JPH11166952A - 誘電体材料の高周波特性測定方法 - Google Patents
誘電体材料の高周波特性測定方法Info
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- JPH11166952A JPH11166952A JP34874597A JP34874597A JPH11166952A JP H11166952 A JPH11166952 A JP H11166952A JP 34874597 A JP34874597 A JP 34874597A JP 34874597 A JP34874597 A JP 34874597A JP H11166952 A JPH11166952 A JP H11166952A
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- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
- G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 この発明は、従来の共振器法による誘電体材
料の高周波特性測定方法の問題点を解決し、実効比誘電
率と誘電体損失を実装状態で正確に求める誘電体材料の
高周波特性測定方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 この発明の誘電体材料の高周波特性測定
方法は、電場により屈折率が変化する素子、特にポッケ
ルス効果を利用したＥ−Ｏプローバーにより、高周波伝
送線路を伝わる電磁波の電場成分を該伝送線路の伝搬方
向に対する強度と位相の変化を測定し、前記伝送線路の
実効比誘電率と誘電体損失を求めることを特徴とするも
のである。さらに、前記伝送線路が実装状態のマイクロ
ストリップ線路であることを特徴とするものである。
料の高周波特性測定方法の問題点を解決し、実効比誘電
率と誘電体損失を実装状態で正確に求める誘電体材料の
高周波特性測定方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 この発明の誘電体材料の高周波特性測定
方法は、電場により屈折率が変化する素子、特にポッケ
ルス効果を利用したＥ−Ｏプローバーにより、高周波伝
送線路を伝わる電磁波の電場成分を該伝送線路の伝搬方
向に対する強度と位相の変化を測定し、前記伝送線路の
実効比誘電率と誘電体損失を求めることを特徴とするも
のである。さらに、前記伝送線路が実装状態のマイクロ
ストリップ線路であることを特徴とするものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロストリ
ップ線路を用いた高周波フィルタやアイソレータ、カッ
プラー、あるいは高周波用コンデンサーに用いられる誘
電体材料やそれを用いた高周波回路設計用回路基板の開
発・評価・設計に用いるのに有効な誘電体材料の高周波
特性測定方法、特に実効比誘電率と誘電体損失を求める
のに有効な測定方法に関する。
ップ線路を用いた高周波フィルタやアイソレータ、カッ
プラー、あるいは高周波用コンデンサーに用いられる誘
電体材料やそれを用いた高周波回路設計用回路基板の開
発・評価・設計に用いるのに有効な誘電体材料の高周波
特性測定方法、特に実効比誘電率と誘電体損失を求める
のに有効な測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】誘電体材料の伝搬速度および減衰は次式
のように比誘電率および誘電正接から求められる。
のように比誘電率および誘電正接から求められる。
【０００３】
【数１】
【０００４】ただし、Ｃ；光速、εr ；比誘電率、ｆ；
周波数、tan δ；誘電正接。特に、マイクロストリップ
線路の場合、例えば図１３に示されるように、入出力イ
ンピーダンスが実効比誘電率と線路長によって決まるの
で、高周波回路設計用回路基板の開発・評価・設計に
は、誘電体材料の高周波特性測定方法、特に実効比誘電
率と誘電体損失を求めることが重要である。
周波数、tan δ；誘電正接。特に、マイクロストリップ
線路の場合、例えば図１３に示されるように、入出力イ
ンピーダンスが実効比誘電率と線路長によって決まるの
で、高周波回路設計用回路基板の開発・評価・設計に
は、誘電体材料の高周波特性測定方法、特に実効比誘電
率と誘電体損失を求めることが重要である。
【０００５】従来、誘電体材料の誘電率測定にはＬＣＲ
メータを用いた容量法とネットワークアナライザーを用
いた共振器法がある。容量法は３０ＭＨｚ以上では測定
できないので、上記高周波特性測定方法としては共振器
法が用いられていた。共振器法は図３，図４に示される
ように、誘電体１で伝送線路２を上下に挟んで高周波特
性（共振特性）を測定する方法である。図３はこの共振
法に用いられるトリプレート・ストリップ線路の断面構
造図を示す（なお、図３においては誘電体が図示されて
いないが、図において上下の接地導体と伝送線２との間
には誘電体が存在する）。
メータを用いた容量法とネットワークアナライザーを用
いた共振器法がある。容量法は３０ＭＨｚ以上では測定
できないので、上記高周波特性測定方法としては共振器
法が用いられていた。共振器法は図３，図４に示される
