低損失材料の高精度ミリ波複素誘電率測定

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くうしょうしんまつ
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2 Today s agenda 1. はじめにキーコム ( 株 ) について 2. ミリ波での測定要求 3. 開発エンジニアの抱える問題 4. 開放型共振器法とは 5. 開放型 ( ファブリペロー ) 共振器法による測定例 6. 周波数変化法とは 7. 周波数変化法による測定例 8. 有効点のまとめと問題の解決 9. おわりに ( 測定方法一覧 ) 2

1. はじめにキーコムは 10μHz~300GHz ( 超低周波 /VHF/UHF/ マイクロ波 / ミリ波 / 超高周波 ) 分野における優れた技術を開発していますなおキーコムは誘電率測定装置のJIS 化及びIEC(International Electrotechnical Commission) 規格化委員になっています名称商号本社所在地東京事業所キーコム株式会社

3 1. はじめにキーコムは 10μHz~300GHz ( 超低周波 /VHF/UHF/ マイクロ波 / ミリ波 / 超高周波 ) 分野における優れた技術を開発していますなおキーコムは誘電率測定装置のJIS 化及びIEC(International Electrotechnical Commission) 規格化委員になっています名称商号本社所在地東京事業所キーコム株式会社 KEYCOM Corporation 東京都豊島区南大塚キーコムビル東京都豊島区南大塚大塚南ビル 1F,2F TEL: FAX: 埼玉事業所埼玉県入間郡三芳町竹間沢 452 サンフランシスコ事業所設立 1992 年 9 月 24 日 (23 年 ) 代表取締役従業員数営業品目 533 Airport Blvd. Suite 400 Burlingame, CA USA Phone: FAX: 鈴木洋介約 50 名電気材料定数 / 特性測定システム / 分析受託サーヒスミリ波 / マイクロ波 / ハルス関連コンホーネント / システムレーター / アンテナシステム / 評価システム超低温システムケーブルアセンブリ等 3

4 2-1. ミリ波での測定要求無線器械およびデジタル機器の小型化高周波化あるいはビットレイトの高速化により誘電率および tanδ の測定に際し試料の厚さや周波数に対し次の表のような要求が増えていますなお同表から誘電特性の薄膜での測定微小片での測定が必要となってきていることが分かります 4

5 All Rights Reserved. KEYCOM 試料の厚さ大きさおよび周波数などに対する要求試料の種類誘電体厚試料の大きさ周波数誘電体 1 層 1-500μm 10μm-100mm 100MHz- 85GHz 誘電体 2 層 1 層目 μm 2 層目 1-50μm 薄膜は測定が困難片側金属層付の誘電体 (1 層 ) 1-500μm 片側半導体付の誘電体 (1 層 ) 両側金属付の誘電体 (1 層 ) バルク材 1-50mm 5

6 2.3 測定方法の種類 ( 参考 ) 6

7 2.4 2 つの測定方法低損失材料ミリ波そして特に試料厚さが 5μm から 50mm 対応にしぼって 1. 開放型共振器法厚さ 5μm から測定出来る tanδ が 10^-4 まで測定出来る 2. 周波数変化法厚さ 50mm まで測定出来る tanδ が 10^-3 まで測定できる容易に測定ができる 7

8 2-5. 開放型共振器法キーコムのファブリペロー共振器 8

9 2-6. 周波数変化法 DPS-10 LAF-26.5A 9

10 2-7. オートモーティブ市場自動運転車の開発に伴い衝突防止レーダーの開発が本格化パッチアンテナ : 特に正確な誘電率異方性プリント板 : 小さなtanδ 誘電率異方性伝送特性ミリ波レーダー用エンブレム ( 衝突防止レーダー波を透過しなければならない ) ミリ波透過型カバー : 大きな試料での誘電率分布 10

11 2-8. スマートフォン携帯電話第 5 世代移動通信システム韓国では 2018 年平昌冬季オリンピック日本では 2020 年東京夏季オリンピックにあわせる形でサービス開始が目指されている 2017 年頃に仕様化 28GHz 通信の世界では 2 倍 3 倍高調波まで考慮しなければならないので 56GHz, 84GHz までの測定要求もありますアンテナ材料の選定誘電率 tanδ アンテナ設計プリント板 11

12 2-9. 携帯電話以外での 5G システムの利用が進むリアルタイムでの通信機械やセンサーの制御自動車やロボット産業機械医療の現場遠隔操作手術 12

13 3. 開発エンジニアの抱える問題材料測定 : 以前はフッ素樹脂系の材料が主だったが液晶ポリマー PPE およびポリプロピレンなど新材料がかなり出ているまたポリイミドは損失が大きかったがかなり低損失になってきているかなりぎりぎりなところでの開発を行っているので非常に精度の高い測定が必要になっている 13

14 4-1. 開放型 ( ファブリペロー ) 共振器法開放型共振法による測定の利点 1) ミリ波で低損失材料を測定できる 2) ステッピングモータを PC で制御し細かく位置調整することにより高精度で測定 3) tanδ の有効桁が 10^-4 まである 4) 共振器法では珍しく多数点が測定できる (18GHz ~ 110GHz) 14

