JP5424220B2 - 受動相互変調ひずみの測定方法および測定システム - Google Patents

受動相互変調ひずみの測定方法および測定システム Download PDF

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Description

本発明は、高周波帯域における電気材料、磁気材料等の測定方法および、測定システムに関する。より詳細には、電気材料、磁気材料等の電気磁気特性を、受動相互変調ひずみを用いて測定する方法および測定システムに関する。
相互変調ひずみは、低周波の音声帯域の電子装置から無線通信装置にいたるまで、幅広い周波数帯において問題となる現象の１つである。一般に相互変調ひずみは、近接した異なる周波数の複数の信号が低周波電子装置、無線通信装置または半導体素子などに入力されるときに、または出力されるときに、新たな周波数成分のひずみ信号として発生する。低周波帯においては、例えば、コンタクトの非線形ひずみとしての解析が行なわれている（非特許文献１参照）。また、無線通信装置の高周波化、高効率化、低ひずみ化などの要請から、高周波帯においても相互変調ひずみの低減が検討されてきた。これらの相互変調ひずみは、いずれも装置内に使用されている増幅器や半導体素子などの能動素子における非線形性の問題として取り扱われてきた。
上述の相互変調ひずみに関連して、あらたに注目されている問題に、受動相互変調ひずみ（Passive Intermodulation）がある。従来問題とされてきた相互変調ひずみが能動素子において発生するものであるのに対し、受動相互変調ひずみは受動回路や受動部品において発生する点で異なる。受動相互変調ひずみは、多くは、異種または同種金属の金属接点において、金属間の電位差および非線形な集中抵抗などにより発生することが知られている。簡単のため、以後本明細書においては、受動相互変調ひずみをＰＩＭと呼ぶ。
図１２ＡおよびＢは、ＰＩＭの概念を説明する図である。ＰＩＭは、従来の相互変調ひずみ同様に、近接する２つの信号を被測定物に入力することにより、新たに発生するひずみ信号である。図１２Ａは、周波数ｆ１の試験信号および周波数ｆ２の試験信号を被試験物に入力したときに発生するＰＩＭ信号（ｆ３、ｆ５、ｆ７・・）を示している。奇数次のＰＩＭ信号は、２つの試験信号の周りに近接して発生し、高次ひずみほど試験信号から離れた周波数に位置する関係となる。また、ｆ１、ｆ２の周波数が離れている場合には、偶数次のＰＩＭ信号も受信障害の原因と成り得る。ＰＩＭの発生レベルは、一般に、高次のＰＩＭほど低い。簡単のため、図１２Ａでは試験信号より高い周波数側のＰＩＭのみを示している。試験信号としてそれぞれ電力レベルが＋４３ｄＢｍの信号を入力する場合でも、ＰＩＭ信号の発生レベルは、−５０〜−１５０ｄＢｍ程度と非常に低い。能動素子において問題となる相互変調ひずみと比較すれば、非常に低いレベルである。しかし、微小レベルの信号を扱う無線通信装置においてはこのＰＩＭを無視することはできない。
図１２Ｂは、ＰＩＭが通信障害を生じさせることを説明する図である。図１２Ｂは、送信帯域（Ｔｘ）および受信帯域（Ｒｘ）に周波数帯域を分けた周波数複信方式の無線システムにおける、両帯域の周波数関係を示している。例えば、携帯電話システムの基地局の場合を考えると、基地局の送信帯域Ｔｘにおいて、周波数ｆ１およびｆ２の２つの信号が同時に送信される。この時、基地局送信機内の送信フィルタ等の受動部品やアンテナ等において、周波数ｆ３のＰＩＭ信号が発生する。このＰＩＭ信号が、送受信共用アンテナを経由して、基地局の受信帯域Ｒｘに入り込む。このような場合、基地局受信機においてＰＩＭ信号は、周波数ｆ３と同一周波数の受信信号に対する妨害波となり、通信障害が発生する。
近年、無線通信の高周波化、高出力化、マルチキャリア化、ならびに変調の広帯域化を背景として、とりわけ注目を浴びているのは、受動部品の材料において発生するＰＩＭである。当初、ＰＩＭは受動部品の接点部分における金属電位差や非線形抵抗などが原因とされていた。しかし、非線形の集中抵抗や異種金属が存在しない状態、例えばプリント基板回路などの金属材料中において発生するＰＩＭが新たに注目されている。
図１３Ａは、接点部分において発生するＰＩＭを説明する図である。周波数複信方式を使用する無線装置（例えば、携帯電話システム）のアンテナ１２４周辺部を例として示している。送信アンテナと受信アンテナを共用するために、送信信号および受信信号を分離するアンテナ共用器（Ｄｕｐｌｅｘｅｒ：以下ＤＵＰと呼ぶ）１２０が使用されている。ＤＵＰ１２０は、送信回路が接続される送信端１２１、受信回路へ接続される受信端１２２およびアンテナ１２４に接続されるアンテナ端１２３を持つ。送信回路から異なる周波数の２つの送信信号がＤＵＰ１２０に入力されると、送信端１２１のコネクタ接点やアンテナ端１２３のコネクタ接点などにおいて、それぞれＰＩＭ信号１２５ａ、ＰＩＭ信号１２５ｂが発生する。
図１３Ｂは、受動部品の材料において発生するＰＩＭを説明する図である。ＤＵＰ１２０への各接続に接触点を伴うコネクタを使用せずに、マイクロストリップライン（Micro Stripe Line：以下、ＭＳＬと呼ぶ）などの平面回路により直接接続した場合であっても、ＰＩＭが観測される。ＰＩＭは、アンテナ１２４内に形成されたＭＳＬなどの平面回路１２６ａや移相器など、無線装置内のプリント回路基板上のＭＳＬ１２６ｂ等の平面回路において発生すると考えられている。また、ＭＳＬを構成する導体材料および誘電体材料などにおいてＰＩＭが発生すると考えられている。本発明の出願人等による非特許文献２にも、ＭＳＬを用いたＰＩＭ測定により、金属材料そのものにおいて発生するＰＩＭの評価結果について開示されている。
図１４は、高周波帯域における従来のＰＩＭ測定系を示す図である。非特許文献２などに示されているＰＩＭ測定系の構成は、大別して、試験信号を発生させる部分、ＰＩＭを分離・検出する部分、および被試験物に分けることができる。異なる周波数ｆ１、ｆ２の試験信号は、信号発生部１０１、１０２により発生される。試験信号は、被測定試料においてＰＩＭを発生させるのに十分な電力レベルである必要がある。例えば、１信号当たり＋４３ｄＢｍ（２０Ｗ）またはそれ以上のパワーを出力できる信号発生器を用いる場合もある。通常、信号発生部１０１、１０２は、信号発生器（ＳＧ）およびＡ級電力増幅器などにより構成される。
２つの信号発生部１０１、１０２からの試験信号は、結合器１０３により合成され、ＤＵＰ１０７の送信端に入力される。ＤＵＰ１０７のアンテナ端から出力された２波の試験信号は、被測定試料（以下ＤＵＴ：Device Under Testと呼ぶ）１０４の一端に入力される。ＤＵＴ１０４の他端は終端器１０５に接続される。試験信号は、終端器１０５により終端される。終端器１０５は、ＰＩＭ測定系全体を特性インピーダンス５０Ωに整合させて試験信号を吸収し、ＤＵＴ１０４周辺において不要な反射波を発生させずに測定を安定化させるために使用される。このような従来のＰＩＭ測定方法では、測定系全体は５０Ωに統一され、高い電力レベルの試験信号はＤＵＴ１０４を透過して終端器１０５に吸収させることを基本としていた。
ＤＵＴ１０４内の試料で発生したＰＩＭ信号は、ＤＵＰ１０７のアンテナ端に入る。ＤＵＰ１０７内のフィルタにより受信帯域に帯域制限され、受信端を経て、周波数ｆ３のＰＩＭ信号としてＰＩＭ測定部１０６において測定される。ＰＩＭ測定部１０６は、例えば、低雑音増幅器およびスペクトラムアナライザなどにより構成される。ＤＵＰ１０７は、当業者に良く知られているように送信信号と受信信号を分離する機能を担っており、その動作については説明を省略する。
箕輪 功、他２名、"２周波非直線性測定法のコンタクトへの応用"、電子通信学会論文誌 Ｃ Vol.J85-C No.11 pp91-924、１９８５年１１月
久我 宣裕、他１名"マイクロストリップ線路を用いた誘電体基板のＰＩＭ"、電子通信情報学会論文誌 Ｂ Vol.J88-B No.4,pp847-852、２００５年４月
しかしながら、上述した従来のＰＩＭ測定方法には、次のような問題点があり十分なものとはいえなかった。第１に、測定を行なう被測定試料の物理的な構造が制限されるという問題があった。例えば、非特許文献２に開示されたＭＳＬを用いたＰＩＭ測定に用いられる被測定試料では、測定を行なおうとする電極金属材料および誘電体基板材料を含む平面回路を構成する必要があった。