ように、誘電体１で伝送線路２を上下に挟んで高周波特
性（共振特性）を測定する方法である。図３はこの共振
法に用いられるトリプレート・ストリップ線路の断面構
造図を示す（なお、図３においては誘電体が図示されて
いないが、図において上下の接地導体と伝送線２との間
には誘電体が存在する）。
【０００６】図４は図３を上から見た図で、トリプレー
ト・ストリップ線路共振器の構造を示している。図４に
おいて、２は入出力伝送線路であり３が共振器を形成す
るストリップラインである。図中、Ｌは共振器の長さ、
△Ｌは電気補正長、Ｗはストリップ線路の幅である。
ト・ストリップ線路共振器の構造を示している。図４に
おいて、２は入出力伝送線路であり３が共振器を形成す
るストリップラインである。図中、Ｌは共振器の長さ、
△Ｌは電気補正長、Ｗはストリップ線路の幅である。
【０００７】図３に示すトリプレート・ストリップ線路
共振器を構成した時、ネットワークアナライザーでＳパ
ラメータＳ12またはＳ21を観測すると、図５，図６のよ
うな波形が得られ、共振周波数ｆ01〜ｆ04…が測定でき
る（図５の６）。 （１）比誘電率（εr ）は次式から求められる。
共振器を構成した時、ネットワークアナライザーでＳパ
ラメータＳ12またはＳ21を観測すると、図５，図６のよ
うな波形が得られ、共振周波数ｆ01〜ｆ04…が測定でき
る（図５の６）。 （１）比誘電率（εr ）は次式から求められる。
【０００８】
【数２】
【０００９】ただし、Ｃ：光速、ｆ0n：共振周波数、
Ｌ：共振器の長さ、△Ｌ：電気補正長である。 （２）また、誘電体損失（誘電正接）は次式で求められ
る。
Ｌ：共振器の長さ、△Ｌ：電気補正長である。 （２）また、誘電体損失（誘電正接）は次式で求められ
る。
【００１０】
【数３】
【００１１】ただし、ＲS は導体表皮抵抗、また１／Ｑ
u は共振器の損失である。上記のように、共振器法にお
いて比誘電率は共振器３と電気補正長４で決まる共振周
波数から求められるので図５に示す如く共振点（ｆ01〜
ｆ04）のみしか求めることができず、連続した任意の周
波数における比誘電率を求めることはできない。また、
共振器は左右対称でなければならないので、電気補正長
の長さを変える調整もできない。
u は共振器の損失である。上記のように、共振器法にお
いて比誘電率は共振器３と電気補正長４で決まる共振周
波数から求められるので図５に示す如く共振点（ｆ01〜
ｆ04）のみしか求めることができず、連続した任意の周
波数における比誘電率を求めることはできない。また、
共振器は左右対称でなければならないので、電気補正長
の長さを変える調整もできない。
【００１２】さらに、誘電体損失（誘電正接）を求める
式は、比誘電率εr と導体表皮抵抗ＲS が未知である。
前述の如く、比誘電率εr は離散的な値しか求められ
ず、導体表皮抵抗ＲS は導体の酸化膜や断面形状に依存
し、周波数にも依存するので実際には求めることができ
ないものである。
式は、比誘電率εr と導体表皮抵抗ＲS が未知である。
前述の如く、比誘電率εr は離散的な値しか求められ
ず、導体表皮抵抗ＲS は導体の酸化膜や断面形状に依存
し、周波数にも依存するので実際には求めることができ
ないものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の共
振器法による誘電体材料の高周波特性測定方法には、以
下の問題点がある。 （１）上記共振器法はトリプレート・ストリップ線路を
用いるため、実装される片面ストリップ線路と構造が異
なるため、実装状態の実効比誘電率とは異なる。回路設
計で重要な比誘電率は電磁波が伝わる時の実効比誘電率
である。上記従来の方法では、実装状態の実効比誘電率
を求めることができない。 （２）トリプレート・ストリップ線路は構造が複雑で、
共振周波数を任意に設定できない。従って、上記共振器
法は共振周波数における比誘電率しか得られず、任意の
周波数における比誘電率を求めることができない。 （３）誘電体損失は、求めるアルゴリズムがあまりに複
雑かつ間接的で、導体の酸化膜・形状など実際には測定
できない誤差を多く含んでいる。
振器法による誘電体材料の高周波特性測定方法には、以
下の問題点がある。 （１）上記共振器法はトリプレート・ストリップ線路を
用いるため、実装される片面ストリップ線路と構造が異
なるため、実装状態の実効比誘電率とは異なる。回路設
計で重要な比誘電率は電磁波が伝わる時の実効比誘電率
である。上記従来の方法では、実装状態の実効比誘電率
を求めることができない。 （２）トリプレート・ストリップ線路は構造が複雑で、
共振周波数を任意に設定できない。従って、上記共振器
法は共振周波数における比誘電率しか得られず、任意の
周波数における比誘電率を求めることができない。 （３）誘電体損失は、求めるアルゴリズムがあまりに複
雑かつ間接的で、導体の酸化膜・形状など実際には測定
できない誤差を多く含んでいる。
【００１４】この発明は、上記従来の共振器法による誘
電体材料の高周波特性測定方法の問題点を解決し、実効
比誘電率と誘電体損失を実装状態で連続的に正確に求め
る方法を提供し、併せて回路インピーダンスも正確に求
める誘電体材料の高周波特性測定方法を提供することを
目的とする。
電体材料の高周波特性測定方法の問題点を解決し、実効
