WO2006101145A1

WO2006101145A1 - 共振器、プリント基板及び複素誘電率の測定方法

Info

Publication number: WO2006101145A1
Application number: PCT/JP2006/305745
Authority: WO
Inventors: Kaoru Narita; Taras Kushta
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2006-09-28
Also published as: CN101147072A; US7952365B2; JP4941293B2; US20090015266A1; JPWO2006101145A1; CN100565226C

Abstract

　導体層が夫々誘電体層を間に挟むようにして相互に平行に配置されたプリント基板における導体層に設けられた開口部の周囲に、導電体層に接続する複数のスルーホールビアを相互に間隔をおいて配置する。また、導体層の開口部並びにこれらの開口部に整合する誘電体層の領域に、導体層に非接触で励振用のスルーホールビアを配置する。そして、複素誘電率を測定する際は、スルーホールビアに高周波電力を印加し、Ｓパラメータ法によりスルーホールビアと導電体層との間の電力損失を測定する。これにより、数ＧＨｚ乃至２０ＧＨｚの周波数範囲において、複素誘電率及びその周波数依存性を精度よく測定することができ、基板に搭載しても他の部品との電気的な干渉がない。

Description

明細書

共振器、プリント基板及び複素誘電率の測定方法

技術分野

[0001] 本発明は、誘電体の複素誘電率及びその周波数特性を測定するための共振器、この共振器を備えたプリント基板、及び共振器を使用した複素誘電率の測定方法に関する。

背景技術

[0002] プリント基板を構成している材料の複素誘電率及びその周波数依存性は、プリント基板内に形成された伝送線路を伝搬する信号の減衰及び遅延に関係しており、また、高速伝送線路の設計に必要な回路シミュレーションにも使用される。このため、プリント基板を構成して、る材料の複素誘電率を高精度で測定することは、設計時の回路シミュレーションの精度を高め、設計精度を向上させる上で極めて重要である。

[0003] 従来、プリント基板を構成している材料の複素誘電率及びその周波数依存性は、例えば、プリント基板の絶縁層を形成して！/、る誘電体材料等の被測定材料からなる積層板でストリップ導体を挟んでストリップ線路共振器を形成し (例えば、特許文献 1 及び 2参照。）、その Sパラメータの周波数特性を測定して共振の Q値を得ることによつて求められている。また、被測定材料を切り出し、特別な冶具に装着して測定する方法もある（例えば、特許文献 3乃至 8参照。 )₀

[0004] 更に、プリント基板内に複素誘電率測定に利用可能な高周波回路構造を作り込む方法も提案されている（例えば、特許文献 9乃至 13参照。 )₀図 9は特許文献 10に記載の高周波回路の構成を概略的に示す断面図である。図 9に示すように、特許文献 10に記載の高周波回路 100は、絶縁層を介して複数の導体層が積層されており、その表面には、各種部品が取り付けられる回路パターン 121が形成されている。

[0005] また、回路パターン 121の下には、絶縁層 111を介して、整合ライン及びチョークライン等の受動回路を含む内部電極 122が形成されており、その下には、絶縁層 112 を介して、高周波回路であるストリップライン共振器のグランド電極 123が形成されている。更に、グランド電極 123の下には、絶縁層 113を介して、ストリップライン共振器の中心導体 124が形成されており、その下には、絶縁層 114を介してストリップライン共振器のグランド電極 125が形成されている。そして、最下層には絶縁層 115が形成されており、この積層体の側面を覆うように、側面電極 126が形成されている。更にまた、各絶縁層の内部にはスルーホールが形成されており、その内面に導体層を形成することにより、回路パターン 121と中心導体 124との間が適宜接続されている。

[0006] この高周波回路 100においては、グランド電極 123のパターンを、中心導体 124の形状に対応する部分に電極が形成されていない形状とすることにより、グランド電極 1 23と中心導体 124との間の容量を低減し、ストリップライン共振器の Q値を向上させている。

