JP7550403B2 - Resonator characteristic measurement method - Google Patents
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Description
本発明は共振器特性測定方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring resonator characteristics.
ミリ波帯などの高周波帯で用いられる共振器の一つとして導波管励振共振器がある。導波管励振共振器は、例えば、高周波帯におけるアンテナや導波路として使用できる。特許文献1には、積層型導波管線路に関する技術が開示されている。また、特許文献2には、被測定導体板の導電率を容易に測定できる高周波導電率測定装置に関する技術が開示されている。
One type of resonator used in high frequency bands such as the millimeter wave band is the waveguide excitation resonator. The waveguide excitation resonator can be used, for example, as an antenna or a waveguide in the high frequency band. Patent Document 1 discloses technology related to a laminated waveguide line.
所定のデバイスに適用可能な共振器を設計する際は、高周波帯における共振器の導電率や誘電正接を求める必要がある。例えば、直方体状の共振器の場合は、広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を求める必要がある。しかしながら、特許文献2に開示されている技術では、これらの値を一度に求めることができないため、共振器の特性を求める際に煩雑になるという問題がある。
When designing a resonator that can be applied to a specific device, it is necessary to determine the conductivity and dielectric loss tangent of the resonator in the high frequency band. For example, in the case of a rectangular parallelepiped resonator, it is necessary to determine the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent. However, with the technology disclosed in
上記課題に鑑み本発明の目的は、共振器の特性を容易に求められる共振器特性測定方法を提供することである。 In view of the above problems, the object of the present invention is to provide a method for measuring resonator characteristics that can easily determine the characteristics of a resonator.
本発明の一態様にかかる共振器特性測定方法は、
共振器寸法に対する感度係数および不確かさを評価し、前記感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定する第1のステップと、
前記第1のステップで決定された前記共振器寸法を有する共振器の通過特性を測定し、前記共振器の共振周波数と無負荷Q値を算出する第2のステップと、
前記第2のステップで算出された前記共振周波数と前記共振器寸法の実測値とを用いて、前記共振器の比誘電率を算出する第3のステップと、
前記第2のステップで算出された前記無負荷Q値と、前記第3のステップで算出された前記比誘電率と、前記共振器寸法の実測値と、を用いて、前記共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出する第4のステップと、を備える。
A method for measuring resonator characteristics according to one aspect of the present invention includes the steps of:
a first step of evaluating a sensitivity coefficient and an uncertainty with respect to a resonator size and determining a resonator size that reduces the sensitivity coefficient;
a second step of measuring a pass characteristic of a resonator having the resonator dimensions determined in the first step, and calculating a resonant frequency and an unloaded Q value of the resonator;
a third step of calculating a relative dielectric constant of the resonator using the resonance frequency calculated in the second step and actual measurements of the resonator dimensions;
and a fourth step of calculating the conductivity of a wide wall surface, the conductivity of a narrow wall surface, and a dielectric tangent of the resonator using the unloaded Q value calculated in the second step, the relative dielectric constant calculated in the third step, and the actual measured values of the resonator dimensions.
上述の共振器特性測定方法において、
前記共振器は直方体状の共振器でもよく、前記共振器の幅方向の寸法をa、厚さ方向の寸法をb、長手方向の寸法をdとした場合、
前記第1のステップにおいて、比誘電率と寸法aの感度係数式、比誘電率と共振周波数の感度係数式、寸法dと寸法aの感度係数式、及び寸法dと共振周波数の感度係数式を作成し、
前記無負荷Q値の標準不確かさ、前記寸法a、b、dの標準不確かさ、前記共振周波数の標準不確かさ、及び前記比誘電率の標準不確かさを仮定し、
前記寸法a、b、dを変化させたときの感度係数を算出してもよい。
In the above-mentioned resonator characteristic measuring method,
The resonator may be a rectangular parallelepiped resonator, and when the dimension in the width direction of the resonator is a, the dimension in the thickness direction is b, and the dimension in the longitudinal direction is d,
In the first step, a sensitivity coefficient equation between the dielectric constant and the dimension a, a sensitivity coefficient equation between the dielectric constant and the resonant frequency, a sensitivity coefficient equation between the dimension d and the dimension a, and a sensitivity coefficient equation between the dimension d and the resonant frequency are prepared;
Assuming a standard uncertainty of the unloaded Q value, a standard uncertainty of the dimensions a, b, and d, a standard uncertainty of the resonant frequency, and a standard uncertainty of the dielectric constant;
The sensitivity coefficient may be calculated when the dimensions a, b, and d are changed.