比誘電率と誘電体損失を実装状態で連続的に正確に求め
る方法を提供し、併せて回路インピーダンスも正確に求
める誘電体材料の高周波特性測定方法を提供することを
目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明の誘電体材料の
高周波特性測定方法は、電場により屈折率が変化する素
子を用いることにより、高周波伝送線路を伝わる電磁波
の電場成分について該伝送線路の伝搬方向に対する振幅
と位相の変化を測定し、前記伝送線路の実効比誘電率と
誘電体損失を求めることを特徴とするものである。
高周波特性測定方法は、電場により屈折率が変化する素
子を用いることにより、高周波伝送線路を伝わる電磁波
の電場成分について該伝送線路の伝搬方向に対する振幅
と位相の変化を測定し、前記伝送線路の実効比誘電率と
誘電体損失を求めることを特徴とするものである。
【００１６】さらに、上記伝送線路が実装状態のマイク
ロストリップ線路であることを特徴とするものである。
また、特に前記電場により屈折率が変化する素子がポッ
ケルス効果を利用したＥ−Ｏプローバーであることを特
徴とするものである。
ロストリップ線路であることを特徴とするものである。
また、特に前記電場により屈折率が変化する素子がポッ
ケルス効果を利用したＥ−Ｏプローバーであることを特
徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】高周波回路基板上に形成された伝
送線路（マイクロストリップ線路）を伝わる電磁波の電
場は、波数ベクトルｋを使って、 Ｅ＝Ｅ0 exp(ｊ（ωｔ−ｋｚ）） ＝Ｅ0 exp(ｊωｔ）exp(−ｊ［α−ｊβ］ｚ） ＝Ｅ0 exp(ｊ（ωｔ−αｚ））exp(−βｚ） …（１） となる。ただし、ｚは伝送線路の位置であり、ｋ＝α−
ｊβである。従って、（１）式において、exp(ｊ（ωｔ
−αｚ））が位相成分、exp(−βｚ）が減衰成分とな
る。
送線路（マイクロストリップ線路）を伝わる電磁波の電
場は、波数ベクトルｋを使って、 Ｅ＝Ｅ0 exp(ｊ（ωｔ−ｋｚ）） ＝Ｅ0 exp(ｊωｔ）exp(−ｊ［α−ｊβ］ｚ） ＝Ｅ0 exp(ｊ（ωｔ−αｚ））exp(−βｚ） …（１） となる。ただし、ｚは伝送線路の位置であり、ｋ＝α−
ｊβである。従って、（１）式において、exp(ｊ（ωｔ
−αｚ））が位相成分、exp(−βｚ）が減衰成分とな
る。
【００１８】そして、減衰成分を考えると、 １０log(Ｐ／Ｐ0 ) ＝２０log(Ｅ／Ｅ0 ）＝−２０βｚlog ［ｅ］ ∴β＝−１０log(Ｐ／Ｐ0 ) ／（２０ｚlog ［ｅ］） …（２） また、位相成分を考えると、 α＝−ｄφ／ｄｚ …（３） と解析できる。（ただし、φ；位相量） φ＝ωｔ−ｋ
ｚ
ｚ
【００１９】（２），（３）式より、伝送線路の位置ｚ
が分かれば、その点における電場の位相量と減衰量の実
測値からαとβが求められる。このαとβを用いて、実
効比誘電率及び誘電体損失が次のようにして求まる。一
般に、誘電体中（ε，μ）を伝わる電磁波の波長λは、
真空中での波長λ0より短くなる。すなわち、 λ＝λ0 ／εr 1/2 （ただし、εr ＝ε／ε0 εr ＞
１） となる。ここで、εr 1/2 は一般に波長短縮率といわれ
る。
が分かれば、その点における電場の位相量と減衰量の実
測値からαとβが求められる。このαとβを用いて、実
効比誘電率及び誘電体損失が次のようにして求まる。一
般に、誘電体中（ε，μ）を伝わる電磁波の波長λは、
真空中での波長λ0より短くなる。すなわち、 λ＝λ0 ／εr 1/2 （ただし、εr ＝ε／ε0 εr ＞
１） となる。ここで、εr 1/2 は一般に波長短縮率といわれ
る。
【００２０】一方、伝送線路を伝わる電磁波の波数ベク
トルｋと波長λの関係は以下のようになる。 ｋ＝α−ｊβ＝２π／λ＝２π／｛λ0 ／εr 1/2 ｝ ＝２πεr 1/2 ／λ0 …（４） ここで、実効比誘電率εeff ＝εr ′＋ｊεr ″と置くと、 εr ′＝（α2 −β2 ) λ0 2 ／（４π2 ） …（５） εr ″＝｜αβλ0 2 ／（２π2 ）｜ …（６） となる。
トルｋと波長λの関係は以下のようになる。 ｋ＝α−ｊβ＝２π／λ＝２π／｛λ0 ／εr 1/2 ｝ ＝２πεr 1/2 ／λ0 …（４） ここで、実効比誘電率εeff ＝εr ′＋ｊεr ″と置くと、 εr ′＝（α2 −β2 ) λ0 2 ／（４π2 ） …（５） εr ″＝｜αβλ0 2 ／（２π2 ）｜ …（６） となる。
【００２１】よって、誘電体損失は、 ｔａｎδ＝｜２αβ／（α2 −β2 ）｜ …（７） となる。なお、αとβを用いて、高周波回路基板の誘電
体損失ｔａｎδを求める式は以下のようにして導かれ
る。
体損失ｔａｎδを求める式は以下のようにして導かれ
る。
【００２２】
【数４】
【００２３】図１は、この発明の高周波特性測定方法を
実施した時に用いたマイクロストリップ線路の上面図で
ある。中央の線路５が伝送線路である。図中、黒三角印
で示される点が測定点であり、該測定点は電磁波の電波
伝搬方向に沿っており、伝送線路５の端面から５mm間隔
で設けられている。なお、伝送線路の入出力は特性イン
ピーダンスで整合がとれているとする。この伝送線路の
上記各測定点において、電場により屈折率が変化する素