[0007] 特許文献 1 実開平 6— 74974号公報

特許文献 2 実開平 6— 77312号公報

特許文献 3特開平 6— 331670号公報

特許文献 4特公平 8— 20481号公報

特許文献 5特開平 7— 140186号公報

特許文献 6特開平 8— 220160号公報

特許文献 7特開 2003 —331220号公報

特許文献 8特開 2004 —45262号公報

特許文献 9特開平 10 — 51235号公報

特許文献 10：特開平 10— 51236号公報

特許文献 11 :特開 2000— 183233号公報

特許文献 12 :特開 2003— 168761号公報

特許文献 13：特開 2003 - 309403号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。実際のプリント基板、特に、多層構造のプリント基板においては、基材、プリプレダ及びラミネート材等の複数の材料が積層されており、製造工程においてこれらの材料を積層した後で熱処理及び Z又はプレス処理が施される。このため、プリント基板の実効的な複素誘電率は、その層構成及び製造工程に依存しており、基材力切り出したサンプル又は積層後に特定の箇所力切り出したサンプルの複素誘電率を測定しても、必ずしもプリント基板全体のパラメータが反映されるとは限らない。このため、特許文献 1乃至 8に記載の測定方法のように、プリント基板の一部力もサンプルを切り出し、専用の冶具を使用して複素誘電率を測定する場合、プリント基板全体の実効的な複素誘電率を精度よく測定できな、と、う問題点がある。

[0009] 一方、プリント基板の内部に設けられた共振器を使用して複素誘電率を測定すると、プリント基板全体の複素誘電率を測定することができるが、特許文献 9乃至 13に記載されている共振器は、例えば、図 9に示すように、側面電極 126によって取り囲まれた独立した構造であるため、テストパターンとして他の部品と共にプリント基板内に作り込むことが困難であり、更に、共振器が励振されていないため、数 GHz乃至 20G Hz程度の高い周波数領域において高精度に複素誘電率を測定することが困難であるという問題点がある。

[0010] 本発明は力かる問題点に鑑みてなされたものであって、数 GHz乃至 20GHzの周波数範囲において、複素誘電率及びその周波数依存性を精度よく測定することができ、基板に搭載しても他の部品との電気的な干渉がない共振器、プリント基板及び複素誘電率の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

[0011] 本願第 1発明に係る共振器は、誘電体層の複素誘電率を測定する複素誘電率測定用共振器において、前記誘電体層を間に挟むようにして相互に平行に配置された第 1及び第 2の導体層と、前記第 1及び第 2の導体層に夫々形成され相互に対向する第 1及び第 2の開口部と、前記第 1及び第 2の開口部の周囲に相互に間隔をおいて配置され前記第 1及び第 2の導体層を相互に接続する複数個の第 1のビアと、前記第 1及び第 2の開口部並びにこれらの開口部に整合する前記誘電体層の領域に前記第 1及び第 2の導体層に非接触で形成された第 2のビアと、を有することを特徴とする。

[0012] 本発明においては、第 1のビアと第 1及び第 2の導体層により平行平板共振器が形成されており、この共振器は、第 1及び第 2の導体層に非接触で形成された励起用の第 2のビアに高周波電力を付加することにより励振させることができるため、複素誘電率を測定する際に、専用の治具を使用する必要がなぐまた、従来の共振器のように側面電極が不要であるため、プリント基板の一部の領域を利用して実機のテストクーボンとして作り込むことができる。また、この共振器は、複数の第 1のビアにより側壁が形成されるため、基板に搭載しても他の部品と電気的な干渉が生じない。これにより、測定したい実機のプリント基板の実効的な複素誘電率を高精度に測定することができる。その結果、プリント基板の設計に必要なパラメータを高精度で決定することができ、設計精度を著しく向上させることができる。

[0013] また、この共振器は、更に、前記第 1の導体層と前記第 2の導体層との間に、前記誘電体層を間に挟むようにして前記第 1及び第 2の導体層と平行に配置され前記第 1及び第 2の開口部に整合する位置に開口部が形成され前記第 1のビアに接続された 1以上の導体層を有していてもよい。これにより、複数個の共振器を形成することができるため、 3層以上の導電体層が誘電体層を挟んで積層されている多層構造のプリント基板にも適用することができる。

[0014] 更に、前記第 1のビアにより囲まれている領域は、平面視で矩形状であってもよい。

これにより、例えば測定周波数範囲が 20GHzまでの場合は、その大きさを 1辺が 20 mm程度まで小型化することができ、測定周波数範囲が 20GHzを超える場合はこれ以上に小型化することが可能になる。また、その場合、複素誘電率の測定波長をえとしたとき、前記矩形状の領域の 1辺の長さを（λ Ζ 2)以上とすることができる。これにより、第 2のビアと第 1及び第 2の導体層との間での電力損失に 1以上の共振ピークが発生する。

[0015] 更にまた、複素誘電率の測定波長をえとしたとき、相互に隣接する第 1のビア間の距離が（λ Ζ20)以下でもよい。これにより、相互に隣接する第 1のビア間に生じる電力のリークを最小限に抑制することができる。