前記第1のステップにおいて、前記無負荷Q値の誤差が所定の値以下になるように隣接共振周波数の間隔を設定した後、前記感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定してもよい。 In the first step, the spacing between adjacent resonant frequencies may be set so that the error in the unloaded Q value is equal to or less than a predetermined value, and then the resonator dimensions may be determined so that the sensitivity coefficient is small.
前記隣接共振周波数の間隔の設定は、
二共振器以上の共振器並列回路を仮定し、
共振周波数と無負荷Q値Quを与えて通過特性を計算し、
前記通過特性から無負荷Q値Qumを計算し、
前記Quと前記Qumの差が所定の値以下になるように隣接共振周波数の間隔を設定することで実施されてもよい。
The interval between adjacent resonant frequencies is set as follows:
Assuming a parallel circuit of two or more resonators,
Given the resonant frequency and the unloaded Q value Qu, calculate the pass characteristic.
Calculate the unloaded Q value Qum from the pass characteristic;
This may be implemented by setting the interval between adjacent resonant frequencies so that the difference between Qu and Qum is equal to or smaller than a predetermined value.
前記第2のステップにおいて、互いに対向するように配置された第1及び第2の導体基板と、前記第1の導体基板と前記第2の導体基板との間に配置された金属ビアと、を備え、前記第1の導体基板と前記第2の導体基板と前記複数の金属ビアとで囲まれた空間が導波路として機能する共振器の通過特性を測定してもよい。 In the second step, the transmission characteristics of a resonator may be measured, the resonator comprising first and second conductor substrates arranged to face each other and metal vias arranged between the first and second conductor substrates, and the space surrounded by the first and second conductor substrates and the plurality of metal vias functions as a waveguide.
前記第3のステップにおいて、
比誘電率εrを未知数とし、共振器寸法a、b、d、共振周波数fmnl、共振モード次数m、l、比透磁率μrを既知数とし、
前記共振器寸法の実測値と下記の一次方程式とを用いて前記共振器の比誘電率を算出してもよい(ただし、前記共振器は直方体状の共振器であり、aは前記共振器の幅方向の寸法、bは厚さ方向の寸法、dは長手方向の寸法であり、n=0であり、x1、x2、x3、x4を下記のように定義する)。
The relative dielectric constant εr is an unknown quantity, and the resonator dimensions a, b, d, resonance frequency f mnl , resonance mode orders m, l, and relative permeability μr are known quantities,
The dielectric constant of the resonator may be calculated using the measured values of the resonator dimensions and the following linear equation (wherein the resonator is a rectangular parallelepiped resonator, a is the dimension in the width direction of the resonator, b is the dimension in the thickness direction, d is the dimension in the longitudinal direction, n=0, and x1 , x2 , x3 , and x4 are defined as follows):
前記第4のステップにおいて、
前記共振器の広壁面の導電率σf、狭壁面の導電率σr,t、及び誘電正接tanδを未知数とし、共振器寸法a、b、d、透磁率μ、波数k、自由空間のインピーダンスη、角周波数ω、無負荷Q値Qu、及び共振モード次数lを既知数とし、
下記の一次方程式を用いて、前記共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出してもよい(ただし、前記共振器は直方体状の共振器であり、aは前記共振器の幅方向の寸法、bは厚さ方向の寸法、dは長手方向の寸法であり、a1=(l2a3d+ad3
)×[2π
2
/{(kad)
3
bη}]×(ωμ/2)
1/2 、a2=(2l2a3b+2bd3
)×[2π
2
/{(kad)
3
bη}]×(ωμ/2)
1/2 であり、x5、x6、x7を下記のように定義する)。
The electrical conductivity σ f of the wide wall surface of the resonator, the electrical conductivity σ r,t of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent tan δ are unknown quantities, and the resonator dimensions a, b, d, magnetic permeability μ, wave number k, impedance η of free space, angular frequency ω, unloaded Q value Qu, and resonance mode order l are known quantities,
The conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric tangent of the resonator may be calculated using the following linear equations (wherein the resonator is a rectangular parallelepiped resonator, a is the dimension in the width direction of the resonator, b is the dimension in the thickness direction, and d is the dimension in the longitudinal direction, a1 = ( l2a3d + ad3 ) x [2π2 / {(kad) 3bη }] x (ωμ/2) 1/2 , a2 = ( 2l2a3b + 2bd3 ) x [2π2 / {(kad) 3bη }] x (ωμ/2) 1/2, and x5 , x6 , and x7 are defined as follows):
本発明により、共振器の特性を容易に求められる共振器特性測定方法を提供できる。 The present invention provides a method for measuring resonator characteristics that can easily determine the characteristics of a resonator.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法を適用する共振器について説明する。図1は、本実施の形態にかかる共振器の一例を示す斜視図である。図1に示すように、共振器1は直方体状の共振器であり、x軸方向の長さがa、y軸方向の長さがb、z軸方向の長さがdの構造体である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a resonator to which the resonator characteristics measuring method according to the present embodiment is applied will be described. Fig. 1 is a perspective view showing an example of a resonator according to the present embodiment. As shown in Fig. 1, the resonator 1 is a rectangular parallelepiped resonator, and is a structure having a length a in the x-axis direction, a length b in the y-axis direction, and a length d in the z-axis direction.
