JP2020187013A - 高周波測定用プローブ及び高周波特性測定装置 - Google Patents

高周波測定用プローブ及び高周波特性測定装置 Download PDF

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勝仁 冨桝
Katsuhito Tomimasu
勝仁 冨桝
文太 岡本
Bunta Okamoto
文太 岡本
志▲剛▼ 何
Zhigang He
志▲剛▼ 何
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Abstract

【課題】特性インピーダンスが、回路基板の被測定点の信号電極とグランド電極との間隔に実質的に依存しない高周波測定用プローブ及びそれを用いた高周波特性測定装置を構成する。【解決手段】高周波用プローブ101は、第1基板10と、第2基板20と、基板保持機構とを備える。第1基板10は、第1グランド導体12と、この第1グランド導体12に導通するグランドプローブ1とを有する。第2基板20は、信号導体と第2グランド導体とで構成される伝送線路と、信号導体に導通し、グランドプローブ1と同方向に延伸する信号プローブ3とを有する。基板保持機構は、第1基板10と第2基板20とを、第1グランド導体12と第2グランド導体とを電気的に導通させた状態で、グランドプローブ1及び信号プローブ3の延伸方向に対する直交方向である第1方向における相対位置関係を調整可能に保持する。【選択図】図1

Description

本発明は、被測定対象である高周波回路の特性の測定に用いる高周波測定用プローブ及びそれを備える高周波特性測定装置に関する。
回路基板上の被測定点の信号を検出して、回路基板に形成されている高周波回路の特性を測定するための一般的な方法は、測定装置から引き出された、独立した手持ち式のプローブを回路基板の被測定点に当てて、測定装置によって高周波信号を分析する、というものである。しかし、この手持ち式のプローブを用いる方法では、多数の試験部位が存在する場合に効率が悪く、時間の掛かる作業となる。
これに対して、特許文献1には、プリント配線回路基板を保持する台と、この台の上方でx、y及びz方向に移動可能な二つの試験ヘッドを備え、信号プローブと接地プローブの間隔を変更できるように構成されたプリント配線回路基板試験装置が開示されている。
特開2000−28673号公報
特許文献1に記載のプリント配線回路基板試験装置では、信号プローブと接地プローブとの間隔は、回路基板の被測定点の信号電極とグランド電極との間隔によって規定されてしまう。そのため、信号プローブと接地プローブとの間隔が適正に定まらず、プローブの特性インピーダンスが規定値からずれる場合がある。その場合には、インピーダンス不整合が生じて、正しい測定ができない。
信号プローブと接地プローブとを個別に移動可能とせずに、所定の特性インピーダンスのプローブを予め設計しておけば、上記特性インピーダンスの不整合の問題は回避できる。しかし、回路基板の被測定点の箇所に応じて信号プローブと接地プローブとの間隔が異なる場合や、被測定回路基板の品種ごとに信号プローブと接地プローブとの間隔が異なる場合には、それら測定箇所に応じた専用のプローブを複数種用意しておく必要があり、手間が掛かり、測定工程も複雑化する。
そこで、本発明の目的は、特性インピーダンスが回路基板の被測定点の信号電極とグランド電極との間隔に実質的に依存しない高周波測定用プローブ及びそれを用いた高周波特性測定装置を提供することにある。
本開示の一例としての高周波測定用プローブは、
第1グランド導体と、当該第1グランド導体に導通するグランドプローブとを有する第1基板と、
信号導体と第2グランド導体とで構成される伝送線路と、前記信号導体に導通し、前記グランドプローブと同方向に延伸する信号プローブとを有する第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板とを、前記第1グランド導体と前記第2グランド導体とを電気的に導通させた状態で、前記グランドプローブ及び前記信号プローブの延伸方向に対する直交方向である第1方向における相対位置関係を調整可能に保持する基板保持機構と、
を備える。
また、本開示の一例としての高周波特性測定装置は、
高周波測定用プローブを備える高周波特性測定装置であって、
前記高周波測定用プローブは、
第1グランド導体と、当該第1グランド導体に導通するグランドプローブとを有する第1基板と、
信号導体と第2グランド導体とで構成される伝送線路と、前記信号導体に導通し、前記グランドプローブと同方向に延伸する信号プローブとを有する第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板とを、前記第1グランド導体と前記第2グランド導体とを電気的に導通させた状態で、前記グランドプローブ及び前記信号プローブの延伸方向に対する直交方向である第1方向における相対位置関係を調整可能に保持する基板保持機構と、
前記基板保持機構を駆動して前記グランドプローブと前記信号プローブとの間隔を、被測定箇所のグランド電極と信号電極との間隔に調整するプローブ間隔調整部と、