図１５は、ＭＳＬのＰＩＭを測定する場合に使用される被測定試料の構成を示す図である。被測定試料ＤＵＴ１０４は、幅Ｗｓ、長さＬｓ、厚さｈ、誘電率εｒの誘電体基板１１２の上面に、幅Ｗ、導体厚ｔの銅はくによりＭＳＬ１１３が形成されている。ＭＳＬ１１３の対向面はＭＳＬと同じ銅はくによるグランド面となっている。さらに、ＤＵＴ１０４は、ＤＵＰおよび終端器と接続するために、ＭＳＬ１１３の両端において、それぞれセミリジッドケーブル１１０、１１１と接続されている。先にも述べたように従来のＰＩＭ測定方法においては、ＤＵＴ１０４は特性インピーダンス５０Ωに整合するように構成される必要がある。
一般に、ＭＳＬにより伝送線路を構成する場合、線路の特性インピーダンスは、誘電体基板１１２の厚さｈ、誘電率εｒならびに線路導体１１３の幅Ｗ、導体厚ｔにより決定される。１つのパラメータを変化させた場合、特性インピーダンスを一定値に保つためには、他のパラメータを同時に変化させなければならない。したがって、ＰＩＭの発生量と上述の各伝送線路パラメータとの関係を評価しようとする場合、単一のパラメータのみを独立して制御することは困難であった。
第２に、ＤＵＴを透過する試験信号の電力を吸収するために終端器が必要であるが、この終端器おいて発生するＰＩＭが問題となった。図１４に示した従来のＰＩＭ測定系においては、終端器１０５においても、ＰＩＭ信号１０８ｂが発生する。ＰＩＭ測定部１０６においては、ＤＵＴ１０４からの試料に起因するＰＩＭ信号１０８ａおよび終端器１０５に起因するＰＩＭ信号１０８ｂが互いに干渉した信号が測定される。ここで、終端器１０５において発生するＰＩＭレベルが高ければ、ＤＵＴにおいて発生するＰＩＭの測定ダイナミックレンジが制限されてしまう。終端器において実際に発生するＰＩＭレベルは、例えば、抵抗を用いた一般的な終端器で−７０ｄＢｍ程度である。先端を開放して十分な伝送線路ロスを利用した非常に長い伝送線路（例えば、１００ｍ程度のセミリジッド線路）による終端器でも、−１２０ｄＢｍ程度となる。したがって、特別な終端器を準備しなければ、低レベルのＰＩＭ測定は困難であり、測定系の広いダイナミックレンジを確保するのは難しかった。さらに、ＤＵＴ１０４と終端器１０５との接続はコネクタ接点を含むことになるため、このコネクタ接点におけるＰＩＭの発生も、測定の不確定要素となる。したがって、測定系内の不確定要素に十分な注意を払う必要があった。このように、インピーダンス整合を前提とした従来のＰＩＭ測定系においては、安定に広いダイナミックレンジを確保して測定をするのは難しかった。
上述の被測定試料の構造の制限から派生する問題として、被測定試料の自身の大きさに起因する影響も無視することは出来ない。ＤＵＴの製作および取り扱い上からの要請からも、ＤＵＴはある程度の大きさが必要となる。ＤＵＴ１０４は、５０Ωの信号源および終端器の特性インピーダンス５０Ωに整合させるために、両端にセミリジッドケーブル１１０、１１１を接続する必要がある。したがって、小さい場合であっても、ＤＵＴ自身は数ｃｍ程度以上の大きさを持つ。ＭＳＬ構造自身が分布常数回路であるため、ＭＳＬ上で発生するＰＩＭは、集中した一点から発生するのではなく、分布定数的に累積加算されたものとなる。したがって、ＰＩＭ測定部１０６において測定されるＰＩＭレベルは、ＭＳＬの長さＬｓにより変動する。
また、ＭＳＬ上に局所的なＰＩＭ発生源が複数ある場合には、この複数のＰＩＭ発生源からのＰＩＭ信号は互いに干渉し合う。干渉の結果観測されるＰＩＭレベルは、ＭＳＬ長によって変動し得る。さらに、コネクタの接点や上述のケーブルのはんだ付け点における非線形性も、試料による純粋なＰＩＭ評価の妨げとなってしまう。ＤＵＴの加工も面倒であり、終端器によるインピーダンス整合を前提とした従来のＰＩＭ測定系においては、導体材料等の純粋なＰＩＭ測定を行なうことは困難であった。
本発明の目的は、整合終端器の影響を排除して、その大きさや形状の制限が極めて少ない測定試料を用いて、高感度のＰＩＭの検出が可能な方法および測定システムを提供することにある。ＰＩＭを生成させる電流密度の定量化が容易であり、金属材料だけでなく、誘電体、磁性体などの電気材料、磁気材料等の素材特性評価を行なうことができる。さらに、本発明のＰＩＭ測定方法は、電子デバイスの不良検出方法などへの応用も可能である。
本発明の第１の実施態様は、高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、前記信号分離手段の前記第２の端子に一端を接続された伝送線路であって、被測定試料および前記伝送線路間をインピーダンス不整合の状態として、前記伝送線路上に前記複数の試験信号の定在波を発生させ、前記被測定試料は前記伝送線路上の前記定在波が発生している２導体間または前記伝送線路の他端に配置されることと、前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の第２の実施態様は、高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、開口部を介して前記第２の端子に接続された導体箱であって、前記導体箱の内部に発生した前記複数の試験信号の定在波下に前記被測定試料が配置されていることと、前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段とを備えることを特徴とする。
本発明の第３の実施態様は、高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、前記信号分離手段の前記第２の端子に一端を接続された同軸線路であって、他端から試験信号を放射し、該試験信号により被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を検出する同軸線路と、前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の第４の実施態様は、高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、前記信号分離手段の前記第２の端子に一端を接続された平面状の放射器を備えた平面アンテナであって、被測定試料は、前記平面アンテナから放射される電磁波の位相の影響を受ける近傍界に配置され、前記放射器から試験信号を放射し、前記試験信号により前記被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を検出する平面アンテナと、前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段と、を備えることを特徴とする。
以上説明したように、本発明により、整合終端器の影響を排除して、その大きさや形状の制限が極めて少ない測定試料を用いて、高感度のＰＩＭの検出が可能な方法および測定システムを提供することができる。ＰＩＭを生成させる電流密度の定量化が容易であり、金属材料だけでなく、誘電体、磁性体などの電気材料、磁気材料等の素材特性評価を行なうことができる。さらに、本発明のＰＩＭ測定方法は、電子デバイスの不良検出方法などへの応用も可能である。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法の測定系の構成を示す図である。 図２Ａは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定系全体におけるシステムノイズを概念的に説明する図である。 図２Ｂは、伝送線路の線路長とシステムノイズの関係を示す図である。 図３Ａは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法による、銅線のＰＩＭ測定結果を示し、銅線試料の本数をパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す図、 図３Ｂは、試料材料と試料の直径をパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す図である。 図４Ａは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法による、銅はくのＰＩＭ測定結果を示し、銅はくの幅ＷとＰＩＭレベルの関係を示す図である。 図４Ｂは、銅はくの厚さをパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す図である。 図５Ａは、実施例１−２にかかるＰＩＭ測定系の被測定試料部分の構成を示す図である。 図５Ｂは、試料位置とＰＩＭレベルの関係を示す図である。 図６Ａは、実施例１−３にかかるＰＩＭ測定方法の試料部の構成を示し、点接触の構成を示す図である。 図６Ｂは、はんだ付けした試料部の構成を示す図である。 