共振器1のxz面には結合スロット11、12が形成されている。具体的には、結合スロット11は、共振器1のz軸方向マイナス側に設けられており、結合スロット12は、共振器1のz軸方向プラス側に設けられている。結合スロット11、12のサイズは、x軸方向の長さがl、z軸方向の長さがwである。例えば、共振器1の内部は空洞であり、結合スロット11から導入された高周波は、共振器1の内部を伝搬した後、結合スロット12から導出される。
図2、図3は、本実施の形態にかかる共振器の構成例を示す斜視図および上面図である。図2、図3に示す共振器2は、導波管励振SIW(Substrate Integrated Waveguide)共振器であり、2枚の導体基板31、32と複数の金属ビア(貫通導体)33とを用いて構成されている。導体基板31は上側(y軸方向プラス側)に配置されており、導体基板32は下側(y軸方向マイナス側)に配置されている。導体基板31と導体基板32との間には、複数の金属ビア33が導波路を形成するように配置されている。つまり、図2、図3に示す共振器2は、導体基板31と導体基板32と複数の金属ビア33とで囲まれた空間が導波路として機能する。なお、2枚の導体基板31、32で挟まれる空間は空洞であってもよく、また誘電体材料が配置されていてもよい。
2 and 3 are perspective and top views showing an example of the configuration of a resonator according to this embodiment. The
共振器2の導体基板32側の面には結合スロット21、22が形成されている。具体的には、結合スロット21は、共振器2のz軸方向マイナス側に設けられており、結合スロット22は、共振器2のz軸方向プラス側に設けられている。結合スロット21には導波管35が接続されており、結合スロット22には導波管36が接続されている。導波管35、36のy軸方向マイナス側は、ネットワークアナライザ(不図示)と接続されている。例えば、ネットワークアナライザで生成された高周波は、導波管35および結合スロット21を介して共振器2に導入される。共振器2に導入された高周波は、共振器2を通過した後、結合スロット22および導波管36を介してネットワークアナライザへと伝達される。以下で説明する図4のステップS2では、このような構成を備える共振器2を用いて、共振器の通過特性を測定する。
次に、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法について説明する。図4は、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施の形態にかかる共振器特性測定方法は、下記の第1のステップから第4のステップを備える。 Next, a resonator characteristics measurement method according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart for explaining the resonator characteristics measurement method according to the present embodiment. The resonator characteristics measurement method according to the present embodiment includes the following first to fourth steps.
第1のステップは、共振器寸法に対する感度係数および不確かさを評価し、感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定するステップである(図4のステップS1)。
第2のステップは、第1のステップで決定された共振器寸法を有する共振器の通過特性を測定し、共振器の共振周波数と無負荷Q値を算出するステップである(図4のステップS2)。
第3のステップは、第2のステップで算出された共振周波数と共振器寸法の実測値とを用いて、共振器の比誘電率を算出するステップである(図4のステップS3)。
第4のステップは、第2のステップで算出された無負荷Q値と、第3のステップで算出された比誘電率と、共振器寸法の実測値と、用いて、共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出するステップである(図4のステップS4)。
The first step is to evaluate the sensitivity coefficient and uncertainty with respect to the resonator dimensions, and to determine the resonator dimensions that reduce the sensitivity coefficient (step S1 in FIG. 4).
The second step is to measure the pass characteristic of a resonator having the resonator dimensions determined in the first step, and to calculate the resonant frequency and the unloaded Q value of the resonator (step S2 in FIG. 4).
The third step is to calculate the relative dielectric constant of the resonator using the resonance frequency calculated in the second step and the actual measured values of the resonator dimensions (step S3 in FIG. 4).
The fourth step is a step of calculating the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent of the resonator using the unloaded Q value calculated in the second step, the relative dielectric constant calculated in the third step, and the actual measured values of the resonator dimensions (step S4 in FIG. 4).
