(57)【要約】      （修正有）【課題】ミリ波帯において容易に取り扱うことができるとともに、従来よりも不要モードを抑制することができる誘電特性測定方法および導電率測定方法を提供する。【解決手段】入力側ＮＲＤガイド３および出力側ＮＲＤガイド４を構成し、入力側スロット１１および出力側スロット１２を形成するとともに、一対の誘電体ストリップ３１、４１の先端間で、入力側スロット１１および出力側スロット１２からそれぞれ誘電体ストリップ３１、４１の延長方向に等距離の位置に、導体からなる遮断壁５を設け、入力側スロット１１および出力側スロット１２を覆うように導体板６１を配置するとともに誘電体試料６２を配置して、入力側スロット１１および出力側スロット間で共振器６を構成し、共振器６のＴＥモードを励振させて共振器６の共振周波数および無負荷Ｑを測定して、誘電体試料６２の誘電特性を求める。【選択図】図１
2006284540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側および下側平板状導体の間に一対の誘電体ストリップを先端同士が近接するように挟持して入力側および出力側ＮＲＤガイドを構成し、
前記上側平板状導体に対して前記入力側および出力側ＮＲＤガイドの前記誘電体ストリップの先端上にそれぞれ入力側および出力側スロットを形成するとともに、前記一対の誘電体ストリップの先端間で、前記入力側および出力側スロットからそれぞれ前記誘電体ストリップの延長方向に等距離の位置に、前記上側および下側平板状導体にわたるように導体からなる遮断壁を設け、
前記上側平板状導体に平行に前記入力側および出力側スロットを覆うように導体板を配置するとともに、該導体板および前記上側平板状導体の間に誘電体試料を配置して、前記入力側および出力側スロット間で共振器を構成し、
該共振器のＴＥモードを励振させて前記共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体試料の誘電特性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法。
【請求項２】
前記上側平板状導体と前記導体板との間で空洞共振器を構成することを特徴とする請求項１に記載の誘電特性測定方法。
【請求項３】
上側および下側平板状導体の間に一対の誘電体ストリップを先端同士が近接するように挟持して入力側および出力側ＮＲＤガイドを構成し、
前記上側平板状導体に対して前記入力側および出力側ＮＲＤガイドの前記誘電体ストリップの先端上にそれぞれ入力側および出力側スロットを形成するとともに、前記一対の誘電体ストリップの先端間で、前記入力側および出力側スロットからそれぞれ前記誘電体ストリップの延長方向に等距離の位置に、前記上側および下側平板状導体にわたるように導体からなる遮断壁を設け、
前記上側平板状導体に平行に前記入力側および出力側スロットを覆うように導体板を配置して、前記入力側および出力側スロット間で共振器を構成し、
該共振器のＴＥモードを励振させて前記共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記導体板の導電率を求めることを特徴とする導電率測定方法。
【請求項４】
前記上側平板状導体と前記導体板との間で空洞共振器を構成することを特徴とする請求項３に記載の導電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にミリ波領域で電子部品又は回路基板として使用する誘電体材料の比誘電率または誘電正接を測定するための誘電特性測定方法および導体材料の導電率を測定するための導電率測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路基板や半導体素子用パッケージに用いられるマイクロストリップライン、ストリップラインやコプレーナライン等のインピーダンスおよび伝送損失の計算のために、これらに用いられる誘電体基板の比誘電率や誘電正接を測定することは重要である。近年、車載用レーダやミリ波無線ＬＡＮの開発が行われてきており、これらの回路設計のために、ミリ波領域における基板の比誘電率や誘電正接の測定値が必要となってきた。