図７は、実施例１−３にかかるＰＩＭ測定方法による、はんだ試料のＰＩＭおよび試料抵抗率を示した図である。 図８Ａは、本発明の第２の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法の接続部を示す図である。 図８Ｂは、接続部に不良接合がある場合を説明するための概念図である。 図９は、実施例２−１にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。 図１０は、実施例２−２にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。 図１１Ａは、実施例２−３にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。 図１１Ｂは、実施例２−２にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。 図１２Ａは、周波数ｆ１、ｆ２の試験信号を被試験物に入力したときに発生するＰＩＭ信号を示す図である。 図１２Ｂは、ＰＩＭが通信障害を生じさせることを説明する図である。 図１３Ａは、接点部分において発生するＰＩＭを説明する図である。 図１３Ｂは、材料において発生するＰＩＭを説明する図である。 図１４は、高周波帯域における従来のＰＩＭ測定系を示す図である。 図１５は、ＭＳＬのＰＩＭを測定する場合の被測定試料の構成を示す図である。 図１６Ａは、本発明の第３の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法における伝送線路の構成を示す図である。 図１６Ｂは、本発明の第３の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法における伝送線路の構成を示す図である。 図１７は、開放型プローブを用いた点接触試料のＰＩＭ測定結果を示す図である。 図１８は、開放型プローブの分解能を示す図である。 図１９は、短絡型プローブの分解能を示す図である。 図２０Ａは、開放型プローブを用いたＰＩＭ測定方法により接続不良箇所を探索する際に用いた被測定試料を示す図である。 図２０Ｂは、開放型プローブを用いたＰＩＭ測定方法により接続不良箇所を探索した結果を示す図である。 図２１は、本発明の第４の実施形態にかかる平面アンテナの構成を示す図である。 図２２Ａは、コイル型試料の平面アンテナ上の位置を示す図である。 図２２Ｂは、コイル型試料の位置と平面アンテナのリターンロスとの関係を示す図である。 図２３Ａは、コイル型試料の平面アンテナ上の位置を示す図である。 図２３Ｂは、コイル型試料の位置に応じたＰＩＭの測定結果を示す図である。 図２４は、コイル型試料の位置に応じたＰＩＭレベル分布を示す図である。 図２５Ａは、コイル型試料の平面アンテナ上の位置を示す図である。 図２５Ｂは、コイル型試料の高さに応じたＰＩＭの測定結果を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態のＰＩＭ測定方法は、試験信号が入力される伝送線路および被測定試料間を不整合状態として、この不整合により生じる定在波を利用して、被測定試料から発生するＰＩＭ信号を測定するところに特徴がある。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法に使用される測定系の構成を示す図である。図１の測定系は、複数の試験信号を発生させるとともに反射した試験信号を終端する部分、ＰＩＭ信号を分離検出する部分、および被測定試料を含む伝送線路部分から構成される。異なる周波数ｆ１、ｆ２の試験信号は、試験信号発生部１、２から出力される。試験信号発生部１、２は、具体的には、信号発生器（ＳＧ）およびＡ級増幅器などにより構成される。試験信号発生部１、２は、それぞれサーキュレータ３、４に接続される。サーキュレータ３、４の出力は、それぞれＤＵＰ７の送信端に接続される。サーキュレータ３、４のもう一つ端子には、終端器５、６がそれぞれ接続される。ＤＵＰ７は、第１の端子（送信端）に入力された２つの試験信号を被測定試料の接続される第２の端子（アンテナ端子）のみに通過させ、一方で、第２の端子（アンテナ端子）から第３の端子（受信端）へはＰＩＭ信号のみを通過させるように、２つの試験信号とＰＩＭ信号を分離することができるものであれば良い。２つの試験信号の周波数を適切に選択することにより、例えば、携帯電話システムに使用される既存のアンテナ共用器（ＤＵＰ）を利用することができる。
ＤＵＰ７のアンテナ端子には、伝送線路９が接続される。伝送線路９としては、同軸管、同軸線路、レッヘル線路などの２導体系の伝送線路を使用することができる。例えば、中心導体を銀メッキしたＵＴ１４１セミリジッドケーブルなどを使用できるが、これに限られない。伝送線路９の先端部は、被測定試料１０によって短絡されている。すなわち、被測定試料１０と伝送線路９の先端は、例えばはんだ付けにより接続されている。ＤＵＰ７のもう一つの端子である受信端には、ＰＩＭ測定部８が接続される。ＰＩＭ測定部８は、例えば、低雑音増幅器およびスペクトラムアナライザなどにより構成される。
次に、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定系の動作について説明する。試験信号発生部１、２から出力された２つの試験信号は、それぞれサーキュレータ３、４を経由してＤＵＰ７に入力される。サーキュレータ３、４は、２つの試験信号間の相互干渉を防ぎ、試験信号の段階において相互変調信号が発生するのを防止する。また、後に詳細に説明するが、被測定試料１０において全反射して試験信号発生部１、２側に戻ってくる試験信号は、終端器５、６において終端される。終端器５、６においてＰＩＭが発生したとしても、ＰＩＭ測定部８においては、終端器５、６に起因するＰＩＭ信号はＤＵＰ７を介して観測される。ＤＵＰ７内のフィルタによる送信端から受信端への帯域阻止特性のため、終端器５、６からのＰＩＭ信号は十分に減衰され、被測定試料１０からの本来のＰＩＭ測定にはなんら影響を与えない。
第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法の特徴は、被測定試料および伝送線路の構成ならびに試験信号の整合状態にある。伝送線路９の先端は、被測定試料１０によって短絡してある。被測定試料については後に詳述するが、例えば、ＰＩＭを評価したい金属材料の細線とすることができる。伝送線路の先端を金属細線により接続することで、先端を短絡した伝送線路がＤＵＰ７のアンテナ端に接続されることになる。従来のＰＩＭ測定方法においては、被測定試料を特性インピーダンスの５０Ωに整合させ、試験信号は、被測定試料を透過して終端器に吸収されていた。一方、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法においては、被測定試料と伝送線路とをインピーダンス整合させずに、被測定試料において試験信号を反射させている点に大きな相違点がある。被測定試料自身によって伝送線路端を短絡させるだけなので、被測定試料側において終端器は不要である。被測定試料において全反射された２つの試験信号は、ＤＵＰ７をアンテナ端から送信端に戻る。さらに、サーキュレータ３、４を経て、サーキュレータに接続された終端器５、６において終端される。第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法は、被測定試料側で終端器を必要としないので、従来問題となっていた終端器において発生するＰＩＭの影響を全く受けないという特徴を持つ。先にも述べたように、ＤＵＰ７での送信端−受信端間の帯域阻止特性によってＰＩＭ測定部８と分離されているので、終端器５、６において発生するＰＩＭはなんら問題とならない。
一般に、伝送線路を特性インピーダンスによって終端しないで、伝送線路の先端を短絡した場合、この短絡端において試験信号には全反射が生じ、伝送線路上には試験信号の定在波が発生する。短絡端は、電流定在波の腹となる。第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法においては、被測定試料により伝送線路端を短絡することによって、被測定試料に試験信号の電流定在波の腹が印加されるところに大きな特徴がある。電流定在波の腹が常に試料に印加されるので、被測定試料には最大の電流が流れる。これにより、従来のインピーダンス整合を前提としたＰＩＭ測定方法において印加される試験信号レベルよりも、より大きな試験電流信号が試料に印加されたのと同じ状態となる。例えば、完全反射の状態では、整合状態と比較して、電流定在波の腹においては、電流値は整合時の２倍と成ることが知られている。この高い試験信号レベルにより、被測定試料においてＰＩＭをより効率的に発生させることができる。試験信号発生部の試験信号出力レベルが同じであっても、より感度よくＰＩＭ測定ができることになる。試験信号発生部の電力増幅器等に必要な要件を緩和することができる。