を備える。
本発明によれば、特性インピーダンスが回路基板の被測定点の信号電極とグランド電極との間隔に実質的に依存しない高周波測定用プローブ及びそれを用いた高周波特性測定装置が得られる。
図1は第1の実施形態に係る高周波用プローブ101の主要部の斜視図である。 図2は高周波用プローブ101の主要部の正面図である。 図3は、第2基板20の主要部の構成を示す分解斜視図であり、絶縁基材21から第2グランド導体部材25を分離した状態で、見上げた図である。 図4は、基板保持機構を含む高周波用プローブ101の構成を示す正面図である。 図5は、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔及び被測定回路基板90の関係を示す正面図である。 図6(A)、図6(B)は、第2グランド導体部材25の先端部、信号プローブ3の突出部3P及び信号導体32の先端部の関係を示す正面図である。 図7は、図6(A)に示した例とは異なる第2グランド導体部材25の形状を示す正面図である。 図8(A)、図8(B)は、第2の実施形態に係る高周波用プローブの主要部の正面図である。 図9は第2の実施形態に係る別の高周波用プローブの主要部の正面図である。 図10は第3の実施形態に係る高周波用プローブ103の主要部の正面図である。 図11は第4の実施形態に係る高周波特性測定装置におけるプローブ間隔調整部の構成を示すブロック図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明又は理解の容易性を考慮して、実施形態を説明の便宜上、複数の実施形態に分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせは可能である。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る高周波用プローブ101の主要部の斜視図である。この高周波用プローブ101は、第1基板10及び第2基板20を備える。第1基板10は、第1グランド導体12と、この第1グランド導体12に導通するグランドプローブ1とを有する。第2基板20は、後に詳述する伝送線路と、信号プローブ3とを有する。グランドプローブ1及び信号プローブ3は、第1基板10及び第2基板20の端辺ESから、図1に示す座標でY軸に平行な方向(以降「Y方向」)に突出する。このY方向は本発明における「延伸方向」に相当する。
図2は高周波用プローブ101の主要部の正面図である。第1基板10は、絶縁基材11と、この絶縁基材11の第1主面MS11に形成された第1グランド導体12と、この第1グランド導体12に取り付けられたグランドプローブ1とを有する。グランドプローブ1は第1グランド導体12の所定位置にはんだ付けされ、第1グランド導体12に電気的に導通している。なお、はんだ付けに限らず、導電性接合部材を介して接合されていればよい。
第2基板20は、絶縁基材21、この絶縁基材21に形成された各種導体パターン、信号プローブ3、及び第2グランド導体部材25を有する。絶縁基材21の第1主面MS21には信号導体32及び第2グランド導体22が形成されている。絶縁基材21の第2主面MS22には第2グランド導体23が形成されている。絶縁基材21の内部には、第2グランド導体22と第2グランド導体23とを層間接続する第2グランド導体(層間接続導体)24が形成されている。
後に示すように、グランドプローブ1及び信号プローブ3の延伸方向(Y方向)に対する直交する一方向であるX軸に平行方向(以降「X方向」)において、第1基板10と第2基板20との相対位置は変位可能である。このX方向は本発明における第1方向に相当する。第2基板20は、上記延伸方向(Y方向)に直交かつ第1方向に直交する方向であるZ軸に平行方向(以降「Z方向」)に突出する凸部20Cを有する。このZ方向は本発明における「第2方向」に相当する。
信号導体32には信号プローブ3が取り付けられている。また、第2グランド導体22には断面コ字型(U字型)の第2グランド導体部材25が取り付けられている。第2グランド導体22及び第2グランド導体部材25は、本発明に係る「第2グランド導体」に相当する。信号プローブ3は信号導体32にはんだ付けされ、信号導体32に電気的に導通している。また、第2グランド導体部材25は第2グランド導体22にはんだ付けされ、第2グランド導体22に電気的に導通している。
第1基板10の第1グランド導体12と第2基板20の第2グランド導体部材25とは摺動自在に接していて、電気的に導通している。第1基板10及び第2基板20は、第1グランド導体12と第2グランド導体部材25とが電気的に導通する状態で、第1基板10と第2基板20との相対位置が調整可能状態で保持される。このような構造により、第2グランド導体22〜24及び第2グランド導体部材25が第1グランド導体12に電気的に導通した状態で、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔を任意に定めることができる。
図3は、第2基板20の主要部の構成を示す分解斜視図であり、絶縁基材21から第2グランド導体部材25を分離した状態で、斜めに見上げた図である。