以下、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法について、図4に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、以下では、図1に示した構造を備える共振器1の特性を測定する方法について説明する。 The resonator characteristic measuring method according to this embodiment will be described in detail below with reference to the flowchart shown in FIG. 4. The following describes a method for measuring the characteristics of the resonator 1 having the structure shown in FIG. 1.
図4のステップS1では、共振器寸法に対する感度係数および不確かさを評価し(ステップS1-1)、感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定する(ステップS1-2)。具体的には、仮定条件を定めて、図1に示した構造を備える共振器1に対する感度係数および不確かさを評価する。 In step S1 of FIG. 4, the sensitivity coefficient and uncertainty with respect to the resonator dimensions are evaluated (step S1-1), and the resonator dimensions that reduce the sensitivity coefficient are determined (step S1-2). Specifically, hypothetical conditions are defined, and the sensitivity coefficient and uncertainty for the resonator 1 having the structure shown in FIG. 1 are evaluated.
図5は、図4のステップS1の動作の詳細を説明するためのフローチャートである。図5に示すように、ステップS1では、まず、感度係数式を作成する(ステップS11)。 Figure 5 is a flowchart for explaining the details of the operation of step S1 in Figure 4. As shown in Figure 5, in step S1, first, a sensitivity coefficient formula is created (step S11).
下記の式は合成不確かさの一般式であり、ufiは、fiの合成不確かさであり、uxjは、xjの不確かさである。∂fi/∂xjは感度係数である。また、a、b、dは図1に示した共振器1の寸法であり、εrは比誘電率であり、σfは広壁面の導電率、σr,tは狭壁面の導電率であり、tanδは誘電正接であり、Quは無負荷Q値である。 The following formula is a general formula for the combined uncertainty, where u fi is the combined uncertainty of fi , and u xj is the uncertainty of xj . ∂ fi /∂ xj is the sensitivity coefficient. In addition, a, b, and d are the dimensions of the resonator 1 shown in Figure 1, ε r is the relative dielectric constant, σ f is the conductivity of the wide wall surface, σ r,t is the conductivity of the narrow wall surface, tan δ is the dielectric tangent, and Q u is the unloaded Q value.
また、下記の式は感度係数の一般式である。 The following formula is the general formula for the sensitivity coefficient:
ステップS11では、上述の合成不確かさの一般式と感度係数の一般式とを用いて、各パラメータの感度係数式を作成する。 In step S11, the sensitivity coefficient equation for each parameter is created using the general equation for the combined uncertainty and the general equation for the sensitivity coefficient described above.
具体的には、比誘電率εrと寸法aの感度係数式は下記の通りである。
また、比誘電率εrと共振周波数fの感度係数式は下記の通りである。
また、寸法dと寸法aの感度係数式は下記の通りである。
また、寸法dと共振周波数fの感度係数式は下記の通りである。
次に、不確かさを求めるために測定による値の標準不確かさを仮定する(ステップS12)。一例を挙げると、無負荷Q値Quの標準不確かさを0.3%、寸法a、b、dの標準不確かさを0.01%、共振周波数fの標準不確かさを0.01%、比誘電率の標準不確かさを0.3%と仮定する。 Next, the standard uncertainty of the measured values is assumed to obtain the uncertainties (step S12). As an example, the standard uncertainty of the unloaded Q value Qu is assumed to be 0.3%, the standard uncertainty of the dimensions a, b, and d is assumed to be 0.01%, the standard uncertainty of the resonant frequency f is assumed to be 0.01%, and the standard uncertainty of the relative dielectric constant is assumed to be 0.3%.
そして、各パラメータを変化させたときの感度係数を算出する(ステップS13)。一例を挙げると、解析条件として、周波数を57~95GHz、比誘電率を2.18、誘電正接を0.001、広壁面の導電率を1.82×107S/m、狭壁面の導電率を1.12×107S/mと設定して感度係数を算出する。 Then, the sensitivity coefficient is calculated when each parameter is changed (step S13). As an example, the sensitivity coefficient is calculated by setting the analysis conditions as follows: frequency 57 to 95 GHz, relative dielectric constant 2.18, dielectric loss tangent 0.001, conductivity of the wide wall surface 1.82×10 7 S/m, and conductivity of the narrow wall surface 1.12×10 7 S/m.
