JP5826628B2

JP5826628B2 - 計測装置

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Publication number: JP5826628B2
Application number: JP2011517770A
Authority: JP
Inventors: トーマスツェルダー; ベルントゲック
Original assignee: ローゼンベルガーホーフフレクベンツテクニークゲーエムベーハーウントツェーオーカーゲー
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: DE202008009469U1; US20110163773A1; JP2011528107A; CA2725636A1; CA2725636C; HK1157017A1; WO2010006683A1; US8760184B2; CN102099693B; EP2300835A1; CN102099693A

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに定義されたように、第１の測定プローブと、第２の測定プローブとを備え、各測定プローブは、ハウジングと、ハウジング上に配置された少なくとも１つの結合構造物とを有し、結合構造物が、回路が試験される組込電気又は電子部品と、他の電気又は電子部品とを備えたプリント回路基板上の電気または電子回路の一部である信号線からのＲＦ信号を結合するように設計された計測装置に関する。

妨害放射を検出するための非接触ループ型測定プローブの使用は、特に電磁干渉（ＥＭＣ）の分野では、例えば非特許文献１、非特許文献２または非特許文献３から知られている。

また、方向性結合器の製造で使用されるループ型プローブは、例えば、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６、非特許文献７、または非特許文献８から知られている。方向性結合器は、一般に互いに結合された２本の線を備えた４ポート装置である。方向性結合器の機能は、線上の前進波と後進波を分離することである。

また、ループ型プローブの代わりにＥＭＣ技術で電気構成要素を特徴付けるために使用されるものは、例えば、非特許文献９、非特許文献１０、非特許文献１１または非特許文献１２から知られているような単なる誘導性プローブまたは容量性プローブである。

前進波と後進波を分離することが可能な結合構造物は、非特許文献５と非特許文献６に記載されたループ型方向性結合器である。ループ型方向性結合器は、導波路上または導波路内に位置決めされた導体ループを備える。この事例では、中空導波路、平面ストリップ線路、同軸線路などの所望の種類の導波路を使用することができる。ループ型方向性結合器には様々な用途がある。例えば、Ｆ．デ・グルートら（前述）は、２００５年にループ型方向性結合器を非接触測定システムの構成要素として使用し、ヤランドら（前述）は、２００６年にループ型方向性結合器を非接触測定システムの構成要素として使用した。

複雑な回路に組み込まれた電気構成要素の散乱パラメータは、非接触ベクトル・ネットワーク解析によって決定することができる。これは、例えば、非特許文献１３に記載されている。接点が使用される従来のネットワーク解析方法と比較して、ネットワーク・アナライザの内部方向性結合器は、アナライザのベクトル測定点に直接接続された非接触近接場測定プローブによって置き換えられる。

非接触（一般にベクトル式）測定システムによって被測定装置（ＤＵＴ）の散乱パラメータを決定するために、誘導性および／または容量性結合構造物が使用される。測定プローブは、被測定装置の信号線の上の電磁近接場に位置決めされる。これらの結合構造物によって、被測定装置に直接接続された信号線における電流および／または電圧が測定される。あるいは、信号線上の前進波と後進波も測定され、この事例では方向性結合器、詳細にはループ型結合器が、２つの波を互いに分離する結合構造物として使用される。散乱パラメータを測定するために、例えばＴＲＬなどの従来の較正方法（非特許文献１４）が、接触ネットワーク解析と同じように使用される。

非接触ベクトル・ネットワーク解析では、測定を行う未知の被測定装置（ＤＵＴ）の各ポートごとに、例えば導体ループや２つの容量性プローブなどの少なくとも１つの測定プローブが必要とされる。使用されるものは、例えば、同軸半剛性線から製造された導体の非接触ループである（非特許文献７と非特許文献８を参照）。非接触測定システムでは、使用されるものは、代替として単独容量性プローブである（非特許文献９と非特許文献１０を参照）。非特許文献１１と非特許文献１２の測定システムは、容量性プローブと誘導性プローブの組み合わせで製造された。Ｔ．ツェルダーらのプローブ（前述）の独特な特徴は、同一基板上に信号線と一緒に製造されたことである。

非接触ベクトル・ネットワーク解析は、構成要素を非接触式に特徴付けることができる可能性を有するが、回路に組み込まれたＲＦ構成要素またはマイクロ波構成要素の散乱パラメータの非接触測定はまだ行われていない。これまで、較正中または較正後に非接触プローブの位置は変更されていないが、これは、回路内で測定を行う場合には必要である。非特許文献１３では、組み込まれた未知の２ポート装置は、疑似非接触測定を採用することにより特徴付けられた。この場合の疑似非接触測定手段として、完全な非接触プローブではなく印刷された結合構造物が使用されている。