信号プローブ3は、信号導体32の延伸方向に沿って信号導体32に配置され、はんだ付けされている。第2グランド導体部材25は、信号導体32及び信号プローブ3の周囲を覆う位置に配置され、第2グランド導体22にはんだ付けされる。
図2、図3に表れているように、信号導体32及び信号プローブ3は、第2グランド導体22〜24、及び第2グランド導体部材25で囲まれる。この構造により、第2グランド導体22〜24、及び第2グランド導体部材25によってストリップラインのグランド導体部が構成され、信号導体32及び信号プローブ3によってストリップラインの信号導体部が構成される。つまり、上記グランド導体部と、第2グランド導体22〜24、及び第2グランド導体部材25によって囲まれる空間(絶縁基材21の一部及び第2グランド導体部材25内の空間)と、上記信号導体部と、によって、同軸線路構造又はストリップライン構造の伝送線路が構成される。信号プローブ3が配置される範囲において、この伝送線路のY方向に直交する断面の構造は、Y方向の位置にかかわらず一定であり、その特性インピーダンスは規定値(例えば50Ω)に定められている。
第1基板10と第2基板20との相対位置が変位すると、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔が変化する。図2において、グランドプローブ1と信号プローブ3とのX方向の間隔をDx、直線距離をDdで表している。このグランドプローブ1と信号プローブ3との間隔Ddを、被測定箇所のグランド電極と信号電極との間隔に一致させた状態で、高周波用プローブ101のグランドプローブ1及び信号プローブ3を被測定箇所のグランド電極及び信号電極にそれぞれ当接させて測定を行う。
上述のとおり、信号プローブ3は、第2基板20の凸部20Cの内部に設けられ、凸部20Cの外面に第2グランド導体部材25が設けられていることにより、信号導体32及び信号プローブ3の周囲が上記グランド導体部で囲まれる。この構造により、上記ストリップラインの特性インピーダンス、すなわちこの高周波用プローブ101のプローブの特性インピーダンスは規定値に定められ、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔に依存しない。
グランドプローブ1は、例えば直径0.2mmから0.4mm程度の大きさの円筒状のスリーブ1Sと、このスリーブ1Sの内側から外側へ突出する突出部1Pと、スリーブ1S内に収納されたコイルバネとで構成される。このコイルバネは突出部1Pを弾性的に外側へ押し出す。信号プローブ3の構成も同様であり、円筒状のスリーブ3Sと、このスリーブ3Sの内側から外側へ突出する突出部3Pと、スリーブ3S内に収納されたコイルバネとで構成される。なお、上述の弾性的に外側へ押し出す部材はコイルバネに限らず、弾性部材であればよい。
図4は、基板保持機構を含む高周波用プローブ101の構成を示す正面図である。高周波用プローブ101は、第1基板10を保持する基板保持材41、第2基板20を保持する基板保持材42、及び基板保持機構40を備える。この基板保持機構40は、第1基板10と第2基板20との第1方向(X方向)における相対位置関係を、第1グランド導体12と第2グランド導体部材25とを電気的に導通させた状態(図2)で調整可能に保持する。
なお、第1基板10の第1グランド導体12と第2基板20の第2グランド導体部材25とが摺動自在に接するような機構ではなく、例えば、第2グランド導体部材25を第1グランド導体12から離れるように−Z方向へ変位させたのち、X方向または−X方向へ変位させることで、X方向におけるグランドプローブ1と信号プローブ3との間隔を所定間隔に定め、その後、第2グランド導体部材25をZ方向へ変位させて、第2グランド導体部材25を第1グランド導体12に接続するような機構を備えてもよい。
基板保持機構40は、基板保持材41と基板保持材42とを相対的にX方向に変位させ、かつ所定位置で保持する。そのことによって、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔を定める。
図5は、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔、及び被測定回路基板90の関係を示す正面図である。但し、図5においては、高周波用プローブ101のうち、グランドプローブ1、信号プローブ3及び第2グランド導体部材25以外の、第1基板10、第2基板20、基板保持材41,42等の図示は省略している。
被測定回路基板90の表面には複数のグランド電極GNDと複数の信号電極SIGが形成されている。グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔はグランド電極GNDと信号電極SIGとの間隔と一致するように予め調整しておく。
図5に表れているように、信号プローブ3の突出部3Pは第2グランド導体部材25の先端部からさらに突出している。グランドプローブ1の突出部1Pはグランド電極GNDに当接し、信号プローブ3の突出部3Pは信号電極SIGに当接する。この状態で測定が行われる。グランドプローブ1及び信号プローブ3は、第2グランド導体部材25の先端部が被測定回路基板90に当接しない高さまで、被測定回路基板90に下ろされる。したがって、第2グランド導体部材25が信号電極SIGに導通することはない。
