專利名稱：諧振器、印刷電路板及測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)與該介電常數(shù)的頻率特 性的諧振器、上面安裝有該諧振器的印刷電路板以及用于使用該諧振 器來(lái)測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
構(gòu)成印刷電路板的材料的復(fù)介電常數(shù)及該介電常數(shù)的頻率相關(guān)性 與通過(guò)該印刷電路板內(nèi)形成的傳輸路徑傳播的信號(hào)的延遲和衰減相 關(guān)，并且也用于高速傳輸路徑的設(shè)計(jì)中所需的電路模擬。因此，構(gòu)成 印刷電路板的材料的復(fù)介電常數(shù)的高精度測(cè)量對(duì)于在設(shè)計(jì)中提高電路 模擬的精度和改善設(shè)計(jì)精度是非常重要的。
傳統(tǒng)上，例如，通過(guò)將帶狀導(dǎo)體夾在層狀板之間形成帶狀線諧振 器，來(lái)確定構(gòu)成印刷電路板的材料的復(fù)介電常數(shù)和這些介電常數(shù)的頻 率特性，其中層狀板包括待測(cè)量的材料，例如電介質(zhì)材料等，其形成
印刷電路板的絕緣層(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1或?qū)＠墨I(xiàn)2)，并通過(guò) 測(cè)量S參數(shù)的頻率特性來(lái)獲得諧振的Q值。替代地，還有一種方法， 其中，將待測(cè)材料切下、安裝在特殊工具中并進(jìn)行測(cè)量(例如，參見(jiàn) 專利文獻(xiàn)3至8)。
此外，還提出了一種方法，其中構(gòu)造可用來(lái)測(cè)量印刷電路板內(nèi)的 復(fù)介電常數(shù)的高頻電路結(jié)構(gòu)(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)9至13)。圖9是 示出在專利文獻(xiàn)10中所述的高頻電路的構(gòu)造的示意性截面圖。如圖9 所示，在專利文獻(xiàn)10所述的高頻電路100中，多個(gè)導(dǎo)體層介由絕緣層 進(jìn)行層疊，并且在表面上形成電路圖案121，在電路圖案121中附著有 各種部件。
此外，包含諸如匹配線、扼流線等無(wú)源電路的內(nèi)部電極122形成 在電路圖案121之下并在它們之間介有絕緣層111，并且構(gòu)成高頻電路
的帶狀線諧振器的接地電極123形成在此之下并在它們之間介有絕緣 層112。此外，帶狀線諧振器的中央導(dǎo)體124形成在接地電極123之下 并在它們之間介有絕緣層113，并且?guī)罹€諧振器的接地電極125形成 在中央導(dǎo)體124之下并在它們之間介有絕緣層114。此外，絕緣層115 形成為最低層，形成側(cè)面電極126以覆蓋該層狀組件的側(cè)面。此外， 在各絕緣層的內(nèi)部部分中形成通孔，在這些通孔的內(nèi)表面形成導(dǎo)體層， 從而適當(dāng)?shù)剡B接電路圖案121和中央導(dǎo)體124。
在該高頻電路100中，接地電極123的圖案形成為具有這樣的形 狀，即，沒(méi)有電極形成在與中央導(dǎo)體124的形狀對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，由此 降低接地電極123和中央導(dǎo)體124之間的電容，并改善帶狀線諧振器 的Q值。
專利文獻(xiàn)l:日本特開(kāi)實(shí)用新型申請(qǐng)No. 6-74974 專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)實(shí)用新型申請(qǐng)No. 6-77312 專利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 6-331670 專利文獻(xiàn)4:日本專利公開(kāi)No. 8-20481 專利文獻(xiàn)5:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 7-1401S6 專利文獻(xiàn)6:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 8-220160 專利文獻(xiàn)7:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 2003-331220 專利文獻(xiàn)8:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 