JP2006313075A

JP2006313075A - 導波管及び温度特性測定装置

Info

Publication number: JP2006313075A
Application number: JP2005134934A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakayama; 明中山; Hiromichi Yoshikawa; 博道吉川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-16

Abstract

【課題】熱伝導を抑制できる導波管、これにより高周波部品の故障を防止できる温度特性測定装置に関する。
【解決手段】金属又は合金からなる第１導波管１ａ、第２導波管１ｂを具備する導波管１であって、第１導波管１ａと第２導波管１ｂとの間に、第１導波管１ａと第２導波管１ｂ内の信号伝送路１ｃを閉塞する誘電体膜２を介装してなる導波管１である。このような導波管１を温度特性測定装置において用いることにより、恒温槽１１内と外部の検波器１３との間を連結する導波管１内の信号伝送路１ｃを誘電体膜２により閉塞でき、これにより、導波管１内の信号伝送路１ｃの空気を介して検波器１３に伝達される熱を遮断できるとともに、誘電体膜２により、金属又は合金からなる導波管１自体を伝導する熱を遮断でき、温度特性測定装置の故障を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は導波管及び温度特性測定装置に関するもので、特に３０ＧＨｚ以上で使用される電子部品の電磁気的特性の温度特性や、誘電体材料の誘電定数の温度特性を測定する温度特性測定装置に関するものである。

近年、車載用ミリ波レーダやミリ波無線ＬＡＮの開発が行われてきており、回路設計のために、ミリ波領域における電子部品の電磁気的特性や誘電体材料の誘電定数の高精度な測定方法が必要となっている。

電子部品の電磁気的特性の温度特性の測定においては、一般に、測定対象物、あるいは測定治具の温度を可変できる恒温槽内に設置し、アイソレータ、検波器、ネットワークアナライザー等の高周波測定用電子部品は恒温槽の外で室温環境に設置される。そして、測定周波数が３０ＧＨｚ以上、特に、５０ＧＨｚ以上のミリ波における電磁気的特性の温度特性の測定においては、恒温槽内の測定対象物、あるいは測定治具と、恒温槽外の高周波測定用電子部品とをつなぐ信号伝送路として導波管が使用されている。

一方、ミリ波領域における円柱形状の誘電体材料の比誘電率や誘電正接の高精度な測定方法として、ＮＲＤガイドで励振検波される誘電体円柱共振器法がＪＩＳ規格（ＪＩＳＲ１６６０−３：２００４）に採用されている（特許文献１参照）。このＪＩＳ規格では入出力用ＮＲＤガイドは導波管に変換され、アイソレータ、検波器、ネットワークアナライザー等の高周波測定用電子部品と連結される。ＮＲＤガイドが使用される理由は、測定試料であり、かつ誘電体円柱共振器でもある誘電体円柱試料のＴＥ_０ｍ１共振モードとＮＲＤガイドが容易に電磁結合するからである。また、ＮＲＤガイドが導波管に変換される理由は、ミリ波の電気的特性を測定する一般的な高周波測定用電子部品であるアイソレータ、検波器の入出力線路が一種の導波管になっているためである。

このＪＩＳ規格の測定方法を誘電定数の温度特性測定に応用するためには、少なくとも誘電体円柱試料を含む測定治具を恒温槽の中に設置し、低温もしくは高温に誘電体円柱試料の温度を制御する必要がある。
特開平１１−１４５５８号公報

しかしながら、上記のように電子部品のミリ波領域における電磁気的特性の温度特性や円柱形状誘電体材料のミリ波領域における比誘電率や誘電正接を測定する場合、一般に金属で作製された高い熱伝導率を有する導波管を通じて、ミリ波の電気的特性を測定する高周波測定用電子部品であるアイソレータ、検波器等も低温や高温に晒されるため、測定系全体として故障する虞があった。

即ち、導波管と接続されるアイソレータや検波器等には、一般に、導波管と接続するため、信号の入出力線路として入出力用導波管が設けられており、例えば導波管とアイソレータの入力用導波管、アイソレータの出力用導波管と検波器の入力用導波管が接続されているが、導波管内の空間からなる信号伝送路を介して恒温槽内と高周波測定用電子部品が連結されており、つまり、恒温槽から、導波管内の信号伝送路、アイソレータ内の信号伝送路、検波器の入力用導波管内の信号伝送路が連通しており、恒温槽内の熱が、導波管、アイソレータ、該アイソレータの入出力用導波管、検波器の入力用導波管内の空間からなる信号伝送路を介してアイソレータ及び／又は検波器からなる高周波測定用電子部品に伝達され、高周波測定用電子部品が故障する虞があった。

