JP2008045949A

JP2008045949A - 電磁気特性測定治具及びその測定方法

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Publication number: JP2008045949A
Application number: JP2006220496A
Authority: JP
Inventors: Satoru Umaji; 哲馬路; Daisuke Izumikawa; 大輔泉川
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】ストリップ線路やマイクロストリップ線路に用いるための測定検体の電磁気特性が測定可能であり、薄い測定検体であっても測定可能である電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。
【解決手段】空胴共振器を用いた電磁気特性測定治具において、測定検体が測定検体保持部により電気力線と垂直に保持される構造を有することを特徴とする電磁気特性測定治具。前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いた電磁気特性の測定方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定する工程と、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を求める工程を少なくとも含むことを特徴とする電磁気特性の測定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は電磁気特性の測定に関するものである。

一般に、電子通信機器の小型化高速化に伴い、電子回路は微細になり動作周波数は高周波化している。電子回路には様々な伝送線路が用いられており、代表的なものにストリップ線路やマイクロストリップ線路、コプレナ線路やスロット線路などが用いられている。それらの伝送特性は、絶縁層の誘電特性や透磁特性、線路金属の導電率や配線形状により決まる。したがって、プリント配線板の開発には、高周波帯域、特にマイクロ波ミリ波帯における、薄い絶縁層の電磁気特性を精度良く測定する必要がある。
またその際、ストリップ線路やマイクロストリップ線路では電気力線が絶縁層に対し垂直に向いており、コプレナ線路やスロット線路では電気力線が絶縁層に対し平行に向いている。そのため、ガラスエポキシ積層板などの多層な平板や延伸フィルムのように平面の垂直方向と平行方向で物性に異方性がある絶縁層については、絶縁層の厚さ方向と平面方向の電磁気特性を測定する必要がある。

従来のプリント配線板用のマイクロ波及びミリ波帯の電磁気特性の測定法には、平面回路共振器を用いる方法や空胴共振器を用いる方法がある。平面回路共振器を用いる方法には、代表的なものに準ＴＥＭモードを用いた方法（例えば、非特許文献１参照。）やＴＭモードを用いた方法（例えば、非特許文献２参照。）があるが、いずれも実際の回路構造を用いて測定するため、実用的な誘電特性が測定できる。しかしながら、これらの方法はＱ値が低いため、一般的なプリント配線板の場合、厚さ０．６ｍｍ以下の測定検体を測定することはできない。

空胴共振器を用いる方法には、代表的なものに円筒空胴共振器のＴＭ₀₁₀モードを用いる方法（例えば、非特許文献３参照。）やＴＥ₀₁₁モードを用いる方法（例えば、非特許文献４参照。）があるが、Ｑ値が高く感度がよいため、厚さ０．１ｍｍのような薄い測定検体を測定することができる。しかし、これらの方法は測定における電気力線がプリント配線板の平面方向を向いているため、コプレナ線路やスロット線路に用いる場合の電磁気特性測定法となる。

したがって、電気力線が絶縁層に対し垂直方向を向いており、ストリップ線路やマイクロストリップ線路に用いるための薄い測定検体の電磁気特性測定法が必要となる。

ＩＰＣ−ＴＭ−６５０２．５．５．５ＪＰＣＡ−ＦＣＬ０１／ＪＦＩＡ−ＦＰ００１、２００６年ＡＳＴＭＤ２５２０ＪＩＳ−Ｒ１６４１、２００２年

本発明は、ストリップ線路やマイクロストリップ線路に用いるための測定検体の電磁気特性が測定可能であり、薄い測定検体であっても測定可能である電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。

本発明者は、空胴共振器内に測定検体を電気力線に対し垂直に保持することにより、薄い測定検体であっても、前記測定検体の厚さ方向の電磁気特性が測定可能であることを見出し、本発明に至った。

本発明は、下記電磁気特性測定治具および電磁気特性の測定方法により達成される。
（１）空胴共振器を用いた電磁気特性測定治具において、測定検体が測定検体保持部により電気力線と垂直に保持される構造を有することを特徴とする電磁気特性測定治具。
（２）前記測定検体保持部は、前記測定検体を、前記空胴共振器の空胴部に露出部を有するように配置される構造である第（１）項に記載の電磁気特性測定治具。
（３）前記測定検体保持部は、測定検体挿入部を有するものである第（１）項又は第（２）項に記載の電磁気特性測定治具。
（４）前記測定検体保持部は、誘電体からなる保持部材より構成されるものである第（１）項乃至第（３）項のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。