2004-45262 專利文獻(xiàn)9:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 10-51235 專利文獻(xiàn)10:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 10-51236 專利文獻(xiàn)11:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 2000-183233 專利文獻(xiàn)12:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 2003-168761 專利文獻(xiàn)13:日本特開(kāi)專利申請(qǐng)No. 2003-309403 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中遇到了以下問(wèn)題。在實(shí)際的印刷電路板 中，尤其是在具有多層結(jié)構(gòu)的印刷電路板中，在制造過(guò)程中層疊多種 材料，例如板、半固化片、層狀材料等，并在層疊這些材料之后執(zhí)行 熱處理和/或壓制處理。結(jié)果，印刷電路板的有效復(fù)介電常數(shù)取決于層 結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程，并且即使測(cè)量從板切下的樣品或在層疊之后從特定 位置切下的樣品，這也不能總是反映作為整體的印刷電路板的參數(shù)。 因此，在從印刷電路板的一部分切下樣品以及使用特定工具來(lái)測(cè)量復(fù) 介電常數(shù)的情況中，如在專利文獻(xiàn)1到8所述的測(cè)量方法一樣，作為 整體的印刷電路板的有效復(fù)介電常數(shù)不能以良好的精度進(jìn)行測(cè)量。另一方面，如果使用安裝在印刷電路板內(nèi)部的諧振器來(lái)測(cè)量復(fù)介 電常數(shù)，則能夠測(cè)量作為整體的印刷電路板的復(fù)介電常數(shù)。然而，產(chǎn) 生了以下問(wèn)題例如，如圖9所示的，在專利文獻(xiàn)9至13中所述的諧振器具有由側(cè)面電極126包圍的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。因此，難以將其他部件作為測(cè)試圖案嵌入到印刷電路板的內(nèi)部中。此外，由于諧振器沒(méi)有被激勵(lì)，難以在從幾吉赫茲到約20GHz的高頻范圍中以高精度測(cè)量復(fù)介電 常數(shù)。鑒于上述問(wèn)題而設(shè)計(jì)了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提供一種諧振器， 其能夠在從幾吉赫茲延伸到約20GHz的頻率范圍中以高精度測(cè)量復(fù)介 電常數(shù)和該介電常數(shù)的頻率依賴性，并且其顯示即使當(dāng)安裝在板上時(shí) 也沒(méi)有與其他部件的電干擾，還提供一種印刷電路板和用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法。解決上述問(wèn)題的手段本發(fā)明第一方面的諧振器是用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器，其測(cè) 量電介質(zhì)層的復(fù)介電常數(shù)，并且其特征在于包括第一和第二導(dǎo)體層，它們彼此平行地設(shè)置，以將電介質(zhì)層夾在其
間；第一和第二開(kāi)口部分，它們彼此面對(duì)并分別形成在第一和第二導(dǎo) 體層中；多個(gè)第一通路，其設(shè)置在第一和第二開(kāi)口部分周?chē)?，其間留有間 隙，并且其將第一和第二導(dǎo)體層彼此連接；和第二通路，其在第一和第二開(kāi)口部分中，并且在匹配這些開(kāi)口部 分的電介質(zhì)層的區(qū)域中，而不與第一和第二導(dǎo)體層接觸。在本發(fā)明的該方面中，由第一通路與第一和第二導(dǎo)體層形成平行 的平板諧振器，并且可通過(guò)向用于激勵(lì)的第二通路施加高頻電功率來(lái) 激勵(lì)該諧振器，所述第二通路以不與第一和第二導(dǎo)體層接觸的方式形成。因此，當(dāng)測(cè)量復(fù)介電常數(shù)時(shí)，不需要使用特定工具；此外，由于 如同常規(guī)的諧振器中一樣不需要側(cè)面電極，因此可利用印刷電路板的 一些區(qū)域并將其作為實(shí)際設(shè)備的附連試驗(yàn)板裝入。