TWI390216B - 橋式高頻電容值測定器及方法 - Google Patents

Description

橋式高頻電容值測定器及方法

本發明係有關一種橋式高頻電容值測定器及方法，尤指一種包括一基板及一覆設在基板上的橋式電容值測試電路，俾能由一量測裝置來量測出一散射參數，再經由計算後得到與散射參數相應的待測電容值者。

按，一般所知的電容器基本結構係由兩片金屬平板，中間隔以絕緣介質組合而成，其中電容量的大小取決於金屬片的面積、兩板間的間距以及介於兩板間材質的介質常數。歷史上第一個有留下記錄的電容器是克拉斯特主教(Ewald Georg von Kleist)於1745年10月所發明的，其結構是一個內外層均鍍有金屬膜的玻璃瓶，玻璃瓶內有一金屬桿，一端和內層的金屬膜連結，另一端則連結一金屬球體。在1746年1月時，一個丹麥物理學家馬森布魯克也獨立發明了構造非常類似的電容器，當時克拉斯特主教的發明尚未廣為人知。由於馬森布魯克當時在萊頓大學任教，因此將其命名為萊頓瓶如參考文獻[1]。

隨著現代通訊系統的快速發展，電容器被廣泛運用於高頻旁路、交連電容與直流阻隔(DC block)如參考文獻[2-3]等，若與電感器組合，則可設計為濾波器如參考文獻[4-6]，或調諧電路如參考文獻[7]。在電容器的廣泛運用下，量測電容的技術日趨重要。

目前電容測試器具體作法有：使用LCR Meter量測，其原理為發送一已知振幅及頻率的交流信號給待測電容，電容之電流經儀器內部處理計算後即可量測出待測電容器的電容值。M. Fonseca da Silva等提出基於傳統的Schering橋式電路上增加類比轉數位(Analog to Digital,ADC)電路，數位轉類比(Digital to Analog,DAC)電路，整合電路以及個人電腦的自動電容量測方法[8]。P. Aronhime等提出三種架構，分別為使用基本的RC串聯電路，加上二極體以及開關，且透過電容充放電時間，推算出電容量如參考文獻[9]。M. A. Atmanand等提出在未知的待測元件上，加上電壓源或電流源，計算出元件上的電壓或電流以及其相位差，即可量測出未知的待測元件為電感或電容如參考文獻[10]。本文提出利用平面電路結構與網路分析儀達到量測高頻電容值之新方法。

參考文獻

[1]http://wikipedia.tw/

[2]D. Lacombe,J. Cohen,“Octave-Band Microstrip DC Blocks(Short Papers),”IEEE Trans. Microwave Theory and Tech.,Vol. 20,no. 8,pp. 555-556,Aug. 1972.

[3]C.Y. Ho,“Analysis of DC Blocks Using Coupled Lines(Letters),”IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques,Vol. 23,no. 9,pp. 773-774,Sep. 1975.

[4]G. L. Matthaei,L. Young and E. M. T. Jones,Microwave Filters,Impedanc-Matching Network,and Coupling Structures,Artech House,Debham,Mass.,1980.

[5]R. E. Collin,Foundations for Microwave Engineering,Second Edition,McGraw-Hill,N.Y.,1992.

[6]J. S. Hong,M. J. Lancaster,Microstrip Filters for RF/Microwave Applications,Wiley,N.Y.,2001.

[7]S. Sabaroff,“Impulse Excitation of a Cascade of Series Tuned Circuits,”Proceedings of the IRE,Vol. 32,no. 12,pp. 758-760,Dec. 1944.

[8]M. Fonseca da Silva,A. Cruz Serra,“Capacitance measurement method,”IEEE AFRICON 4th AFRICON,Vol. 1,pp. 247-250,Sept. 1996.

[9]P. Aronhime,G. Cecil,“A new method of capacitance measurement,”Proceedings of the 35th Midwest Symposium on Circuits and Systems,Vol. 1,pp. 718-721,Aug. 1992.

[10]M.A. Atmanand,V.J. Kumar,V.GK. Murti,“A novel method of measurement of L and C,”IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Vol. 44,no. 4,pp. 898-903,Aug. 1995.

[11]　Pozar,D. M.,Microwave Engineering,Second Edition,New York:Wiley,1998.