子を近づけることにより、高周波伝送線路を伝わる電磁
波の電場成分について該伝送線路の伝搬方向に対する振
幅と位相の変化を測定する。
実施した時に用いたマイクロストリップ線路の上面図で
ある。中央の線路５が伝送線路である。図中、黒三角印
で示される点が測定点であり、該測定点は電磁波の電波
伝搬方向に沿っており、伝送線路５の端面から５mm間隔
で設けられている。なお、伝送線路の入出力は特性イン
ピーダンスで整合がとれているとする。この伝送線路の
上記各測定点において、電場により屈折率が変化する素
子を近づけることにより、高周波伝送線路を伝わる電磁
波の電場成分について該伝送線路の伝搬方向に対する振
幅と位相の変化を測定する。
【００２４】ここで、上記測定に用いられる、従来から
知られている「電場により屈折率が変化する素子を用い
たセンサ」について説明する。該センサは、「半導体レ
ーザを用いたピコ秒非接触Ｅ−Ｏサンプリング」（電気
学会論文誌Ｃ，Vol.111-C ，No.4，平成３年４月発行，
Ｐ．１４５〜１５４）。あるいは「非接触電界センサを
用いた超高速電圧波形測定装置 Ｅ−Ｏプローバ ＥＯ
Ｐ−０１」（荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委
員会第１３２回研究会資料「ＬＳＩテスティングシンポ
ジューム／１９９５」、平成７年１１月３０日日本学術
振興会発行。Ｐ．４７〜５２）に示されるような非接触
電界センサを用いた超高速電圧波形測定装置、通称Ｅ−
Ｏプローバである。Ｅ−Ｏプローバは非接触電界センサ
と半導体パルスレーザを組み合わせたマイクロ波用デバ
イス評価用の超高速電圧波形測定装置であり、従来の電
気測定法では困難であったＭＭＩＣ等の内部の電圧波形
を高時間分解能、非接触、非侵襲で測定することができ
るという特徴をもつ。この特徴は、図９に示されるＥ−
Ｏプローバの測定原理に由来している。電気光学結晶で
構成される電界センサ７は被測定電極に接近して置かれ
ており、被測定電極の電圧に依存してその屈折率が変化
する。この電界センサにレーザー光９を入射させると結
晶の屈折率によってレーザーの偏光状態が変化し、偏光
ビームスプリッター８から出力される光強度が変化す
る。これを光検出器１０で受光してロックインアンプ等
で計測し、電圧波形を得る。
知られている「電場により屈折率が変化する素子を用い
たセンサ」について説明する。該センサは、「半導体レ
ーザを用いたピコ秒非接触Ｅ−Ｏサンプリング」（電気
学会論文誌Ｃ，Vol.111-C ，No.4，平成３年４月発行，
Ｐ．１４５〜１５４）。あるいは「非接触電界センサを
用いた超高速電圧波形測定装置 Ｅ−Ｏプローバ ＥＯ
Ｐ−０１」（荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委
員会第１３２回研究会資料「ＬＳＩテスティングシンポ
ジューム／１９９５」、平成７年１１月３０日日本学術
振興会発行。Ｐ．４７〜５２）に示されるような非接触
電界センサを用いた超高速電圧波形測定装置、通称Ｅ−
Ｏプローバである。Ｅ−Ｏプローバは非接触電界センサ
と半導体パルスレーザを組み合わせたマイクロ波用デバ
イス評価用の超高速電圧波形測定装置であり、従来の電
気測定法では困難であったＭＭＩＣ等の内部の電圧波形
を高時間分解能、非接触、非侵襲で測定することができ
るという特徴をもつ。この特徴は、図９に示されるＥ−
Ｏプローバの測定原理に由来している。電気光学結晶で
構成される電界センサ７は被測定電極に接近して置かれ
ており、被測定電極の電圧に依存してその屈折率が変化
する。この電界センサにレーザー光９を入射させると結
晶の屈折率によってレーザーの偏光状態が変化し、偏光
ビームスプリッター８から出力される光強度が変化す
る。これを光検出器１０で受光してロックインアンプ等
で計測し、電圧波形を得る。
【００２５】電気光学結晶の応答時間は１ｐｓ以下と高
速であるので、パルスレーザー光を用いてサンプリング
測定を行うと、レーザーパルス幅程度の高い時間分解能
をもたせることができる。また、伝搬に光を用いている
ため、伝送線による伝送歪みが発生することがない。電
界センサの結晶は石英ガラスの支持体に接着されてお
り、金属またはセラミックの針の先端に固定されてい
る。センサの一辺の長さは約２００μｍである。電界セ
ンサは被測定電極からの漏れ電界を検出しているので、
電極に直接接触する必要がない。なお、レーザ光は、電
界センサ底面のミラーで反射されるため、被測定電極に
は照射されず、デバイスの動作に影響を与えることはな
い。
速であるので、パルスレーザー光を用いてサンプリング
測定を行うと、レーザーパルス幅程度の高い時間分解能
をもたせることができる。また、伝搬に光を用いている
ため、伝送線による伝送歪みが発生することがない。電
界センサの結晶は石英ガラスの支持体に接着されてお
り、金属またはセラミックの針の先端に固定されてい
る。センサの一辺の長さは約２００μｍである。電界セ
ンサは被測定電極からの漏れ電界を検出しているので、
電極に直接接触する必要がない。なお、レーザ光は、電
界センサ底面のミラーで反射されるため、被測定電極に
は照射されず、デバイスの動作に影響を与えることはな
い。
【００２６】電界センサは被測定電極に対して負荷とし
て働くが、その容量は非常に小さいので、被測定電極に