此外，在該諧振器 中，由于通過(guò)多個(gè)第一通路形成側(cè)壁，因此即使諧振器安裝在電路板 中，也沒(méi)有與其他部分的電干擾。因此，能夠以高精度測(cè)量期望測(cè)量 的實(shí)際印刷電路板的有效復(fù)介電常數(shù)。結(jié)果，能夠以高精度測(cè)量印刷 電路板的設(shè)計(jì)所需的參數(shù)，并能夠顯著提高設(shè)計(jì)精度。此外，該諧振器可具有一個(gè)或多個(gè)與第一和第二導(dǎo)體層平行設(shè)置 的導(dǎo)體層，以將電介質(zhì)層夾在第一和第二導(dǎo)體層之間，其具有形成在 匹配第一和第二開(kāi)口部分的位置中的開(kāi)口部分，并且其連接到第一通 路。由此，本發(fā)明能夠被應(yīng)用到具有多層結(jié)構(gòu)的印刷電路板，其中三 個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)體層被層疊在電介質(zhì)層的兩側(cè)，以便能夠形成多個(gè)諧振 器。此外，如平面圖中所見(jiàn)，由第一通路包圍的區(qū)域可以為矩形形狀。 結(jié)果，例如，在測(cè)量頻率范圍最高為20GHz的情況中，在一側(cè)上尺寸 可以減少到約為20mm。在測(cè)量頻率范圍超過(guò)20GHz的情況中，尺寸 可以進(jìn)一步減小。此外，在該情況中，矩形區(qū)域的一側(cè)的長(zhǎng)度可設(shè)為(入/V^)，其中入為復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。結(jié)果，在第二通路與第 一和第二導(dǎo)體層之間的功率損耗中產(chǎn)生1或更大的諧振峰值。此外，相鄰第一通路之間的距離可設(shè)為(A/20)或更小，其中入 為復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。結(jié)果，在相鄰第一通路之間出現(xiàn)的功率泄 漏可被最小化。本發(fā)明的第二方面的印刷電路板是這樣一種印刷電路板，其中， 多個(gè)導(dǎo)體層利用電介質(zhì)層進(jìn)行絕緣，其中該印刷電路板具有上面所述 的諧振器。在本發(fā)明的該方面中，由多個(gè)第一通路與第一和第二導(dǎo)體層形成 平板諧振器，并且通過(guò)向用第一和第二開(kāi)口部分與第二通路施加高頻 功率來(lái)激勵(lì)該諧振器，所述第二通路不與第一和第二導(dǎo)體層接觸，在 第一和第二開(kāi)口部分中以及匹配這些開(kāi)口部分的電介質(zhì)層的區(qū)域中形 成。因此，即使不使用特定工具，也能以高精度測(cè)量電介質(zhì)層的復(fù)介 電常數(shù)。此外，由于該諧振器由多個(gè)第一通路包圍，因此與安裝在電 路板中的其他部件沒(méi)有電干擾。根據(jù)本發(fā)明第三方面的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法是一種用于測(cè) 量電介質(zhì)層的復(fù)介電常數(shù)的方法。所述用于測(cè)量電介質(zhì)層的復(fù)介電常 數(shù)的方法包括以下步驟將高頻電功率施加到諧振器的第二通路，所述諧振器具有第一 和第二導(dǎo)體層，它們彼此平行地設(shè)置，以將所述電介質(zhì)層夾在其間； 第一和第二開(kāi)口部分，它們彼此面對(duì)并分別形成在所述第一和第二導(dǎo) 體層中；多個(gè)第一通路，其設(shè)置在所述第一和第二開(kāi)口部分周?chē)?，?間留有間隙，并且其將所述第一和第二導(dǎo)體層彼此連接；以及第二通路，其在所述第一和第二開(kāi)口部分中，并且在匹配這些開(kāi)口部分的所 述電介質(zhì)層的區(qū)域中，而不與所述第一和第二導(dǎo)體層接觸；和通過(guò)S參數(shù)法測(cè)量所述第二通路與所述第一和第二導(dǎo)體層之間的 功率損耗。在本發(fā)明的該方面中，高頻電功率直接被施加到用于激勵(lì)的第二 通路，并且因此電場(chǎng)與磁場(chǎng)垂直的純TEM (橫向電磁模式)波能夠被 輸入到諧振器。因此，能夠以高精度測(cè)量復(fù)介電常數(shù)。在該復(fù)介電常數(shù)測(cè)量方法中，例如，將第一端部連接到網(wǎng)絡(luò)分析 器的一對(duì)同軸電纜的第二端部上的外部導(dǎo)體分別連接到第一和第二導(dǎo) 體層，將該對(duì)同軸電纜的第二端部的中央導(dǎo)體分別從第二通路的端部 插入并連接到第二通路。