また、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法では、伝送線路９の先端に被測定試料をはんだ付けなどにより接続する簡単な試料構成である。このため、従来のインピーダンス整合を前提としていたＰＩＭ測定で問題となっていた試料の形状の制限を受けることがない大きな利点を持つ。被測定試料は、線状導体、棒状導体、角柱状導体などに限られず、母材に被試験材料を塗布、めっき、溶接などした複合部材の評価も可能である。さらに、被測定試料自身が、従来のインピーダンス整合を前提としたＰＩＭ測定方法と比較して著しく小さい点に、もう一つの大きな特徴がある。例えば、ＵＴ１４１セミリジッドケーブルを伝送線路として使用した場合の、試料の大きさは数ｍｍ程度である。従来のＰＩＭ測定方法における大きな試料サイズに起因する分布定数性の問題や、多数のＰＩＭ源の干渉によるＰＩＭ測定の不安定性の問題を回避することができる。
被測定試料自身が非常に小さく、しかも、電流定在波の腹が確実に被測定試料に位置することにより、試験電流信号が被測定試料に集中して印加されることにも注目されたい。電流定在波による電流密度は計算が容易であり、評価を行なおうとする材料部分に流れる電流密度の定量化がより正確となる。試料の数ならびに形状も、線幅、長さおよび膜厚などのパラメータを、独立して制御することができる。いずれも、インピーダンス整合を前提とした従来のＰＩＭ測定方法における試料構成では実現し得なかった、測定パラメータ選定の柔軟性ならびにパラメータ値の定量化の可能性を持つという優れた特徴を持つ。さらに、定在波を利用する第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法は、測定系のシステムノイズをキャリブレーションすることができるという特徴を持つ。次に、このシステムノイズのキャリブレーションについて説明する。
（実施例１−１）
図２ＡおよびＢは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法のシステムノイズのキャリブレーション原理を説明する図である。図２Ａは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定系全体におけるシステムノイズを概念的に説明する図である。図２Ａにおいては、伝送線路２３ならびに定在波が発生する測定系部分である測定システム部２１を、概念的に表現している。測定システム部２１内には、被測定試料以外の原因により測定系内でＰＩＭを発生する部分、すなわちシステムノイズ源２２ａが存在している場合がある。例えば、劣化したコネクタの接点部分、機械的応力によって破損したコネクタ内のはんだ付け部分ならびに測定装置のフィルタ内部などである。被測定試料のＰＩＭを感度良く測定するためには、システムノイズ源２２ａができる限り電流定在波の節の位置となるように伝送線路の長さを調整すればよい。
図２Ａでは、伝送線路の先端を開放として、伝送線路２３の線路長がｌ１のときおよびｌ２のときの電流定在波の分布を示している。ここで、先端を開放した場合には、伝送線路の先端部分は電流定在波の節となる。先端を短絡した場合と比較して、定在波の腹と節がちょうど逆転することに注目されたい。線路長がｌ１の場合では、システムノイズ源２２ａと電流定在波の腹の位置が一致しているため、システムノイズ源２２ａに起因するＰＩＭが最大レベルで測定される。一方、線路長がｌ２の場合では、システムノイズ源２２ｂは、電流定在波の節の位置にあるため、システムノイズ源２２ｂに起因するＰＩＭは最小レベルで測定される。実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法においては、伝送線路の先端を被測定試料によって短絡するため、先端開放時にシステムノイズが最大となるような線路長としたときに、ＰＩＭ測定時のシステムノイズは最低となる。
図２Ｂは、先端を開放した伝送線路と先端を開放した伝送線路の線路長とシステムノイズの関係を示す図である。試験信号として、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを観測する。試験信号レベルは、それぞれ、ＤＵＰのアンテナ端において＋４３ｄＢｍ（整合終端時）である。システムノイズレベルは、伝送線路の長さが１９０ｍｍ、２４０ｍｍ、２９０ｍｍなど、５０ｍｍごとに最大値となる。５０ｍｍの長さは、２ＧＨｚにおけるＵＴ１４１セミリジッドケーブルの管内波長１００ｍｍの１／２に相当している。したがって、先端開放時にシステムノイズが最大となる線路長とすると、先端を短絡した時のシステムノイズは−１３０ｄＢｍ近傍の最低レベルとなる。実際には、試料を接続するために、先端短絡時の伝送線路の中心導体を、数ｍｍ程度の長さだけつき出す。この中心導体のインダクタンス成分を考慮して最適な線路長を決定する。
以上詳細に述べたように、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法においては、電流定在波の腹が被測定試料の位置となる。そして、伝送線路内の電流定在波の位置も試験信号の周波数および伝送線路の特性によって明確に把握することができる。伝送線路端を開放することにより、システムノイズの特性を把握することができ、線路長の決定によるシステムキャリブレーションが簡単にできる。これにより、ＰＩＭ測定の広いダイナミックレンジを確保することができる。電流定在波を利用することにより、試験信号の電流レベルおよびそのプロファイルを定量的に高精度に把握できるという特徴を持っていることに注目されたい。次に、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法を利用した具体的な測定例について説明する。
図３ＡおよびＢは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法による銅線のＰＩＭ測定結果を示す図である。測定に用いた伝送線路は、外径が３．５８ｍｍ、銀メッキした銅の外径０．９８ｍｍの中心導体を持つＵＴ−１４１セミリジッドケーブルを使用した。伝送線路長は、上述のキャリブレーションの結果１８０ｍｍとした。中心導体は、伝送線路の先端より２．５ｍｍだけ露出させて試料をはんだ付けした。試験信号およびＰＩＭ信号の周波数は、先に図２ｂで説明したものと同じで、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを測定する。
図３Ａは、直径０．２ｍｍの銅線試料の本数をパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す図である。試料の長さは、概ね５ｍｍで、一定の長さである。銅線（試料＃１〜試料＃４）の本数を１から４まで順次増やすにしたがって、ＰＩＭレベルが下がっている。銅線の本数および銅線形状、ならびに印加した試験信号電力から電流密度の計算が可能である。試料を流れる電流密度とＰＩＭレベルとに一定の比例関係があることがわかる。また、ＰＩＭ測定値は、１００秒を経過しても安定しており、従来のＰＩＭ測定方法よりも時間的な安定性が高い。
図３Ｂは、試料材料（銅線と銀線）、試料の直径をパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す図である。銅線および銀線の間で、材料の種類によるＰＩＭ値の明確な差異が確認できる。さらに、試料直径の大きい方が、ＰＩＭ値はより小さくなる。金属細線にかかる電流密度とＰＩＭレベルに一定の関係を見出すことができる。
図４ＡおよびＢは、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法による銅はくのＰＩＭ測定結果を示す図である。伝送線路などの測定系構成は、図３について説明したものと同様である。試料の銅はくは、磁性体ニッケルを下地とした金メッキベリリウム銅はくである。
図４Ａは、銅はくの幅ＷとＰＩＭレベルの関係を示す図である。幅Ｗが大きくなるとともに、ＰＩＭレベルは小さくなる関係が明確にわかる。従来のＰＩＭ測定方法によるＭＳＬの測定では、被測定試料を特性インピーダンス５０Ωに整合させるために、金属導体部分の幅を連続的に自由に変えることはできなかった。実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法によれば、このように試料形状を自由に変えることができる。さらに誘電体基板材料を含めずに、導体材料単体のＰＩＭを測定することができる。