対する影響を小さくすることができ、非侵襲測定が可能
となる。電界センサの測定範囲は集光された光ビームの
径で決まり、センサが接近できるところであればＩＣ内
のどこでも測定できる。なお、電場により屈折率が変化
する素子としては、上記ポッケルス効果を利用したＥ−
Ｏプローバー（電場に比例）に限らず、ＫＥＲＲ効果を
利用した電場の自乗に比例する素子を用いてもよい。
て働くが、その容量は非常に小さいので、被測定電極に
対する影響を小さくすることができ、非侵襲測定が可能
となる。電界センサの測定範囲は集光された光ビームの
径で決まり、センサが接近できるところであればＩＣ内
のどこでも測定できる。なお、電場により屈折率が変化
する素子としては、上記ポッケルス効果を利用したＥ−
Ｏプローバー（電場に比例）に限らず、ＫＥＲＲ効果を
利用した電場の自乗に比例する素子を用いてもよい。
【００２７】Ｅ−Ｏプローバの装置の構成を図１０に示
す。Ｅ−Ｏプローバの本体はマイクロ波用プローブステ
ーションの架台１１に組み込まれ、観察用顕微鏡として
も使用される。電界センサであるＥ−Ｏヘッド１２は、
対物レンズ１３下にセットされ、外部制御によりモータ
ー駆動される。半導体レーザＬＤは制御ユニット１４内
に設置されており、レーザ光は光ファイバ１５を介して
本体に入出力される。被測定デバイスと同期を取るた
め、シンセサイザ等の信号源の主発振器１６からの例え
ば１０ＭＨｚ出力を制御ユニット１４に入力し、トリガ
信号として使用する。半導体レーザＬＤはこのトリガー
信号に同期して、例えば１ＭＨｚでパルス点灯される。
また、測定操作は、パソコン１７上でおこなう。パソコ
ン画面に表示される顕微鏡のモニター像を見ながらＸＹ
ステージ１８を外部操作して測定位置を決めた後、オー
トフォーカス機能を利用してＥ−Ｏヘッドを被測定電極
に接近させ、測定を開始する。データ処理された波形デ
ータはパソコン画面上に出力される。また、得られた波
形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、周波数軸におけ
る振幅と位相の情報を得ることができる。ここのような
簡単な操作で、ＩＣ内部の任意の点における電圧波形が
サンプリングオシロスコープと同様に得られる。
す。Ｅ−Ｏプローバの本体はマイクロ波用プローブステ
ーションの架台１１に組み込まれ、観察用顕微鏡として
も使用される。電界センサであるＥ−Ｏヘッド１２は、
対物レンズ１３下にセットされ、外部制御によりモータ
ー駆動される。半導体レーザＬＤは制御ユニット１４内
に設置されており、レーザ光は光ファイバ１５を介して
本体に入出力される。被測定デバイスと同期を取るた
め、シンセサイザ等の信号源の主発振器１６からの例え
ば１０ＭＨｚ出力を制御ユニット１４に入力し、トリガ
信号として使用する。半導体レーザＬＤはこのトリガー
信号に同期して、例えば１ＭＨｚでパルス点灯される。
また、測定操作は、パソコン１７上でおこなう。パソコ
ン画面に表示される顕微鏡のモニター像を見ながらＸＹ
ステージ１８を外部操作して測定位置を決めた後、オー
トフォーカス機能を利用してＥ−Ｏヘッドを被測定電極
に接近させ、測定を開始する。データ処理された波形デ
ータはパソコン画面上に出力される。また、得られた波
形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、周波数軸におけ
る振幅と位相の情報を得ることができる。ここのような
簡単な操作で、ＩＣ内部の任意の点における電圧波形が
サンプリングオシロスコープと同様に得られる。
【００２８】上記Ｅ−Ｏプローバでは、光源の半導体レ
ーザＬＤは信号源に同期しており、ＬＤと電界センサー
は光ファイバでつなげられているので、電界センサーを
被測定デバイス上で移動させてもその測定点におけるタ
イミングは一定に保たれている。今、例えば、被測定デ
バイスをマイクロ波ストリップ線路とし、その伝送線に
インパルス波形を入力して、その伝送線の入力端から出
力端まで場所を変えながらＥ−Ｏプローバで電圧波形を
測定する場合を考えると、入力端と出力端における波形
を比較するならば出力端の波形の方が時間的に後ろにず
れて見える。これが前記αであり、電圧パルスが伝送線
を進んでいく速度に依存している。また、伝送線の電気
抵抗が大きく波形が減衰する場合は、出力端における波
形の大きさが小さくなる。これより前記βが測定され
る。
ーザＬＤは信号源に同期しており、ＬＤと電界センサー
は光ファイバでつなげられているので、電界センサーを
被測定デバイス上で移動させてもその測定点におけるタ
イミングは一定に保たれている。今、例えば、被測定デ
バイスをマイクロ波ストリップ線路とし、その伝送線に
インパルス波形を入力して、その伝送線の入力端から出
力端まで場所を変えながらＥ−Ｏプローバで電圧波形を
測定する場合を考えると、入力端と出力端における波形
を比較するならば出力端の波形の方が時間的に後ろにず
れて見える。これが前記αであり、電圧パルスが伝送線
を進んでいく速度に依存している。また、伝送線の電気
抵抗が大きく波形が減衰する場合は、出力端における波
形の大きさが小さくなる。これより前記βが測定され
る。
【００２９】この際、前述したように、Ｅ−Ｏプローバ
における電界センサーのインピーダンスは大きく、測定
