JP4542804B2 - 物質の電気的特性の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、物質の電気的特性の評価方法に関する。詳しくは、実際の電気回路における使用状態とほぼ同一の条件下で、物質の電気的特性、即ち、反射性、減衰性、結合性及び損失量を簡単に評価することができる評価方法に関する。

近年、携帯電話等の移動体通信システム、パソコン、ゲーム機等のデジタル機器等の小型化、動作周波数の高周波化、電子部品の高実装密度化等に伴い、これらの電子機器から発生する電磁波ノイズが大きな問題となっている。すなわち、これらの電子機器から外部に放射される電磁波ノイズのみならず、信号線路を伝搬する電磁波ノイズ、隣接する電子部品や信号線路間の電磁結合により伝搬する電磁波ノイズ、電子部品や信号線路等から放射され、電子機器筐体内を反射・伝搬・干渉を繰り返す電磁波ノイズ等により電子機器自身が誤作動する等の問題が生じている。

その対策として、発生が予測されうる電磁波ノイズに対しては、ノイズフィルター等の対策部品を電気回路の設計段階から電気回路内に組み込むことが行われている。しかし、実際の電気回路においては、設計時においては予測不可能な電磁波ノイズが発生することが多く、その対策としては、電磁波ノイズを抑制する性質を有する物質を電気回路に被覆するなどしている。例えば、樹脂中に球状、または、扁平状の金属、もしくは、酸化物磁性粉末を分散させて構成した電磁波吸収体をシート状に成形したノイズ抑制シートを、筐体、電子部品、信号線路等に貼付し、発生した電磁波ノイズを抑制することが行われている。

また、特に近年の電子部品の高密度実装化により、隣接する電子部品や信号線路間の間隔はますます密接化しており、これらの電磁的結合によって伝搬する電磁波ノイズが電子機器に大きな悪影響を与えている。しかし、この電磁的結合による結合量を電気回路の設計時に予測することは困難であるため、これを抑制するためにノイズ抑制シートを貼付する必要性が大きくなっている。

このノイズ抑制シートの開発を進める上で、その特性を評価することは、その開発品がどの程度の性能を持っているかを見極める上で非常に重要な事は言うまでもない。ノイズ抑制シートを評価するに際しての指標としては、信号線路を伝搬する電磁波ノイズが減衰する程度を表す減衰量と、近接する複数の信号線路間の電磁的結合の程度を表す結合量がある。

また、実際の電気回路において、設計時には整合が取れていた電気回路にノイズ抑制シートを貼付すると、その整合が失われ、入力信号の反射が著しく増加する場合がある。その反射信号と入力信号とが干渉することによって、電気回路の動作に悪影響を与える可能性もある。そのため、ノイズ抑制シートを評価するにあたっては、上述の減衰量、結合量に加えて、この反射量を評価することも必要である。さらに、ノイズ抑制シートを電気回路に貼付した場合に、ノイズ抑制シートが電磁波ノイズを吸収する程度を表す損失量を評価することも重要である。

これらを評価するための評価方法としては、マイクロループアンテナを用いて測定する方法（特許文献１）、単線のマイクロストリップ線路を用いて測定する方法（特許文献２）、方向性結合器を用いた方法（非特許文献１）などがある。
特開２０００―９１７８１号公報 特開２００１−７６９１３号公報 IEC/TC51/WG10委員会資料 Jul.16,2002 「結合減衰量測定装置の試作」

これらの方法は、それぞれに一長一短があり、ノイズ抑制シートを評価する方法としては、必ずしも最適な方法ではない。前出特許文献１に記載の方法では、２つのマイクロループアンテナをノイズ抑制シートの近傍に配置した後電磁波を送受信し、減衰量と結合量を求めることによりノイズ抑制シートの評価を行っている。しかし、減衰量や結合量に大きな影響を与えると考えられるマイクロループアンテナの大きさやその配置の仕方等については、詳細な記載がなく、試行錯誤の域を出ないものである。また、２つのマイクロループアンテナ間の結合状態が、実際の電気回路内で近接する複数の信号線路間の結合状態に相当するかは十分検証されていない。