また、金属製の導波管を介してアイソレータに熱伝導し、若しくは導波管、アイソレータ、該アイソレータの入出力用導波管、検波器の入力用導波管自体を介して熱伝導し、恒温槽外部の高周波測定用電子部品が低温や高温に晒されるため、高周波測定用電子部品が故障する虞もあった。

本発明は、熱伝導を抑制できる導波管、これにより高周波測定用電子部品の故障を防止できる温度特性測定装置に関するものである。

本発明者等は上記課題に対して検討を重ねた結果、恒温槽から熱に弱い高周波測定用電子部品までの間の中空の信号伝送路のいずれかで、信号伝送路の空間を閉塞する誘電体膜を介装することにより、中空の信号伝送路を介する高周波測定用電子部品への熱伝導を抑制できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明の導波管は、金属又は合金からなる第１導波管及び第２導波管を具備する導波管であって、前記第１導波管と前記第２導波管との間に、前記第１導波管内の信号伝送路と前記第２導波管内の信号伝送路とを閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする。

本発明では、第１導波管内の信号伝送路と第２導波管内の信号伝送路とを閉塞する誘電体膜を介装して導波管を構成することにより、例えば、温度特性測定装置において、恒温槽内と外部の高周波測定用電子部品との間を連結する導波管内の信号伝送路を誘電体膜により閉塞でき、これにより、導波管内の信号伝送路の空気を介して高周波測定用電子部品に伝達される熱を遮断できるとともに、誘電体膜により、金属又は合金からなる導波管自体を伝導する熱を遮断でき、温度特性測定装置の故障を防止できる。

また、本発明の温度特性測定装置は、測定試料が収容される恒温槽と、該恒温槽の外部に設けられた高周波測定用電子部品と、前記恒温槽と前記高周波測定用電子部品とを連結する中空の信号伝送路とを具備する温度特性測定装置であって、前記中空の信号伝送路を誘電体膜により閉塞してなることを特徴とする。このような温度特性測定装置では、恒温槽内と外部の高周波測定用電子部品との間を連結する中空の信号伝送路を誘電体膜により閉塞することにより、信号伝送路の空気を介して高周波測定用電子部品に伝達される熱を遮断できる。

さらに、本発明の温度特性測定装置は、前記信号伝送路の少なくとも一部が導波管であり、該導波管が、第１導波管と第２導波管との間に、該第１導波管内の信号伝送路と第２導波管内の信号伝送路とを閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする。このような温度特性測定装置では、導波管を介する熱伝導を誘電体膜により遮断でき、信号伝送路の空気を介して高周波測定用電子部品に伝達される熱を遮断できる。

また、本発明の温度特性測定装置は、前記信号伝送路の少なくとも一部が導波管であり、前記高周波測定用電子部品がアイソレータであり、前記導波管と前記アイソレータとの間に、前記導波管内の信号伝送路を閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする。このような温度特性測定装置では、高周波測定用電子部品であるアイソレータの熱による故障を防止できるとともに、わざわざ導波管を分割する必要がないため、構造を簡素化でき、製造も容易である。

本発明では、誘電体膜は樹脂製であることが望ましい。これにより、誘電体膜が高周波信号を有効に透過させ、かつ、断熱性を有することができる。特に、導波管は３０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送するものであることが望ましく、言い換えれば、誘電体膜が３０ＧＨｚ以上の高周波信号を透過させることが望ましい。

本発明では、導波管内の信号伝送路を閉塞するように誘電体膜を介装することにより、導波管内の信号伝送路を介して伝導する熱を遮断できる。従って、このような導波管を温度特性測定装置に用いることにより、高温槽を用いて温度特性を測定する温度特性測定装置であっても、高温槽外部の検波器等の高周波測定用電子部品の熱による故障を防止できる。

本発明の導波管は、図１に示すように、矩形管状となっており、第１導波管１ａと第２導波管１ｂとを有し、第１導波管１ａと第２導波管１ｂとの間に誘電体膜２が介装されている。これらの第１導波管１ａと第２導波管１ｂは、金属又は合金製であり、特に、導電率が高いという点から銅で形成されたり、金メッキした金属で形成されている。

第１導波管１ａ、第２導波管１ｂの内部には、断面が四角形の信号伝送路１ｃが形成されており、第１導波管１ａ内の信号伝送路と、第２導波管１ｂ内の信号伝送路は、誘電体膜２が存在しない場合（従来技術）、連通するように連結されている。本発明では、誘電体膜２により、第１導波管１ａ内の信号伝送路と、第２導波管１ｂ内の中空空間からなる信号伝送路が閉塞されている。