15 4-2. 構成システム構成 15

16 4-3. 仕様測定試料例プリント基板フィルム ( 極薄膜極薄シート ) レドームカバーセラミックス樹脂 ( レジン ) 等モデル番号 DPS-03 周波数 18~110GHz(325GHz) 比誘電率 1.05~30 精度 ±3% 誘電正接 ~0.05 精度 ±7% 試料形状 < 試料の大きさ > 70mm x 70mm 以上 (18GHz-50GHz) 30mm x 30mm 以上 (50GHz 以上 ) < 試料の厚み > 5 μm~0.2mmのシート装置の大きさ温度範囲または実効波長の1/2の整数倍 1000mm(H) x 400mm(D) x 400mm(W) 以内通常仕様 : 常温特殊仕様はお問合せください 2004 年に JIS 規格に制定されました JIS R 極薄シートの測定法についての論文を次に示します H.SUZUKI, T.KAMIJO, IEEE TRANS. INSTRUMENTATION and MEASUREMENT Vol.57, No.12, Dec

17 4-4. 実物の写真 VNA N5227A 17

18 4-5. なぜ高精度な測定が可能なのか共振周波数が最適になるところへ試料を自動的に移動し測定を行う Stepping motor 18

19 4-6. 試料を中心位置に移動させる意味共振周波数の最適化の為に必要定在波のエネルギーの一番強いところに試料を置く必要があるまた試料の空気との境界部はエネルギーを低くする必要がある ( 厚い材料の厚さを波長の 1/2 の整数倍にする理由 ) 19

20 4-7. 薄膜の場合開放型共振器中の電界強度分布 20

21 4-8. 厚膜の場合 ½λ x n n が奇数 n が偶数 21 開放型共振器中の電界強度分布

22 4-9. 周波数の低いところが試料の中心位置具体例 ( 石英ガラス ) 周波数高低い一回目修正 22

23 5-1. 測定画面例 (PTFE)1 共振ポイント n が奇数か偶数かが理論からすぐわかるようにしてある 23

24 5-2. 測定画面例 (PTFE)2 測定結果誘電率 : 2.04 tanδ : 時間以内で測定を完了できます 24

25 6-1. 周波数変化法測定システム比誘電率 tanδ 25

26 6-2. 周波数変化法の特徴 1. 平面波での測定が可能で試料のセッティングが容易 2. 厚みのある試料が測定可能例 : レーダー用レドームカバーエンブレムハニカム材など 3. 透過減衰量を最小にする試料厚さがすぐわかる 26

27 6-3. 構成アンテナ誘電体レンズアンテナ試料ベクトルネットワークアナライザ N5277A 27

28 6-4. 仕様モデル番号周波数 LAF-26.5A 26.5 ~ 110GHz 比誘電率 1.01 ~ 10 精度 ±3% 誘電正接 (tanδ) ~ 0.1 精度 ±7% 試料サイズ装置の大きさ測定試料例 150mm x 150mm 厚さ 1mm ~ 50mm 400mmH x 1.5mW x 400mmD レーダー用レドームカバーエンブレムハニカム材料 etc. 28

29 6-5. 比誘電率 tanδ の算出比誘電率 : 試料の厚さ減衰量の最小の周波数の計算値と実測値の比較より算出 Tanδ : 透過減衰量の計算値と実測値の比較により算出 29

30 7-1. 周波数変化法の測定例 ( ポリカーボネート ) 測定システム :DPS10 試料の設置 ( ポリカーボネート ) 30

31 7-2. 周波数変化法の測定例 ( ポリカーボネート ) 測定対象 : ポリカーボネート試料厚さ :4.95mm 測定周波数 :50GHz 周辺 (40GHz 60GHz) 測定結果 : 比誘電率 2.60 tanδ

32 8. 問題の解決ミリ波帯での特性評価が以上の 2 方法でカバーされる試料厚み 5μm~20mm 開放型共振器法 1mm~50mm 周波数変化法 32

33 9-1. おわりにキーコムは 1 キーコムは誘電率磁性体測定装置の JIS 化び IEC(International Electrotechnical Commision) 規格化委員になっています 2 誘電率測定装置を国内外へ多数納入しています工業技術センター産業技術総合研究所台湾工業技術委員会 ITRI Korea Testing Lab. Of government, ktl など 33

34 9-2. 材料測定方法の選び方 34

35 9-3. キーコムの製品システムレーダーレーダー評価システム誘電率透磁率測定システム電波吸収率測定システム ( 遠方界近傍界 ) 透過減衰量測定システム超低温用製品マイクロ波ミリ波システム各種マイクロ波ミリ波コンポーネント伝送線路 ESR 装置アンテナ各種ケーブル等 35

36 ありがとうございました 36

~.15) Nylon12 樹脂 ( 比誘電率 2.1 等組成により異なる誘電正接.3 等 ) ポリプロピレン樹脂 ( 比誘電率 2.2~2.6 誘電正接.5~.18) ポリカーボネート樹脂 ( 比誘電率 3.1 誘電正接.1) などがあるこれらのうち高周波特性に影響する誘電正接が比較的低い材

~.15) Nylon12 樹脂 ( 比誘電率 2.1 等組成により異なる誘電正接.3 等 ) ポリプロピレン樹脂 ( 比誘電率 2.2~2.6 誘電正接.5~.18) ポリカーボネート樹脂 ( 比誘電率 3.1 誘電正接.1) などがあるこれらのうち高周波特性に影響する誘電正接が比較的低い材アナログディジタル融合制御 MIMO に適したアナログビームフォーミング給電回路の研究研究代表者関智弘日本大学生産工学部教授 1 まえがき移動通信の高速化に向けた検討として MassiveMIMO 技術の適用が進められている MassiveMIMO 技術を適用する場合 MIMO に関わるすべての処理をディジタル制御により行うとすると莫大な重み付け演算処理が必要となるそこでレーダー等に用いられるマルチビーム給電回路を用い