前出特許文献２に記載の方法では、単線のマイクロストリップ線路の上にノイズ抑制シートを配置し、この状態で生ずる伝送量の変化を減衰量として求めることによりノイズ抑制シートの評価を行っている。さらに、ノイズ抑制シートに吸収されるエネルギー、すなわち、損失量を評価することも行われている。

従って、この方法によれば、単線の信号線路にノイズ抑制シートを貼付した場合のノイズ抑制効果を評価することができると考えられる。しかし、この方法はあくまでも単線のマイクロストリップ線路を用いているものであり、実際の電気回路にあるような、近接する複数の信号線路間の結合量、減衰量、損失量については評価することができない。

前出非特許文献１に記載の方法は、方向性結合器をノイズ抑制シートの評価に応用したものであり、その構造は２本の信号線路とグランド面の間にノイズ抑制シートを挟み込む方式を採用しているものである。そのため、ノイズ抑制シートを挟むことによって方向性結合器自体の特性インピーダンスが変わってしまうという問題があり、特に厚さが違うノイズ抑制シートを評価する際には、その比較が困難となる。また、評価すべきノイズ抑制シートを交換する際には方向性結合器を分解する必要があり、作業手順が煩雑で、面倒である。

上述の通り、ノイズ抑制シートの特性評価については、確立された方法が存在しているとは言えず、ノイズ抑制シートの電磁波ノイズ抑制効果を正確に予測することは困難である。また、ノイズ抑制シートを貼付したことで、電磁ノイズがかえって増幅する場合もあり、そのため、ノイズ抑制シートを貼付する場所や方法は、試行錯誤によって決定しているのが現状であり、開発の効率が極めて悪いものとなっている。

ゆえに、本発明の解決しようとする課題は、実際の電気回路における使用状態とほぼ同一の条件下で、物質の電気的特性、即ち、反射性、減衰性、結合性及び損失量を簡単に評価することができる評価方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、分布定数型の対称型方向性結合器と、上記対称型方向性結合器に接続されたＳパラメータ測定装置と、からなる物質の電気的特性の評価装置を用いた物質の電気的特性の評価方法である。なお、以下、「方向性結合器」の記載は、前記「対称型方向性結合器」を指すものとする。

分布定数型の方向性結合器は、隣接した２つの分布定数線路（以下、結合線路と記載）を有する方向性結合器であり、結合線路の長さは、評価すべき物質の評価対象となる高周波信号の中心周波数の１／４波長である。Ｓパラメータ測定装置は、特に限定されるものではなく、公知の装置を用いればよいが、ネットワークアナライザが好ましい。

また、本発明は詳しくは、評価すべき物質を前記方向性結合器の結合線路に載置した状態のＳパラメータを前記Ｓパラメータ測定装置で測定し、測定されたＳパラメータのＳ_１１を反射性、Ｓ_２１を減衰性、及び、Ｓ_３１を結合性を示す指標として評価し、さらに、式｛１−（｜Ｓ_１１｜^２＋｜Ｓ_２１｜^２＋｜Ｓ_３１｜^２＋｜Ｓ_４１｜^２）｝×１００で示される量を損失量として評価することを特徴とする物質の電気的特性の評価方法である。

本発明では、方向性結合器の結合線路は隣接した２つの線路により形成されているので、この結合線路は、実際の電気回路とほぼ同一の条件とみなすことができる。よって、本発明によれば、実際の電気回路における使用状態とほぼ同一の条件下で、物質の電気的特性、即ち、反射性、減衰性、結合性及び損失量を評価することができるという効果がある。

また、本発明では、評価すべき物質を方向性結合器の結合線路に載置し、そのＳパラメータを測定し、その測定値から反射性、減衰性、結合性、及び、損失量を評価することとしたので、上記の電気的特性を示す指標は、Ｓパラメータを測定することにより、容易に算定することができ、もって、物質による電磁波ノイズ抑制効果を予測することができるという効果がある。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。尚、以下の説明では、Ｓパラメータ測定装置としてネットワークアナライザを用いた。図１は、本発明にかかる評価装置１の全体構成図である。この評価装置１は、分布定数型の方向性結合器２と、ネットワークアナライザ３とからなり、方向性結合器２の４つのポートＰ１〜Ｐ４は、ケーブル４で接続されている。