信号電極SIGと第2グランド導体部材25とは近接することが好ましい。第2グランド導体部材25による、信号プローブ3の突出部3Pの遮蔽効果が保たれるからである。信号電極SIGと第2グランド導体部材25との間隔は、例えば信号プローブ3と第2グランド導体部材25との間隔と略等しくする。このことによって、信号プローブ3と第2グランド導体部材25との間に生じる容量成分が信号プローブ3の突出部3Pまで均等になる。
図6(A)、図6(B)は、第2グランド導体部材25の先端部、信号プローブ3の突出部3P及び信号導体32の先端部の関係を示す正面図である。図6(A)に示す例では、第2グランド導体部材25が第2基板20の端辺より寸法P25だけ突出している。寸法P25は例えば5mm以下である。信号プローブ3の中心から第2グランド導体部材25の内面までの距離S3は例えば5mm以下である。図6(B)に示す例では、寸法P25は例えば−5mmである。
第2グランド導体部材25の先端部は、図6(A)に示すように、信号導体32の先端より突出していることが好ましい。第2グランド導体部材25による、信号導体32及び信号プローブ3の遮蔽効果が高まるからである。
図7は、図6(A)に示した例とは異なる第2グランド導体部材25の形状を示す正面図である。この例では、第2グランド導体部材25は、その先端部に、周辺から信号プローブの中心方向(突出部3P方向)へ突出する突出部25Pを有する。この構造によれば、信号プローブ3と第2グランド導体部材25との間に生じる容量成分が、信号プローブ3の突出部3Pまで均等になる。また、信号プローブの突出部3Pの遮蔽効果が高まり、外部空間との間での不要結合が、より効果的に抑制される。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、第1の実施形態とは異なる第2基板20に設けられる凸部20Cの構造について示す。
図8(A)、図8(B)は、第2の実施形態に係る高周波用プローブ102A,102Bの主要部の正面図である。図2に示した例では、第2グランド導体部材25で囲まれる空間内に信号導体32及び信号プローブ3を配置したが、図8(A)、図8(B)に示す例では、外周面に第2グランド導体部材25が形成された絶縁基材26を備える。
図8(A)に示す例では、絶縁基材26で形成される凸部20Cの外周面のうち二面に第2グランド導体部材25が形成されている。図8(B)に示す例では、絶縁基材26で形成される凸部20Cの外周面のうち一面に第2グランド導体部材25が形成されている。
図8(A)、図8(B)のいずれの例でも、第2グランド導体部材25の一部が第1グランド導体12に摺動可能状態で接する。
このように、第2グランド導体部材25は、信号導体32及び信号プローブ3の周囲3面に限らず、2面又は1面に設けられてもよい。特に、図8(A)に示した例のように、グランドプローブ1側の面に第2グランド導体部材25が無い構造であると、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔の最短距離を小さくできる。
図9は第2の実施形態に係る別の高周波用プローブ102Cの主要部の正面図である。図2に示した高周波用プローブ101とは、第2グランド導体部材25の構造が異なる。本実施形態では、第2グランド導体部材25の内面が半円筒の内面と略同形状となっている。このような形状であれば、信号導体32及び信号プローブ3と第2グランド導体部材25との間隔が、信号導体32及び信号プローブ3周りで、より均一となる。このことによって、ストリップラインよりも同軸線路に近い線路が構成され、電磁界分布の均一性が高まり、伝送損失が低減される。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、これまでに示した例とはグランドプローブ周囲の構成が異なる高周波用プローブについて示す。
図10は第3の実施形態に係る高周波用プローブ103の主要部の正面図である。第1基板10は、絶縁基材11と、この絶縁基材11から突出する凸部10Cとを有する。絶縁基材11の第1主面MS11には第1グランド導体12が形成されている。凸部10Cの天面には第1グランド導体13が形成されている。凸部10Cの内部には、第1グランド導体12と13とを層間接続する第1グランド導体(層間接続導体)14が形成されている。そして、第1グランド導体13にグランドプローブ1がはんだ付けされている。第2基板20の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。
絶縁基材11の第1主面MS11を基準とする、グランドプローブ1の中心の高さは、信号プローブ3の中心の高さと等しい。そのため、第1基板10と第2基板20との相対位置関係を変位させれば、その変位量に等しい距離だけ、グランドプローブ1と信号プローブ3との第1方向(X方向)の間隔Ddが変化する。このことにより、グランドプローブ1と信号プローブ3とのX方向の間隔Ddの設定が容易となる。