[0016] 本願第 2発明に係るプリント基板は、複数の導体層が誘電体層により相互に絶縁されたプリント基板であり、前述の共振器を有することを特徴とする。

[0017] 本発明においては、複数の第 1のビアと第 1及び第 2の導体層により形成された平行平板共振器が形成されており、この共振器は、第 1及び第 2の開口部並びにこれらの開口部に整合する誘電体層の領域に第 1及び第 2の導体層に非接触で形成された第 2のビアと高周波電力を付加することにより励振するため、専用の治具を使用しなくても、誘電体層の複素誘電率を高精度に測定することができる。また、この共振器は、複数の第 1のビアによって囲まれているため、プリント基板内に搭載された他の部品との間で電気的な干渉は生じな、。

[0018] 本願第 3発明に係る複素誘電率の測定方法は、誘電体層の複素誘電率の測定方法において、前記誘電体層を間に挟むようにして相互に平行に配置された第 1及び第 2の導体層と、前記第 1及び第 2の導体層に夫々形成され相互に対向する第 1及び第 2の開口部と、前記第 1及び第 2の開口部の周囲に相互に間隔をおいて配置され前記第 1及び第 2の導体層を相互に接続する複数個の第 1のビアと、前記第 1及び第 2の開口部並びにこれらの開口部に整合する前記誘電体層の領域に前記第 1 及び第 2の導体層に非接触で形成された第 2のビアとを有する共振器の前記第 2のビアに高周波電力を印加し、 Sパラメータ法により前記第 2のビアと前記第 1及び第 2 の導体層との間の電力損失を測定することを特徴とする。

[0019] 本発明においては、励起用の第 2のビアに直接高周波電力が印加されるため、共振器に電界と磁界が直交した純粋な TEM (Transverse Electromagnetic Mode ;直交電磁界)波を入力することができる。これにより、高精度で複素誘電率を測定することができる。

[0020] この複素誘電率の測定方法においては、前記電力損失の測定は、例えば、一方の端部がネットワークアナライザに接続された 1対の同軸ケーブルの他方の端部側の外部導体を夫々前記第 1及び第 2の導体層に接続すると共に、前記 1対の同軸ケープルの他方の端部側の中心導体を夫々前記第 2のビアの両端部から挿入して前記第 2 のビアに接続し、前記ネットワークアナライザにより S 及び S を測定することができ

11 21

る。

[0021] また、前記共振器は、更に、前記第 1の導体層と前記第 2の導体層との間に、前記誘電体層を間に挟むようにして前記第 1及び第 2の導体層と平行に配置され前記第 1及び第 2の開口部に整合する位置に開口部が形成され前記第 1のビアに接続された 1以上の導体層を有していてもよい。 [0022] 更に、前記共振器の前記第 1のビアにより囲まれている領域は、平面視で矩形状でもよい。その場合、複素誘電率の測定波長をえとしたとき、前記矩形状の領域の 1辺の長さを（ λ /12)以上とすることができる。

[0023] 更にまた、複素誘電率の測定波長を λとしたとき、前記共振器の相互に隣接する第 1のビア間の距離を（λ Ζ20)以下にしてもよい。更にまた、前記共振器がプリント基板内に形成されており、このプリント基板の複素誘電率を測定してもよい。

発明の効果

[0024] 本発明によれば、第 1及び第 2の導体層に非接触の第 2のビアを形成して、るため、この第 2のビアに高周波電力を印加することにより、第 1のビアと第 1及び第 2の導体層により構成される共振器を励振させることができると共に、周囲に複数の第 1のビァを配置しているため、他の部品との電気的な干渉を防止することができ、これにより、共振器をプリント基板内に作り込むことが可能になり、数 GHz乃至 20GHzの周波数範囲において、プリント基板の実効的な複素誘電率及びその周波数依存性を高精度で測定することができる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1] (a)は本実施形態の共振器を示す平面図であり、図 1 (b)はその A— A線による断面図である。

[図 2] (a)は本実施形態の共振器を使用してプリント基板の複素誘電率を測定する方法を示す断面斜視図であり、 (b)はその B— B線による断面図である。

[図 3]横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとり、電力損失の周波数依存性を示すグラフ図である。