図１における方向性結合器２は、これを上面から見たものである。この方向性結合器２は、平板状の基材の上面に形成されたマイクロストリップライン５及び６と、背面に形成された全面ベタパターン（図示せず）を有し、結合線路の上を評価すべき物質を載置する載置部７としている。マイクロストリップライン５及び６の結合線路の長さ、幅及び間隔は、評価すべき物質の評価対象となる高周波信号の中心周波数と基材の比誘電率とを考慮して設定し、殊に長さは中心周波数の１／４波長とする。

次にこの評価装置１を用いて、物質の電気的特性を評価する方法を説明する。まず、評価すべき物質を方向性結合器２の載置部７に載置し、ネットワークアナライザー３を用いて、ポートＰ１から信号を入力した場合のＳパラメータＳ₁₁、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁、及びＳ₄₁を測定する。ここで、Ｓ₁₁、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁、及び、Ｓ₄₁は、それぞれ、ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４からの出力信号であり、入力信号を基準として表される。

物質の電気的特性を評価するための指標として、測定されたＳパラメータのＳ₁₁、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁、及び、Ｓ₄₁を使用する。具体的には、Ｓ₁₁を反射性、Ｓ₂₁を減衰性、及び、Ｓ₃₁を結合性を示す指標として評価する。さらに、式｛１−（｜Ｓ₁₁｜²＋｜Ｓ₂₁｜²＋｜Ｓ₃₁｜²＋｜Ｓ₄₁｜²）｝×１００で示される量を損失量として評価する。なお、上記の通り、Ｓ₄₁は、物質の特性を直接的に評価する指標としては用いず、損失量を算出するために使用される。

また、図１に示される本実施形態のネットワークアナライザ３は、４ポートタイプのものを使用している。これにより、上記の４つのＳパラメータを同時に測定することができる。従来ある２ポートタイプのネットワークアナライザを使用することもでき、この場合は、ネットワークアナライザとポートＰ１との接続を固定とし、Ｓ₂₁、Ｓ₃₁、及び、Ｓ₄₁はケーブルを付け替えながら順次測定すればよい。

電気的特性を評価すべき物質として、次の手順で製作したノイズ抑制シートを用意した。これは、球状のカルボニル鉄粉末（平均粒径６μｍ）とエチレン−酢酸ビニル共重合体とを、前記カルボニル鉄粉末の含有量が６０ｖｏｌ％になるように熱間ロールを用いて混練した後、厚さ２６０μmのシート状に成膜することによって得られたシートを、縦４０ｍｍ×横５０ｍｍのサイズに切り出したものである。このノイズ抑制シートを、０.５ＧＨｚを中心とする高周波信号により評価することとした。

次に、方向性結合器２を次の手順で製作した。これは、公知のプリント基板の製造技術によって製作できるものである。基材としてプリント基板用の両面銅貼基材である日立化成工業株式会社製ＭＣＬ−ＬＸ−６７（商品名）を用意した。この基材の上面側にマイクロストリップライン５及び６と、背面に全面ベタパターン（図示せず）とを、共にフォトリソ法により形成し、次いで、マイクロストリップライン５及び６と、背面側の全面ベタパターンと、の表層をＡｕめっきで被覆し、保護層を形成した。マイクロストリップライン５及び６の寸法は、基材の比誘電率を考慮し、結合線路の長さを９０ｍｍ、幅を３ｍｍ、間隔を０.２５ｍｍと設定した。また、ポートＰ１及びＰ３、ポートＰ２及びＰ４の対向角度は、それぞれ、ともに９０°とした。

そして、方向性結合器２のポートＰ１〜Ｐ４をネットワークアナライザ３に接続し、方向性結合器２に何も載置しない状態、すなわち、方向性結合器２単体のＳパラメータと、載置部７にテフロン（登録商標）で作成した絶縁性材料を介して、上記のノイズ抑制シートを載置した状態のＳパラメータを測定した。