以這種方式，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析器來(lái)測(cè)量Sn和s21。該諧振器還可具有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體層，這些導(dǎo)體層被設(shè)置在第一 和第二導(dǎo)體層之間，并且被定向?yàn)槠叫杏诘谝缓偷诙?dǎo)體層，以將電 介質(zhì)層夾在中間，該電介質(zhì)層具有形成在匹配第一和第二開(kāi)口部分的 位置中的開(kāi)口部分，并且其連接到第一通路。此外，如平面圖中可見(jiàn)，諧振器的由第一通路包圍的區(qū)域可具有 矩形形狀。在該情況中，矩形區(qū)域的一側(cè)的長(zhǎng)度可設(shè)為(人/VI)或更 大，其中，A為復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。此外，諧振器的相鄰第一通路之間的距離可設(shè)為(入/20)或更小，其中入為復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。另外，諧振器可形成在印刷電路板 中，并可測(cè)量該印刷電路板的復(fù)介電常數(shù)。在本發(fā)明中，由于第二通路以不與第一和第二導(dǎo)體層接觸的方式 形成，因此能夠通過(guò)向這些第二通路施加高頻功率來(lái)激勵(lì)由第一通路 與第一和第二導(dǎo)體層構(gòu)成的諧振器。此外，由于多個(gè)第一通路被設(shè)置 在周?chē)鷧^(qū)域中，能夠防止與其他部分的電干擾，從而能夠?qū)⒅C振器裝入到印刷電路板中，并且在從幾吉赫茲延伸到20GHz的頻率范圍中， 能夠以高精度測(cè)量該印刷電路板的有效復(fù)介電常數(shù)和該復(fù)介電常數(shù)的 頻率。


圖1 (a)是示出本實(shí)施例的諧振器的平面圖，圖1 (b)是沿圖1 (a)中A-A線的截面圖；圖2 (a)是示出使用本實(shí)施例的諧振器來(lái)測(cè)量印刷電路板的復(fù)介 電常數(shù)的方法的截面透視圖，以及圖2 (b)是沿圖2 (a)中B-B線的 截面圖；圖3是示出功率損耗的頻率依賴性的圖，頻率繪制在橫軸上，功 率值繪制在縱軸上；圖4是示出一個(gè)諧振峰值的圖，頻率繪制在橫軸上，以及功率值 繪制在縱軸上；圖5是示出當(dāng)通孔通路1的間隙L^變化時(shí)出現(xiàn)第一諧振峰值處的 頻率fo的變化的圖，頻率繪制在橫軸上，功率值繪制在縱軸上； 圖6是示出構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例2的諧振器的平面圖； 圖7是示出構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例2的變體的諧振器的平面圖； 圖8是示出構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例3的諧振器的平面圖； 圖9是示出在專利文獻(xiàn)10中所述的高頻電路的構(gòu)造的示意性截面圖。圖例1、 2、 42、 52、 61、 62:通孔通路la、 2a:通孑Llb、 2b、 11至15:導(dǎo)體層21至24、 111至115:絕緣層31a、 31b:同軸電纜32a、 32b、 124:中央導(dǎo)體33a、 33b:絕緣體34a、 34b:外部導(dǎo)體
100:高頻電路 121:電路圖案 122:內(nèi)部電極123、 125:接地電極 116:側(cè)面電極具體實(shí)施方式
將參考附圖來(lái)詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。首先，將描述構(gòu)成本 發(fā)明的實(shí)施例1的諧振器。本實(shí)施例的諧振器形成在具有多層結(jié)構(gòu)的 印刷電路板中，其中形成五個(gè)導(dǎo)體層并在這些導(dǎo)體層之間介有絕緣層，每一絕緣層由電介質(zhì)構(gòu)成。圖1 (a)是示出本實(shí)施例的諧振器的平面 圖，圖1 (b)是沿圖1 (a)中A-A線的截面圖。如圖1 (a)和1 (b) 所示，從平面圖中可見(jiàn)，本實(shí)施例的諧振器具有矩形形狀，并且形成 有多個(gè)通孔通路1，通孔通路1貫穿印刷電路板，并且其中在直徑為 dy的通孔la的內(nèi)表面上形成導(dǎo)體層lb，在該諧振器的外圍部分中在這 些通孔通路之間留有固定間隙I^。這些通孔通路1被連接到所有導(dǎo)體 層11至15。