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散乱パラメータが複素数値である２ポート装置の散乱パラメータを非接触で決定する場合、２つの非接触ループ型プローブは、ベクトル・ネットワーク・アナライザ内の測定点対のそれぞれに接続される。複数の構成要素間に組み込まれたＤＵＴ（被測定装置）を特徴付けるために、プローブは、近接場内でＤＵＴに対して電源線の両側に位置決めされる。散乱パラメータを決定するためには、２つの異なる状態でＤＵＴの前進波と後進波とが測定される。２つの異なる状態を作り出すために、ネットワーク・アナライザは、切り替えスイッチを有し、それにより、信号を回路に左から１度または右から１度に送ることができる。両方の位置のスイッチで前進波と後進波を測定した場合は、その測定値から組み込まれたＤＵＴの完全な２ポート散乱パラメータを決定することができる。しかしながら、散乱パラメータの非接触決定では、完全な散乱パラメータを決定できない事例がある。以下に、２つの事例を説明する。

事例１：例えば、ＤＵＴが組み込まれた回路内の最後の２ポート装置（図３の４４と４６の間の３４）が、順方向にしか動作できない増幅器の場合（スイッチ位置Ｉ。図３を参照）（同装置は他方向ではとても高い入力インピーダンスを有する。）で、スイッチ５４の２つの出力が、図３のように平面線路１６に接続されるのではなく非接触ベクトル・ネットワーク解析で従来使用されていたように点３６と４６に接続された場合は、スイッチ位置Ｉでしか解析に適した結果が得られない。スイッチ位置ＩＩでは、ほとんどすべて電力が逆に動作する増幅器から発生器に反射され、非接触ループ型プローブの測定点では、測定信号がノイズで消える。

事例２：回路内の２ポート装置のＤＵＴの左側と右側への減衰が大きすぎると、正確な測定にはダイナミック・レンジが小さすぎる。

本発明の基となる目的は、上記種類の測定プローブの測定精度と適用範囲を改善することである。

この目的は、本発明により、請求項１に記載された特徴を有する上記種類の測定プローブによって達成される。本発明の有利な実施形態は、他の請求項に記載される。

上記種類の測定プローブにおいて、本発明によれば、電気信号を信号線に結合するための少なくとも１つの追加の信号プローブがハウジング上に配置される。

これは、測定が行われる場合、ＤＵＴに通される信号が、ＤＵＴが組み込まれた回路のすべての構成要素を介してＤＵＴに伝えられなくてもよく、その代わりに、信号が、測定用プロド（プローブ）によってＤＵＴのすぐ上流または下流に供給されるという利点を有する。このように、回路内に存在する可能性のある他の構成要素に関係なくＤＵＴの散乱パラメータを完全に測定することができる。

信号プローブは、信号線と電気的かつ機械的に接触する非接触導体ループまたは測定用プロドの形を取ると有益であり、測定用プロドは、測定用プロドが信号線と電気的かつ機械的に接触するときに、結合構造物が、少なくとも信号線の近接場にあるか、または信号線と電気的かつ機械的に接触するように設計され配置される。

非接触信号プローブは、単なる誘導性プローブ、単なる容量性プローブ、または誘導性プローブと容量性プローブの組み合わせの形を取ると有益である。

好ましい実施形態では、結合構造物は、信号線と電気的かつ機械的に接触する非接触導体ループまたは測定用プロドに形を取る。

非接触結合構造物は、単なる誘導性プローブ、単なる容量性プローブ、または誘導性プローブと容量性プローブの組み合わせの形を取ると有益である。

結合構造物のアース接点と信号プローブのアース接点は、電気的に接続されると有益である。

結合構造物がインピーダンス制御されるので、高い方向性減衰と高い入力インピーダンスが得られ、また生成されるシース波が少なく、これにより、測定プローブを解析用に十分に定義することができ、インピーダンスを制御しない測定プローブの場合より遮断周波数を高くすることができる。

信号品質を改善するために、電気信号増幅器は、信号プローブの入力経路および／または結合構造物の出力経路に配置される。

増幅器の動作点を設定するために、信号プローブおよび／または結合構造物は、直流電圧が印加される。

好ましい実施形態では、ハウジングは、金属材料、吸収材料および／またはプラスチック材料で製造される。

ハウジングは、吸収材料内に収容されると有益である。

更に、測定プローブを近くの信号導体から制御距離に配置するか信号導体と電気的かつ機械的に接触した状態で配置するために、結合構造物と信号導体との距離を決定するための装置が提供される。