【０００３】
一般に、基板材料の比誘電率や誘電正接を求めるには、平板状誘電体試料が用いられる。そして、その誘電特性測定方法としては、図５に示すような形状の空洞共振器を用いた測定方法がＪＩＳ規格として規定されている（非特許文献１参照）。この測定方法では、空洞共振器に２箇所の孔を開け、それぞれの孔から同軸ケーブル７１の先端に設けられた微小ループアンテナ７２を挿入することにより、空洞共振器の励振および検波がなされる。そして、この空洞共振器の共振周波数および無負荷Ｑが測定され、平板状誘電体試料８の誘電特性が求められる。
【非特許文献１】ＪＩＳ  ファインセラミックスのミリ波帯における誘電特性測定方法（ＪＩＳ  Ｒ  １６６０−１：２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ミリ波において使用する微小ループアンテナは、ループ径が小さく、その作製には特殊な加工が必要となるため、非常に高価なものとなっている。また、その構造は、先端の芯線を細めた上で外側導体に溶接で接合した構造であり、衝撃に対して非常に壊れやすく、デリケートな取り扱いが要求される。さらに、微小ループアンテナによる励振方法は、ループ面の角度により、モードを選択できる特性があるが、完全には不要モードを抑制できないため、測定に用いるモードに対して妨害となるケースが生じていた。
【０００５】
本発明は、ミリ波帯において容易に取り扱うことができるとともに、従来よりも不要モードを抑制することができる誘電特性測定方法および導電率測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上側および下側平板状導体の間に一対の誘電体ストリップを先端同士が近接するように挟持して入力側および出力側ＮＲＤガイドを構成し、前記上側平板状導体に対して前記入力側および出力側ＮＲＤガイドの前記誘電体ストリップの先端上にそれぞれ入力側および出力側スロットを形成するとともに、前記一対の誘電体ストリップの先端間で、前記入力側および出力側スロットからそれぞれ前記誘電体ストリップの延長方向に等距離の位置に、前記上側および下側平板状導体にわたるように導体からなる遮断壁を設け、前記上側平板状導体に平行に前記入力側および出力側スロットを覆うように導体板を配置するとともに、該導体板および前記上側平板状導体の間に誘電体試料を配置して、前記入力側および出力側スロット間で共振器を構成し、該共振器のＴＥモードを励振させて前記共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体試料の誘電特性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法である。
【０００７】
ここで、前記上側平板状導体と前記導体板との間で空洞共振器を構成するのが好ましい。
【０００８】
また本発明は、上側および下側平板状導体の間に一対の誘電体ストリップを先端同士が近接するように挟持して入力側および出力側ＮＲＤガイドを構成し、前記上側平板状導体に対して前記入力側および出力側ＮＲＤガイドの前記誘電体ストリップの先端上にそれぞれ入力側および出力側スロットを形成するとともに、前記一対の誘電体ストリップの先端間で、前記入力側および出力側スロットからそれぞれ前記誘電体ストリップの延長方向に等距離の位置に、前記上側および下側平板状導体にわたるように導体からなる遮断壁を設け、前記上側平板状導体に平行に前記入力側および出力側スロットを覆うように導体板を配置して、前記入力側および出力側スロット間で共振器を構成し、該共振器のＴＥモードを励振させて前記共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記導体板の導電率を求めることを特徴とする導電率測定方法である。
【０００９】
