で円柱状誘電体試料１３を挟んで対向するように配置された誘電特性測定用治具を用いてなされる。

共振器１は、上側平板状導体１１と下側平板状導体１２が上下方向から円柱状誘電体試料１３を挟持することにより、上側平板状導体１１と下側平板状導体１２の間にこれらに接するように円柱状誘電体試料１３が配置された構成になっている。

上側平板状導体１１と下側平板状導体１２は、銅や銀などの導電率の高い材料からなる。また、図１（ｂ）に示すように、上側平板状導体１１は相対的に面積の狭い円盤状の部材からなり、下側平板状導体１２は相対的に面積の広い平面視四角形状の部材からなり、これらは円柱状誘電体試料を挟持する間隔で固定されている。尚、相対的にとは、上側平板状導体１１と下側平板状導体１２を比較したものである。また、これらの上側平板状導体１１と下側平板状導体１２は、撓まない程度の厚みを有するものである。ここで、上側平板状導体１１の径は、共振周波数および無負荷Ｑの測定値に誤差が生じないような径が必要であり、この径は配置される円柱状誘電体試料１３の比誘電率によっても異なるが、配置される円柱状誘電体試料１３の横断面の５倍以上の径を有しているのが好ましい。また、下側平板状導体１２は、例えば図１に示す縦の長さＬ_１が３０〜９０ｍｍ、横の長さＬ_２が５０〜１１０ｍｍのものが採用され、上側平板状導体１１の径は、例えば１５ｍｍ以上のものが採用される。

そして本例では、この下側平板状導体１２は、後述のイメージ線路２、３の一部を構成するようになっているが、共振器１として機能するのは、上側平板状導体１１に対向する領域、言い換えると上側平板状導体１１と同じ面積の領域である。尚、下側平板状導体１２の共振器１として機能する部分とイメージ線路２、３の一部を構成する部分とは、別体あるいは一体のどちらに形成されてもよいが、測定用治具の各部材の製造および固定の煩雑さを考慮すると、一体に形成されるのが好ましい。また、上側平板状導体１１は、円盤状に限らず、上から見て四角形状であってもよい。

共振器１における円柱状誘電体試料１３、すなわち本発明により誘電特性を測定する円柱状誘電体試料１３は、マイクロストリップライン、ストリップラインやコプレーナガイド等の基板に使用される誘電体材料からなるものであり、この誘電体材料としては低損失の誘電体、例えばサファイア、アルミナ、ＬＴＣＣ、ＰＴＦＥ等が挙げられる。円柱状誘電体試料１３の径および高さは、測定周波数を規定し、誘電率の概略値と測定モードを指定すると、数式１、数式２より設計できる。尚、誘電体試料を円柱状に限っているのは、円柱状とすることにより誘電特性の解が求められるようになるからである。

入力側イメージ線路２は、下側平板状導体１２の上に誘電体ストリップ２１を配置した構成からなり、出力側イメージ線路３は下側平板状導体１２の上に誘電体ストリップ３１を配置した構成からなっている。また、それぞれの誘電体ストリップ２１と誘電体ストリップ３１とが円柱状誘電体試料１３を挟んで対向するように、図面上は円柱状誘電体試料１３を中心として左右方向対称となる位置に配置されている。そして、下側平板状導体１２のイメージ線路２、３を構成する部分は前述の共振器１における上側平板状導体１１および下側平板状導体１２と同様の材質からなり、誘電体ストリップ２１および誘電体ストリップ３１は低損失な誘電体材料、例えばレクソライト（登録商標）からなっている。誘電体ストリップ２１および誘電体ストリップ３１の高さは通常１〜３ｍｍであり、幅は通常１〜３ｍｍであり、誘電体ストリップ２１、３１の下側平板状導体上に位置する部分の長さＬ３は２０〜５５ｍｍである。ここで、誘電体ストリップ２１、３１は、その長さの半分程度が下側平板状導体１２の上側に位置し、その他半分程度が導波管の内部に位置するようになっていて、この左右位置は測定時に微調整される。

そして、入力側イメージ線路２の上流側には導波管４１、出力側イメージ線路３の下流側には導波管４２が設けられており、導波管４１から入力側イメージ線路２を経て入力される信号が共振器１のＴＥモードを励振させ（磁界結合により円柱状誘電体試料１３が励振される）、共振器１から出力される信号が出力側イメージ線路３および導波管４２を経て検波される。これによって、共振器１の共振周波数と無負荷Ｑが測定され、さらにこれら共振周波数と無負荷Ｑの測定値から、比誘電率および誘電正接が算出される。これらの算出は、パソコンを用いて後述の計算式により行われる。

尚、上記測定を行う前には、図３に示すように誘電体ストリップ２１と誘電体ストリップ３１を直結させて、挿入損失Ｓ_２１の０ｄＢラインの補正がなされる。

これらの測定においては、共振器１を構成する円柱状誘電体試料１３に応じて、これと誘電体ストリップ２１および誘電体ストリップ３１との距離を調整することにより、最適な測定結果を得ることができる。すなわち、円柱状誘電体試料１３の大きさ、比誘電率により、円柱状誘電体試料１３と誘電体ストリップ２１、３１の先端との最適距離が異なるが、この距離は、挿入損失が３０ｄＢ±１０ｄＢとなるような距離、言い換えると、円柱状誘電体試料１３と誘電体ストリップ２１、３１とを磁界結合するときの結合量が最大となるように調整される。

このとき、予め用意された上側平板状導体１１の下側に挿入させるようにして誘電体ストリップ２１および誘電体ストリップ３１の位置を調整しなければならない場合もある。このような場合を考慮すると、図２に示すように、誘電体ストリップ２１、３１の上面が共振器１の上側平板状導体１１の下面よりも低くなるように、言い換えると、空隙を有するように配置されるのが好ましい。尚、このときの空隙（上側平板状導体１１の下面と誘電体ストリップ２１、３１の上面との高さの差）は、１ｍｍ以下であるのが好ましい。