その後、感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定する(図4のステップS1-2)。例えば、共振器寸法aは小さく設定する。共振器寸法bは、比誘電率εrおよび寸法dには影響しないが、大きくすると狭壁面の導電率と誘電正接の不確かさが減少し、広壁面の導電率の不確かさが増加する。共振器寸法dは、大きくすると全てのパラメータで不確かさが減少する。しかし、共振器寸法dを大きくした場合はモード数が増加するので、共振周波数の差が小さくなり、隣の周波数の影響を受けてQ値が変化する。 After that, the resonator dimensions are determined so that the sensitivity coefficient becomes small (step S1-2 in FIG. 4). For example, the resonator dimension a is set small. The resonator dimension b does not affect the relative dielectric constant εr and the dimension d, but when it is increased, the uncertainty of the conductivity and dielectric loss tangent of the narrow wall surface decreases, and the uncertainty of the conductivity of the wide wall surface increases. When the resonator dimension d is increased, the uncertainty of all parameters decreases. However, when the resonator dimension d is increased, the number of modes increases, so the difference in resonant frequencies becomes small, and the Q value changes due to the influence of adjacent frequencies.
以下、感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定する場合について、図5のステップS14~S19を用いて説明する。ステップS14~S19では、隣接共振周波数の間隔の無負荷Q値への影響を評価する。すなわち、共振器長dを大きくすると共振周波数の差が小さくなり、隣の共振周波数の影響を受けてQ値が変化してしまうため、隣接共振周波数の間隔の無負荷Q値への影響を評価する。 Below, steps S14 to S19 in FIG. 5 are used to explain how to determine the resonator dimensions that reduce the sensitivity coefficient. In steps S14 to S19, the effect of the spacing between adjacent resonant frequencies on the unloaded Q value is evaluated. That is, when the resonator length d is increased, the difference between the resonant frequencies becomes smaller, and the Q value changes due to the effect of the adjacent resonant frequency, so the effect of the spacing between adjacent resonant frequencies on the unloaded Q value is evaluated.
まず、二共振器並列回路を仮定する(ステップS14)。次に、共振周波数と無負荷Q値Quを与え、通過特性を計算する(ステップS15)。そして、通過特性から無負荷Q値Qumを計算する(ステップS16)。その後、2つ以上の共振周波数の間隔Δfによる、QuとQumの差を評価する(ステップS17)。そして、所定の誤差範囲を満たすように共振周波数間隔Δfを設定する(ステップS18)。例えば、無負荷Q値Qu、Qumの誤差が0.1%以下になるように、共振周波数間隔Δfを設定する。上記条件では、無負荷Q値の誤差を0.1%以下にするには、共振周波数の間隔ΔfがΔf>0.02を満たすようにする。本実施の形態では、QuとQumの誤差が所定の誤差範囲を満たすように、ステップS15~S18の処理を繰り返す。その後、感度係数が小さくなるような共振器寸法を決定する(ステップS19)。なお、本実施の形態では、隣接共振周波数を評価するために、少なくとも二共振器並列回路を用いればよく、例えば二共振器よりも多い並列数、つまり二共振器以上の共振器並列回路としてもよい。 First, assume a two-resonator parallel circuit (step S14). Next, the resonant frequency and the unloaded Q value Qu are given, and the pass characteristic is calculated (step S15). Then, the unloaded Q value Qum is calculated from the pass characteristic (step S16). After that, the difference between Qu and Qu due to the interval Δf between two or more resonant frequencies is evaluated (step S17). Then, the resonant frequency interval Δf is set so as to satisfy a predetermined error range (step S18). For example, the resonant frequency interval Δf is set so that the error between the unloaded Q values Qu and Qum is 0.1% or less. Under the above conditions, in order to make the error of the unloaded Q value 0.1% or less, the interval Δf between the resonant frequencies is set to satisfy Δf>0.02. In this embodiment, the processes of steps S15 to S18 are repeated so that the error between Qu and Qum satisfies the predetermined error range. After that, the resonator dimensions are determined so that the sensitivity coefficient becomes small (step S19). In this embodiment, in order to evaluate adjacent resonant frequencies, it is sufficient to use at least two resonators in a parallel circuit, and it is also possible to use a parallel circuit with more than two resonators, i.e., a parallel circuit with two or more resonators.