ここで、前記上側平板状導体と前記導体板との間で空洞共振器を構成するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の誘電特性測定方法および導電率測定方法によれば、ミリ波帯において容易に取り扱うことができるとともに、従来よりも不要モードを抑制して、共振器の比誘電率、誘電正接、導電率等を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。    
本発明は、図１に示すように、上側平板状導体１および下側平板状導体２の間に一対の誘電体ストリップ３１、４１を先端同士が近接するように挟持して入力側ＮＲＤガイド３および出力側ＮＲＤガイド４を構成し、上側平板状導体１に対して入力側ＮＲＤガイド３および出力側ＮＲＤガイド４の誘電体ストリップ３１、４１の先端上にそれぞれ入力側スロット１１および出力側スロット１２を形成するとともに、一対の誘電体ストリップ３１、４１の先端間で、入力側スロット１１および出力側スロット１２からそれぞれ誘電体ストリップ３１、４１の延長方向に等距離の位置に、上側平板状導体１および下側平板状導体２にわたるように導体からなる遮断壁４を設け、上側平板状導体１に平行に入力側スロット１１および出力側スロット１２を覆うように導体板６１を配置するとともに、導体板６１および上側平板状導体１の間に誘電体試料６２を配置して、入力側スロット１１および出力側スロット間で共振器６を構成し、共振器６のＴＥモードを励振させて共振器６の共振周波数および無負荷Ｑを測定して、誘電体試料６２の誘電特性を求めることを特徴とする誘電特性測定方法である。
【００１２】
入力側ＮＲＤガイド３は、上側平板状導体１の一部と下側平板状導体２の一部と誘電体ストリップ３１とから構成されるものである。また、出力側ＮＲＤガイド４は、上側平板状導体１の一部と下側平板状導体２の一部と誘電体ストリップ４１とから構成されるものである。ここで、ＮＲＤガイドとは非放射性誘電体線路のことをいうものである。
【００１３】
上側平板状導体１と下側平板状導体２は、銅や銀などの導電率の高い材料からなり、容易に撓まない程度の厚みを有するものである。また、上から見たときの上側平板状導体１および下側平板状導体２の面積については、例えば、縦の長さＬ１が３０〜９０ｍｍ、横の長さＬ２が５０〜１１０ｍｍのものが採用される。そして、上側平板状導体１と下側平板状導体２の間隔は、後述の誘電体ストリップ中の波長をλｇとすると１／２λｇ以下であって、通常１〜３ｍｍに固定される。
【００１４】
誘電体ストリップ（誘電体線路）３１と誘電体ストリップ（誘電体線路）４１は、上側平板状導体１および前記下側平板状導体２の間にこれらに挟持されるように、先端同士を近接させて配置されている。これらは、低損失な誘電体材料、例えばレクソライト（登録商標）からなっている。誘電体ストリップ３１および誘電体ストリップ４１の高さは上述の上側平板状導体１と下側平板状導体２の間隔と同じ通常１〜３ｍｍであり、幅もまた通常１〜３ｍｍであり、誘電体ストリップ３１、４１の上側平板状導体１と下側平板状導体２の間に挟持される部分の長さＬ３は２０〜５５ｍｍである。
【００１５】
上側平板状導体１における入力側ＮＲＤガイド３の誘電体ストリップ３１上には、入力側スロット１１が形成されており、上側平板状導体１における出力側ＮＲＤガイド４の誘電体ストリップ４１上には、出力側スロット１２が形成されている。ここで、入力側スロット１１および出力側スロット１２は、矩形あるいはその角がＲに形成された孔が好ましく採用され、その大きさは、電界成分を通過させず、磁界成分だけを通過させるような大きさ、言い換えると、共振器と磁界結合させるために、なるべく電界が入り込まないような大きさであるのが好ましく、誘電体ストリップ３１、４１の長手方向に沿う辺の長さが誘電体ストリップ中の波長をλｇとすると１／８λｇ〜１／２λｇであるのが好ましく、誘電体ストリップ３１、４１の幅方向に沿う辺の長さが誘電体ストリップ３１、４１の幅をｗとすると０．０５ｗ〜ｗであるのが好ましい。
【００１６】