此外，直徑為dde的開(kāi)口部分形成在由導(dǎo)體層11至15中的通孔通路1包圍的區(qū)域的中央部分中，貫穿印刷電路板的直徑為dr。d的通孔 2a形成在這些開(kāi)口部分的中央部分中。形成導(dǎo)體層2b，以便覆蓋這些 通孔2a的內(nèi)表面和兩個(gè)端部的圓周；用于激勵(lì)諧振器的通孔通路2由 通孔2a和導(dǎo)體層2b形成。在這些通孔通路2中，在通孔2a的兩個(gè)端 部的圓周周?chē)纬傻膶?dǎo)體層2b，即在導(dǎo)體層11和導(dǎo)體層15的開(kāi)口部 分內(nèi)形成的導(dǎo)體層2b，其直徑為dpad，并且在印刷電路板的前表面和 后表面上的導(dǎo)體層(導(dǎo)體層11和15)和通孔通路2之間的距離為 (dcle-dpad)。同時(shí)，在印刷電路板的內(nèi)部，在導(dǎo)體層(導(dǎo)體層12至14) 和通孔通路2之間的距離為(dele-dr。d)。此外，導(dǎo)體層11至15通過(guò)絕緣層21至24彼此絕緣，絕緣層21 至24中每一層由電介質(zhì)構(gòu)成；結(jié)果，各自的(長(zhǎng)、寬、高)值為(a、 b、 Cl) 、 (a、 b、 c2) 、 (a、 b、 c3)和(a、 b、 c4)的四個(gè)諧振腔在 印刷電路板的厚度方向中形成，其中a是由通孔通路1包圍的區(qū)域的橫 向長(zhǎng)度，b是該區(qū)域的縱向長(zhǎng)度，Cl、 c2、 C3和C4是絕緣層21至24各 自的厚度。此外，通孔la的直徑c^和通孔2a的直徑每個(gè)表示鉆孔直 徑。接下來(lái)，將描述本實(shí)施例的諧振器的操作，即，使用本發(fā)明的諧 振器的復(fù)介電常數(shù)測(cè)量方法。圖2 (a)是示出用來(lái)使用本實(shí)施例的諧 振器來(lái)測(cè)量印刷電路板的復(fù)介電常數(shù)的方法的截面透視圖，圖2 (b)' 是沿圖2 (a)中B-B線的截面圖。如圖2 (a)和2 (b)所示，當(dāng)要測(cè) 量印刷電路板的復(fù)介電常數(shù)時(shí)，首先準(zhǔn)備兩個(gè)同軸電纜31a和31b，其 中，中央導(dǎo)體從一個(gè)端部突出。然后，將同軸電纜31a的中央導(dǎo)體32a 插入到通孔通路2的一個(gè)端部中，并將在該中央導(dǎo)體32a的外部上經(jīng)由 絕緣體33a而形成的外部導(dǎo)體34a的端部壓配合在導(dǎo)體層11中；此外， 將同軸電纜31b的中央導(dǎo)體32b插入到通孔通路2的另一個(gè)端部中， 并將在該中央導(dǎo)體32b的外部上經(jīng)由絕緣體33b而形成的外部導(dǎo)體34b 的端部按壓配合在導(dǎo)體層15中。結(jié)果，同軸電纜31a和31b的中央導(dǎo) 體32a和32b被電連接到通孔通路2的導(dǎo)體層2a，并且外部導(dǎo)體34a 和34b分別被電連接到導(dǎo)體層11和15。在這種情況中，期望使用半剛 性類型的同軸電纜，這種電纜在外部導(dǎo)體34a和34b中具有剛性，并且 其不易彎曲，如同軸電纜31a和31b。接下來(lái)，將同軸電纜32a和32b的另一端部分別地連接到網(wǎng)絡(luò)分 析器的端口 1和端口 2，并通過(guò)S參數(shù)法測(cè)量通孔通路2與導(dǎo)體層11 和15之間的功率損耗，也就是電介質(zhì)層21至24中的功率損耗。然后， 基于獲得的結(jié)果，通過(guò)下面所述的方法，來(lái)確定形成印刷電路板的絕 緣層21至24的電介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)，以及該介電常數(shù)的頻率依 賴性。在本實(shí)施例的諧振器中，用于激勵(lì)的通孔通路2與同軸電纜32a 和32b直接連接，并且從網(wǎng)絡(luò)分析器的端口 1輸出并輸入到端口 2的 高頻功率線性地通過(guò)諧振器；因此，其中電場(chǎng)和磁場(chǎng)彼此正交的純TEM 波可被輸入到諧振器。結(jié)果，能夠以高精度確定Q值。下面，將描述根據(jù)通過(guò)上述方法測(cè)量的功率損耗來(lái)確定絕緣層21 至24的復(fù)介電常數(shù)和該復(fù)介電常數(shù)的頻率特性的方法，作為使用如下 這樣的印刷電路板的例子，在該印刷電路板中，由玻璃環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)R4 材料形成絕緣層21至24，并且形成在平面圖中可見(jiàn)為矩形的諧振器。 