（５）第（１）項乃至第（４）項のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いた電磁気特性の測定方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定する工程と、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を求める工程を少なくとも含むことを特徴とする電磁気特性の測定方法。

本発明によれば、マイクロ波及びミリ波帯において、ストリップ線路やマイクロストリップ線路に用いるための電磁気特性の測定が可能となる。特に、従来の方法では測定ができない薄い測定検体の測定が可能となる。

本発明は、空胴共振器を用いた電磁気特性測定治具において、測定検体が測定検体保持部により電気力線と垂直に保持される構造を有することを特徴とする電磁気特性測定治具である。本発明の治具をネットワークアナライザなどの測定器に接続し、マイクロ波及びミリ波帯における空胴共振器の共振特性を測定することにより、誘電特性ならびに透磁特性を測定することができる。
また、本発明は、前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いた電磁気特性の測定方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定する工程と、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を求める工程を少なくとも含むことを特徴とする電磁気特性の測定方法である。

本発明の電磁気特性測定治具は、少なくとも、胴体、短絡板及び測定検体保持部を有する空胴共振器より構成されるものであり、前記測定検体保持部は、前記測定検体を、電気力線に対して前記測定検体の測定面が垂直となるように（電気力線の方向が前記測定検体の厚み方向となるように）、保持するように設けられるものである。

本発明に用いる空胴共振器の形状としては、球形空胴共振器、方形空胴共振器、円筒空胴共振器、リエントラント形空胴共振器及び同軸線路形空胴共振器などが挙げられる。
また、前記空胴共振器の寸法としては、測定する周波数とモードによって決定される。その際、選択するモードは、予めモードチャートなどを参照することにより、他の測定に利用しないモードの影響を受けないことを確認する。

前記空胴共振器の材質としては、金属、特に導電率が高い金属を用いることが好ましい。導電率が高い金属としては、例えば、銀、銅及び金などが挙げられる。なお、空胴共振器に前述の金属を用いることができない場合、空胴共振器の表面に前述の金属をメッキすることにより、前述の金属を用いた空胴共振器と同じ効果を得ることができる。

前記測定検体保持部としては、前記測定検体の測定面が電気力線と垂直に保持される構造となれば良く、前記測定検体の測定面を、前記空胴共振器の空胴部に露出するように配置される構造とすることが好ましい。このような測定検体保持部としては、空胴共振器の導体部に設けられた測定検体挿入部により構成されていても良く、保持部材により前記測定検体が保持される構造であっても良い。前記保持部材を用いる場合、前記測定検体が前記測定面の片面又は両側より保持されるよう備えられれば良い。

前記保持部材の材質としては、誘電体より構成されるものが好ましく、誘電特性として、１〜１．１の比誘電率を有することが好ましい。また誘電正接は０〜１０^-4であることが好ましい。例えば、発泡ポリスチレンやポリテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。

また、前記保持部の位置は、限定されないが、電界強度が最小の位置であることが好ましい。前記保持部材の形状としては、前記測定検体を保持できる構造となっていれば制限されず、前記測定検体を電界強度が最小の位置に配置できる形状であることが好ましく、測定検体の全面を覆うようにしても良いが、リング状など、前記測定検体の測定面を、前記空胴共振器の空胴部に露出するように配置される構造とすることが好ましい。

本発明の電磁気特性測定治具において、空胴共振器には、信号の入出力のため、伝送線路が設けられるが、伝送線路の種類には、同軸線路、ストリップ線路、導波管、誘電体導波路などが挙げられる。また、空胴共振器と伝送線路の結合には、ループ結合、プローブ結合、ホール結合、スロット結合などが挙げられる。本発明では、共振器内の測定検体に対する電気力線の向きが重要であるため、前記結合には、その指向性による共振器内の電磁界分布を考慮し、結合を行えば良い。

本発明における測定治具について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の測定治具を、空胴共振器が、胴体に断面が方形となる筒を用いた方形空胴共振器である場合を第１の例として、簡略化して示す模式図である。
第１の例としては、方形空胴断面の大きさに加工された測定検体３を、空胴共振器１内部の電界強度が最小となる位置（保持部）に、保持部材２により、測定検体の平面両側より保持された構造となるものである。
空胴共振器１には、測定器からの信号を入出力するための伝送線路４を１箇所以上結合し、電気力線を、測定検体３の厚み方向に走らせるように配置する。なお、空胴共振器１と伝送線路４がｎ箇所（ｎは任意の整数）で結合している共振器をｎポート共振器であってよい。空胴共振器１と伝送線路４の結合には、磁界結合又は電界結合を任意に選択することができるが、伝送線路に同軸線路を用いて、電界結合を行い、測定モードをＴＥ₁₀₁モードとして測定することができる。