[図 4]横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとつて、 1つの共振ピークを示す図である [図 5]横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとつて、スルーホールビア 1の間隔 L を

gr 変化させたときの第 1の共振ピークが現れる周波数 f

0の変化を示すグラフ図である。

[図 6]本発明の第 2の実施形態の共振器を示す平面図である。

[図 7]本発明の第 2の実施形態の変形例の共振器を示す平面図である。

[図 8]本発明の第 3の実施形態の共振器を示す平面図である。 [図 9]特許文献 10に記載の高周波回路の構成を概略的に示す断面図である。符号の説明

[0026] 1、 2、 42、 52、 61、 62 ;スルーホールビア

la、 2a ;スルーホール

lb、 2b、 11〜15；導体層

21〜24、 111〜115；絶縁層

31a、 31b ;同軸ケーブル

32a, 32b、 124 ;中心導体

33a, 33b ;絶縁体

34a、 34b ;外部導体

100 ;高周波回路

121 ;回路パターン

122 ;内部電極

123、 125 ;グランド電極

116 ;側面電極

発明を実施するための最良の形態

[0027] 以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

先ず、本発明の第 1の実施形態に係る共振器について説明する。本実施形態の共振器は、 5層の導体層が、夫々誘電体からなる絶縁層を介して形成されている多層構造のプリント基板に形成されている。図 1 (a)は本実施形態の共振器を示す平面図であり、図 1 (b)はその A— A線による断面図である。図 1 (a)及び (b)に示すように、本実施形態の共振器は、平面視で矩形状であり、その周縁部には、プリント基板を貫通し直径が d のスルーホール laの内側面に導体層 lbが形成された複数のスル

gr

一ホールビア 1が、夫々一定の間隔 L をおいて形成されている。このスルーホール

gr

ビア 1は、導電体層 11乃至 15の全てに接続されている。

[0028] また、導体層 11乃至 15におけるスルーホールビア 1により囲まれた領域の中心部には、直径が d の開口部が形成されており、この開口部の中心部には、プリント基

cle

板を貫通し、直径が d のスルーホール 2aが形成されている。このスルーホール 2aの内側面及び両端部の周囲を覆うように導体層 2bが形成されており、スルーホール 2a 及び導体層 2bにより、共振器を励振するための励振用スルーホールビア 2が形成されている。このスルーホールビア 2において、スルーホール 2aの両端部の周囲に形成されている導体層 2b、即ち、導体層 11及び導体層 15の開口部内に形成されている導体層 2bの直径は d であり、プリント基板の表面及び裏面における導体層（導体 pad

層 11及び 15)とスルーホールビア 2の距離は（d -d )である。一方、プリント基板 cle pad

の内部においては、導体層（導体層 12乃至 14)とスルーホールビア 2との距離は、（d -d )である。

cle rod

[0029] 更に、導体層 11乃至 15は、夫々、誘電体力もなる絶縁層 21乃至 24により相互に絶縁されており、これにより、スルーホールビア 1により囲まれた領域の横の長さを a、縦の長さを b、絶縁層 21乃至 24の厚さを夫々 c、 c、 c及び cとしたとき、プリント基

1 2 3 4

板の厚さ方向に、 (縦,横，高さ）が夫々 (a, b, c )、（a, b, c )、 (a, b, c )及び (a, b

1 2 3

， c；)である 4つのキヤビティー共振器が形成されている。なお、スルーホール laの直

4

径 d 及びスルーホール 2aの直径は、夫々、ドリル径を示している。

gr

[0030] 次に、本実施形態の共振器の動作、即ち、本実施形態の共振器を使用した複素誘電率測定方法を説明する。図 2 (a)は本実施形態の共振器を使用してプリント基板の複素誘電率を測定する方法を示す断面斜視図であり、図 2 (b)はその B— B線による断面図である。図 2 (a)及び (b)に示すように、プリント基板の複素誘電率を測定する際は、先ず、中心導体が一方の端部力突出している 2本の同軸ケーブル 31a及び 31bを用意する。そして、同軸ケーブル 31aの中心導体 32aを、スルーホールビア 2 の一方の端部に挿入し、この中心導体 32aの外側に絶縁体 33aを介して形成されている外部導体 34aの端部を、導体層 11に圧着すると共に、同軸ケーブル 31bの中心導体 32bを、スルーホールビア 2の他方の端部に挿入し、この中心導体 32bの外側に絶縁体 33bを介して形成されてヽる外部導体 34bの端部を、導体層 15に圧着する。そうすることにより、同軸ケーブル 31a及び 31bの中心導体 32a及び 32bをスルーホ一ルビア 2の導体層 2aと電気的に接続し、外部導体 34a及び 34bを夫々導体層 11 及び 15に電気的に接続する。その際、同軸ケープ 31a及び 31bとしては、外部導体 34a及び 34bに剛性があり、容易に曲がらないセミリジットタイプのものを使用することが望ましい。