次に、ステップS1で決定された共振器寸法を有する共振器の通過特性を測定し、共振器の共振周波数と無負荷Q値を算出する(図4のステップS2)。例えば、図2、図3に示した構成を備える共振器2を準備する。このとき、ステップS1で決定された共振器寸法a、b、dを有するように共振器2を構成する。そして、共振器2の通過特性を測定する(ステップS2-1)。
Next, the pass characteristic of the resonator having the resonator dimensions determined in step S1 is measured, and the resonant frequency and unloaded Q value of the resonator are calculated (step S2 in FIG. 4). For example,
具体的には、共振器2が備える結合スロット21に導波管35を接続し、結合スロット22に導波管36を接続する。また、導波管35、36のy軸方向マイナス側にネットワークアナライザ(不図示)を接続する。そして、ネットワークアナライザで高周波を生成し、この高周波を導波管35および結合スロット21を介して共振器2に導入する。共振器2に導入された高周波は、共振器2を通過した後、結合スロット22および導波管36を介してネットワークアナライザへと伝達される。このような構成を備える共振器2を用いて、共振器の通過特性を測定する。
Specifically, a
次に、測定した共振器の通過特性を用いて、共振器の共振周波数と無負荷Q値を算出する(ステップS2-2)。図6は、ステップS2における通過特性の測定結果の一例を示すグラフである。図6に示すように、共振周波数は通過量S21がピークになる周波数である。 Next, the measured pass characteristic of the resonator is used to calculate the resonant frequency and the unloaded Q value of the resonator (step S2-2). Figure 6 is a graph showing an example of the measurement result of the pass characteristic in step S2. As shown in Figure 6, the resonant frequency is the frequency at which the pass amount S21 reaches a peak.
図7は、ステップS2におけるQ値の算出方法を説明するためのグラフである。図7に示すように、共振周波数f0のピーク値から3dB小さい値における、低周波側の周波数をf1、高周波側の周波数をf2とすると、負荷Q値Qlは下記の式を用いて求められる。換言すると、3dB帯域幅の通過特性を用いて負荷Q値Qlを求める。
また、結合スロット21、22と導波管35、36の挿入損失IL0は下記の式を用いて求められる。
そして、無負荷Q値Qu,mは、負荷Q値Qlと挿入損失IL0を用いて、下記の式のように表せる。
無負荷Q値Qu,mは、共振の鋭さを示す値であり、Qu,mが大きいほど損失が少ない。 The unloaded Q value Qu ,m is a value indicating the sharpness of the resonance, and the larger Qu ,m is, the smaller the loss is.
次に、ステップS2で算出された共振周波数と共振器寸法の実測値とを用いて、共振器の比誘電率を算出する(図4のステップS3)。具体的には、以下の方法を用いて共振器の比誘電率を算出する。 Next, the relative dielectric constant of the resonator is calculated using the resonant frequency calculated in step S2 and the actual measured values of the resonator dimensions (step S3 in FIG. 4). Specifically, the relative dielectric constant of the resonator is calculated using the following method.
前提条件として、共振器寸法a、b、d、及び比誘電率εrを未知数とする。また、共振周波数fmnl、共振モード次数m、l、透磁率μrを既知数とする。 As a precondition, the resonator dimensions a, b, d, and the relative dielectric constant εr are unknown quantities, and the resonant frequency f mnl , the resonant mode orders m and l, and the magnetic permeability μr are known quantities.
図1に示した構成の共振器1において、共振周波数fmnlは、下記の式で表される。なお、cは光速である。
上記式を下記の式のように変形する。
そして、x1、x2、x3、x4を次のように定義する。
すると、上記式は、x1、x2、x3、x4を用いて次のように表される。
ここで、n=0であるので上記式は下記のように表される。
ここで、共振器寸法a、b、dは、ステップS2で用いた共振器の寸法を機械的に測定することで求められる。よって、x1、x3は既知の値となる。したがって、上記式は連立一次方程式に帰着するので、N=2で厳密解を、N>2で最小二乗解を算出することができる。このようにステップS3では、共振器寸法の実測値と上述の一次方程式とを用いて共振器の比誘電率εrを算出できる。 Here, the resonator dimensions a, b, and d are found by mechanically measuring the dimensions of the resonator used in step S2. Therefore, x1 and x3 are known values. Therefore, since the above formula reduces to simultaneous linear equations, an exact solution can be calculated for N=2, and a least-squares solution can be calculated for N>2. Thus, in step S3, the relative dielectric constant εr of the resonator can be calculated using the actual measured values of the resonator dimensions and the above linear equation.
次に、ステップS2で算出された無負荷Q値と、ステップS3で算出された比誘電率と、共振器寸法の実測値と、用いて、共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出する(図4のステップS4)。具体的には、以下の方法を用いて共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出する。 Next, the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent of the resonator are calculated using the unloaded Q value calculated in step S2, the relative dielectric constant calculated in step S3, and the actual measured values of the resonator dimensions (step S4 in FIG. 4). Specifically, the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent of the resonator are calculated using the following method.