《第4の実施形態》
第4の実施形態では高周波特性測定装置の例について示す。本実施形態に係る高周波特性測定装置は、高周波測定用プローブとプローブ間隔調整部とを備える。その高周波測定用プローブの構成は、既に幾つかの実施形態で示したとおりである。
図11は上記プローブ間隔調整部の構成を示すブロック図である。このプローブ間隔調整部は、制御部50、入力部51、駆動制御部52、ステッピングモータ53、及びセンサ54を備える。
制御部50は入力部51を介して、外部から入力される間隔データを読み取る。また、制御部50は、駆動制御部52を介して、上記間隔データに応じた量だけステッピングモータ53を駆動する。ステッピングモータ53は、第1基板10に対する第2基板20の相対位置を変位させる。センサ54は、第1基板10に対する第2基板20の相対位置を検出する。
制御部50、駆動制御部52、ステッピングモータ53及びセンサ54による構成が本発明に係る「自動調整部」に相当する。
制御部50は、第1基板10に対する第2基板20の相対位置を初期位置にするために、センサ54の検出信号を入力しつつ駆動制御部52を介してステッピングモータ53を所定量だけ駆動する。その後は、上記間隔データに応じた量だけステッピングモータ53を駆動することで、グランドプローブ1と信号プローブ3との間隔を指定された間隔に定める。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
GND…グランド電極
MS11…絶縁基材11の第1主面
MS21…絶縁基材21の第1主面
MS22…絶縁基材21の第2主面
SIG…信号電極
1…グランドプローブ
1P…グランドプローブの突出部
1S…スリーブ
3…信号プローブ
3S…スリーブ
3P…信号プローブの突出部
10…第1基板
10C…凸部
11…絶縁基材
12,13,14…第1グランド導体
20…第2基板
20C…凸部
21…絶縁基材
22,23,24…第2グランド導体
25…第2グランド導体部材
25P…突出部
26…絶縁基材
32…信号導体
40…基板保持機構
41,42…基板保持材
50…制御部
51…入力部
52…駆動制御部
53…ステッピングモータ
54…センサ
90…被測定回路基板
101,102A,102B,102C,103…高周波用プローブ

Claims (6)

  1. 第1グランド導体と、当該第1グランド導体に導通するグランドプローブとを有する第1基板と、
    信号導体と第2グランド導体とで構成される伝送線路と、前記信号導体に導通し、前記グランドプローブと同方向に延伸する信号プローブとを有する第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板とを、前記第1グランド導体と前記第2グランド導体とを電気的に導通させた状態で、前記グランドプローブ及び前記信号プローブの延伸方向に対する直交方向である第1方向における相対位置関係を調整可能に保持する基板保持機構と、
    を備える、
    高周波測定用プローブ。
  2. 前記信号プローブは、前記延伸方向に、前記第2グランド導体よりも長く突出する突出部を有する、
    請求項1に記載の高周波測定用プローブ。
  3. 前記第2グランド導体は、前記第1グランド導体に摺動自在に配置された、
    請求項1又は2に記載の高周波測定用プローブ。
  4. 前記第2基板は、前記延伸方向に直交かつ前記第1方向に直交する方向である第2方向に突出する凸部を有し、
    前記第2グランド導体は前記凸部の外面に設けられていて、
    前記信号導体は前記凸部の内部に設けられている、
    請求項1から3のいずれかに記載の高周波測定用プローブ。
  5. 高周波測定用プローブを備える高周波特性測定装置であって、
    前記高周波測定用プローブは、
    第1グランド導体と、当該第1グランド導体に導通するグランドプローブとを有する第1基板と、
    信号導体と第2グランド導体とで構成される伝送線路と、前記信号導体に導通し、前記グランドプローブと同方向に延伸する信号プローブとを有する第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板とを、前記第1グランド導体と前記第2グランド導体とを電気的に導通させた状態で、前記グランドプローブ及び前記信号プローブの延伸方向に対する直交方向である第1方向における相対位置関係を調整可能に保持する基板保持機構と、
    前記基板保持機構を駆動して前記グランドプローブと前記信号プローブとの間隔を、被測定箇所のグランド電極と信号電極との間隔に調整するプローブ間隔調整部と、
    を備えた、高周波特性測定装置。
  6. 前記プローブ間隔調整部は、前記グランドプローブと前記信号プローブとの間隔に関する間隔値を入力する入力部と、
    前記間隔値に応じて、前記グランドプローブと前記信号プローブとの間隔を定める自動調整部とを備える、
    請求項5に記載の高周波特性測定装置。
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