本發明之主要目的，在於提供一種橋式高頻電容值測定器及其方法，主要係利用平面之橋式電容值測試電路與網路分析儀進行高頻電容值的量測，經過實際電路量測與模擬結果顯示，模擬值與量測值相當吻合，故可供產業充分大量應用於生產線上，並具備結構簡單、方便設計與製作容易以及大幅降低生產成本等特點。

為達成上述功效，本發明之技術手段，係採用一覆設在一基板上的橋式電容值測試電路，該電路包括二對稱的第一傳輸線、二對稱的第二傳輸線、二對稱的第三傳輸線、一連接二第二傳輸線的第四傳輸線、一連接二第三傳輸線的第五傳輸線，及連接於第四、第五傳輸線之間的負載，二第一傳輸線之一端分別為訊號輸入端及訊號輸出端，一第二傳輸線及一第三傳輸線與一第一傳輸線共接，另一第二傳輸線及另一第三傳輸線與另一第一傳輸線共接，且第五傳輸線接地，將一待測之電容器相對負載並聯搭接於第四傳輸線及第五傳輸線之間而形成一共振電路，再一量測裝置來量測出一散射參數，並依據該散射參數計算出相應的待測電容器之電容值。

壹.本發明之技術概念

本發明主要係應用在高頻電容值測定的技術領域上，並且利用平面之橋式電容值測試電路與網路分析儀達到高頻電容值的量測，並可透過相互串接組成的各傳輸線以供待測電容器C電性搭接，至於電路模擬則可透過耦合線及奇偶模分析法進行分析，因而具備結構簡單、方便設計與製作等特點，而且經過實際電路量測與模擬結果顯示，模擬值與實際量測值相當吻合，故可供產業充分的大量應用。

本發明整體技術係於面狀之基板以印刷電路技術覆設一橋式電容值測試電路，而可經由量測裝置來量測出一散射參數資料，再依據散射參數資料的共振頻率獲得對應待測電容器之電容值。

貳.本發明之具體實施

2.1本發明之基本特徵

請參看圖一(a)(b)及圖五(a)所示，本發明之橋式高頻電容值測定器，其包括有一呈面狀的基板(10)及一設在基板(10)上的橋式電容值測試電路(20)，此橋式電容值測試電路(20)包括有二個可分別產生一阻抗的第一傳輸線(21)、二個可分別產生一阻抗且一端與對應的一第 一傳輸線(21)連接的第二傳輸線(22)、一連接於第二傳輸線(22)之間的第四傳輸線(25)、二個可分別產生一阻抗且一端與對應的一第一傳輸線(21)及一第二傳輸線(22)連接的第三傳輸線(23)、一連接於第三傳輸線(23)之間且接地的第五傳輸線(25)及一與一待測之電容器C並聯搭接於該第四傳輸線(25)及該第五傳輸線(26)之間而形成一共振電路(24)的負載R。

藉一量測裝置螺接於訊號輸入端(210)及訊號輸出端(211)末所設具外螺牙的導電性螺柱(217)(218)，以量測出散射參數資料，便可依據散射參數資料的共振頻率獲得對應待測電容器C之電容值。

為便於審查委員更具體了解本發明，茲將各組成元件等分別詳述如后。

2.2基板

請參看圖五(a)及附件二所示，本發明基板(10)主要係供各傳輸線(21)(22)(23)覆設其上，以組成橋式電容值測試電路(20)，於一種具體實施例中，各傳輸線(21)(22)(23)係以印刷或蝕刻的方式成型於基板(10)上，且各傳輸線(21)(22)(23)係呈向朝上、下之彎折狀，使整體電路尺寸得以縮小。而基板(10)所使用的板材為FR-4覆銅板材(雙面板)，基板(10)厚度為1.6mm，相對介電常數為4.3，基板尺寸為50.5mm×35.5mm。

2.3橋式電容值測試電路

請參看圖一(a)(b)、圖五(a)二所示，本發明橋式電容值測試電路(20)包括有二可分別產生一阻抗的第一傳輸線(21)、二可分別產生一阻抗的第二傳輸線(22)、二可分別產生一阻抗的第三傳輸線(23)及一共振電路(24)。

2.4第一傳輸線

請參看圖一(a)(b)、圖五(a)及附件二所示，每一第一傳輸線(21)具有一第一端及一第二端，其一第一傳輸線(21)之第一端為訊號輸入端(210)，另一第一傳輸線(21)之第一端為訊號輸出端(211)。