そして、入力側ＮＲＤガイド３の誘電体ストリップ３１と出力側ＮＲＤガイド４の誘電体ストリップ４１との先端間を遮断するように、上側平板状導体１および下側平板状導体２にわたるように導体からなる遮断壁５が設けられている。この遮断壁５は、上側平板状導体１および下側平板状導体２と同様に、銅や銀などの導電率の高い材料からなるものである。この遮断壁５が設けられる位置は、入力側スロット１１および出力側スロット１２からそれぞれ誘電体ストリップ３１、４１の延長方向に等距離となるような位置、言い換えると、入力側スロット１１から誘電体ストリップ３１の長手方向に沿って遮断壁５に到達するまでの距離と、出力側スロット１２から誘電体ストリップ４１の長手方向に沿って遮断壁５に到達するまでの距離がほぼ等しい位置である。このとき、入力側スロット１１および出力側スロット１２の中心位置と遮断壁５との距離は、λｇ／４の距離のとき磁界最大位置となり、磁界結合にとり都合がよい。なお、結合の微調整は、誘電体ストリップ３１、４１と遮断壁５との距離を離したり近づけたりして行われる。
【００１７】
ここで、一対のスロットを入力側スロット１１と出力側スロット１２と名付けたように、上側平板状導体１の一部（入力側スロット１１および出力側スロット１２を含み、後述の導体板６１に対向する領域）が共振器６を構成する、言い換えると、入力側スロット１１および出力側スロット間で共振器６が構成されるようになっており、磁界結合により、この共振器６に入力側スロット１１から入力されて共振器６が励振され、出力側スロット１２から出力されて検波が行われる。そして、この共振器６を構成する上側平板状導体１の一部（入力側スロット１１および出力側スロット１２を含み、後述の導体板６１に対向する領域）におけるさらに一部（誘電体ストリップ３１、４１上の領域）は、入力側ＮＲＤガイド３の一部および出力側ＮＲＤガイド４の一部にもなっており、共振器６と入力側ＮＲＤガイド３、共振器６と出力側ＮＲＤガイド４として共有されるようになっている。
【００１８】
この共振器６は、上側平板状導体１に平行に入力側スロット１１および出力側スロット１２を覆うように配置された導体板６１を含むものである。導体板６１は、上側平板状導体１および下側平板状導体２と同様に、銅や銀などの導電率の高い材料からなり、容易に撓まない程度の厚みを有するものである。また、導体板６１の上から見た面積は、入力側スロット１１および出力側スロット１２を覆うようなものであれば限定はないが、図に示す程度の大きさが好ましい。
【００１９】
そして、図１に示すように、導体板６１および上側平板状導体１の間には、誘電体試料として平板状誘電体試料６２が配置されている。具体的には、上側平板状導体１の上に導体壁６３が設けられ、この導体壁６３の上に平板状誘電体試料６２が載置され、さらに平板状誘電体試料６２の上に導体板６１が載置されて、箱形の空洞共振器が構成されている。この空洞共振器の高さは、測定周波数により異なるが、例えば測定周波数が６０ＧＨｚでは３〜５ｍｍであるのが好ましく、また空洞共振器の径は、空洞共振器の内部空間が少なくとも入力側スロット１１および出力側スロット１２を収容し、図に示す程度で大きすぎるものでなければよい。なお、この空洞共振器は導体壁６３により密閉された内部空間を有する箱型のものであり、導体壁６３の上に平板状誘電体試料６２および導体板６１を載置するだけの構成であるから容易に共振器を作製できる利点があるが、このような形状に限定されず、電磁界が放射されないような構造であれば多少間隙があってもよい。また、図１においては、導体壁６３の上に平板状誘電体試料６２を配置した構成であるが、導体壁６３の下に平板状誘電体試料６２を配置してもよい。さらに、図１においては、上側平板状導体１の上に導体壁６３を立設させて、箱型の空洞共振器が構成されているが、上側平板状導体と同様のスロットを底面に有する箱型の空洞共振器を上側平板状導体１の上に載置するようにしてもよい。またさらに、平板状誘電体試料を用いるのではなく、空洞共振器内に円柱状誘電体試料を配置するようにしてもよい。
【００２０】
このような共振器６のＴＥモードを励振させて共振器６の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから比誘電率、誘電正接などの誘電特性を求めるものである。
【００２１】