の際に被測定デバイスの動作に影響を与えない。伝送線
がある誘電率を持つ材料の基板の上に作られている場
合、前述の如くその伝送線上における波形の伝搬速度は
基板の比誘電率に主に依存する。また、その波形の減衰
はその誘電正接に依存する。従って、未知の材料の比誘
電率や誘電正接を求めたい場合は、その上に伝送線を形
成し、その伝送線上に電気信号を伝搬させて伝送線の各
場所における波形をＥ−Ｏプローバで測定し解析するこ
とによってそれらの値を得ることができる。
における電界センサーのインピーダンスは大きく、測定
の際に被測定デバイスの動作に影響を与えない。伝送線
がある誘電率を持つ材料の基板の上に作られている場
合、前述の如くその伝送線上における波形の伝搬速度は
基板の比誘電率に主に依存する。また、その波形の減衰
はその誘電正接に依存する。従って、未知の材料の比誘
電率や誘電正接を求めたい場合は、その上に伝送線を形
成し、その伝送線上に電気信号を伝搬させて伝送線の各
場所における波形をＥ−Ｏプローバで測定し解析するこ
とによってそれらの値を得ることができる。
【００３０】該測定結果の例を図７，図８に示す。この
測定結果の電場強度の各測定点に対する減衰特性（図
８）から（２）式よりβが求まり、また電場位相の各測
定点ごとの変化（図７の各直線の傾斜）からαが求ま
る。従って、このようにして求めたα，βを（５），
（６），（７）式に代入することより、実効比誘電率と
誘電体損失を求めることができる。
測定結果の電場強度の各測定点に対する減衰特性（図
８）から（２）式よりβが求まり、また電場位相の各測
定点ごとの変化（図７の各直線の傾斜）からαが求ま
る。従って、このようにして求めたα，βを（５），
（６），（７）式に代入することより、実効比誘電率と
誘電体損失を求めることができる。
【００３１】その実験結果及び計算結果の例を表１，表
２に示す。表１，表２の結果を図１１，図１２に示す。
２に示す。表１，表２の結果を図１１，図１２に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】この図１１の波長短縮率は回路設計に用い
る重要なファクタであり、図１２の誘電体損失は各種誘
電体の高周波特性を評価するのに重要なデータである。
図１１を見ると、従来の経験的解析値と同様のプロット
となっているが、上記従来の経験的解析は複雑で計算に
時間がかかるばかりでなく、あくまで経験則に基づく推
測値にすぎないので、実測値に基づく本発明の測定結果
の方が正確で信頼でき、また簡単に測定できる点でもこ
の発明の測定方法は従来の方法よりはるかに優れている
ことは明らかである。また、図１２の誘電体損失は従来
有力な測定方法がなかった。図１２の○印は使用した誘
電体損失の公称値であるが、これは前述の如く低周波の
値であって高周波（特に１ＧＨｚ以上）の値ではない。
従来は誘電体損失の高周波特性は測定できなかったの
で、やむなく上記低周波の値を代用していたのが現状で
ある。図１２から分かるように、誘電体損失の高周波特
性は低周波のそれとは明らかに異なるのである。
る重要なファクタであり、図１２の誘電体損失は各種誘
電体の高周波特性を評価するのに重要なデータである。
図１１を見ると、従来の経験的解析値と同様のプロット
となっているが、上記従来の経験的解析は複雑で計算に
時間がかかるばかりでなく、あくまで経験則に基づく推
測値にすぎないので、実測値に基づく本発明の測定結果
の方が正確で信頼でき、また簡単に測定できる点でもこ
の発明の測定方法は従来の方法よりはるかに優れている
ことは明らかである。また、図１２の誘電体損失は従来
有力な測定方法がなかった。図１２の○印は使用した誘
電体損失の公称値であるが、これは前述の如く低周波の
値であって高周波（特に１ＧＨｚ以上）の値ではない。
従来は誘電体損失の高周波特性は測定できなかったの
で、やむなく上記低周波の値を代用していたのが現状で
ある。図１２から分かるように、誘電体損失の高周波特
性は低周波のそれとは明らかに異なるのである。
【００３５】なお、この実験に用いた高周波回路基板材
料はＦＲ４（ガラスエポキシ）であって、基板厚１mm、
導体厚１８μm 、１００ＭＨｚでの公称値は比誘電率ε
r ＝４．２５、誘電体損失tan δ＝０．０１５である。
前記理論が成り立つことがこの実験結果によって検証さ
れた。
料はＦＲ４（ガラスエポキシ）であって、基板厚１mm、
導体厚１８μm 、１００ＭＨｚでの公称値は比誘電率ε
r ＝４．２５、誘電体損失tan δ＝０．０１５である。
前記理論が成り立つことがこの実験結果によって検証さ
れた。
【００３６】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように、 （１）従来１ＧＨｚを越える高周波の比誘電率、誘電体
損失は経験式に基づく近似値しか得られなかったが、こ
の発明の測定方法によると１０ＧＨｚ位まで実装状態で
連続的に実測することが可能になった。 （２）この発明の測定方法は共振器法のトリプレート構
造のように複雑なものを作る必要がなく、実際に広く用
いられているストリップライン構造で回路設計に必要な
伝搬時の実効比誘電率が求まる。
損失は経験式に基づく近似値しか得られなかったが、こ
の発明の測定方法によると１０ＧＨｚ位まで実装状態で
連続的に実測することが可能になった。 （２）この発明の測定方法は共振器法のトリプレート構