ここで、励振におけるＴＥモードとしては、ＴＥ_０１１モードまたはＴＥ_０２１モードであるのが好ましい。このモードであることにより、共振ピークがスプリットしにくい（割れにくい）からである。また、それぞれの温度における比誘電率と誘電正接を算出するために、共振器１の温度を変化させて上述の測定を行うようにしてもよい。

尚、本発明においては、上側平板状導体と下側平板状導体が上下逆になってもよい。

本発明の共振器に対する解析は、非特許文献１の中に詳細に記述されており、比誘電率は、共振周波数より算出される波長λを用いて、次式より求められる。

上記の式において、ｕとｖは以下の関係を有するものである。

ここで、uは、vの関数となっており、Ｊn（ｘ）は、第一種変形ベッセル関数、Ｋn（ｘ）は、第二種変形ベッセル関数である。

また、誘電正接（ｔａｎδ）は、無負荷Ｑ（Ｑ_ｕ）を用いて、次式より求められる。

ここで、Ｐｅはエネルギー集中率、Ｇは形状因子、Ｒｓは表面抵抗である。

実際に、直径Ｄ＝３．１３０ｍｍ、高さＨ＝２．２５０ｍｍのサファイア円柱を円柱状誘電体試料として採用し、測定を行った。

ここで、まず測定を行う前に、入力側イメージ線路と出力側イメージ線路を直結させて、線路の損失を補正しておく必要があるため、図３に示すような構造にして挿入損失の０ｄＢラインの補正を行った。

そして、本発明の測定方法の検証として、図１に示すような入出力にイメージ線路を用いた構造の測定用治具を用いて円柱状誘電体試料の共振周波数および無負荷Ｑを求めた。ここで、測定用治具の具体的構造としては、図１に示す構造であって、上側平板状導体および下側平板状導体は銅からなり、下側平板状導体の縦の長さＬ１は６０ｍｍ、横の長さＬ２は８０ｍｍであり、上側平板状導体の径は３０ｍｍ、厚みは２ｍｍであった。また、誘電体ストリップ２１、３１はレクソライト（登録商標）からなり、この幅は２ｍｍ、高さは２．２ｍｍ、下側平板状導体上に位置する部分の長さは３０ｍｍであった。

一方、従来の測定方法として、図４に示すような入出力にＮＲＤガイドを用いた構造の測定用治具を用いて円柱状誘電体試料の共振周波数および無負荷Ｑを求めた。ここで、測定用治具の具体的構造としては、上側平板状導体の面積を下側平板状導体と同じ面積とし、その他、下側平板状導体、誘電体ストリップ等のサイズは本発明実施例と同じものを使用した。このときの測定結果を表１に示す。

この結果より、二つの測定結果は、誤差の範囲で一致し、本発明の誘電特性測定方法の測定精度を検証することができた。また、測定における挿入損失の調整に費やす時間も大幅に短縮することができた。

尚、本発明実施例の周波数応答の測定結果を図６に示す。この結果、本発明のイメージ線路を用いた励振においても、ＴＥ_０２１モードがきれいに励振されていることが確認できた。

本発明のイメージ線路を用いた測定の一実施形態の説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明のイメージ線路を用いた測定の他の実施形態の説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線矢視断面図である。る。 本発明のイメージ線路を用いた測定のＳ２１の補正方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線矢視断面図である。 従来のＮＲＤガイドを用いた測定の説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＤ−Ｄ線矢視断面図である。 従来のＮＲＤガイドを用いた測定におけるの挿入損失Ｓ_２１の補正方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＥ−Ｅ線矢視断面図である。 本発明のイメージ線路を用い、サファイア円柱状試料の周波数応答の測定結果である。

符号の説明

１・・・共振器
１１・・上側平板状導体
１２・・下側平板状導体
１３・・円柱状誘電体試料
２・・入力側イメージ線路
３・・出力側イメージ線路
２１、３１・・誘電体ストリップ
４１、４２・・導波管

Claims (5)

1. 上側平板状導体と下側平板状導体との間にこれらに接するように円柱状誘電体試料を配置して共振器を構成するとともに、前記円柱状誘電体試料を中心として左右方向対称となる位置の一方に前記共振器への信号を入力する入力側イメージ線路を、他方に前記共振器からの信号を出力する出力側イメージ線路を端部同士が対向するように配置し、前記共振器のＴＥモードを励振させて該共振器の共振周波数と無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから誘電特性を算出することを特徴とする誘電特性測定方法。
2. 前記ＴＥモードがＴＥ_０１１モードまたはＴＥ_０２１モードであることを特徴とする請求項１に記載の誘電特性測定方法。
3. 前記共振器の温度を変化させて誘電特性を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の誘電特性測定方法。
4. 前記円柱状誘電体試料を挟持して上下方向に所定の間隔をおいて固定される下側平板状導体と該下側平板状導体より面積の狭い上側平板状導体と、
   該下側平板状導体と誘電体ストリップとから構成される入力側イメージ線路および出力側イメージ線路とを具備し、
   前記入力側イメージ線路の前記誘電体ストリップと前記出力側イメージ線路の前記誘電体ストリップとが、前記下側平板状導体上で前記円柱状誘電体試料を挟んで対向するように配置されていることを特徴とする誘電特性測定用治具。
5. 前記入力側イメージ線路および前記出力側イメージ線路の誘電体ストリップ上面が前記上側平板状導体の下面よりも低く配置されていることを特徴とする請求項４に記載の誘電特性測定用治具。

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