図４Ｂは、銅はくの厚さｔをパラメータとしたＰＩＭレベルの経時変化を示す。試料は、幅Ｗが１ｍｍの純銅はくである。厚さｔが大きくなるとともにＰＩＭレベルは小さくなる関係が明確にわかる。ＰＩＭ測定値の経時変化もほとんどなく、測定値は安定している。実施例１にかかるＰＩＭ測定方法によれば、試料を伝送線路先端にはんだ付けをする必要がある。はんだ付け作業を含む測定試行を３−４回繰り返し行なっても、ＰＩＭ測定値のばらつきは、５ｄＢ以内であり充分な再現性を持っている。
以上、説明したように、実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法によれば、試料を同軸線路の先端で短絡することで、インピーダンス整合による被測定試料の形状制限を受けることなく、自由に試料形状のパラメータを変化させてＰＩＭの評価が可能となる。試料の大きさは従来のＰＩＭ測定方法と比べて格段に小さく、点波源としての純粋な試料のＰＩＭの測定ができる。終端器を被測定試料の整合のために使用しないため、従来問題となっていた終端器において発生するＰＩＭを無視することができる。さらに、先端を開放した状態でのシステムノイズのキャリブレーションにより、システムノイズを最小化して、広いダイナミックレンジに渡ってＰＩＭ測定が可能となる。
実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法を利用すると、例えば、同軸線路端にスイッチを接続して、スイッチのＰＩＭ特性を測定できる。また、同軸線路端にジョイントされたコネクタを接続し、その長さを適切に選んだ先端短絡同軸線路を接続することで、コネクタのＰＩＭ特性の評価ができる。さらに、プリント基板の状態で短絡回路を構成すれば、導体部分と誘電他部分を含むプリント基板の総合的な評価を行なうことができる。簡易的には、ＰＩＭの測定可能な範囲は制限されるが、伝送線路をマイクロストリップ線路で構成してもよい。
（実施例１−２）
実施例１−１にかかるＰＩＭ測定方法は、従来のＰＩＭ測定方法のように被測定試料を特性インピーダンスに整合することなしに、試験信号の定在波を発生させ利用するところに特徴がある。これまで述べた実施例は、伝送線路の先端を短絡して電流定在波を利用する方法であった。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、電圧定在波に注目して、伝送線路の先端を開放したときの電圧定在波を利用することもできる。伝送線路の先端を開放とすると、先端部において試験信号は全反射し、伝送線路上には試験信号の電圧定在波が発生する。伝送線路の先端部は、電圧定在波の電圧の腹となり、試験信号の電圧は最大となる。被測定試料を伝送線路の開放端に配置すれば、試料には最大電圧を印加することができる。したがって、誘電体材料など、伝送線路の先端を短絡することのできない電気材料のＰＩＭを測定することができる。
図５ＡおよびＢは、実施例１−２にかかるＰＩＭ測定方法を説明する図である。図５Ａは、伝送線路の先端を開放したＰＩＭ測定系の被測定試料部分の構成を示す。図１に示した伝送線路先端を短絡した構成における伝送線路９および被測定試料１０を、図５Ａの構成に置き換えることで、定在波を利用したＰＩＭ測定系の構成となる。図５Ａは、外導体５１および内導体５０を持ち、両導体の間は空間となっている先端開放の同軸管を示している。同軸管の左端で、同軸管は、図１のＤＵＰ７に接続される。同軸管内の空間の任意の位置に試料５２を配置すると、同軸管の先端を開放することにより生じる試験信号の電流定在波または電圧定在波のいずれかが試料に印加される。尚、電圧定在波の節の位置では、電流定在波は逆に腹となっている。
図５Ｂは、定在波を利用したＰＩＭ測定方法における試料位置とＰＩＭレベルの関係を示す図である。同軸管は外径２０ｍｍ、内導体の径が８．５ｍｍで、全長はおおよそ１８０ｍｍである。同軸管の開放端面からの距離ｄの位置に、ドーナツ型フェライトコアの試料を配置する。試料形状は、外径１８．５ｍｍ、内径１２ｍｍ、厚さ８ｍｍの円盤状である。試験信号およびＰＩＭ信号の周波数は先に図２Ｂで説明したものと同じで、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを測定する。図示したＰＩＭ測定値は、試料に試験信号を印加して、時間的に安定した１００秒間における中央値である。
ＰＩＭレベルは、おおよそ６０ｍｍごとに周期的に変動しており、これは、同軸管の２ＧＨｚにおける管内波長の１／２の長さ（７５ｍｍ）よりも短くなっている。これは、透磁率の高いフェライトが同軸間内に部分的に挿入されて、波長が短縮されているためと考えられる。本実施例のフェライトでは、磁性体材料が磁界の最大点において試験信号により作用を受けると考えられる。したがって、電流最大点すなわち電圧定在波の節の位置においてＰＩＭレベルが最大値となっているものと考えられる。本実施例によれば、同軸管内の任意の位置に試料を配置することが可能であり、試験信号の定在波の位置に対応して試験信号の印加レベルを調整することもできる。ＰＩＭを発生しない絶縁テープ（例えばポリイミドテープ）などで試料を覆うことで、誘電体などの絶縁材料以外の導電性のある材料であっても、ＰＩＭを測定することができる。さらに、試料を配置する向きを変えて、方向性によるＰＩＭ測定値の差異を簡単に比較することができる。
本実施例のＰＩＭ測定方法を使用すれば、例えば、伝送線路の先端にプリント基板の誘電体部分などを挟むことで、誘電体のＰＩＭ特性を評価することができる。この場合は、電圧定在波の腹の部分を利用することになる。
このように、本実施例によれば、インピーダンス整合による被測定試料の形状制限を受けることなく、自由に試料形状のパラメータを変化させてＰＩＭ評価が可能となる。試料の大きさが従来とくらべて格段に小さく、点波源としての純粋な試料のＰＩＭを測定が可能である。終端器を被測定試料の整合のために使用しないため、従来のＰＩＭ測定方法で問題となっていた終端器から発生するＰＩＭを無視することができる。先端に適切な容量を接続することで、直流的に絶縁された状態で電流定在波を生じさせることも可能である。これにより、誘電体基板など絶縁材料のＰＩＭ特性を評価することもできる。
（実施例１−３）
第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法は、さらに様々に変形して利用することができる。先にも述べたように、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法においては、試料を非常に小さくすることができるとともに、不整合状態の反射波により発生する定在波を利用する。これにより、高いレベルの試験信号を試料に印加して、被測定試料への電流密度または電界強度を高くすることができる点に特徴がある。次に、試料における電流密度をさらに上げて、より感度の良いＰＩＭ測定ができる別の実施例について説明する。
図６Ａは、実施例１−３にかかるＰＩＭ測定方法の試料部の構成を示す図である。伝送線路９の先端で、中心導体１１および外導体間を棒状の被測定試料２０によって短絡している点以外は、図１の構成と同じである。本実施例では、被測定試料２０の一端は外導体とはんだ付けにより接続するが、もう一端は中心導体１１と点接触による電気接点により接続する。図６Ｂは、被測定試料２０の両端を溶接、例えばはんだ付けした図１の構成を比較のため示している。尚、図６ＡおよびＢでは、被測定試料２０はＬ型の形状として示してあるが、これに限定するものではない。電気接点は、例えばプラスチック製の固定具等により一定の接点圧を加えることができる。尚、図６Ｂの接続方法は、中心導体１１６と被測定試料２０とを合わせた素材としての特性評価に用いることもできる。
点接触をしている電気接点の接触半径は、既知の四端子法を用いた直流抵抗値の測定により計算できる。例えば、直径１−２ｍｍの２本の円柱形の線材を、交差させて圧接することにより、電気接点の大きさを直径数１０−１００μｍ程度とすることができる。また、図６Ａの構成の試料に実施例１−１のＰＩＭ測定方法を適用すると、先端を短絡することにより、電流定在波の腹に相当するレベルの高周波電流が被測定試料の棒状導体を流れる。図６Ａの電気接点においては、さらに電流を集中させることで、電気接点近傍の材料のＰＩＭを感度良く測定することができる。