誘電体膜２は断熱性を有し、かつ、ミリ波信号に対する透過性を有するために、誘電率、誘電正接が低い有機膜、特にテフロン（登録商標）膜が好適である。誘電体膜２の膜厚は、断熱性を確保するためには厚い方が良く、ミリ波信号の透過性を確保するためには薄い方が良いが、断熱性とミリ波信号の透過性を両立させるためには、適当な厚みに設定する必要があり、テフロン（登録商標）膜の場合には０．０５〜０．２ｍｍが好適である。第１導波管１ａ、第２導波管１ｂと、誘電体膜２とは、接着剤等により接合されている。

尚、本発明の導波管１は、第１導波管１ａ、第２導波管１ｂにそれぞれフランジを設け、該フランジ間に誘電体膜２を介装し、フランジ同士をネジ締めすることにより構成することができる。この場合には、接着剤等により誘電体膜２を導波管１ａ、１ｂに接合することなく、誘電体膜２を介装することができ、製造が容易となる。

図２は、本発明の導波管を用いた温度特性測定装置を示すもので、温度特性測定装置は、恒温槽１１と、アイソレータ１３からなる高周波測定用電子部品とを、金属又は合金からなる導波管１にて連結し、アイソレータ１３と高周波測定用電子部品である検波器２７を連結して構成されている。導波管１は、図１に示すように、第１導波管１ａと第２導波管１ｂとの間に、第１導波管１ａ内の信号伝送路１ｃと第２導波管１ｂ内の信号伝送路１ｃとを閉塞するように誘電体膜２を介装して構成されている。

また、図２の温度特性測定装置では、さらに信号発生器１５、逓倍器１７、方向性結合器１９、基準信号用アイソレータ２１、基準信号用検波器２４、ネットワークアナライザー２５、恒温槽１１を具備しており、信号発生器１５から出力されたマイクロ波信号は逓倍器１７でミリ波信号に変換され、方向性結合器１９に入力される。方向性結合器１９から分波された信号は基準信号として、基準信号用アイソレータ２１、基準信号用検波器２４を介してネットワークアナライザー２５に入力される。

方向性結合器１９から出力された他方の信号はアイソレータ１３、導波管１を介して、恒温槽１１の中に設置された測定治具３１に入力される。測定治具３１にはＮＲＤガイドで励振検波される誘電体円柱共振器が設置されている。測定治具３１の出力信号は導波管１、アイソレータ１３、検波器２７を介してネットワークアナライザー２５に入力される。ネットワークアナライザー２５は測定治具３１を透過した信号と基準信号の比を周波数の関数として表示し、即ち共振波形が出力される。

信号出力系におけるアイソレータ１３は、高周波信号の入出力線路として、アイソレータ本体の両側に入出力用導波管（導波管１に接続するための導波管）を有し、検波器２７は、高周波信号の入力線路として、検波器本体のアイソレータ側に入力用導波管（アイソレータ１３の出力用導波管に接続するための導波管）を有しており、アイソレータ１３の入出力用導波管、アイソレータ本体内の信号伝送路の空間、検波器本体のアイソレータ側の入力用導波管、導波管１内の信号伝送路１ｃは連通している。一方、信号入力系における逓倍器１７の出力用導波管、方向性結合器１９の入出力用導波管、アイソレータ１３の入出力導波管、導波管１内の信号伝送路１ｃは連通している。

以上のように構成された温度特性測定装置では、導波管１として市販されている導波管を使用すると、恒温槽１１内の低温、高温が、導波管１材質の熱伝導あるいは導波管の空間、アイソレータ１３に伝達され、また、この熱がアイソレータ本体及びその両側の入出力用導波管、検波器２４、２７の入力用導波管を通して、検波器本体に伝わる。出力検波器２７は一般に半導体素子を有しており、低温、高温により破壊される危険がある。また、信号入力系では、アイソレータ１３、方向性結合器１９を介して逓倍器１７に伝導し、逓倍器１７が破損する危険がある。

本発明の温度特性測定装置では、導波管１は、第１導波管１ａと第２導波管１ｂとの間に誘電体膜２を介装して構成されているため、断熱性を有し、ミリ波信号の透過性を有した導波管１を用いることで、導波管１の信号伝送路１ｃ内の空間を介して熱が、アイソレータ１３へ伝達されることを防止できるとともに、導波管自体を介して伝導する熱を抑制でき、ミリ波領域における誘電定数の温度特性測定を行なうことができ、信号入力系におけるアイソレータ１３、基準信号用検波器２４、逓倍器１７や、信号出力系におけるアイソレータ１３、検波器２７の熱伝導による破損を防止できる。