図２は、本発明の測定治具を、空胴共振器が円筒形空胴共振器である場合を第２の例として、簡略化して示す模式図である。
保持部材２と測定検体３の位置は、測定に利用するモードにより、任意に選択することができ、これらの例について説明する。
第２の例としては、第１の例と同様にして、円筒断面の大きさに円板状に加工された測定検体３を、空胴共振器１内部の電界強度が最小となる位置（保持部）に、保持部材２により、測定検体の平面両側より保持された構造となるものである（図２（ａ））。前記測定検体３の平板は、電気力線を、測定検体３の厚み方向に走らせるように配置される。空胴共振器１と伝送線路４の結合としては、伝送線路に同軸線路を用いて、電界結合を行い、測定モードをＴＭ₀₁₀モードとして測定することができる。
また、前記測定検体３は、空胴共振器１内部の縦断面位置に、即ち、空胴部が２つの蒲鉾状に、円筒断面が半円２つに仕切られるように、角板状に加工されて配置されても良い（図２（ｂ））。前記測定検体３の平板は、電気力線を、測定検体３の厚み方向に走らせるように配置される。空胴共振器１と伝送線路４の結合としては、伝送線路に同軸線路を用いて、磁界結合を行い、測定モードをＴＥ₀₁₁モードとして測定することができる。

図３は、本発明の測定治具に測定検体挿入部５を有する場合の第３の例を示す模式図である。上記同様、測定検体挿入部５の位置は、測定に利用するモードにより、任意に選択することができる。
第３の例としては、空胴共振器が測定挿入部５を有するものであり、測定検体３が挿入部に配置されものであり、例えば、短絡板を有し一方が開放された筒状胴体を２つ用意し、測定検体３を、前記開放部同士を合わせるようにして検体挿入部５に挟持した構造となるもの（図３（ａ））が挙げられ、また、前記検体挿入部５において、空胴共振器の空胴部と同じ面積の空胴部を有し、両端が開放された導体を用意し、該導体空胴部に、前記保持部材２により、測定検体の平面両側より保持された構造となるもの（図３（ｂ））が挙げられる。図３（ａ）の例では測定検体を非破壊で測定する場合、図３（ｂ）では測定検体を簡易に取り付けることが出来る場合の例を示している。前記測定検体挿入部５において測定検体３の平板は、電気力線を、測定検体３の厚み方向に走らせるように配置される。空胴共振器１と伝送線路４の結合としては、伝送線路に同軸線路を用いて、電界結合を行い、測定モードをＴＥ₁₀₁モードとして測定することができる。
なお、第３の例については、方形空胴共振器を用いた例を示したが、円筒空胴共振器などにおいても、同様にして測定することができる。

前記空胴共振器において、測定検体は、空胴共振器内の端部である短絡板に接して、配置されていても良く、その場合、前記測定検体が片面より保持されるよう備えられれば良い（図４）。

本発明の電磁気測定において、空胴共振器１は、温度により収縮膨張し変形するため、一定の温度で管理することが好ましい。また、空胴共振器は一つ又は複数のモードを測定することにより、正確な寸法を常に把握しておくことが好ましい。なお、測定検体の電磁気特性の温度依存性を測定する際は、あらかじめ空胴共振器の一つ又は複数のモードの温度変化を測定することにより、空胴共振器の線膨張係数を計算することができる。

本発明において、前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、測定検体の電磁気特性を測定する場合の測定システムとしては、例えば、本発明の電磁気特性測定治具とネットワークアナライザなどを接続したものが挙げられる。
ネットワークアナライザによる測定は、被測定物（前記電磁気特性測定治具）とネットワークアナライザの端子（ポート）とを接続し、前記ネットワークアナライザから入射される電力に対する前記電磁気特性測定治具からの反射電力と透過電力を測定して行うことができる。
図５を用いて説明すると、二つのポートを前記電磁気特性測定治具に接続し、ポート１から電力を入射し、ポート１で反射電力を、ポート２で透過電力を測定することができる。
前記電磁気特性測定治具とネットワークアナライザ（図５においては、ベクトルネットワークアナライザ）との接続部には、ケーブル（伝送路）とコネクタ（結合部）が設置され接続される。