図７は、本実施例のＰＩＭ測定方法による、様々なはんだ試料のＰＩＭおよび試料抵抗率を示した図である。測定に用いた伝送線路は、外径が３．５８ｍｍ、銀メッキした銅の外径０．９８ｍｍの中心導体を持つＵＴ−１４１セミリジッドケーブルを使用した。中心導体は、異種金属接触で発生するＰＩＭを避けるために、さらに、はんだ主成分であるスズでメッキをしてある。試料は、表１に示す各成分組成のはんだ試料であり、それぞれ直径１．６ｍｍの棒状である。中心導体との電気接点半径も表１に示してある。
Figure 0005424220
図７では、中心導体との接続を電気接点とした場合のＰＩＭレベルをプロットしてある。試料の両端をはんだ付けする図６Ｂの構成で測定した場合を×で示してある。いずれの試料でも電気接点を用いた場合、１０−３０ｄＢ以上もＰＩＭレベルが増加している。各試料の電気接点面積はほぼ等しいため、高周波電流密度はほぼ等しいと考えられる。本実施例の図６Ａの構成とすることにより、材料の差異を反映して比較できる程度にまで、各試料のＰＩＭレベルが拡大されていることがわかる。ＰＩＭレベルは、各試料の抵抗率との関与も推定され、本実施例のＰＩＭ測定により、電気材料の評価ができることを表している。
第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法においては、多様な構成の試料により様々な測定のバリエーションが可能となる。これまで説明した実施例においては、被測定試料は、線材、円柱材、角材、リボン状材、箔状材など、はんだ付けまたは電気接点を形成できるものであれば、その形状を問わない。また、誘電体基板とさらに、先端開放の伝送線路を利用する場合には、様々な形状の試料を自由な位置および向きに配置することができる。さらに、一定形状を持たない鉄粉などの粉体、ＦＥＴ、ＬＥＤやチップ部品などの複雑な形状の電気部品の評価が可能である。
先に述べた導体細線は接続が容易であるほか、断面が円形であるため電流が周方向に一様に分布し、電流密度の計算が容易になるという利点がある。細線の本数や直径によっても電流密度が簡単に制御できることは既に述べた。
さらに、第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法では、単純な細線素材ばかりではなく、母材の線材に評価を行ないたい材料を塗布したり、接着したり、メッキをしたり、溶接をしたりなどすることで、複合材料としてＰＩＭを評価することもできる。例えば、母材に銀や銅などの材料を用いて、表面にはんだメッキを施した細線のＰＩＭを評価することで、はんだ材料のＰＩＭを評価したり、はんだと母材との接合面の化合物、あるいは、はんだと母材を合わせた状態のＰＩＭを測定したりできる可能性もある。はんだ材層の層厚を可変することや、試験信号の周波数を適切に選択し、高周波電流の表皮効果に基づいて電流密度の分布を制御することもできるからである。
（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法は、不整合により生じる定在波を利用して、被測定試料から発生するＰＩＭ信号を測定した。図５ＡおよびＢに示した実施例においては、同軸間の内部の電圧定在波の腹または電流定在波の腹の位置に試料を配置して、ＰＩＭを測定した。このことから、伝送線路を、開口部を持つ導体箱に接続し、この導体箱内において発生させた定在波の利用へと応用することができる。
図８ＡおよびＢは、本発明の第２の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法の概念を説明する図である。図８Ａは、回路Ａ部３１および回路Ｂ部３２が接続部３３を介して接続された構成を持つ試料である。例えば、電子部品やＩＣパッケージ、実装基板などでも良い。この試料にｆ１およびｆ２の試験信号が印加されると、接続部分３３には誘導電流が流れる。ここで、図８Ｂに示すように接続部分３３に不良接合がある場合を考える。不良接合部では、誘導電流に基づいて雑音電磁波成分が発生し得る。この雑音電磁波の発生の有無、および発生レベルによって、不良接合箇所の存在の有無の判定ができる。雑音電磁波は、受動相互変調ひずみｆ３として試験信号とは異なる周波数において検出が可能である。既に述べたように、ＰＩＭはわずかな非線形性を持つ部分において発生するので、微小な不良接合部分も検出ができる。
（実施例２−１）
図９は、実施例２−１にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。このシステムは、図１に示した本発明のＰＩＭ測定方法で使用する測定系を変形したものであって、試験信号を発生し終端する部分とＰＩＭ信号を分離・検出する部分は、共通している。すなわち、試験信号発生部３５ａ、３５ｂ、サーキュレータ３６ａ、３６ｂ、終端器４３ａ、４３ｂ、ＤＵＰ３７およびＰＩＭ測定部３８の構成ならびに動作は、図１のＰＩＭ測定方法と同じであり説明は省略する。ＤＵＰ３７のアンテナ端に接続された伝送線路４２は、開口部において、さらに導体箱３９に接続されている。導体箱３９の内部には、被測定試料４０が配置されている。
開口部より出力された２つの試験信号は、導体箱３９の内部で定在波を生じる。被測定試料４０の性質に応じて、電流定在波の腹もしくは電圧定在波の腹の位置または適切な試験信号レベルとなる位置に、被測定試料４０を配置することができる。導体箱３９の寸法および試験信号の周波数により、定在波の分布を予め知ることができる。定在波環境下に被測定試料を置くことで、ＰＩＭを検出することにより、半導体パッケージや実装基板などの高周波電源との接続が難しい小型電子部品でも、部品内の接続不良を非破壊で検査することができる。定在波を利用することで、試験信号の電力効率が良く、ＰＩＭを感度良く検出することが可能である。また、定在波と試料との相対位関係を制御することにより、ＰＩＭの励起状態を制御可能であり、試験信号の周波数を適切に選択することで、不良箇所の位置を特定することも可能となる。この不良接合部分を検出するシステムの導体箱３９を伝送線路とすれば、図１に示した本発明のＰＩＭ測定方法の測定系と同一の構成となることに注目されたい。
（実施例２−２）
図１０は、実施例２−２にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。導体箱４０への試験信号の入力方法は、図９の場合と同じであり、ＰＩＭ測定部の構成が異なっている。すなわち、導体箱３９の開口部に対向して、もう一つの開口部を設けて、第２のＤＵＰ３７ｂと接続する。第２のＤＵＰ３７ｂは、さらに終端器４３ｃおよびＰＩＭ測定部３８に接続される。ＰＩＭによる不良部分の検出動作は、図９の場合と同じである。尚、導体箱３９の形状は、直方体に限らず、定在波を発生させることができればどのような形状でも良い。また、試験信号入力およびＰＩＭ信号検出用の開口部の位置も、対向している必要はない。定在波を利用してＰＩＭを励起する点において、先に述べた本発明のＰＩＭ測定方法と同一の手段を利用していることに注意されたい。
実施例２−１または２−２の構成の不良接合部分を検出するシステムを利用すると、例えば、ジョイントされたコネクタなどに電流を誘導させるための導体を付加し、それを導体箱内に設置すれば、コネクタのＰＩＭ特性を非接触状態で評価することができる。
（実施例２−３）
図１１ＡおよびＢは、実施例２−３にかかるＰＩＭ測定方法であって不良接合部分を検出するシステムの構成図である。この変形例では、導体箱内部において定在波を発生させるための試験信号の入力およびＰＩＭ信号の検出のためにアンテナを使用している。図１１Ａでは、試験信号を放射するアンテナおよびＰＩＭ信号を検出するアンテナを備えた構成である。図１１Ｂは、試験信号の放射とＰＩＭ信号の検出を１つのアンテナで行なう構成である。導体箱３９の内部に被測定試料４０を配置する。図１１Ａの構成では、導体箱３９の中に定在波が発生し被測定試料の位置によって、被測定試料４０内にあるＰＩＭ源４１からのＰＩＭレベルの差異を検出できる。また、受信アンテナを移動可能とすることで、被測定試料４０内のＰＩＭ源４１の位置を特定できる。図１１Ｂの場合は、試験信号の発生源も移動するため、アンテナの位置から推定される定在波の位置により被測定試料４０内のＰＩＭ源４１の有無やその位置を特定できる。導体箱３９の中でＰＩＭ検出を行なうため、従来の同種の不良検出を電波暗室内で行なう必要もない。