尚、本発明における高周波測定用電子部品とは、アイソレータ１３、逓倍器１７、基準信号用検波器２４、検波器２７が該当するが、最も破損し易く、高価な基準信号用検波器２４、検波器２７を保護すべく、アイソレータ１３と導波管１との間に誘電体膜２を介装しても良く、この場合には、製造が容易となる。また、アイソレータ１３と検波器２４、２７との間に誘電体膜２を介装することもできる。

誘電体膜として市販のテフロン（登録商標）膜からなる０．２ｍｍ厚シートを適当な大きさに切断したものを、信号入力系のアイソレータ１３の出力用導波管と導波管１の間と、導波管１と信号出力系のアイソレータ１３の入力用導波管との間に介装し、インサーションロスＩＬ（ｄＢ）を測定した。この結果を０．２ｍｍテフロン（登録商標）×１として図３に示す。同じように市販の０．２ｍｍ厚シートを２枚重ねし、インサーションロスＩＬ（ｄＢ）を測定した結果を０．２ｍｍテフロン（登録商標）×２として図３に示す。

なおテフロン（登録商標）膜を挟まない場合のインサーションロスＩＬ（ｄＢ）を０ｄＢラインとした。一般に２ｄＢ程度の損失は許容されるので、０．２ｍｍ厚以下のテフロン（登録商標）シートを用いれば７５〜１００ＧＨｚの領域でミリ波測定が可能であることが分かる。

また、断熱性を評価するため、０．２ｍｍ厚のテフロン（登録商標）膜を用い、恒温槽を−４０℃から８０℃に変化させたところ、検波器の温度はおおよそ１０〜３０℃の変化に留まった。尚、テフロン（登録商標）膜を介装しない従来の場合についても、同様の条件で検波器の温度変化を確認したところ、０〜６０℃と非常に大きかった。この結果により、０．２ｍｍ厚のテフロン（登録商標）膜を介装した導波管は断熱性とミリ波透過性の両方を備えていると判断できる。

次に、信号入力系のアイソレータ１３と導波管１の間と、導波管１と信号出力系のアイソレータ１３との間に０．２ｍｍ厚みのテフロン（登録商標）膜１枚を介装した条件で、サファイア円柱共振器のＴＥ_０２１モードの共振周波数の温度特性を２回測定した。この結果を図４に示す。この図４から、共振周波数の絶対値は７０ＭＨｚ程度ずれているが、共振周波数の温度に対する傾きは良く一致していることが判る。

次に、この共振周波数の温度特性から比誘電率ε’の温度特性を計算し、結果を図５に示した。サファイアのε’の温度係数ＴＣεは８５ｐｐｍ／℃、８７ｐｐｍ／℃と求められた。

以上のように、本発明の断熱性を有した導波管を用いれば、温度変化による高周波測定用電子部品の破損の危険を回避して、ミリ波における比誘電率の温度特性を測定することができる。

本発明の導波管を示す斜視図である。ミリ波における温度特性測定装置の一例を示すブロック図である。本発明の導波管を用いた場合のインサーションロスの増加を示す図である。本発明の導波管を用いて、ミリ波におけるサファイア円柱試料のＴＥ_０２１モードの共振周波数を測定した結果を示した図である。本発明の導波管を用いて、ミリ波におけるサファイア円柱試料の比誘電率を測定した結果を示した図である。

符号の説明

１・・・導波管
１ａ・・・第１導波管
１ｂ・・・第２導波管
１ｃ・・・信号伝送路
２・・・誘電体膜
１１・・・恒温槽
１３・・・アイソレータ
２４、２７・・・検波器

Claims

金属又は合金からなる第１導波管及び第２導波管を具備する導波管であって、前記第１導波管と前記第２導波管との間に、前記第１導波管内の信号伝送路と前記第２導波管内の信号伝送路とを閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする導波管。
前記誘電体膜は樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の導波管。
測定試料が収容される恒温槽と、該恒温槽の外部に設けられた高周波測定用電子部品と、前記恒温槽と前記高周波測定用電子部品とを連結する中空の信号伝送路とを具備する温度特性測定装置であって、前記中空の信号伝送路を誘電体膜により閉塞してなることを特徴とする温度特性測定装置。
前記信号伝送路の少なくとも一部が導波管であり、該導波管が、第１導波管と第２導波管との間に、該第１導波管内の信号伝送路と第２導波管内の信号伝送路とを閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする請求項３記載の温度特性測定装置。
前記信号伝送路の少なくとも一部が導波管であり、前記高周波測定用電子部品がアイソレータであり、前記導波管と前記アイソレータとの間に、前記導波管内の信号伝送路を閉塞する誘電体膜を介装してなることを特徴とする請求項３記載の温度特性測定装置。