本発明の電磁気特性の測定方法としては、前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて測定することができるが、まず、前記電磁気特性測定治具に測定検体を装着し、空胴共振器に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号（電力）の大きさを測定し、このときの空胴共振器の共振周波数（以下ｆと略記）と、無負荷Ｑ値（以下Ｑ₀と略記）から、電磁界計算を用いて、測定検体の電磁気特性である誘電特性及び透磁特性を測定することができる。電磁界計算の方法としては、一般的な計算方法により、例えば、代数を用いた厳密な方法、電磁界シミュレータ等を用いた数値計算、摂動法などが挙げられる。

本発明によれば、電気力線が測定検体に対し垂直に向いている場合の、プラスチック、セラミックス、紙など固体の絶縁物などの電磁気特性を測定することができる。より具体的には、電磁気特性に、異方性のある検体において、検体の厚み方向の特性を測定することができる。測定検体の厚みとしては、数μｍ程度の厚みであっても測定することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。

測定装置について、図５を用いて説明すると、前記２ポート空胴共振器１２（本発明の電磁気特性測定治具）と、ベクトルネットワークアナライザ１１の入出力ポート、ポート１およびポート２とを、接続して電力（入射電力）を投入し、前記空胴共振器１２における反射電力および透過電力の比を、ベクトルネットワークアナライザにより測定する。

（実施例）
［厚さが０．１ｍｍであるガラスエポキシ積層板の測定］
長さ３０ｍｍ、直径４６ｍｍである円筒空胴共振器を用い、測定検体のガラスエポキシ積層板は、図４にあるように、電界強度が最小の位置である空胴共振器内の端（短絡板上）に、発泡ポリスチレンより構成されるリング状の保持部材により保持し、電気力線が平面に対し垂直の状態で測定した。この場合、解析に用いたモードはＴＭ₀₁₀モードであり、空の円筒空胴共振器のＴＭ₀₁₀モードは約５ＧＨｚで共振した。電磁気特性の測定結果を表１に示す。

測定においては、この空胴共振器とアジレントテクノロジー（株）製８５１０Ｃベクトルネットワークアナライザ（以下ＶＮＡと略記）を、同軸線路及びコネクタを介してループアンテナにより磁界励振し、透過電力比を計測し、下記数式１を用いて、解析的に電磁気特性を計算した。

式中のＬは共振器の長さ、ｔは測定検体の厚さ、β_g1、β_g2はそれぞれ自由空間及び測定検体中の位相定数であり、Ｈ_t1、Ｈ_t2、Ｅ_t1、Ｈ_t2はそれぞれ自由空間及び測定検体中の磁界及び電界である。

（比較例）
比較のために、非特許文献１の方法と非特許文献３の方法により、実施例と同じガラスエポキシ積層板を用いて測定した電磁気特性の測定結果を表２に示す。

上記結果より、本発明は従来の方法では測定できなかった薄い測定検体について電気力線が測定検体に対し垂直に向いている場合の電磁気特性の測定法が提供される。
またガラスエポキシ積層板はガラスクロスとエポキシ樹脂からなる多層の平板であり、平面の垂直方向と平行方向の物性が異なるが、本発明は他の方法と組み合わせることにより、電気力線が平面に対し垂直に向いている場合と平行な場合の電磁気特性の差異を知ることができる。

本発明を説明するための、測定検体を装着した測定治具の一例を示す断面図である。なお、図中の矢印は電気力線の向きである。本発明を説明するための、円筒空胴共振器に測定検体を装着した測定治具の一例を示す断面図である。なお、図中の矢印は電気力線の向きである。本発明における、測定検体挿入部を有する測定治具の一例を説明するための断面図である。なお、図中の矢印は電気力線の向きである。本発明における、測定検体を空胴共振器の端部に保持した場合の一例を説明するための断面図である。なお、図中の矢印は電気力線の向きである。本発明の測定装置のセットアップの一例を示す説明図である。

符号の説明

１：空胴共振器
２：保持部材
３：測定検体
４：伝送線路
５：測定検体挿入部
１１：ベクトルネットワークアナライザ
１２：空胴共振器

Claims

空胴共振器を用いた電磁気特性測定治具において、測定検体が測定検体保持部により電気力線と垂直に保持される構造を有することを特徴とする電磁気特性測定治具。
前記測定検体保持部は、前記測定検体を、前記空胴共振器の空胴部に露出部を有するように配置される構造である請求項１に記載の電磁気特性測定治具。
前記測定検体保持部は、測定検体挿入部を有するものである請求項１又は２に記載の電磁気特性測定治具。
前記測定検体保持部は、誘電体からなる保持部材より構成されるものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いた電磁気特性の測定方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定する工程と、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を求める工程を少なくとも含むことを特徴とする電磁気特性の測定方法。