距離を決定するための装置は、例えば、光学的、電気的、機械的および／または電気機械的距離センサを備える。

更に、測定プローブを信号導体と機械的かつ電気的に接触した状態で、または三次元の制御下で信号導体の近くに配置するために、空間内の測定プローブの位置を決定するための装置をさらに備える。

空間内の測定プローブの位置を決定するための装置は、例えば、イメージ・センサである。

好ましい実施形態では、測定プローブは、更に、空間内で測定プローブを位置決めするための少なくとも１つの位置決め機構を有し、それにより測定プローブが空間内の少なくとも一方向に移動可能になる。位置決め機構は、例えば、少なくとも１つの位置決めモータと、詳細にはステッピングモータを有し、ハウジング上に配置されることが好ましい。

結合構造物と信号プローブを個別に位置決めするために、測定プローブは、結合構造物と信号プローブとに個別の位置決め機構をそれぞれ有する。

測定装置における本発明による測定プローブの好ましい実施形態の概略図である。図１に示された好ましい実施形態の平面図である。ベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＶＮＡ）を有する測定装置の概略図である。

本発明は、図面を参照して以下に詳細に説明される。

図１と図２に示された本発明による測定プローブの好ましい実施形態は、ハウジング１０、非接触測定ループまたはループ型プローブの形の結合構造物１２、および信号線路１６と電気的かつ機械的に接触する測定用プロドの形の信号プローブ１４を有する。結合構造物１２は、出力経路を構成する第１のポート１８と第２のポート２０を有し、信号線路１６からの電気信号を結合するように構成される。信号プローブ１４は、入力２２を有し、電気信号を信号線路１６に結合するように構成される。信号プローブ１４は、結合構造物１２が信号線路１６の近接場にあり、すなわち、図１に示されたように信号プローブ１４が電気的かつ機械的に信号線路１６と接触したときに、信号線路１６からの信号を非接触で結合するように配置され設計される。

信号線路１６は、プリント回路基板３０上の電気または電子回路の一部であり、この回路は、試験される組込電気または電子構成要素２４（ＤＵＴ−被測定装置）や他の電気または電子構成要素２６、２８を備える。信号線路１６は、例えば、ストリップ線路の形を取る。

図３では、同じように動作する部分は、図１と同じ参照数字によって示され、したがって、それらの部分の説明は、前の図１の説明を参照されたい。プリント回路基板３０上で、電子回路は、例えば、順方向にだけ動作することができ、かつ他方向にきわめて高い固有インピーダンスを有する増幅器の形を取る電子構成要素３２および３４をさらに備える。構成要素２６、２８、３２および３４ならびにＤＵＴ２４は、本質的に、信号線路１６にループにされた２ポート装置である。また、３６は、プリント回路基板３０上の第１の位置を指し、３８は第２の位置を指し、４０は第３の位置、４２は第４の位置、４４は第５の位置、および４６は第６の位置、４８は基準レベルを指す。図３には、本発明による２つの測定プローブとベクトル・ネットワーク・アナライザ（ＶＮＡ）５０とを有する測定機構が示される。ＶＮＡ５０は、信号源５２、切り替え位置Ｉと切り替え位置ＩＩを有するスイッチ５４、第１の測定ポート５６、第２の測定ポート５８、第３の測定ポート６０、および第４の測定ポート６２を有する。参照数字６４は、アナライザの複素インピーダンスＺｇを示す。信号源５２は、スイッチ５４を介して信号プローブ１４の一方または他方の入力２２に接続される。測定ポート５６、５８、６０および６２は、出力１８および２０に接続される。信号源５２からの信号は、スイッチ５４の位置により、信号プローブ１４によってＤＵＴ２４の異なる側で信号線路１６に結合される。