請參看圖一(a)(b)、圖五(a)及附件二所示，為標準化第一傳輸線(21)尺寸以縮小電路尺寸，並使各傳輸線(21)(22)(23)之偶模阻抗為100歐姆，奇模阻抗為50歐姆，再使訊號輸入端(210)與訊號輸出端(211)的特性阻抗皆為50歐姆之目的，以提升量測精確度，上述實施例中二該第一傳輸線(21)呈左右對稱，每一第一傳輸線(21)由五段連續彎折的線段(212)(213)(214)(215)(216)所構成，且位於中間的該三個線段(213)(214)(215)彎折延伸而形成一倒U形，而位在兩端的二線段(212)(216)則分別為該訊號輸入端(210)及其第二端。

請參看圖五(a)所示，上述實施例中的更具體實施例，每一第一傳輸線(21)之線寬為3.1mm，而做為該訊號輸入端(210)之該線段(212)長度為5mm，做為該第二端之該線段(216)長度為4.29mm，構成每一該倒U形的該二相對線段(213)(215)之間的距離為3mm，且該二相對線段(213)(215)的長度至少為13.4mm。其中，該第一傳輸線之該五個線段(212)(213)(214)(215)(216)中，自其第一端起算的三個彎折處之外側各具有一切角。

2.5第二傳輸線

請參看圖一(a)(b)、圖五(a)及附件二所示，每一第二傳輸線(22)用以產生一阻抗，每一第二傳輸線(22)的第一端分別與第一傳輸線(21)之第二端連接，每一第二傳輸線(22)的第二端經由一第四傳輸線(25)而相互連接。

請參看圖五(a)所示，為標準化橋式電容值測試電路(20)尺寸，使各傳輸線(21)(22)(23)之偶模阻抗為100歐姆，奇模阻抗為50歐姆，再使訊號輸入端(210)與訊號輸出端(211)的特性阻抗皆為50歐姆之目的，以提升量測精確度，上述實施例中，二條第三傳輸線(23)係呈左右對稱，每一該第三傳輸線(23)由三段連續彎折的線段(230)(231)(232)所構成且彎折延伸形成一U形，二第三傳輸線(23)的第一端分別與對應的第一傳輸線(21)之第二端及第二傳輸線(22)的第一端共接，二第三傳輸線(23)的第二端經一第五傳輸線(26)相互對接。

請參看圖五(a)所示，上述實施例中，每一第三傳輸線(23)之線寬為0.71mm，其構成每一倒U形的該二相對線段(230)(232)之間的距離為3mm，該二相對線段(230)(232)的長度至少為4.34mm，且第五傳輸線(26)之長度為4.42mm，使二該第三傳輸線(23)之間最短距離為4.42mm。

2.7共振電路

請參看圖一(a)(b)、圖五(a)所示，本發明共振電路(24)係由負載(即電阻R)與一待測之電容器C並聯組成，其中共振電路(24)搭接於第四傳輸線(25)及第五傳輸線(26)之間，據此得以由一量測裝置(如向量網路分析儀)來量測出一散射參數資料，再依據該散射參數資料的共振頻率獲得對應的待測電容器C之電容值。其中，該第四傳輸線(25)及該第五傳輸線(26)之間距離為1mm。

2.8量測裝置

本發明量測裝置之具體實施例係為一向量網路分析儀，由於量測裝置之向量網路分析儀係為非常普遍用以量測RF射頻及微波散射參數 的量測工具，因此於本圖示例中未再贅述。本發明採用之向量網路分析儀包含一與訊號輸入端(210)插接訊號連通的輸出埠，及一與訊號輸出端(211)插接訊號連通的接收埠，此向量網路分析儀由輸出埠輸出一量測之訊號經各傳輸線(21)(22)(23)而至訊號輸出端(211)中，並由接收埠接收訊號以量測出散射參數資料。

並於向量網路分析儀嵌入一電磁模擬軟體IE3D內含之LineGauge以將各傳輸線(21)(22)(23)各項阻抗及電氣長度(θ)進行微帶線結構尺寸計算。並以電磁模擬軟體IE3D進行電路模擬，電路模擬設定1GHz為中心頻率，並以最高測試頻率波長來計算該耦合線組(20)的電氣長度(θ)，且電氣長度(θ)為90度及30度。