ここで、ネットワークアナライザ３で得られるＳパラメータの測定値は、実数部及び虚数部からなるので、これらからＳパラメータの利得（ｄＢ）、及び、損失量（％）を算出する。

以上をグラフ表示した結果を図２〜図６に示す。グラフの実線はノイズ抑制シートを方向性結合器２に載置した状態の量、破線は方向性結合器２単体の量を示す。

この結果から、このノイズ抑制シートの電気的特性を以下の通りであると評価した。
（１）Ｓ₁₁（反射性）
図２に示す通り、ノイズ抑制シートにより、単体状態より利得が高くなっており、広い周波数帯において、反射性が大きくなっている。ただし、最大でも約−１４ｄＢであり、これは電力として約４％の反射が生じているに過ぎない。従って、このノイズ抑制シートを実際の電気回路に貼付した場合、入力信号と出力信号の干渉は小さく、電気回路の動作に大きな影響を与えることはないと考えられる。
（２）Ｓ₂₁（減衰性）
図３に示す通り、測定した全周波数帯において、単体状態よりも減衰性が増加している。つまり、このノイズ抑制シートを実際の電気回路に貼付した場合、該周波数帯において信号線路を伝搬する電磁波ノイズを減衰させることができると考えられる。
（３）Ｓ₃₁（結合性）
図４に示す通り、０．４〜０．８ＧＨｚの周波数帯において単体状態よりも結合性が低下していることから、このノイズ抑制シートを実際の電気回路に貼付した場合、該周波数帯において近接する複数の信号線路間の電磁的結合を抑制することができ、該信号線路間を伝搬する電磁波ノイズを抑制することができると考えられる。
（４）Ｓ₄₁
図５に示したＳ₄₁は、ノイズ抑制シートの特性を直接的に表すものでなく、後述の損失量を算出する際に使用される。
（５）損失量
損失量とは、上述の式からも分かるとおり、ノイズ抑制シートに吸収される信号を入力信号に対する比率で表した量である。図６に示す通り、測定した全周波数帯において単体状態よりも損失量が増加していることから、このノイズ抑制シートを実際の電気回路に貼付した場合、該周波数帯において電磁波ノイズを吸収することができると考えられる。

上述のように、本発明にかかる方向性結合器及び評価方法を用いることにより、ノイズ抑制シートの電気的特性、即ち反射性、減衰性、結合性及び損失量を実際の電気回路とほぼ同一の条件において評価することができる。従って、実際の電気回路にノイズ抑制シートを貼付した場合の電磁波ノイズ抑制効果を予測することが可能になる。

評価装置の全体構成図。 Ｓ₁₁（反射性）を示す図。 Ｓ₂₁（減衰性）を示す図。 Ｓ₃₁（結合性）を示す図。 Ｓ₄₁を示す図。 損失量を示す図。

符号の説明

１ 評価装置
２ 方向性結合器
３ ネットワークアナライザ
４ ケーブル
５ マイクロストリップライン
６ マイクロストリップライン
７ 載置部

Claims (1)

1. 分布定数型の対称型方向性結合器と、上記対称型方向性結合器に接続されたＳパラメータ測定装置と、からなる物質の電気的特性の評価装置を用いた物質の電気的特性の評価方法であって、評価すべき物質を上記対称型方向性結合器の結合線路に載置した状態のＳパラメータを上記Ｓパラメータ測定装置で測定し、測定されたＳパラメータのＳ _１１ を反射性、Ｓ _２１ を減衰性、及び、Ｓ _３１ を結合性を示す指標として評価し、さらに、式｛１−（｜Ｓ _１１ ｜ ^２ ＋｜Ｓ _２１ ｜ ^２ ＋｜Ｓ _３１ ｜ ^２ ＋｜Ｓ _４１ ｜ ^２ ）｝×１００で示される量を損失量として評価することを特徴とする物質の電気的特性の評価方法。