[0031] 次に、同軸ケーブル 32a及び 32bの他方の端部を、夫々、ネットワークアナライザ装置のポート 1及びポート 2に接続し、 Sパラメータ法により、スルーホールビア 2と導体層 11及び 15との間での電力損失、即ち、誘電体層 21乃至 24における電力損失を測定する。そして、その結果に基づき、後述する方法により、プリント回路板の絶縁層 21乃至 24を形成している誘電体材料の複素誘電率及びその周波数依存性を求める。本実施形態の共振器においては、励振用のスルーホールビア 2と同軸ケーブル 3 2a及び 32bが直接接続され、また、ネットワークアナライザ装置のポート 1から出力されポート 2に入力する高周波電力力共振器内を直線的に通過するため、共振器内に電界と磁界とが直交した純粋な TEM波を入力することができる。これにより、精度よく Q値を求めることができる。

[0032] 以下、上述の方法で測定した電力損失から絶縁層 21乃至 24の複素誘電率及びその周波数特性を求める方法について、導体層 11乃至 15が銅により形成され、絶縁層 21乃至 24がガラスエポキシ FR4材により形成され、平面視で矩形状の共振器が形成されているプリント基板を例にして説明する。なお、このプリント基板に形成されている共振器の寸法は、横の長さ aが 20mm、縦の長さ bが 20mm、スルーホールビア 1の間隔 L が 0. 6mm、スルーホール laの直径 d が 0. 3mm、導体層 11及び 1 gr gr

5の開口部の直径 d が 1. 65mm、スルーホール 2aの両端部の周囲に形成されて cle

いる導体層 2bの直径 d が 0. 95mm、スルーホール 2aの直径 d が 0. 65mm、絶 pad rod

縁層 21乃至 24の厚さが夫々 c =0. 3mm、 c = 1. 25mm, c =0. 3mm、 c =0.

1 2 3 4

3mmで to 。

[0033] 図 3は横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとり、電力損失の周波数依存性を示すグラフ図である。なお、図 3に示す電力値は、損失がない場合を 1. 0として規格ィ匕した値であり、具体的には、ネットワークアナライザ装置により測定した S 及び S を使

11 21 用し、 (1. 0- I s — I s 1 ²)により求めた値である。図 3に示すように、このプ

11 21

リント基板においては、周波数が f 、 f 、 f

0 1 2及び f

3のときに電力損失にピークが現れており、夫々の周波数において共振が起きている。このとき、共振器の高さ（絶縁層 21 乃至 24の厚さ c乃至 c )が波長に比べて十分小さい場合、共振周波数 f (m及び nは整数）は下記数式 1で表される。なお、下記数式 1において、 Cは光速、 ε ^ま比誘電率である。

[0034] [数 1]

[0035] 本実施形態の共振器においては、一辺の長さが少なくとも波長え ( = C/ (f X " ε ：) )の（1Ζ 2)に設定されているため、上記数式 1における m及び nは、必ず 1以上となり、 1つ以上の共振ピークが現れるようになつている。このため、本実施形態の平面視で矩形状の共振器は、縦 20mm、横 20mmと占有面積が極めて小さぐ小型であるにもかかわらず、 0乃至 20GHzの周波数範囲において、 4つ以上の共振ピークを得ることができる。

[0036] そして、図 3に示す第 1のピークの周波数 f ( = 5. 2GHz)は、上記数式 1において

0

(m, n) = ( 1 , 1)である場合に対応しており、 f =f として比誘電率 ε を求めると 4

0 m, n r

. 16となる。また、第 2のピークの周波数 f ( = 12GHz)は、 (m, n) = ( l , 3)である場合に対応しており、比誘電率 ε は 4. 04となる。同様に、第 3のピークの周波数 f は（ r 2 m, n) = (3, 3)に対応し、第 4のピークの周波数 f は (m, n) = (2, 5)に対応してお

3

り、夫々上記数式 1から比誘電率 ε を求めることができる。この比誘電率 ε は、下記数式 2で表される。

[0037] [数 2]

― ε'

[0038] 下記数式 2における ε ' は複素誘電率 ε ( = → ' )の実部であり、 ε は真

0 空の誘電率である。従って、プリント基板の比誘電率 ε を求めることにより、その複素誘電率の実部 _ε ' を求めることができる。

[0039] 次に、複素誘電率 εの虚部 ε "を求める。図 4は横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとつて、 1つの共振ピークを示す図である。なお、図 4に示す fは電力が最大値 Ρ をとる周波数であり、 f 及び f は電力が最大値 Pの（1Z 2)となる周波数である。複素誘電率 εの虚部 ε〃は、共振の Q値又は Q値の逆数である D値に関係し、図 4に示す共振ピークの Q値は、下記数式 3により求められる。