本測定方法では、入力側ＮＲＤガイド３および出力側ＮＲＤガイド４を構成する上側平板状導体１に入力側スロット１１および出力側スロット１２を設け、共振器６を励振していることが特徴である。ＮＲＤガイドを使用する最大の利点は、導波管（図示しないがＮＲＤガイドに接続されている）から容易に変換でき、実現が容易なことである。また、遮断壁５により線路同士の直接結合がほとんどないため、ノイズレベルまでダイナミックレンジを下げることができる。さらに、従来の微小ループアンテナを用いた測定方法よりも他の不要モードの抑制が可能であり、測定する共振ピークのみを励振できる利点もある。
【００２２】
また、誘電体ストリップ３１、４１の配置は必ずしも図1のように直線的な配置である必要はなく、例えば図２に示すように、不要モードの抑制のために直線から所定の角度ずれていてもよく、この角度は測定できる角度であれば特に限定されない。例えば、抑制したいモードがＴＭ３１０の場合、角度は直線的な配置から３０度またはマイナス３０度にずらした位置が採用される。
【００２３】
さらに、本発明は、図１に示すような平板状誘電体試料６２の測定に限らず、図３に示すように、導体板６１および上側平板状導体１の間に誘電体試料として円柱状誘電体試料６４を配置して、この円柱状誘電体試料６４の誘電特性を測定することもできる。
【００２４】
図３に示す構造の共振器では、導体板６１と上側平板状導体１とで円柱状誘電体試料６４を挟持するようにして、共振器を構成したものである。ここで、円柱状誘電体試料６４は入力側スロット１１および出力側スロット１２の間の略中央に配置されるのが好ましい。また、円柱状誘電体試料６４の径および高さは、測定周波数を規定し、比誘電率の概略値と測定モードを指定すると、所定の算術式（非特許文献１参照）により設計できる。
【００２５】
なお、図３において円柱状誘電体試料６４の上面と導体板６１の下面は接触しているが、これらの間には多少の間隙があってもよい。
【００２６】
この図３に示す構造の共振器を用いた誘電特性の測定方法においても、図１に示す構造の共振器を用いた測定方法と同様に、入力側スロット１１および出力側スロット１２を用いた磁界結合により、上側平板状導体１、導体板６１および円柱状誘電体試料６４で構成された共振器の励振および検波が行われ、この共振器の共振周波数および無負荷Ｑをネットワークアナライザで測定し、円柱状誘電体試料６４の誘電特性（比誘電率、誘電正接）を求めることができる。
【００２７】
またさらに、本発明における共振器を用いた構造は、図１乃至図３にしめすような誘電体試料の誘電特性を測定する他、共振器を構成する導体板６１の導電率を測定する方法にも採用できることを見出した。
【００２８】
図４に示す構造は、図1中の平板状誘電体試料６２を取り除いた以外は図１に示す構成と略同じものである。すなわち、図４においては、導体板６１、導体壁６３および上側平板状導体１で共振器が構成されている。
【００２９】
この図４に示す構造の共振器を用いた導電率の測定方法においても、図１に示す構造の共振器を用いた誘電特性の測定方法と同様に、入力側スロット１１および出力側スロット１２を用いた磁界結合により、上側平板状導体１、導体板６１および導体壁６３で構成された共振器の励振および検波が行われ、この共振器の共振周波数および無負荷Ｑをネットワークアナライザで測定し、導体板６１の導電率を求めることができる。
【００３０】
測定に際しては、空洞共振器を構成した後、共振周波数ｆ１および無負荷Ｑ、Ｑu1を測定し、共振器を構成する全導体の導電率σを評価した後、共振器の構成要素である導体板６１を、導電率を求めたい導体板６１に置き換えて同様に測定することにより、求めたい導体板６１の導電率σ２が、無負荷Ｑ、Ｑu２の測定結果と前記導電率σより計算される。
【００３１】
なお、図４に示す構造の共振器を用いた測定方法では、導電率の測定方法としたが、導電率を求めることに限定されず、導電率~算出される抵抗率や表面抵抗を求めることも含むものとする。
【実施例】
【００３２】