本発明による測定プローブによって、信号線路１６に結合された信号の電力を、すべての構成要素２６、２８、３２、３４を介してＤＵＴ２４に供給するのではなく、信号プローブ１２によってＤＵＴ２４のすぐ上流に供給することができる。次に、結合構造物１２はそれぞれ、電力の供給後または電力の供給の少し下流に位置決めされる。本発明によれば、非接触結合構造物１２と接点付き信号プローブとは、一体に、好ましくはハウジングに組み込まれる。組み込まれた測定プローブのさらに他の利点は、組み合わせが最適化されているので、その位置決めに空間をあまり必要としないことである。一般に、電子回路の構成要素２４、２６、２８、３２、３４など、試験中の２つの装置間の距離は、きわめて制限される。別の利点は、測定プローブ内にある増幅器へのバイアスとして直流電圧を供給できることである。増幅器を使用することにより信号対雑音比を改善することができる。信号送出する測定用プロド１４を有する本発明による測定プローブを使用するので、図３から分かるように、試験される平面回路の端は接続されないままである。７ターム較正法が使用される場合、非接続端からのフィードバックは、測定結果に影響を及ぼさない。

例えば、図２に、本発明による組み合わせ測定プローブを使用できるようにするためにプリント回路基板３０上の被試験平面マイクロ・ストリップ回路の構造がどのように修正されたかを示す。図２に例として示した実施形態では、信号送出のために、平面マイクロ・ストリップ線路１６の隣りに、アースへのビア６６を有する接点パッドが設けられる。他の実施形態では、被測定装置が同一平面線に接続された場合、回路内に追加の接点パッドを設けなくてもよい。この場合、給電する信号プローブ１４の形は、ハウジングを介して非接触プローブ１２に接続された従来のオンウェハ測定用プロドの形である。

本発明による組み合わせ測定プローブは、外部線路１６に沿って伝わる電磁波の少なくとも一部分を結合する少なくとも１つの結合構造物１２と、電力を外部線路１６に伝える役割をする少なくとも１つの信号プローブ１４とを含む。この事例では結合構造物１２と信号プローブ１４が両方とも非接触プローブまたは接点付きプローブでもよく、非接触プローブと接点付きプローブの組み合わせでもよい。換言すると、少なくとも１つの結合構造物１２は、測定プローブ・ユニットを構成するために少なくとも１つの信号送出測定用プロド１４と結合する。２つのタイプのプローブ（結合構造物１２と信号プローブ１４）のアースは、電気的に接続されると有益である。２つのタイプのプローブは、共通ハウジングと共通マウントを有することが好ましい。

本発明による組み合わせ測定プローブは、詳細には、図３に示されたように非接触ベクトル・ネットワーク解析システムで使用するのに適する。しかしながら、他の使用分野も可能である。

実例となる実施形態では、接点付き測定用プロド１４の幾何学形状は、従来のオンウェハ・プローブのものと同じである。この実施形態の場合、測定用プロド１４が、ＤＵＴ２４が電気的に接続される（平面）導波路１６と電気接触する少なくとも１つの金属接触板を有することが重要である。任意選択として、金属接触板は、内部導波路（測定プローブのハウジング１０内）を介して外部インタフェース（例えばＳＭＡコネクタなど）に接続されてもよい。外部インタフェースは、測定用プロド１４を信号原５２に接続するために使用される。

測定用プロド１４と結合構造物は、例えば、それぞれインピーダンス制御されるように製造され、すなわち、その入力反射減衰量が最大にされる。

結合構造物１２と信号プローブ１４としては、例えば、誘導性プローブ、容量性プローブ、または単なる誘導性プローブと単なる容量性プローブの組み合わせが使用される。非接触結合構造物は、例えば、ループ型プローブの形を取る。

本発明の好ましい改良では、信号の品質を改善するための増幅器が、測定用プロド１４の入力経路２２および／または結合構造物１２の出力経路１８，２０に設けられる。これにより、本発明による組み合わせ測定プローブが能動測定プローブに変化する。能動測定プローブでは、動作点を設定できるようにするために、測定用プロド１４と結合構造物１２を直流源（バイアス源）に接続して、増幅器にＲＦ試験信号に重なった直流電圧を供給することが有用な可能性がある。

本発明による組み合わせ測定プローブのハウジングは、任意の所望の材料で作成することができる。例えば、吸収材料に収納される金属ハウジングが用いられる。あるいは、プラスチック材料のハウジングまたは吸収性ハウジングが用いられてもよい。

本発明による組み合わせ測定プローブは、例えば、自動位置決めまたは三次元位置検出のためのセンサを有してもよい。

結合構造物１２には、導波路の端部にインタフェースが形成された、少なくとも１つの導波路が接続されることが好ましい。２つの導波路が接続された場合、これは、一般に、プローブ・ループと呼ばれる。さらに、それぞれの事例で、２つ以上の導波路を結合構造物１２に接続するともできる。結合構造物１２は、また、個別のプローブ（例えば、容量性プローブなど）を備えていてもよい。