量測裝置並以各傳輸線(21)(22)(23)之阻抗矩陣與奇、偶模分析法來求取散射參數，各傳輸線(21)(22)(23)之線寬與線距由偶模阻抗(Zoe)、奇模阻抗(Zoo)、該電路基板(10)相對介電係數決定，並可影響該訊號輸出端(211)的反射係數與該訊號輸入端(210)的訊號強度。此外，量測裝置係以數值分析軟體Matlab與Microwave Office模擬軟體驗證公式，再運用該數值分析軟體Matlab進行計算與繪圖，而可繪出待測電容值、散射參數資料之共振頻率點以及品質因數的關係圖。

參．電路結構之電氣特性分析

請參看圖一(b)所示，係為橋式電容值測試電路(20)之電路結構圖，因本電路為對稱結構設計，其中第一傳輸線(21)TXL(1)分別表示為輸入端與輸出端，在二條對稱之第一傳輸線(21)TXL(1)之間上方所連接的為兩對稱第二傳輸線(22)TXL(2)，於下方所連接的為兩對稱之第三傳輸線(23)TXL(3)，並在第二傳輸線(22)TXL(2)與第三傳輸線(23)TXL(3)之間接上負載R電阻並聯待測電容器C，且在兩段第三傳輸線(23)TXL(3)之間加以接地。令各傳輸線(21)(22)(23)TXL(1、2、3)的阻抗表示為Z₁ 、Z₂ 、Z₃ ，電氣長度為θ₁ 、θ₂ 、θ₃ 。所對應之等效電路如圖二所示。其係經由奇偶模分析求得散射參數，其奇偶模分析之等效電路如圖三(b)所示。

請參看圖三(a)所示，其電路結構係為偶模分析，設(I)由第一傳輸線(21)TXL(1)看入之阻抗為Z_L1， (II)由第二傳輸線(22)TXL(2)看入之阻抗為Z_IN2 ，(III)由第三傳輸線(23)TXL(3)看入之阻抗為Z_IN3 (IV)將負載//2R設為Z_X ，由有載無損傳輸線的輸入阻抗公式可將Z_IN2 和Z_IN3 表示成式(1)和(2)表示。

偶模分析中之Z_L1 為Z_IN2 並聯Z_IN3 ，如下所示：

偶模之反射係數(Γ_e )與偶模阻抗的關係式如下所示：

請參看圖三(b)所示，電路結構為奇模分析，設(I)由第一傳輸線(21)TXL(1)看入之阻抗為Z_L2 ，(II)由第二傳輸線(22)TXL(2)看入之阻抗為Z_IN4 (III)由，第三傳輸線(23)TXL(3)看入之阻抗為Z_IN5 。由有載無損傳輸線的輸入阻抗公式可將Z_IN4 和Z_IN5 表示成式(5)和(6)表示。

奇模分析中之Z_L2 為Z_IN4 並聯Z_IN5 ，如下所示：

奇模之反射係數(Γ_o )與奇模阻抗的關係式如下所示：

奇偶模之反射係數Γ_e 、Γ_o 與散射參數S₁₁ 、S₂₁ 的定義如下式(9a)(9b)所示：

經由式(4)、(8)奇偶模反射係數轉換得到散射參數S₁₁ 、S₂₁ 。

為求出諧振時之電容值，則可令S₁₁ =0，其對應的公式如式(11)所示：

本發明電路的品質因數是以共振頻率f₀ 、半功頻寬Δf_3dB 求得，其品質因數可定義成式(12)。

此電路為橋式電容值測試電路(20)，給定Z₁ =50Ω、Z₂ =Z₃ =100Ω，傳輸線的電氣長度θ₁ =θ₂ =90°、θ₃ =30°，並聯共振電路(24)之R=10kΩ，C分別以0.3pF、1pF、1.5pF、4.3pF、10pF及15pF代入，中心頻率為1GHz，計算出散射參數S₁₁ =0、S₂₁ =1。接著對改變橋式高頻電容值試電路(20)之第二傳輸線(22)、第三傳輸線(23)TXL(2、3)的阻抗及電氣長度和改變並聯共振電路(24)之負載R電阻阻抗做分析。