[0040] [数 3]

[0041] 上記数式 3により求められる Q値は、共振器の誘電体による電力損失 (誘電損失）及び導電体による電力損失 (導電損失)の両方を含んでおり、下記数式 4で表される。なお、下記数式 4における Qは誘電損失に由来する値であり、 Qは導電損失に由 d c

来する値である。

[0042] 画

1 1 I

Q Q_D α

[0043] よって、誘電体が存在しないときは Q = Qとなり、共振器の形状によっては、解析的な式が存在する。例えば、平面視で矩形状の共振器の場合は、下記数式 5により与えられる。

[0044] [数 5]

[0045] ここで、下記数式 5における aは共振器の横の長さ、 bは縦の長さ、 cは高さ（誘電層 21乃至 24の厚さ c乃至 c )である。また、 7? は 120 πであり、 Rは共振器の導体層

1 4 0 s

の材質及び測定周波数 fにより決定される表面抵抗値であり、この場合、導体層 11 乃至 15は銅であるため、表面抵抗値 Rsは下記数式 6により表される。

[0046] [数 6]

R, = 2.61 x 10 ⁷ x / [0047] また、 Sパラメータの測定により、図 4に示す共振ピークが得られ、この共振ピークの各値及び上記数式 3乃至 6により、誘電体の電力損失に由来する Qを決定すること d

ができる。この Q値と、誘電体の誘電正接 tan δ及び複素誘電率 εの虚部 ε " との d

関係は下記数式 7により表される。

[0048] [数 7] ίαηδ二——

α '

[0049] よって、誘電体の誘電正接 tan δを求めることにより、複素誘電率 εの虚部 ε "を求めることができる。例えば、図 3に示す周波数 f ( = 5. 2GHz)における共振ピーク

0

について、上記数式 3により Q値の逆数を求めると D= 1/Q = 0. 028となる。また、上記数式 5により、プリント基板内に設けられた 4個の共振器の夫々について、導電損失に由来する Q値を求めると、 Q =648、 Q = 2472、 Q =648、 Q =648と

c cl c2 c3 c4 なる。プリント基板内に共振器が複数個存在する場合には、全体の Q値の逆数は、各共振器の Q値の逆数の和で表されるため、プリント基板全体の Qc値の逆数（ 1ZQ )は下記数式 8により求められる。

[0050] [数 8]

[0051] そして、上記数式 8及び数式 4により、誘電損失に由来する Q値の逆数（

d 1ZQ )を d 求めると 0. 023となる。即ち、 5. 2GHzにおけるガラスエポキシ FR4材の実効的な誘電正接 tan δは 0. 023となる。なお、図 3に示すその他の共振ピークについても、同様の方法で誘電正接 tan δを求めることができる。

[0052] 図 5は横軸に周波数をとり、縦軸に電力値をとつて、スルーホールビア 1の間隔 L

gr を変化させたときの第 1の共振ピークが現れる周波数 f

0の変化を示すグラフ図である

。図 5に示すように、共振器の周縁に配置されるスルーホールビア 1の間隔 L を変え

gr ると、共振周波数 fが移動するだけでなぐ共振器の Q値も変化する。具体的には、間隔 L が 0. 6mmの場合には Q値の逆数の D値は 0. 028となり、間隔 L が 0. 9mm の場合の D値は 0. 028となり、間隔 L が 1. 2mmの場合の D値は 0. 031となり、間

gr

隔 L が 2. 4mmの場合の D値は 0. 041となる。これは、隣接するスルーホールビア 1 gr

間において電力のリークが生じている力もである。しかしながら、スルーホールビア 1 の間隔 L が所定の値よりも小さくなると、その変化量が極めて小さくなり、無視できる gr

程度になる。このため、スルーホールビア 1の間隔 L は、電力のリークが無視できる

gr

程度に十分に小さぐ具体的には測定波長え（ = CZ (f X ε ；) )の（1Z20)とすることが望ましい。

[0053] 上述の如ぐ実施形態の共振器においては、その周縁部に設けられた複数個のスルーホールビア 1と導体層 11乃至 15とにより、プリント基板内に平行平板共振器が形成されている。このため、複数個のスルーホールビア 1により囲まれた領域内に設けられた励振用スルーホールビア 2と同軸ケーブル 3 la及び 3 lbを直接接続し、ネットワークアナライザ装置により Sパラメータを測定することにより、共振の Q値を求め、この Q値力プリント基板全を構成する誘電体の複素誘電率を求めることができる。この共振器は、多層プリント基板の一部の領域を利用し、実機のテストクーポンとして基板内に作り込むことができるため、複素誘電率測定のための専用の治具が不要になると共に、実機のプリント基板の実効的な複素誘電率を精度よく測定することができる。また、共振器の形状が平面視で矩形状である場合、その大きさは例えば 20GHzまでの周波数範囲で測定するの場合は、 1辺が 20mm程度あれば十分であり、極めて小型である。更に、測定周波数が 20GHzを超える場合は、より小型化することが可能である。