在該印刷電路板中形成的諧振器的尺寸如下橫向長(zhǎng)度a為20mm，縱 向長(zhǎng)度b為20mm，通孔通路1的間隙L^為0.6mm，通孔la的直徑 dgr為0.3mm，導(dǎo)體層11和15中的開(kāi)口部分的直徑dde為1.65mm，在 通孔2a的兩個(gè)端部周?chē)纬傻膶?dǎo)體層2b的直徑dpad為0.95mm，通孔 2a的直徑dw為0.65mm，絕緣層21至24的各自厚度為Cl=0.3mm、 c2=1.25mm、 c3=0.3mm、 C4=0.3mm。圖3是示出功率損耗的頻率依賴性的圖，頻率繪制在橫軸上，功 率值繪制在縱軸上。此外，圖3中所示的功率值為在沒(méi)有損耗的情況 中歸一化為1.0的2值；，體而言，這是使用通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析器測(cè)量的Su 和S^由(L() —l1^12—l&'l2)確定的值。如圖3所示，在該印刷電路板中，峰值出現(xiàn)在頻率fo、 f,、 f2和f3處的功率損耗中，并且諧振發(fā)生在該相應(yīng)的頻率處。這里，在諧振器的高度(絕緣層21至24的厚度d至C》 與波長(zhǎng)相比足夠小的情況中，諧振頻率fm,n (m和n為整數(shù))由下式l 表示。此外，在下式1中，C為光速，^為比介電常數(shù)。[式1〗<formula>formula see original document page 14</formula>在本實(shí)施例的該諧振器中，將一側(cè)的長(zhǎng)度設(shè)定為波長(zhǎng)入(=c/(fx^))的至少(1/^);因此，上式1中的m和n總是為1或更大， 并且出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)諧振峰值。因此，盡管諧振器很緊湊，其占據(jù)20mm 長(zhǎng)乘20mm寬的極小面積，但在0到20GHz的頻率范圍內(nèi)能夠獲得四 個(gè)或更多的諧振峰值。此外，圖3中所示的第一峰值的頻率fQ (=5.2GHz)是上式中的 (m,n)為(l，l)的情況。當(dāng)利用fffm，n來(lái)確定比介電常數(shù)e f時(shí)，獲得4.16的值。此外，第二峰值的頻率& ( = 12GHz)是其中(m，n)為 (1,3)的情況；這里，比介電常數(shù)Er為4.04。類似地，第三峰值的頻率f2對(duì)應(yīng)(m，n) = (3,3)，第四峰值的頻率6對(duì)應(yīng)(m，n) = (2,5)，并且可根據(jù)上式1來(lái)確定每個(gè)比介電常數(shù)e ^這些比介電常數(shù)e r由下式2表不。[式2〗<formula>formula see original document page 15</formula>式2中的^為復(fù)介電常數(shù)^"'-z'O的實(shí)部，f。是真空介電常數(shù)。 因此，可通過(guò)確定印刷電路板的比介電常數(shù)、來(lái)確定復(fù)介電常數(shù)的實(shí)接下來(lái)，確定復(fù)介電常數(shù)s的虛部〃'。圖4是示出一個(gè)諧振峰值 的圖，頻率繪制在橫軸上，功率值繪制在縱軸上。此外，圖4中所示的f為功率取最大值P處的頻率，Q和fM為功率取最大值P的(1/^ )的值處的頻率。復(fù)介電常數(shù)e的虛部s"與諧振的Q值或?yàn)镼值的倒數(shù) 的D值相關(guān)；通過(guò)下式3來(lái)確定圖4中所示的諧振峰值的Q值。[式3]<formula>formula see original document page 15</formula> / /通過(guò)上式3確定的Q值包括諧振器的電介質(zhì)的功率損耗(介電損 耗)和導(dǎo)體的功率損耗(導(dǎo)電損耗)，并由下式4來(lái)表示。此外，下式4中的Qd是源自介電損耗的值，Qe是源自導(dǎo)電損耗的值。 丄一丄丄因此，當(dāng)不存在電介質(zhì)時(shí)，Q=QC，并且存在取決于諧振器的形狀 的解析方程式。例如，在諧振器具有如平面圖中所示的矩形形狀的情 況中，Qe由下式5給出。[式5] ,這里，在式5中，a為諧振器的橫向長(zhǎng)度，b為縱向長(zhǎng)度，c為高 度(電介質(zhì)層21至24的厚度d至C4)。此外，"。為120冗，^為由諧振器的導(dǎo)體層的材料和測(cè)量頻率f確定的表面電阻值。在該情況中，由 于導(dǎo)體層11至15是銅，表面電阻Rs由下式6表示。[式6]& =2.61xl0-7 x^/7此外，通過(guò)S參數(shù)的測(cè)量來(lái)獲得圖4中所示的諧振峰值。可借助 該諧振峰值的各個(gè)值和上面的式3到式6來(lái)確定源于介電功率損耗的 Qd。該Qd值與介電正切tan5和復(fù)介電常數(shù)e的虛部^之間的關(guān)系由 下式7來(lái)表示。[式7] " 丄=tan <5" = i因此，可通過(guò)確定電介質(zhì)的介電正切tanS來(lái)確定復(fù)介電常數(shù)e的 虛部e"。例如，在圖3所示的頻率f。 (=5.2GHz)處的諧振峰值的情