請參看圖四(a)所示，當電路在輸出入埠特性阻抗均為50Ω，第一傳輸線(21)、第三傳輸線(23)TXL(1、3)的特性均與原設定相同且並聯共振電路(24)之電阻值R=10kΩ、電容值C=1pF的條件下，只改變兩段TXL(2)之電氣長度，當電氣長度為45°、60°、90°、120°、135°，則∣S₁₁ ∣=0的頻率點分別在1.17GHz、0.95GHz、0.7GHz、0.56GHz、0.51GHz，可知改變之電氣長度越小，則共振頻率越大，反之電氣長度越大，則共振頻率越小，如圖四(a)所示，當第二傳輸線(22)TXL(2)之電氣長度為45°時，則共振頻率為1.17GHz，而第二傳輸線(22)TXL(2)之電氣長度為135°時，則共振頻率向後移至0.51GHz。

請參看圖四(b)所示，當電路在輸出入埠特性阻抗均為50Ω，第一傳輸線(21)、第二傳輸線(22)TXL(1、2)的特性均與原設定相同且並聯共振電路(24)之電阻值R=10kΩ、電容值C=1pF的條件下，只改變兩段第三傳輸線(23)TXL(3)之電氣長度，當電氣長度為15°、30°、45°、60°、90°，則∣S₁₁ ∣=0的頻率點分別在0.745GHz、0.7GHz、0.69GHz、0.69GHz、0.73GHz。

請參看圖四(c)所示，當電路在輸出入埠特性阻抗均為50Ω，第一傳輸線(21)、第三傳輸線(23)TXL(1、3)的特性均與原設定相同且並聯共振電路(24)之電阻值R=10kΩ、電容值C=1pF的條件下，只改變兩對稱第二傳輸線(22)TXL(2)之阻抗，當第二傳輸線(22)TXL(2)阻抗為50Ω、75Ω、100Ω、125Ω、150Ω，則∣S₁₁ ∣=0的頻率點分別在0.63GHz、0.69GHz、0.7GHz、0.7GHz、0.69GHz。

請參看圖四(d)所示，當電路在輸出入埠特性阻抗均為50Ω，第一傳輸線(21)、第二傳輸線(22)TXL(1、2)的特性均與原設定相同且並聯共振電路(24)之電阻值R=10kΩ、電容值C=1pF的條件下，只改變兩段第三傳輸線(23)TXL(3)之阻抗，當第三傳輸線(23)TXL(3)阻抗為50Ω、75Ω、100Ω、125Ω、150Ω，則∣S₁₁ ∣=0的頻率點分別在0.74GHz、0.72GHz、0.7GHz、0.69GHz、0.69GHz，可知改變之阻抗越小，則共振頻率越大，反之阻抗越大，則共振頻率越小。

請參看圖四(d)所示，當第三傳輸線(23)TXL(3)之阻抗為50Ω時，則共振頻率為0.74GHz，而第三傳輸線(23)TXL(3)之阻抗為150Ω時，則共振頻率向後移至0.69GHz。

請參看圖四(e)所示，當此電路給定輸出入埠特性阻抗和各傳輸線(21)(22)(23)TXL(1、2、3)的阻抗及電氣長度均不變且並聯共振電路(24)之電容值C=1pF的條件下，只改變並聯共振電路(24)之R電阻值，當R電阻值越大，則在共振頻率點之| S₁₁ |下探越深且共振頻率點並未改變。

肆.電路設計與量測

請參看圖五(a)所示，依上述電路分析結果，將此運用於橋式高頻電容值測試電路(20)的設計與量測。電路結構以電磁模擬軟體IE3D進行模擬，並以FR-4雙面板材進行電路實作，FR-4板材厚度為1.6mm，介電常數ε_r =4.3，設定中心頻率為1GHz，輸入與輸出埠的特性阻抗均為50Ω。設計電路之各傳輸線(21)(22)(23)TXL(1、2、3)均向內曲折，使整體電路尺寸得以縮小。

