JP3210769B2 - 誘電定数の測定装置及びその測定方法 - Google Patents
誘電定数の測定装置及びその測定方法Info
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Description
域で電子回路基板や電子部品として使用する各種誘電体
セラミックスの誘電定数を測定する測定方法に関するも
のである。
セラミックスが電子回路基板や電子部品等に広く使用さ
れており、近年、移動体通信の発展と普及により、1〜
3GHzの周波数領域で使用する電子回路基板や電子部
品として、例えば、電極材料として使用する銀(Ag)
や銅(Cu)と同時焼成可能なアルミナ(Al2 O3 )
を主成分とする低温焼成基板等に代表される、比誘電率
が5〜20の領域の誘電体セラミックスが、積極的に利
用されるようになってきた。
スの誘電体特性として、比誘電率、誘電正接、その他、
共振周波数の温度特性等の誘電定数が評価項目としてあ
げられており、実際に使用する周波数領域における前記
誘電体セラミックスの誘電体特性として、例えば、比誘
電率では測定精度が1%以下、また誘電正接では測定精
度が1×10-5程度の精度が要求されている。
最も精度が高く、かつ標準的な測定方法として、例えば
誘電体円柱試料の端面を2枚の導体板で短絡して共振器
を構成する両端短絡形誘電体円柱共振器法や、二分割し
た円筒状の空洞共振器で平板状の誘電体試料を挟んで共
振器を構成する空洞共振器法等が知られている。
共振器法では、測定周波数が測定しようとする誘電体材
料の比誘電率と寸法により限定されるという問題があ
り、また前記空洞共振器法では、測定周波数が主として
共振器の寸法により限定されるため、周波数を変えて誘
電定数を測定する場合には大きさの異なる空洞共振器と
誘電体を多数製作し、各周波数ごとに測定する必要があ
るが、誘電特性の再現性を保つために製作可能な測定試
料の寸法に制限がある。
電体試料の誘電定数を測定した場合、測定可能な周波数
領域は5〜20GHzに制限され、要求されている1〜
3GHzの周波数領域での測定は困難であった。
誘電体特性の測定が可能な比較的簡便な方法として、従
来よりストリップライン共振器法や誘電体共振器摂動
法、反射波法等が提案されている(特開平3−5686
6号公報、特開平3−286601号公報参照)。
トリップライン共振器法は、ストリップ線路13を挟む
ように2枚の誘電体試料14、15を重ね合わせ、該誘
電体試料14、15の上下面にグランドの導体面16、
17を形成したトリプレート共振器の共振特性より誘電
定数を求める方法であり、前記2枚の誘電体試料14、
15を重ね合わせる際に、可撓性がない材料では2枚の
誘電体試料間に隙間を生じ易く、測定精度が悪くなる恐
れがあることから、誘電体セラミックスには適用困難で
あるという課題がある。
対称に配設した2個のTE01δモードの共振器18の間
に誘電体試料19を挿入し、挿入前後の共振特性の変化
より電磁界の摂動公式を用いて誘電体試料の誘電定数を
求める方法であり、該摂動公式自体が近似解であること
から系統的な誤差を有し、誘電正接の測定可能な範囲が
10-4〜10-2に制約されるという課題がある。
電体試料21で終端し、その反射係数を測定して誘電定
数を求める方法であるため、低損失の誘電体セラミック
スを測定した場合、反射係数の大きさが極めて1に近く
なり、測定精度が低下するという課題がある。
は、いずれも実際に使用する周波数領域における誘電定
数の測定は可能なものの、測定値の精度が前述の要求を
満足しないという課題がある。
ので、マイクロ波の周波数領域、とりわけ1〜3GHz
の周波数領域で高損失材料は勿論、低損失材料に対して
も要求精度を満足する誘電定数が間便に測定できる誘電
定数の測定方法を提供することを目的とするものであ
る。
方法は、二分割した空洞共振器の空洞に、比誘電率と誘
電正接が既知である誘電体を充填し、面一致とした分割
面で平板状の誘電体試料を挟持して共振器を構成し、該
共振器の共振周波数f0と無負荷Qを測定し、比誘電率
ε’と誘電正接tanδをそれぞれ下記式
る。
は、誘電特性の再現性を保つために製作可能な測定試料
の寸法と実用的な共振器の寸法を勘案し、マイクロ波の
周波数領域、とりわけ1〜3GHzの周波数領域での誘
電定数を測定するためには、その比誘電率は10〜10
0の範囲が良く、具体的な誘電体材料としては、誘電正
接の小さい、例えばサファイア等の単結晶が好適であ
る。
電正接が既知である誘電体を充填した円筒状の空洞共振
器を中央部で分割し、その間に平板状の誘電体測定試料
を挟んで共振器を構成したことから、該共振器のTE
011 モードの共振周波数、即ち誘電定数の測定周波数が
低くなるように作用する。
の比誘電率が大きくなると共振周波数を小さくするよう
に作用し、具体的には共振周波数が、従来の空洞共振器
法の測定周波数の約1/√ε' 2 となるため、前記比誘
電率の大きさと共振器の寸法を調節することによりマイ
クロ波の周波数領域、とりわけ1〜3GHzの周波数領
域の誘電定数が測定できる。
材料としては、前述のサファイア等の単結晶を使用する
ことにより、充填した誘電体に生じる誘電体損失を低く
して、誘電正接が10-5〜10-4の低損失の誘電体セラ
ミックスの測定にも適用可能となる。
析用の空洞共振器を仮定して共振電磁界の厳密解を適用
できるので、計算に含まれる誤差も極めて小さくなり、
解析用の空洞共振器を仮定することにより生じる計算上
の誤差は、比誘電率において1%以下、また誘電正接で