図３に示す構造を用いて、本発明の測定方法（ＮＲＤガイドスロット励振（ＮＲＤ））による空洞共振器の周波数特性を測定した。その測定結果を図６に示す。一方、図５に示す従来の測定方法（微小ループアンテナ励振（Ｌｏｏｐ））による空洞共振器の周波数特性の測定結果を図７に示す。ここで、導体壁６３部分は、二つの測定において共通で使用することができたので等しい値としている。また、共振器の寸法（径Ｄ、高さＨ）は、共振周波数より表１のようになっている。なお、上下平板状導体１、２および遮断壁５は銅からなり、縦Ｌ１の長さが６０ｍｍ、横Ｌ２の長さが８０ｍｍ、厚みが２ｍｍであった。また、誘電体ストリップ３１、４１はレクソライト（登録商標）からなり、この幅は２ｍｍ、高さは２．２ｍｍ、上下平板状導体に挟持される位置における誘電体ストリップ３１、４１の長さは３０ｍｍであった。
【００３３】
図６および図７から明らかなように本発明のＮＲＤガイドスロット励振（ＮＲＤ）による測定方法の方が、測定に用いるＴＥ０１１モードを励振した上で、他の不要モードを抑制できていることがわかる。
【００３４】
なお、二つの共振周波数ｆ０の測定結果を表１の左側のコラム１に示す。
【表１】
2006284540.tif 000003
【００３５】
次に、図1に示す構造の空洞共振器を用意して、厚みt＝０．３３５ｍｍのサファイア試料とｔ＝０．５０４ｍｍのＬＴＣＣ試料の測定を行った。これら試料の周波数応答の測定結果を図８および図９に示す。
【００３６】
この結果より、本発明の測定に用いるＴＥ０１１モードがきれいに励振されていることが確認できた。また、不要モードもよく抑制されていることがわかった。
【００３７】
また、このときの共振周波数ｆ０の測定結果を表１のコラム２、３に示す。比較のため従来方法である微小ループアンテナ励振（Ｌｏｏｐ）による測定結果も表に併せて記載する。共振周波数ｆ０の測定結果と共振器の寸法（厚みｔ）より、比誘電率ε’を計算し、上記表１中に示す。
【００３８】
この結果、二つの測定結果は、ほぼ一致し、本発明の測定方法の実現性を検証することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の誘電特性測定方法の一例を示す説明図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図２】図１に示す誘電特性測定方法の他の例を示す説明図である。
【図３】本発明の誘電特性測定方法の他の例を示す説明図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図４】本発明の導電率測定方法の他の例を示す説明図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図５】従来の微小ループアンテナ励振による誘電特性測定方法の説明図である。
【図６】本発明のＮＲＤガイドスロット励振による空洞共振器の周波数応答の測定結果である。
【図７】従来の微小ループアンテナ励振による空洞共振器の周波数応答の測定結果である。
【図８】平板状誘電体試料としてサファイアを用いたときのＮＲＤガイドスロット励振による空洞共振器の周波数応答の測定結果である。
【図９】平板状誘電体試料としてＬＴＣＣを用いたときのＮＲＤガイドスロット励振による空洞共振器の周波数応答の測定結果である。
【符号の説明】
【００４０】
１・・・上側平板状導体
１１・・入力側スロット
１２・・出力側スロット
２・・・下側平板状導体
３・・・入力側ＮＲＤガイド
４・・・出力側ＮＲＤガイド
５・・・遮断壁
６・・・共振器
６１・・導体板
６２・・平板状誘電体試料
６３・・導体壁
６４・・円柱状誘電体試料
【図１】
2006284540.tif 000004
【図２】
2006284540.tif 000005
【図３】
2006284540.tif 000006
【図４】
2006284540.tif 000007
【図５】
2006284540.tif 000008
【図６】
2006284540.tif 000009
【図７】
2006284540.tif 000010
【図８】
2006284540.tif 000011
【図９】
2006284540.tif 000012