請參看圖五(a)所示，本發明橋式電容值測試電路(20)為各傳輸線(21)(22)(23)TXL(1、2、3)呈左右對稱且搭配並聯共振電路(24)RC相互連接且接地。再以電磁模擬軟體IE3D內含之Line Gauge傳輸線特性計算器計算各傳輸線(21)(22)(23)_(25)(26)之長度與寬度，可得W₁ =3.1mm、W₂ =16.5mm、W₃ =13.4mm、W₄ =19.5mm、W₅ =19.84mm、W₆ =5mm、W₇ =0.71mm、W₈ =1mm、W₉ =4.34mm、L₁ =5mm、L₂ =3.1mm、L₃ =3mm、L₄ =4.29mm、L₅ =0.71mm、L₆ =3mm、L₇ =3mm、L₈ =4.42mm。其電路實體圖如附件二所示，其尺寸分別為50.5mm×35.5mm。模擬與量測電路均代電阻值10kΩ和電容值分別為0.3 pF、1pF、1.5 pF、4.3 pF、10 pF及15 pF入內應用，模擬結果如圖五(b)所示，當電容值分別為0.3 pF、1pF、1.5 pF、4.3 pF、10 pF及15 pF時，則對應的共振頻率分別在0.79GHz、0.706GHz、0.66GHz、0.5GHz、0.36GHz、0.306GHz。實際電路量測結 果如圖五(c)所示，當電容值分別為0.3 pF、1pF、1.5 pF、4.3 pF、10 pF及15 pF時，則對應的共振頻率分別在0.803GHz、0.699GHz、0.661GHz、0.492GHz、0.356GHz、0.301GHz。

請參看圖六所示，本發明橋式電容值測試電路(20)主要係應用在高頻段的電容值量測，在不同的共振頻率點其所對應的電容值也有所不同，假設電容值分別為0.3 pF、1pF、1.5 pF、4.3 pF、10 pF及15 pF時，其所對應的共振頻率對照圖，如圖六所示，本圖橫軸以電容值由0.3pF至1.5pF表示之，縱軸表示為共振頻率值由0.3GHz至0.8GHz展現，且圖中之曲線值分別以電磁模擬軟體Microwave Office V2.66和IE3D與電路實作進行差異比較。

請參看附件一，其係為不同待測電容值所對應的共振頻率及品質因數，由附件一之對照表中的數值可知電路模擬與實際量測的共振頻率和品質因數均誤差極小，整體具有良好的一致性。

伍、結論

藉由上述技術特徵的建置，本發明確實可以利用平面之橋式電容值測試電路與網路分析儀進行高頻電容值的量測，經過實際電路量測與模擬結果顯示，模擬值與量測值相當吻合，故可供產業充分大量應用於生產線上，因而具備結構簡單、方便設計與製作容易以及大幅降低生產成本等特點。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於申請專利範圍之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(C)．．．電容器

(R)．．．負載

(10)．．．基板

(20)．．．橋式電容值測試電路

(21)．．．第一傳輸線

(210)．．．訊號輸入端

(211)．．．訊號輸出端

(212)(213)(214)(215)(216)(220)(221)(222)(230)(231)(232)．．．線段

(217)(218)．．．螺柱

(22)．．．第二傳輸線

(23)．．．第三傳輸線

(24)．．．共振電路

(25)．．．第四傳輸線

(26)．．．第五傳輸線

圖一(a)係本發明橋式電容值測試電路示意圖。

圖一(b)係本發明橋式電容值測試電路結構示意圖。

圖二係本發明橋式高頻電容值測試電路電路之等效電路示意圖。

圖三(a)係本發明橋式電容值測試電路之偶模分析之示意圖。

圖三(b)係本發明橋式電容值測試電路之奇模分析之示意圖。

圖四(a)係本發明改變第二傳輸線角度的頻率響應示意圖。

圖四(b)係本發明改變第三傳輸線角度的頻率響應示意圖。

圖四(c)係本發明改變第二傳輸線阻抗的頻率響應示意圖。

圖四(d)係本發明改變第三傳輸線阻抗的頻率響應示意圖。

圖四(e)係本發明改變負載阻抗的頻率響應示意圖。

圖五(a)係本發明整體電路佈線之示意圖。

圖五(b)電路模擬示意圖。

圖五(c)實際電路量測示意圖。

圖六係本發明模擬與實際量測之對照示意圖。

附件一係本發明電容值與共振頻率及品質因數之關係對照表。

附件二係本發明電路實體照片。

(C)．．．電容器

(R)．．．負載

(20)．．．橋式電容值測試電路

(21)．．．第一傳輸線

(22)．．．第二傳輸線

(23)．．．第三傳輸線

(210)．．．訊號輸入端

(211)．．．訊號輸出端

(24)．．．共振電路

(25)．．．第四傳輸線

(26)．．．第五傳輸線

Claims (24)