[0054] 次に、本実施形態の第 2の実施形態に係る共振器について説明する。前述の第 1 の実施形態の共振器においては、複数のスルーホールビア 1により囲まれた領域の中心部分に励起用スルーホールビア 2を設けている力本発明はこれに限定されるものではなぐ中心部以外の部分に形成されていてもよい。図 6は本実施形態の共振器を示す平面図である。なお、図 6においては、図 1に示す第 1の実施形態の共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図 6に示すように、本実施形態の共振器においては、励起用のスルーホールビア 42が、スルーホールビア 1により囲まれた領域の中心力縦方向に (bZ4)だけ移動した位置に形成されている。

[0055] 本実施形態の共振器は、高次の共振モードが励起され易くなり、図 1に示す第 1の実施形態の共振器よりも多くの共振ピークが得られる。具体的には、 20GHzまでの周波数領域においては、第 1の実施形態の共振器では図 3に示す 4つの共振ピークが発生するが、本実施形態の共振器では、 6つの共振ピークが発生する。これにより、本実施形態の共振器は、第 1の実施形態の共振器よりも多くの複素誘電率の周波数依存性を求めるポイントを得ることができる。なお、本実施形態の共振器における上記以外の構成及び効果は前述の第 1の実施形態の共振器と同様である。また、その動作、即ち、本実施形態の共振器を使用して複素誘電率を測定する方法も前述の第 1の実施形態の共振器と同様である。

[0056] 次に、本実施形態の第 2の実施形態の変形例に係る共振器について説明する。図 7は本変形例の共振器を示す平面図である。なお、図 7においては、図 1に示す第 1 の実施形態の共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図 6に示す第 2の実施形態の共振器は、励振用のスルーホールビア 42をスル一ホールビア 1により囲まれた領域の中心力縦方向にのみ移動させて!/、るが、図 7 に示すように、本変形例の共振器は、縦方向及び横方向の両方に移動させている。具体的には、励起用のスルーホールビア 52が、スルーホールビア 1により囲まれた領域の中心から縦方向に (bZ4)、横方向に (aZ4)だけ移動した位置に形成されて!、る。

[0057] 本変形例の共振器は、起用のスルーホールビア 52力スルーホールビア 1により囲まれた領域の中心から縦方向及び横方向の両方に移動した位置に形成されてヽるため、縦方向及び横方向のいずれか一方の方向のみ移動した場合よりも、高次の共振モードが励起され易くなる。具体的には、 20GHzまでの周波数領域において、 7 つの共振ピークが得られる。その結果、前述の第 1及び第 2の実施形態の共振器よりも多くの複素誘電率の周波数依存性を求めるポイントを得ることができる。なお、本変形例の共振器における上記以外の構成及び効果は前述の第 2の実施形態の共振器と同様である。また、その動作、即ち、本実施形態の共振器を使用して複素誘電率を測定する方法も前述の第 2の実施形態の共振器と同様である。 [0058] 次に、本実施形態の第 3の実施形態に係る共振器について説明する。前述の第 1 及び第 2の実施形態並びに第 2の実施形態の変形例の共振器においては、その形状を平面視で矩形状としているが、本発明はこれに限定されるものではなぐ多角形状、円形状及び楕円形状とすることもできる。図 8は本実施形態の共振器を示す平面図である。なお、図 8においては、図 1に示す第 1の実施形態の共振器の構成要素と同じものには同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。図 8に示すように、本実施形態の共振器は、その形状が平面視で円形状であり、その周縁部には複数のスルーホ一ルビア 61が形成されている。そして、この複数のスルーホールビア 61により囲まれた平面視で円形状の領域の中心部に、励振用のスルーホールビア 62が形成されている。

[0059] 本実施形態の共振器においても、前述の平面視で矩形状の共振器と同様に、複数の共振が発生する。そして、その共振周波数はベッセル関数の根を含む簡単な数式で表すことができ、前述の第 1の実施形態の共振器と同様の方法で、複素誘電率を測定することができる。なお、本実施形態の共振器における上記以外の構成及び効果は前述の第 1の実施形態の共振器と同様である。