前提条件として、共振器の広壁面の導電率σf、狭壁面の導電率σr,t、及び誘電正接tanδを未知数とする。また、共振器寸法a、b、d、透磁率μ、波数k、角周波数ω、無負荷Q値Qu、共振モード次数(z軸方向)lを既知数とする。 As a prerequisite, the electrical conductivity of the wide wall surface of the resonator σf , the electrical conductivity of the narrow wall surface σr ,t , and the dielectric tangent tan δ are unknowns. In addition, the resonator dimensions a, b, d, magnetic permeability μ, wave number k, angular frequency ω, unloaded Q value Qu, and resonant mode order (z-axis direction) l are known quantities.
図1に示した構成の共振器1において、無負荷Q値Qu、aは、下記の式で表される。下記の式より、共振器の壁面を流れる電流に応じて無負荷Q値が決定されるといえる。なお、kは波数、ηは自由空間のインピーダンスであり、Ri,j、σi,jは、i面内におけるj方向に流れる電流に対する表皮抵抗および導電率である。
また、無負荷Q値Quは、次の関係を有する。
また、1/Qcは、次のように表される。
このとき、下記のようにx5、x6を定義し、(l2a3d+ad3)×[2π
2
/{(kad)
3
bη}]×(ωμ/2)
1/2 をa1とし、(2l2a3b+2bd3)×[2π
2
/{(kad)
3
bη}]×(ωμ/2)
1/2 をa2としたので、結果として、1/Qc=a1x5+a2x6となる。
In this case, x5 and x6 are defined as follows, ( l2a3d + ad3 ) ×[2π2 / {(kad) 3bη }] ×(ωμ/2) 1/2 is set to a1, and (2l2a3b + 2bd3 ) × [2π2 / {(kad) 3bη }] ×(ωμ/2) 1/2 is set to a2 , so that 1 / Qc = a1x5 + a2x6 .
また、1/Qdは、次のように表される。
したがって、1/Quは結果的に次のような一次方程式で表される。
N個の共振モードを測定すると、N個の一次方程式が得られる。したがってこの場合は、未知数がx5、x6、x7の3つなので、N=3で厳密解を、N>3で最小二乗解が得られる。また、共振モードを4以上測定して誤差を吸収できる。なお、x5は広壁面の導電率σfの逆数の平方根、x6は狭壁面の導電率σr,tの逆数の平方根、x7は誘電正接tanδである。 Measuring N resonant modes results in N linear equations. In this case, since there are three unknowns, x5 , x6 , and x7 , an exact solution is obtained when N=3, and a least-squares solution is obtained when N>3. Also, errors can be absorbed by measuring four or more resonant modes. Note that x5 is the square root of the reciprocal of the conductivity σf of the wide wall surface, x6 is the square root of the reciprocal of the conductivity σr ,t of the narrow wall surface, and x7 is the dielectric loss tangent tan δ.
以上で説明した本実施の形態にかかる共振器特性測定方法では、単一の共振器で、広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を一度に求められるため、共振器の特性を容易に求められる。すなわち、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法では、複数の共振器を測定することなく、一度に広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を求められるので、共振器の特性を容易に求められる。また、本実施の形態にかかる共振器特性測定方法では、ステップS2において、図2、図3に示した構成の共振器を用いて共振器の通過特性を測定しているので、実用形態に近い形で電気物性を評価できる。 In the resonator characteristics measurement method according to the present embodiment described above, the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent can be obtained at once for a single resonator, so that the characteristics of the resonator can be easily obtained. In other words, in the resonator characteristics measurement method according to the present embodiment, the conductivity of the wide wall surface, the conductivity of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent can be obtained at once without measuring multiple resonators, so that the characteristics of the resonator can be easily obtained. In addition, in the resonator characteristics measurement method according to the present embodiment, in step S2, the pass characteristics of the resonator are measured using a resonator having the configuration shown in Figures 2 and 3, so that the electrical properties can be evaluated in a form close to a practical form.
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。 The present invention has been described above in accordance with the above embodiment, but the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and of course includes various modifications, alterations, and combinations that a person skilled in the art could make within the scope of the invention of the claims of this patent application.
1、2 共振器
11、12 結合スロット
21、22 結合スロット
31、32 導体基板
33 金属ビア(貫通導体)
35、36 導波管
1, 2
35, 36 Waveguide
Claims (7)
前記第1のステップで決定された前記共振器寸法を有する共振器の通過特性を測定し、前記共振器の共振周波数と無負荷Q値を算出する第2のステップと、
前記第2のステップで算出された前記共振周波数と前記共振器寸法の実測値とを用いて、前記共振器の比誘電率を算出する第3のステップと、
前記第2のステップで算出された前記無負荷Q値と、前記第3のステップで算出された前記比誘電率と、前記共振器寸法の実測値と、を用いて、前記共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出する第4のステップと、を備える、
共振器特性測定方法。 a first step of evaluating a sensitivity coefficient and an uncertainty with respect to a resonator size and determining a resonator size that reduces the sensitivity coefficient;
a second step of measuring a pass characteristic of a resonator having the resonator dimensions determined in the first step, and calculating a resonant frequency and an unloaded Q value of the resonator;
a third step of calculating a relative dielectric constant of the resonator using the resonance frequency calculated in the second step and actual measurements of the resonator dimensions;
a fourth step of calculating a conductivity of a wide wall surface, a conductivity of a narrow wall surface, and a dielectric loss tangent of the resonator using the unloaded Q value calculated in the second step, the relative dielectric constant calculated in the third step, and an actual measurement value of the resonator dimension.