造のように複雑なものを作る必要がなく、実際に広く用
いられているストリップライン構造で回路設計に必要な
伝搬時の実効比誘電率が求まる。
【００３７】上記トリプレート構造では、伝送線路のパ
ターン精度や伝送線路自体の表面酸化膜あるいは腐食な
どによる抵抗値の増加などの誤差を多く含んでおり、誘
電体損失の算出にこれらの値を使うため正確でなく、特
に誘電体損失の値が実際のストリップラインと大きく異
なってしまう欠点がある。この発明の測定方法は、これ
らの影響を受けないので、実装状態で正確に伝搬時の実
効比誘電率および誘電体損失を求めることができる。
ターン精度や伝送線路自体の表面酸化膜あるいは腐食な
どによる抵抗値の増加などの誤差を多く含んでおり、誘
電体損失の算出にこれらの値を使うため正確でなく、特
に誘電体損失の値が実際のストリップラインと大きく異
なってしまう欠点がある。この発明の測定方法は、これ
らの影響を受けないので、実装状態で正確に伝搬時の実
効比誘電率および誘電体損失を求めることができる。
【図１】この発明の高周波特性測定方法を実施した時に
用いたマイクロストリップ線路の上面図である。
用いたマイクロストリップ線路の上面図である。
【図２】実際に広く用いられるマイクロストリップ線路
の断面図である。
の断面図である。
【図３】共振器法に用いられるトリプレート構造のマイ
クロストリップ線路の断面図である。
クロストリップ線路の断面図である。
【図４】トリプレート・ストリップ線路共振器の上面図
である。
である。
【図５】共振器で求めた高周波特性の測定結果の例であ
る。
る。
【図６】共振器で求めた高周波特性の測定結果の例であ
る。
る。
【図７】この発明の測定方法で求めた高周波特性の測定
結果の例である。
結果の例である。
【図８】この発明の測定方法で求めた高周波特性の測定
結果の例である。
結果の例である。
【図９】Ｅ−Ｏプローバの測定原理を示す図である。
【図１０】Ｅ−Ｏプローバの装置の構成を示す図であ
る。
る。
【図１１】この発明の測定方法で求めた測定結果から求
めた波長短縮率のグラフである。
めた波長短縮率のグラフである。
【図１２】この発明の測定方法で求めた測定結果から求
めた誘電体損失のグラフである。
めた誘電体損失のグラフである。
【図１３】高周波回路の設計例を示す図である。
１ 誘電体回路基板 ２ 伝送線路 ３ 共振器 ４ 電気補正長 ５ 伝送線路 ６ 共振周波数 ７ 電気光学結晶で構成される電界センサ ８ 偏光ビームスプリッター ９ レーザー光 １０ 光検出器 １１ プローブステーションの架台 １２ Ｅ−Ｏヘッド １３ 対物レンズ １４ 制御ユニット １５ 光ファイバ １６ 信号源 １７ パソコン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 等 東京都千代田区岩本町二丁目12番５号 株 式会社次世代衛星通信・放送システム研究 所内 (72)発明者 川上 用一 東京都千代田区岩本町二丁目12番５号 株 式会社次世代衛星通信・放送システム研究 所内 (72)発明者 高橋 宏典 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 関本利一 神奈川県横浜市港北区綱島東６丁目７番９ 号 株式会社エイト工業内
Claims (3)
- 【請求項１】 電場により屈折率が変化する素子を用い
ることにより、高周波伝送線路を伝わる電磁波の電場成
分について該伝送線路の伝搬方向に対する強度と位相の
変化を測定し、前記伝送線路の実効比誘電率と誘電体損
失を求めることを特徴とする誘電体材料の高周波特性測
定方法。 - 【請求項２】 前記伝送線路が実装状態のマイクロスト
リップ線路であることを特徴とする請求項１記載の誘電
体材料の高周波特性測定方法。 - 【請求項３】 前記電場により屈折率が変化する素子が
ポッケルス効果を利用したＥ−Ｏプローバーであること
を特徴とする請求項１、または２記載の誘電体材料の高
周波特性測定方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34874597A JPH11166952A (ja) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 誘電体材料の高周波特性測定方法 |
| EP98121710A EP0921404A3 (en) | 1997-12-04 | 1998-11-13 | High frequency characteristics measurement method for dielectric materials and high frequency circuit design method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34874597A JPH11166952A (ja) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 誘電体材料の高周波特性測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11166952A true JPH11166952A (ja) | 1999-06-22 |