図１１ＡおよびＢにおいて、先端短絡の同軸線路をアンテナとして使用すると、先端部の試験電流により、ＤＵＴの磁気的なＰＩＭ特性を、非接触状態で評価することができる。また、先端開放の同軸線路をアンテナとして利用すると、先端部の高い試験電圧によりＤＵＴの電気的なＰＩＭ特性を非接触状態で評価することができる。この場合、同軸線路の先端部の近傍にＤＵＴを配置すれば、導体箱を用いることなく評価を行うことができる。この方法について、第３の実施形態で説明する。
被測定試料内のＰＩＭ源を特定するためには、上述のような可動アンテナを使用する方法や、被測定試料の一部を導体で覆うことなどで試験信号の被爆を制御することも可能である。第２の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法を不良部分の検出に使用することで、例えば、ＩＣパッケージの不良接続部分の発見や、不良部分の特定に応用できる可能性がある。ＩＣパッケージを回路動作させない状態で、不良接続部分を検出できるので、多種多様なＩＣパッケージの接続不良、製造不良の検出に応用できる可能性がある。また、導体箱の中でＰＩＭ検出を行うため、従来の同種の不良検出を電波暗室内で行う必要もない。
以上詳細に述べたように、第１および第２の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法および測定システムによれば、整合終端器の影響を排除して、その大きさや形状の制限が極めて少ない測定試料を用いて、高感度のＰＩＭの検出ができるという優れた効果を持つ。ＰＩＭを生成させる電流密度の定量化が容易であり、金属材料だけでなく、誘電体、磁性体などの電気材料、磁気材料等の幅広い素材特性の評価を行なうことができる。
（第３の実施形態）
第１の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法においては、被測定試料により伝送線路端を短絡することによって、被測定試料に試験信号の電流定在波の腹が印加されるようにした。第２の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法では、導体箱内において発生させた定在波の腹の位置に被測定試料を配置するようにして、誘導電流に基づいて発生する雑音電磁波成分を検出した。一方、第１の実施形態の測定系（図１）において、ＤＵＰ７に接続された伝送線路９は、アンテナと考えることができるから、第３の実施形態では、伝送線路９の先端から放射される周波数ｆ１、ｆ２の試験信号を被測定試料に照射する。試験信号の印加によって生ずる誘導電流に基づいて発生する雑音電磁波成分を、伝送線路９を受信アンテナとして検出する。
図１６ＡおよびＢは、本発明の第３の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法における伝送線路の構成を示す図である。図１６Ａは、ＵＴ−１４１セミリジッドケーブルを使用した線路長１６５ｍｍの伝送線路６１を示す。伝送線路６１の先端は、開放されており、中心導体が２ｍｍだけ露出されている。この伝送線路６１を開放型プローブとして、図１の測定系の伝送線路９に適用する。試験信号として、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを観測する。試験信号レベルは、それぞれ、ＤＵＰのアンテナ端において＋４３ｄＢｍ（整合終端時）である。伝送線路６１を用いた場合のシステムノイズは−１３０ｄＢｍである。
図１６Ｂは、ＵＴ−１４１セミリジッドケーブルを使用した線路長２３０ｍｍの伝送線路６２を示す。伝送線路６２の先端は、例えば、直径１ｍｍ程度の中心導体を３０ｍｍ程度露出させ、これをループ状に折り返して、外部導体に短絡している。この伝送線路６２を短絡型プローブとして、図１の測定系の伝送線路９に適用したときのシステムノイズは−１２８ｄＢｍである。
図１７は、開放型プローブを用いた点接触試料のＰＩＭ測定結果を示す図である。直径０．２ｍｍ、長さｌのＮｉのワイヤを、点接触により２本組み合わせてＴ字状の被測定試料を作製する。被測定試料から伝送線路６１の先端までの距離ｄを１ｍｍおよび３ｍｍとし、試験信号を被測定試料に照射して、ＰＩＭレベルを測定した。図１７に示したように、ワイヤの長さが長くなるほど、ＰＩＭレベルが高くなる。しかし、長さ１０ｍｍ以上では、ＰＩＭレベルの変化の差が小さいことがわかる。
図１８は、開放型プローブの分解能を示す図である。直径０．２ｍｍ、長さ２ｍｍのＦｅのワイヤを、点接触により２本組み合わせてＴ字状の被測定試料を作製する。この被測定試料６３ａ，６３ｂ，６３ｃを、Ｘ＝０の中心位置、および中心位置から所与の間隔で３個配置する。被測定試料から伝送線路６１の先端までの距離を１ｍｍとして、試験信号を被測定試料に照射して、ＰＩＭレベルを測定した。図１８から明らかなように、試料の間隔が３ｍｍの場合、ＰＩＭレベルのピークの差は数ｄＢであるが、試料の間隔が５ｍｍの場合、ＰＩＭレベルのピークの差は２０ｄＢある。従って、試料の間隔が５ｍｍ以上あれば、被測定試料の位置を識別できることを示している。さらに、試験信号の周波数を高くすれば、分解能も高くすることができる。
図１９は、短絡型プローブの分解能を示す図である。被測定試料として、直径０．５ｍｍ、長さ１ｍｍのフェライトビーズ６４ａ，６４ｂ，６４ｃを、Ｘ＝０の中心位置、および中心位置から所与の間隔で３個配置する。被測定試料から伝送線路６２の先端までの距離を１ｍｍとして、試験信号を被測定試料に照射して、ＰＩＭレベルを測定した。図１９から明らかなように、試料の間隔が５ｍｍの場合、ＰＩＭレベルのピークの差は１０ｄＢあり、被測定試料の位置を識別できることを示している。
第３の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法によれば、開放型プローブにより、被測定試料の点接触部分、すなわち微小な不良接合部分を検出することができる。また、短絡型プローブによっても不良部分を検出することができる。
次に、第３の実施形態の応用例について説明する。図２０Ａは、開放型プローブを用いたＰＩＭ測定方法により接続不良箇所を探索する際に用いた被測定試料を示す図である。試料（ａ）は、直径０．２ｍｍ、長さｌ１＝８０ｍｍのＮｉのワイヤに、直径０．２ｍｍ、長さｌ２＝１０ｍｍのＮｉのワイヤが７本等間隔（１０ｍｍ）に接続されている。このとき、＃１，＃２および＃４〜７のワイヤは、はんだによって接続されており（図中○印）、＃３のワイヤは点接触である（図中★印）。試料（ｂ）は、直径０．２ｍｍ、長さｌ１＝８０ｍｍのＮｉのワイヤに、直径０．２ｍｍ、長さｌ２＝１０ｍｍのＮｉのワイヤが７本等間隔（１０ｍｍ）に接続されている。このとき、＃１〜３および＃５〜７のワイヤは、はんだによって接続されており（図中○印）、＃４のワイヤは点接触である（図中★印）。試料（ｃ）は、直径０．２ｍｍ、長さｌ１＝８０ｍｍのＮｉのワイヤに、直径０．２ｍｍ、長さｌ２＝１０ｍｍのＮｉのワイヤが７本等間隔（１０ｍｍ）に接続されている。このとき、＃１〜７の全てのワイヤは、はんだによって接続されている（図中○印）。
図２０Ｂは、開放型プローブを用いたＰＩＭ測定方法により接続不良箇所を探索した結果を示す図である。被測定試料から伝送線路６１の先端までの距離を１ｍｍとして、試験信号を照射し、長さｌ１＝８０ｍｍのＮｉのワイヤに沿って、開放型プローブの位置を変えながらＰＩＭレベルを測定した。試料（ｃ）では、プローブの位置に寄らずＰＩＭレベルは−１２０ｄＢｍ以下と極めて小さなレベルである。これに対して、点接触の接点を有する試料（ａ）および試料（ｂ）では、点接触の接点付近において、明らかに高いＰＩＭが観測されている。
以上述べたように、第３の実施形態にかかるＰＩＭ測定方法によれば、ＤＵＰに接続された伝送線路を、試験信号を被測定試料に照射するアンテナおよび被測定試料で発生する雑音電磁波成分を受信するアンテナとして共用することにより、被測定試料と非接触状態で、電子デバイスの不良検出を行うことが可能である。
（第４の実施形態）
第３の実施形態では、伝送線路の先端を試験信号の電波源（点電波源）とし、被測定試料の近傍を走査して、ＰＩＭを検出した。ただし、伝送線路９は不整合状態なので、照射する試験信号と、検出する雑音電磁波成分とは、試験信号発生部の試験信号出力レベルと比較して微小電力とならざるを得ない。第４の実施形態では、第１の実施形態の測定系（図１）において、ＤＵＰ７に信号発生器と整合状態にある平面アンテナを接続する。そして、パッチアンテナなどの２次元平面の電波源（面電波源）から放射される周波数ｆ１、ｆ２の試験信号を、アンテナの近傍界に配置された被測定試料に照射してＰＩＭを検出する。第３の実施形態と同様に、被測定試料とは非接触の状態でありながら、アンテナが整合状態にあるので、低電力、高効率にＰＩＭを検出することができる。