産業上の利用可能性

[0060] 本発明は、誘電体の複素誘電率及びその周波数特性を測定するための共振器、この共振器を備えたプリント基板、及び共振器を使用した複素誘電率の測定方法に有益である。

Claims

請求の範囲

[1] 誘電体層の複素誘電率を測定する複素誘電率測定用共振器において、前記誘電体層を間に挟むようにして相互に平行に配置された第 1及び第 2の導体層と、前記第 1及び第 2の導体層に夫々形成され相互に対向する第 1及び第 2の開口部と、前記第 1及び第 2の開口部の周囲に相互に間隔をおいて配置され前記第 1及び第 2の導体層を相互に接続する複数個の第 1のビアと、前記第 1及び第 2の開口部並びにこれらの開口部に整合する前記誘電体層の領域に前記第 1及び第 2の導体層に非接触で形成された第 2のビアと、を有することを特徴とする複素誘電率測定用共振器。

[2] 更に、前記第 1の導体層と前記第 2の導体層との間に、前記誘電体層を間に挟むようにして前記第 1及び第 2の導体層と平行に配置され前記第 1及び第 2の開口部に整合する位置に開口部が形成され前記第 1のビアに接続された 1以上の導体層を有することを特徴とする請求項 1に記載の複素誘電率測定用共振器。

[3] 前記第 1のビアにより囲まれている領域は、平面視で矩形状であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の複素誘電率測定用共振器。

[4] 複素誘電率の測定波長をえとしたとき、前記矩形状の領域の 1辺の長さが（λ Ζ 2 )以上であることを特徴とする請求項 3に記載の複素誘電率測定用共振器。

[5] 複素誘電率の測定波長を λとしたとき、相互に隣接する第 1のビア間の距離が（ λ / 20)以下であることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の複素誘電率測定用共振器。

[6] 複数の導体層が誘電体層により相互に絶縁されたプリント基板において、請求項 1乃至 5のいずれか 1項に記載の共振器を有することを特徴とするプリント基板。

[7] 誘電体層の複素誘電率の測定方法において、前記誘電体層を間に挟むようにして相互に平行に配置された第 1及び第 2の導体層と、前記第 1及び第 2の導体層に夫々形成され相互に対向する第 1及び第 2の開口部と、前記第 1及び第 2の開口部の周囲に相互に間隔をおいて配置され前記第 1及び第 2の導体層を相互に接続する複数個の第 1のビアと、前記第 1及び第 2の開口部並びにこれらの開口部に整合する前記誘電体層の領域に前記第 1及び第 2の導体層に非接触で形成された第 2のビアとを有する共振器の前記第 2のビアに高周波電力を印加し、 Sパラメータ法により前記第 2のビアと前記第 1及び第 2の導体層との間の電力損失を測定することを特徴とする複素誘電率の測定方法。

[8] 前記電力損失の測定は、一方の端部がネットワークアナライザに接続された 1対の同軸ケーブルの他方の端部側の外部導体を夫々前記第 1及び第 2の導体層に接続すると共に、前記 1対の同軸ケーブルの他方の端部側の中心導体を夫々前記第 2のビァの両端部から挿入して前記第 2のビアに接続し、前記ネットワークアナライザにより S 及び S を測定することを特徴とする請求項 7に記載の複素誘電率の測定方法。

11 21

[9] 前記共振器は、更に、前記第 1の導体層と前記第 2の導体層との間に、前記誘電体層を間に挟むようにして前記第 1及び第 2の導体層と平行に配置され前記第 1及び第 2の開口部に整合する位置に開口部が形成され前記第 1のビアに接続された 1以上の導体層を有することを特徴とする請求項 7又は 8に記載の複素誘電率の測定方法。

[10] 前記共振器の前記第 1のビアにより囲まれている領域は、平面視で矩形状であることを特徴とする請求項 7乃至 9のいずれか 1項に記載の複素誘電率の測定方法。

[11] 複素誘電率の測定波長をえとしたとき、前記矩形状の領域の 1辺の長さは、 { λ /f

2)以上であることを特徴とする請求項 10に記載の複素誘電率の測定方法。

[12] 複素誘電率の測定波長をえとしたとき、前記共振器の相互に隣接する第 1のビア間の距離は、（λ Ζ20)以下であることを特徴とする請求項 7乃至 11のいずれか 1項に記載の複素誘電率の測定方法。

[13] 前記共振器はプリント基板内に形成されており、前記プリント基板の複素誘電率測定に使用されることを特徴とする請求項 7乃至 12のいずれか 1項に記載の複素誘電率の測定方法。