Family
ID=18399091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34874597A Pending JPH11166952A (ja) | 1997-12-04 | 1997-12-04 | 誘電体材料の高周波特性測定方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0921404A3 (ja) |
| JP (1) | JPH11166952A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7649633B2 (en) | 2003-11-20 | 2010-01-19 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Method and instrument for measuring complex dielectric constant of a sample by optical spectral measurement |
| JP2010504511A (ja) * | 2006-09-20 | 2010-02-12 | ユニヴァーサイト パリス サッド | 試料中を伝搬する電気信号の特徴付け方法および装置 |
| WO2021124563A1 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 日本電信電話株式会社 | 誘電率測定方法、誘電率測定装置及び誘電率測定プログラム |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7701222B2 (en) | 2007-10-19 | 2010-04-20 | International Business Machines Corporation | Method for validating printed circuit board materials for high speed applications |
| DE102014210826A1 (de) * | 2014-06-06 | 2015-12-17 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Prüfverfahren für ein Platinensubstrat und Platine, die insbesondere zur Verwendung in einem solchen Prüfverfahren geeignet ist |
| CN110412436A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-11-05 | 大连世有电力科技有限公司 | 基于光电式电压测量的变压器套管介损频谱检测装置 |
| CN111337748B (zh) * | 2020-04-22 | 2022-02-01 | 广西科技大学 | 适用于高温高频条件下的阻抗测量方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4603293A (en) * | 1984-03-27 | 1986-07-29 | University Of Rochester | Measurement of electrical signals with subpicosecond resolution |
-
1997
- 1997-12-04 JP JP34874597A patent/JPH11166952A/ja active Pending
-
1998
- 1998-11-13 EP EP98121710A patent/EP0921404A3/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7649633B2 (en) | 2003-11-20 | 2010-01-19 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Method and instrument for measuring complex dielectric constant of a sample by optical spectral measurement |
| JP2010504511A (ja) * | 2006-09-20 | 2010-02-12 | ユニヴァーサイト パリス サッド | 試料中を伝搬する電気信号の特徴付け方法および装置 |
| WO2021124563A1 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 日本電信電話株式会社 | 誘電率測定方法、誘電率測定装置及び誘電率測定プログラム |
| JPWO2021124563A1 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0921404A2 (en) | 1999-06-09 |
| EP0921404A3 (en) | 2000-02-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030502 |