況中，如果通過(guò)上式3來(lái)確定Q值的倒數(shù)，則獲得D-l/Q-0.028的值。 此外，如果對(duì)于設(shè)置在印刷電路板中的四個(gè)諧振器中的每一個(gè)使用上 式5來(lái)確定源自導(dǎo)電損耗的Qe值，則獲得Qel=648、 Qc2=2472、 Qe3=648 和Qe4=648的值。在印刷電路板中存在多個(gè)諧振器的情況中，整體Q 值的倒數(shù)由各諧振器的Q值的倒數(shù)之和表示。因此，作為整體的印刷 電路板的Qc值的倒數(shù)(1/Qc)由下式8來(lái)確定。[式8]<formula>formula see original document page 17</formula>此外，當(dāng)使用式8和4來(lái)確定源自介電損耗的Q d值的倒數(shù)(1 / Q d ) 時(shí)，獲得值0.023。具體而言，玻璃環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)R材料的有效介電正切 tan S在5.2GHz處為0.023。此外，對(duì)于圖3中所示的其他諧振峰值， 可通過(guò)類似的方法來(lái)確定介電正切tan S 。圖5是示出當(dāng)通孔通路1的間隙I^變化時(shí)出現(xiàn)第一諧振峰值處的 頻率f。的變化的圖，頻率繪制在橫軸上，功率值繪制在縱軸上。如圖5 所示，當(dāng)圍繞諧振器的周邊設(shè)置的通孔通路1的間隙I^變化時(shí)，不僅 諧振頻率f移動(dòng)，而且諧振器的Q值也變化。具體而言，對(duì)于0.6mm 的間隙Lp， Q值的倒數(shù)D值是0.028，對(duì)于0.9mm的間隙Lgr， D值是 0.028，對(duì)于1.2 mm的間隙Lgr， D值是0.031，對(duì)于2.4mm的間隙Lgr， D值是0.041。其原因是，在相鄰的通孔通路1之間發(fā)生功率泄漏。然 而，當(dāng)通孔通路1的間隙Lg"j、于特定值時(shí)，變化量極小并可忽略。因 此，期望的是將通孔通路1的間隙Lp設(shè)定為足夠小的值，從而能夠忽 略功率泄漏，目卩，期望該間隙設(shè)定為測(cè)量波長(zhǎng)入(-c/(fxV ))的至 少(1/20)。在本實(shí)施例的諧振器中，如上所述，通過(guò)導(dǎo)體層11至15和設(shè)置 在外圍部分中的多個(gè)通孔通路1形成平行的平板諧振器。因此，在同 軸電纜31a和31b與設(shè)置在由多個(gè)通孔通路l包圍的區(qū)域中用于激勵(lì)的
通孔通路2之間具有直接連接，可通過(guò)借助網(wǎng)絡(luò)分析器測(cè)量S參數(shù)來(lái) 確定諧振的Q值，并可根據(jù)該Q值確定構(gòu)成作為整體的印刷電路板的 電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)。該諧振器利用多層印刷電路板的區(qū)域的一部分， 并可作為實(shí)際設(shè)備的附連試驗(yàn)板裝入到電路板中。因此，不需要用于 測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的特定工具；此外，能夠以高精度測(cè)量實(shí)際設(shè)備的印 刷電路板的復(fù)介電常數(shù)。此外，在如平面圖中可見(jiàn)的諧振器的形狀為矩形的情況中，當(dāng)在最高20GHz的頻率范圍內(nèi)執(zhí)行測(cè)量時(shí)，在一側(cè)上 的約20mm的尺寸是足夠的，并且諧振器極其緊湊。此外，在測(cè)量頻 率超過(guò)20GHz的情況中，能夠使諧振器更加緊湊。接下來(lái)，將描述構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例2的諧振器。在上面所述的 實(shí)施例1的諧振器中，用于激勵(lì)的通孔通路2被設(shè)置在由多個(gè)通孔通 路1包圍的區(qū)域的中央部分中。然而，本發(fā)明不限于此。這些通孔通 路2可形成在中央部分之外的區(qū)域中。圖6是示出本實(shí)施例的諧振器 的平面圖。