好ましい改良では、本発明による組み合わせ測定プローブは、三次元で調整するための設備を有し、それにより、例えば、ＤＵＴ２４が接続される非接触結合構造物１２と導波路１６との間の距離を設定することが可能になる。例えば、測定用プロド１４に対する結合構造物１２の位置は、三次元で調整するための設備（例えば、線形Ｘ−Ｙ−Ｚ台など）により変更される。三次元で調整するための設備は、例えばこの事例では、機械的または電気的に制御可能になるように設計される。調整プロセスは、選択された結合に常に最良の位置になるように自動化されてもよい。

本発明の別の好ましい改良は、組み合わせ測定プローブを構成する組み合わせを位置決め機構と組み合わせて、それにより組み合わせ測定プローブをすべての次元またはその次元のうちの１次元や２次元などだけで移動できるようにすることに関する。位置決め機構は、例えば、ハウジングに組み込まれるか、取り付け機構を介して組み合わせ測定プローブに接続される。位置決め機構は、例えば、手動で操作されてもよくかつ／または動力化されてもよい。従って、位置決め機構は、能動的または受動的である。位置決め機構は、制御のための制御線を含むことが好ましい。

本発明による組み合わせ測定プローブは、例えば、接点付き信号プローブ１４と非接触結合構造物１２を互いに別々に位置決め可能にすることを可能にし、即ちその位置を互いに独立に設定することを可能にする２つの個別の位置決め機構を備える。

結合構造物（１２）は、また、複数の個別の容量性または誘導性プローブ、および／または誘導的かつ容量的に結合するプローブを含んでもよい。

Claims

第１の測定プローブと、第２の測定プローブとを備え、各測定プローブは、ハウジング（１０）と、ハウジング（１０）上に配置された少なくとも１つの結合構造物（１２）とを有し、前記結合構造物（１２）が、回路が試験される組込電気又は電子部品（２４）と、他の電気又は電子部品（２６，２８）とを備えたプリント回路基板（３０）上の電気または電子回路の一部である信号線（１６）からのＲＦ信号を結合するように設計された計測装置において、
前記各測定プローブは、前記信号線（１６）に電気信号を結合するための前記ハウジング（１０）上に配置された少なくとも追加の非接触導体ループを有し、
前記試験される組込電気又は電子部品と、前記他の電気又は電子部品（２６，２８）とは、全て、前記信号線（１６）にループされる２ポート装置であることを特徴とする計測装置。
請求項１に記載の計測装置において、
前記非接触導体ループ（１４）は、単なる誘導性プローブ、単なる容量性プローブ、または誘導性プローブと容量性プローブの組み合わせの形を取ることを特徴とする計測装置。
請求項１又は請求項２に記載の計測装置において、
前記結合構造物（１２）は、前記信号線（１６）と電気的かつ機械的に接触する測定用プロドの形を取ることを特徴とする計測装置。
請求項１又は請求項２に記載の計測装置において、
前記結合構造物（１２）は、非接触導体ループまたはループ型プローブの形を取ることを特徴とする計測装置。
請求項４に記載の計測装置において、
前記結合構造物（１２）は、単なる誘導性プローブ、単なる容量性プローブ、または誘導性プローブと容量性プローブの組み合せの形を取ることを特徴とする計測装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の計測装置において、
前記結合構造物（１２）と前記信号線（１６）との間の距離を決定するための装置が、さらに設けられることを特徴とする計測装置。
請求項６に記載の計測装置において、
前記距離を決定するための装置は、光学的、電気的、機械的および／または電気機械的距離センサを備えることを特徴とする計測装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の計測装置において、
空間内の前記測定プローブの位置を決定するための装置が、さらに設けられることを特徴とする計測装置。
請求項８に記載の計測装置において、
空間内の前記測定プローブの位置を決定するための装置は、イメージ・センサからなることを特徴とする計測装置。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の計測装置において、
前記測定プローブは、空間内で位置決めするための少なくとも１つの位置決め機構をさらに有することを特徴とする計測装置。
請求項１０に記載の計測装置において、
前記位置決め機構は、少なくとも１つの位置決めモータを有することを特徴とする計測装置。
請求項１０又は請求項１１に記載の計測装置において、
前記測定プローブは、前記結合構造物（１２）と前記非接触導体ループ（１４）のための位置決め機構をそれぞれ個別に有することを特徴とする計測装置。
請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の計測装置において、
前記位置決め機構は、前記ハウジング（１０）上に配置されることを特徴とする計測装置。