は1×10-5以下となる。
測定方法を詳細に説明する。図1は、本発明に係る誘電
定数の測定装置の要部である共振器を示す断面図であ
り、図2は解析用に仮定した本発明に係る誘電定数の測
定装置の要部である共振器を示す断面図である。
洞共振器2の空洞3に比誘電率と誘電正接が既知の誘電
体4を充填し、面一致とした分割面5で平板状の誘電体
試料6を挟持して構成した誘電定数の測定装置の要部を
成す誘電定数測定用共振器である。
周縁部7が共振器1の外に出ているため、僅かながら電
磁界が外に洩れており、電磁界の厳密解を得ることはで
きない。そこで、誘電体試料6を共振器1の中に完全に
埋設した解析用の共振器を仮定し、以下に示す諸式によ
り共振周波数f0 から比誘電率ε' 1 を計算する。
さLであり、11は空洞に充填した誘電体4の直径2R
であり、12は誘電体4の高さMである。
び9の領域2の電磁界の接線成分の連続性により得られ
る下記式から算出できる。
nδ1 は、図1に示す共振器のTE011 モードの無負荷
Q、Qu の測定値より求める。但し、前記誘電正接の計
算は比誘電率と同様に解析用に仮定した図2に示す本発
明に係る誘電定数の測定装置の共振器を用いて行う。
式で与えられる。
1、2の電界の蓄積エネルギーであり、Pcy1 、Pcy2
はそれぞれ領域1、2の側壁における導体損であり、P
end は端板における導体損である。
おける誘電体損であり、領域1、2の誘電正接をtan
δ1 、tanδ2 とすると、 Pd1=ωW1 e tanδ1 Pd2=ωW2 e tanδ2 で示される。
料の誘電正接tanδ1 は下記式
W2 e 、Pcy1 、Pcy2 及びPend はそれぞれ下記式で
示される。
り、その実効導電率より計算され、AおよびBは領域
1、2における電磁界の振幅係数であり、 B/A=−cosX/sinY の関係にある。
の測定方法を具体的な実施例に基づいて説明する。測定
周波数が3GHzにおける誘電定数測定用の共振器とし
て、空洞を有する内径40mm、高さ40mmの無酸素
銅から成る円筒状の空洞共振器を二分割し、二分割した
それぞれの空洞に誘電正接が小さい、即ち低損失材料で
あるC軸に垂直な端面を持つ単結晶サファイアの円柱を
嵌合し、分割面を面一致にして共振器構成部材とした。
比誘電率は9.4であり、前記寸法の円筒状空洞共振器
に充填すると、TE011 モードの共振周波数は3.2G
Hzとなる。表1に測定周波数が3GHzの共振器の定
数を示す。
と90%のアルミナ質焼結体から成る厚さ1.0mm、
直径50.0mmの誘電体試料をそれぞれ挟持して緊締
し、誘電定数測定用の共振器を構成するとともに、該共
振器の入力側及び出力側に同軸ケーブルを配設し、その
先端にループを形成して誘電定数の測定装置を作製し
た。かくして得られた誘電定数の測定装置を用いて測定
した結果を、従来の空洞共振器法により測定した結果と
ともに表2に示す。
方法では、測定精度が比誘電率においては±0.1(1
%)以下であり、誘電正接においても±0.1×10-4
以下であった。
ものではない。
定方法は、空洞共振器の空洞に比誘電率と誘電正接が既
知である誘電体を充填し、該誘電体を充填した空洞共振
器を中央部で2つに分割してその間に平板状の誘電体測
定試料を挟んで共振器を構成し、該共振器のTE011 モ
ードの共振周波数f0 と無負荷Qを測定して前記誘電体
試料の誘電定数を求めることから、1〜3GHzの周波
数領域で、任意の形状の誘電体を高損失材料は勿論、低
損失材料に対しても高精度、かつ簡便に真値からの偏差
も極めて小さい誘電定数を測定することが可能となる。
共振器を示す断面図である。
装置の要部である共振器を示す断面図である。
ある。
面図である。
である。
Claims (1)
- 【請求項1】二分割した空洞共振器の空洞に、比誘電率
と誘電正接が既知である誘電体を充填し、面一致とした
分割面で平板状の誘電体試料を挟持して共振器を構成
し、該共振器の共振周波数f0と無負荷Qを測定し、比
誘電率ε’と誘電正接tanδをそれぞれ下記式 【数1】 及び 【数2】 より求めることを特徴とする誘電定数の測定方法。
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---|---|---|---|
JP10311693A JP3210769B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | 誘電定数の測定装置及びその測定方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10311693A JP3210769B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | 誘電定数の測定装置及びその測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH06308177A JPH06308177A (ja) | 1994-11-04 |
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JP10311693A Expired - Fee Related JP3210769B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | 誘電定数の測定装置及びその測定方法 |
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