低損失材料の高精度ミリ波複素誘電率測定

All Rights Reserved. KEYCOM 2017 2017.03.10 Keysight web seminar 1

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 KEYCOM Corporation 170-0005 東京都豊島区南大塚 3-40-2 キーコムビル 170-0005 東京都豊島区南大塚 3-39-14 大塚南ビル 1F,2F TEL:03-5950-3101 FAX:03-5950-3380 埼玉事業所 354-0043 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 94010 USA Phone:+1-650-685-2477 FAX:+1-650-401-2221 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

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

All Rights Reserved. KEYCOM 2017 2-2. 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 0.1-10μm 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

2.3 測定方法の種類 ( 参考 ) 6

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

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

2-6. 周波数変化法 DPS-10 LAF-26.5A 9

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

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

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

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

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

4-2. 構成 システム構成 15

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 0.0001~0.05 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 1660-2 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.2008 16

4-4. 実物の写真 VNA N5227A 17

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

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

4-7. 薄膜の場合 開放型共振器中の電界強度分布 20

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

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

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

5-2. 測定画面例 (PTFE)2 測定結果誘電率 : 2.04 tanδ : 0.00049 1 時間以内で測定を完了できます 24

6-1. 周波数変化法測定システム 比誘電率 tanδ 25

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

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

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) 0.001 ~ 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

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

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

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 0.006 31

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

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

9-2. 材料測定方法の選び方 34

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

ありがとうございました 36