Method for measuring resonator characteristics.
前記第1のステップにおいて、比誘電率と寸法aの感度係数式、比誘電率と共振周波数の感度係数式、寸法dと寸法aの感度係数式、及び寸法dと共振周波数の感度係数式を作成し、
前記無負荷Q値の標準不確かさ、前記寸法a、b、dの標準不確かさ、前記共振周波数の標準不確かさ、及び前記比誘電率の標準不確かさを仮定し、
前記寸法a、b、dを変化させたときの感度係数を算出する、
請求項1に記載の共振器特性測定方法。 The resonator is a rectangular parallelepiped resonator. If the dimension of the resonator in the width direction is a, the dimension in the thickness direction is b, and the dimension in the longitudinal direction is d, then:
In the first step, a sensitivity coefficient equation between the dielectric constant and the dimension a, a sensitivity coefficient equation between the dielectric constant and the resonant frequency, a sensitivity coefficient equation between the dimension d and the dimension a, and a sensitivity coefficient equation between the dimension d and the resonant frequency are prepared;
Assuming a standard uncertainty of the unloaded Q value, a standard uncertainty of the dimensions a, b, and d, a standard uncertainty of the resonant frequency, and a standard uncertainty of the dielectric constant;
Calculate the sensitivity coefficient when the dimensions a, b, and d are changed.
The method for measuring resonator characteristics according to claim 1 .
二共振器以上の共振器並列回路を仮定し、
共振周波数と無負荷Q値Quを与えて通過特性を計算し、
前記通過特性から無負荷Q値Qumを計算し、
前記Quと前記Qumの差が所定の値以下になるように隣接共振周波数の間隔を設定することで実施される、
請求項3に記載の共振器特性測定方法。 The interval between adjacent resonant frequencies is set as follows:
Assuming a parallel circuit of two or more resonators,
Given the resonant frequency and the unloaded Q value Qu, calculate the pass characteristic.
Calculate the unloaded Q value Qum from the pass characteristic;
This is implemented by setting the interval between adjacent resonant frequencies so that the difference between Qu and Qum is equal to or less than a predetermined value.
The method for measuring resonator characteristics according to claim 3 .
比誘電率εrを未知数とし、共振器寸法a、b、d、共振周波数fmnl、共振モード次数m、l、比透磁率μrを既知数とし、
前記共振器寸法の実測値と下記の一次方程式とを用いて前記共振器の比誘電率を算出する、
請求項1~5のいずれか一項に記載の共振器特性測定方法。
The relative dielectric constant εr is an unknown quantity, and the resonator dimensions a, b, d, resonance frequency f mnl , resonance mode orders m, l, and relative permeability μr are known quantities,
Calculate the relative dielectric constant of the resonator using the measured values of the resonator dimensions and the following linear equation:
The method for measuring resonator characteristics according to any one of claims 1 to 5.
前記共振器の広壁面の導電率σf、狭壁面の導電率σr,t、及び誘電正接tanδを未知数とし、共振器寸法a、b、d、透磁率μ、波数k、自由空間のインピーダンスη、角周波数ω、無負荷Q値Qu、及び共振モード次数lを既知数とし、
下記の一次方程式を用いて、前記共振器の広壁面の導電率、狭壁面の導電率、及び誘電正接を算出する、
請求項1~6のいずれか一項に記載の共振器特性測定方法。
The electrical conductivity σ f of the wide wall surface of the resonator, the electrical conductivity σ r,t of the narrow wall surface, and the dielectric loss tangent tan δ are unknown quantities, and the resonator dimensions a, b, d, magnetic permeability μ, wave number k, impedance η of free space, angular frequency ω, unloaded Q value Qu, and resonance mode order l are known quantities,
Calculate the broad wall conductivity, narrow wall conductivity, and dielectric tangent of the resonator using the following linear equations:
The method for measuring resonator characteristics according to any one of claims 1 to 6.
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