1. 一種橋式高頻電容值測定器，其包括有：一呈面狀的基板；及一橋式電容值測試電路，其設在該基板上，包括有：二個可分別產生一阻抗的第一傳輸線，每一該第一傳輸線具有一第一端及一第二端，其一該第一傳輸線之該第一端為訊號輸入端，另一該第一傳輸線之該第一端為訊號輸出端；二個可分別產生一阻抗的第二傳輸線，二者之一第一端分別與一該第一傳輸線之該第二端連接，且二者之一第二端經由一第四傳輸線而相互連接；二個可分別產生一阻抗的第三傳輸線，二者之一第一端分別與一該第一傳輸線之該第二端及一該第二傳輸線之該第一端連接，且二者之一第二端經由一第五傳輸線而相互連接，並於該第五傳輸線接地；及一負載，其與一待測之電容器並聯搭接於該第四傳輸線及該第五傳輸線之間而形成一共振電路；據此得以一向量網路分析儀連接於該訊號輸入端及該訊號輸出端來量測出散射參數資料，再由該散射參數資料的共振頻率獲得對應該待測電容器之電容值。
2. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該基板為FR-4覆銅板材，其厚度為1.6mm，介電常數ε_r =4.3，並設定中心頻率為1GHz，該量測裝置之輸入與輸出埠的特性阻抗均為50Ω。
3. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該橋式電容值測試電路係以印刷電路技術成型於該基板上。
4. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，該第一傳輸線之線寬為3.1mm，該第二傳輸線及該第三傳輸線之線寬分別為0.71mm。
5. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，二該第一傳輸線呈左右對稱，每一該第一傳輸線由五段連續彎折的線段所構成，且位於中間的該三個線段彎折延伸而形成一倒U形，而位在兩端的二線段則分別為該訊號輸入端及其第二端，二該第二傳輸線呈左右對稱，每一該第二傳輸線由三段連續彎折的線段所構成且彎折延伸形成一倒U形，二該第三傳輸線呈左右對稱，每一該第三傳輸線由三段連續彎折的線段所構成且彎折延伸形成一U形。
6. 如請求項第5項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，該第一傳輸線之線寬為3.1mm，做為該訊號輸入端之該線段長度為5mm，做為該第二段之該線段長度為4.29mm，該第二傳輸線、第三傳輸線、第四傳輸線及第五傳輸線之線寬為0.71mm，構成每一該倒U形及該U形的該二相對線段之間的距離為3mm，二該第二傳輸線之間最短距離為4.42mm，二該第三傳輸線之間最短距離為4.42mm，且該第四傳輸線及該第五傳輸線之間距離為1mm。
7. 如請求項第5項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該第一傳輸線構成該倒U形之該二相對線段的長度至少為13.4mm，該第二傳輸線構成該倒U形之該二相對線段的長度至少為19.5mm，該第三傳輸線構成該 U形之該二相對線段的長度至少為4.34mm。
8. 如請求項第5項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該第一傳輸線之該五個線段中，自其第一端起算的三個彎折處之外側各具有一切角。
9. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該第二傳輸線及該第三傳輸線之寬度相同，並且小於該第一傳輸線之寬度。
10. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該訊號輸入端及該訊號輸出端末各接設一具外螺牙的導電性螺柱，以供該量測裝置螺接。
11. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，該向量網路分析儀係以嵌入其內之一電磁模擬軟體IE3D內含之LineGauge傳輸線特性計算器計算各該傳輸線之長度與寬度，以該電磁模擬軟體Microwave Office V2.66和IE3D進行電路模擬，且該電路模擬之中心頻率設定為1GHz。
12. 如請求項第11項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，各該傳輸線之電氣長度(θ)分別以最高測試頻率的30度及90度電氣長度計算得之。
13. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，該量測裝置係以各該傳輸線之阻抗矩陣與一奇、偶模分析法來求取該散射參數，該傳輸線之線寬與線距由偶模阻抗(Zoe)、奇模阻抗(Zoo)、該電路基板相對介電係數決定，藉以影響該訊號輸出端的反射係數與該訊號輸入端的訊號強度。
14. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容值測定器，其中，該量測裝置係以數值分析軟體Matlab與Microwave Office模擬軟體驗證公式，再運用該數值分析軟體Matlab進行計算與繪圖，而可繪出該待測電容值、該散射參數之共振頻率點以及品質因數的關係圖。
15. 如請求項第1項所述之橋式高頻電容測試器，其中，該負載為一電阻。
16. 一種橋式高頻電容值測定方法，其包括有：提供一呈面狀的基板，其上印刷有一橋式電容值測試電路，該電路包括有：二個可分別產生一阻抗的第一傳輸線，每一該第一傳輸線具有一第一端及一第二端，其一該第一傳輸線之該第一端為訊號輸入端，另一該第一傳輸線之該第一端為訊號輸出端；二個可分別產生一阻抗的第二傳輸線，二者之一第一端分別與一該第一傳輸線之該第二端連接，且二者之一第二端經由一第四傳輸線而相互連接；二個可分別產生一阻抗的第三傳輸線，二者之一第一端分別與一該第一傳輸線之該第二端及一該第二傳輸線之該第一端連接，且二者之一第二端經由一第五傳輸線而相互連接，並於該第五傳輸線接地；及一負載，其搭接於該第四傳輸線及該第五傳輸線之間；將一待測之電容器相對該負載呈並聯地搭接於該第四傳輸線及該第五傳輸線之間而形成一共振電路；及 將一連接於該訊號輸入端及該訊號輸出端以量測出散射參數資料，再由該散射參數資料的共振頻率獲得對應該待測電容器之電容值。
17. 如請求項第16項所述之橋式高頻電容測定方法，其中，二該第一傳輸線呈左右對稱，每一該第一傳輸線由五段連續彎折的線段所構成，且位於中間的該三個線段彎折延伸而形成一倒U形，而位在兩端的二線段則分別為該訊號輸入端及其第二端，二該第二傳輸線呈左右對稱，每一該第二傳輸線由三段連續彎折的線段所構成且彎折延伸形成一倒U形，二該第三傳輸線呈左右對稱，每一該第三傳輸線由三段連續彎折的線段所構成且彎折延伸形成一U形。
18. 如請求項第17項所述之橋式高頻電容值測定方法，其中，該第一傳輸線之線寬為3.1mm，做為該訊號輸入端之該線段長度為5mm，做為該第二段之該線段長度為4.29mm，該第二傳輸線、第三傳輸線、第四傳輸線及第五傳輸線之線寬為0.71mm，構成每一該倒U形及該U形的該二相對線段之間的距離為3mm，二該第二傳輸線之間最短距離為4.42mm，二該第三傳輸線之間最短距離為4.42mm，且該第四傳輸線及該第五傳輸線之間距離為1mm。
19. 如請求項第17項所述之橋式高頻電容測試方法，其中，該第一傳輸線構成該倒U形之該二相對線段的長度至少為13.4mm，該第二傳輸線構成該倒U形之該二相對線段的長度至少為19.5mm，該第三傳輸線構成該U形之該二相對線段的長度至少為4.34mm。
20. 如請求項第17項所述之橋式高頻電容測試方法，其中，該第一傳輸線之該五個線段中自其第一端起算的三個相接處之外側各具有一 切角。
21. 如請求項第16項所述之橋式高頻電容值測定方法，其中，該向量網路分析儀係以嵌入其內之一電磁模擬軟體IE3D內含之LineGauge傳輸線特性計算器計算各該傳輸線之長度與寬度，以該電磁模擬軟體Microwave Office V2.66和IE3D進行電路模擬，且該電路模擬之中心頻率設定為1GHz。
22. 如請求項第20項所述之橋式高頻電容值測定方法，其中，各該傳輸線之電氣長度(θ)分別以最高測試頻率的30度及90度電氣長度計算得之。
23. 如請求項第16項所述之橋式高頻電容值測定方法，其中，該量測裝置係以各該傳輸線之阻抗矩陣與一奇、偶模分析法來求取該散射參數，該傳輸線之線寬與線距由偶模阻抗(Zoe)、奇模阻抗(Zoo)、該電路基板相對介電係數決定，藉以影響該訊號輸出端的反射係數與該訊號輸入端的訊號強度。
24. 如請求項第16項所述之橋式高頻電容值測定方法，其中，該量測裝置係以數值分析軟體Matlab與Microwave Office模擬軟體驗證公式，再運用該數值分析軟體Matlab進行計算與繪圖，而可繪出該待測電容值、該散射參數之共振頻率點以及品質因數的關係圖。