ここで、アンテナと被測定試料との位置関係を、「近傍界」と「遠方界」とにより定義する。「近傍界」とは、被測定試料から見て、アンテナを点電波源とみなすことができず、アンテナから放射される電磁波の位相の影響を受ける領域をいう。近傍界からさらに離れた領域を「遠方界」といい、アンテナを点電波源とみなすことのできる領域をいう。
図２１は、本発明の第４の実施形態にかかる平面アンテナの構成を示す図である。平面アンテナ２０１は、パッチアンテナ２１１となるパターンがａ面に形成された第１基板２０２と、無給電パッチ２１４となるパターンがｂ面に形成された第２基板２０３と、パッチアンテナ２１１とコネクタ２０５とを接続する伝送線路２０４とを備えている。パッチアンテナ２１１と伝送線路２０４とは、整合用のスタブ２１２を介して接続されている。また、パッチアンテナ２１１の給電部と対向する位置にもスタブ２１３が形成されており、平面アンテナ２０１は、コネクタ２０５と接続される信号発生器と十分に整合がとれている。
第４の実施形態では、このような低反射係数（リターンロス）を有する平面アンテナ２０１の近傍界において、リターンロスに影響を与えない小さな試料を配置する。ここでは、直径０．２ｍｍのＦｅのワイヤを用いて、外径３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、巻き数２０回のコイル型の試料を作製した。
図２２Ａは、コイル型試料の平面アンテナ上の位置を示す図である。上述したコイル型の試料を、図２１に示した平面アンテナ２０１の第２基板２０３のｃ面に載置した。図２２Ｂは、コイル型試料の位置と平面アンテナのリターンロスとの関係を示す図である。コイル型試料の位置を、図２２Ａに示した３カ所において、リターンロスを測定した。図２２Ｂによれば、試験信号として使用する周波数２ＧＨｚ付近においても、コイル型試料を置かない場合と比較して、リターンロスに変化がないことがわかる。
次に、平面アンテナ２０１の近傍界において、被測定試料であるコイル型試料に試験信号を照射する。図２３Ａに示したように、図２１に示した平面アンテナ２０１の第２基板２０３のｃ面に載置した。コイル型試料を、パッチアンテナ２１１の給電部を通る中心線上の９カ所の位置に載置して測定した。試験信号として、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを観測する。
図２３Ｂは、コイル型試料の位置に応じたＰＩＭの測定結果を示す図である。パッチアンテナ２１１の中央部のＰＩＭレベルは、−１５０ｄＢｍと極めて小さなレベルである。これに対して、給電部に接続される一辺の近傍、および対向する一辺の近傍では、−８０ｄＢｍ以上の高いＰＩＭが観測されている。これは、パッチアンテナ２１１の電流分布が、上記の２辺において腹となり、中央部において節となるからである。
このとき試験信号レベルは、平面アンテナ２０１の給電部において０ｄＢｍ（整合終端時）である。信号発生器の出力は、平面アンテナ２０１と信号発生器とが整合状態にあり、平面アンテナ２０１の特性が被測定試料により影響を受けない状態にあるので、信号発生器の出力電力が低電力であってもＰＩＭを検出することができる。また、平面アンテナと被測定試料との相対位置関係に応じてＰＩＭ測定レベルが異なるので、ＰＩＭ発生源の位置を特定することができる。
図２４に、コイル型試料の位置に応じたＰＩＭレベルの分布を示す。図２３Ａ，Ｂに示した方法で、図２１に示した平面アンテナ２０１の第２基板２０３のｃ面上の分布を測定した。上述したように、パッチアンテナの電流分布に応じたＰＩＭレベルの変化がよくわかる。
第４の実施形態によれば、アンテナの近傍界において、アンテナの特性に影響を与えない小さな試料を用いることにより、被測定試料とは非接触の状態でありながら、ＰＩＭを検出することができる。また、アンテナが整合状態にあるので、低電力、高効率にＰＩＭを検出することができる。
次に、平面アンテナと被測定試料との間の距離依存性について説明する。図２５Ａに、コイル型試料の平面アンテナ２０１上の位置を示す。図２４に示したＰＩＭレベルの分布において、ＰＩＭレベルの高い位置２カ所と、ＰＩＭレベルの低い位置１カ所とを選択し、第２基板２０３のｃ面上にコイル型試料を配置した。それぞれの位置で、ｃ面からの高さを変えてＰＩＭを測定した。試験信号として、ｆ１＝２２００ＭＨｚ、ｆ２＝２０５０ＭＨｚを入力し、３次のＰＩＭ信号ｆ３＝１９００ＭＨｚを観測する。試験信号レベルは、平面アンテナ２０１の給電部において０ｄＢｍ（整合終端時）である。
図２５Ｂは、コイル型試料の高さに応じたＰＩＭの測定結果を示す図である。高さ１ｃｍ以下の領域では、コイル型試料の平面アンテナ上のｃ面に位置に応じて、ＰＩＭ測定レベルに差があることから、近傍界においては、ＰＩＭ発生源の位置を特定できることがわかる。一方、高さ２ｃｍ付近から、コイル型試料と平面アンテナとのｃ面上の相対位置によらず、ＰＩＭ測定レベルがほぼ等しくなる。すなわち、この平面アンテナの場合、高さ２ｃｍ以上を、本明細書における意味において遠方界ということができる。
図２５Ｂからわかるように、遠方界においても、コイル型試料と平面アンテナとの距離に応じて、ＰＩＭ測定レベルに有意差があることから、ＰＩＭ発生源の有無を検出することができる。そこで、上述の実施形態のように、被測定試料における不良接続部分の検出に用いるのではなく、不良接続部分を有する試料を積極的に用いて、試料の有無の検出を行うことが考えられる。
例えば、第３の実施形態に使用したＴ字状の試料が取り付けられた物体が、平面アンテナの遠方界を通過したか否かを検出することができる。
本発明は、電気材料、磁気材料などの電気的、磁気的な特性を初めとして、材料の特性測定に利用可能である。また、これらの材料特性の測定装置に利用ができる。さらに、電子部品などの接続不良、性能不良の検出などの製造検査装置への利用が可能である。
１、２、１０１、１０２ 試験信号発生部
３、４ サーキュレータ
５、６、１０５ 終端器
７、１０７ ＤＵＰ
８、１０６ ＰＩＭ測定部
９、６１、６２ 伝送線路
６３ａ、６３ｂ、６３ｃ 被測定資料
６４ａ、６４ｂ、６４ｃ フェライトビーズ

Claims (2)

  1. 高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、
    相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、
    前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、
    前記信号分離手段の前記第２の端子に一端を接続された同軸線路であって、他端から試験信号を放射し、該試験信号により被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を検出する同軸線路と、
    前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段と、
    を備え、
    前記同軸線路の前記他端は開放されており、前記同軸線路は不整合状態にあって、前記同軸線路を経由して、前記試験信号の印加によって前記被測定試料において生ずる誘導電流に基づいて発生する受動相互変調ひずみ信号を検出することを特徴とする測定システム。
  2. 高周波帯域において被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を測定するシステムであって、
    相異なる周波数の複数の試験信号を発生させる複数の信号発生手段と、
    前記複数の信号発生手段からの前記複数の試験信号が入力される第１の端子と、前記第１の端子から入力された前記複数の試験信号が出力され前記受動相互変調ひずみ信号が入力される第２の端子と、前記受動相互変調ひずみ信号のみを出力する第３の端子とを含む信号分離手段と、
    前記信号分離手段の前記第２の端子に一端を接続された同軸線路であって、他端から試験信号を放射し、該試験信号により被測定試料から発生する受動相互変調ひずみ信号を検出する同軸線路と、
    前記信号分離手段の前記第３の端子に接続され、前記受動相互変調ひずみ信号を測定する受動相互変調ひずみ測定手段と、
    を備え、
    前記同軸線路の前記他端は、短絡されており、前記同軸線路は不整合状態にあって、前記同軸線路を経由して、前記試験信号の印加によって前記被測定試料において生ずる誘導電圧に基づいて発生する受動相互変調ひずみ信号を検出することを特徴とする測定システム。
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