此外，在圖6中，與圖1所示的實(shí)施例1的諧振器的構(gòu)成 元件相同的元件用相同的符號(hào)標(biāo)記，并省略了這些元件的詳細(xì)說(shuō)明。 在本實(shí)施例的諧振器中，如圖6所示，用于激勵(lì)的通孔通路42形成在 從由通孔通路1包圍的區(qū)域的中心偏移(b/4)的位置。在本實(shí)施例的諧振器中，更高階的諧振模式是容易激勵(lì)的，并且 獲得比圖1所示的實(shí)施例1的諧振器更多的諧振峰值。具體而言，在 最高20GHz的頻率區(qū)域中，在實(shí)施例1的諧振器中產(chǎn)生圖3中所示的 四個(gè)諧振峰值。然而，在本實(shí)施例的諧振器中，產(chǎn)生六個(gè)諧振峰值。 結(jié)果，本實(shí)施例的諧振器能夠獲得比實(shí)施例1的諧振器更多的點(diǎn)，用 于確定復(fù)介電常數(shù)的頻率依賴性。此外，在本實(shí)施例的諧振器中，上 述以外的構(gòu)造和效果與實(shí)施例1的諧振器相同。此外，使用本實(shí)施例 的諧振器的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的操作也就是方法，也與在實(shí)施例1 的諧振器中所用的相同。接下來(lái)，將描述構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例2的變型的諧振器。圖7是 示出該變型的諧振器的平面圖。此外，在圖7中，與圖1所示的實(shí)施 例1的諧振器的構(gòu)成元件相同的元件用相同的符號(hào)標(biāo)記，并省略了這 些元件的詳細(xì)說(shuō)明。在圖6所示的實(shí)施例2的諧振器中，用于激勵(lì)的 通孔通路42僅在縱向上從由通孔通路1包圍的區(qū)域的中心偏移；然而， 在本變型的諧振器中，如圖7所示，這些通路在縱向和橫向都偏移。具體地，用于激勵(lì)的通孔通路52形成在從由通孔通路1包圍的區(qū)域的 中心在縱向偏移(b/4)并在橫向偏移(a/4)的位置。在本變型的諧振器中，由于用于激勵(lì)的通孔通路52形成在從由通 孔通路1包圍的區(qū)域的中心在縱向和橫向都偏移的位置，因此與這些 位置僅在一個(gè)方向(即，縱向或橫向)上偏移的情況相比，更高階的 諧振模式是更容易激勵(lì)的。具體而言，在最高20GHz的頻率范圍中獲 得七個(gè)諧振峰值。結(jié)果，與實(shí)施例1和2的諧振器相比，能夠獲得更 多的點(diǎn)，用于確定復(fù)介電常數(shù)的頻率依賴性。此外，在本變型的諧振 器中，上述以外的構(gòu)造和效果與實(shí)施例2的諧振器相同。此外，使用 本實(shí)施例的諧振器的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的操作也就是方法，也與在 實(shí)施例2的諧振器中所用的相同。接下來(lái)，將描述構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施例3的諧振器。在實(shí)施例1和 2以及實(shí)施例2的變型的諧振器中，如從平面圖中可見(jiàn)，諧振器的形狀 為矩形。然而，本發(fā)明不限于此。多邊形、圓形或橢圓形也可以使用。 圖8是示出本實(shí)施例的諧振器的平面圖。此外，在圖8中，與圖1所 示的實(shí)施例1的諧振器的構(gòu)成元件相同的元件用相同的符號(hào)標(biāo)記，并 省略了這些元件的詳細(xì)說(shuō)明。在本實(shí)施例的諧振器中，如圖8所示， 諧振器的形狀為圓形，并且多個(gè)通孔通路61被圍繞周邊形成。此外， 如平面圖中可見(jiàn)，用于激勵(lì)的通孔通路62形成在圓形區(qū)域的中央部分 中，其由多個(gè)通孔通路61包圍。同樣，在本實(shí)施例的諧振器中，以與在平面圖中看到具有矩形形 狀的諧振器相同的方式產(chǎn)生多個(gè)諧振。此外，能夠通過(guò)包括貝塞爾函 數(shù)的根的簡(jiǎn)單公式來(lái)表示諧振頻率，并且能夠通過(guò)與實(shí)施例1的諧振 器相同的方法來(lái)測(cè)量復(fù)介電常數(shù)。此外，在本實(shí)施例的諧振器中，上 述以外的構(gòu)造和效果與實(shí)施例1的諧振器相同。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明有利地提供一種諧振器，其用于測(cè)量電介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù) 和該復(fù)介電常數(shù)的頻率特性，本發(fā)明還提供一種配備有該諧振器的印 刷電路板，以及一種使用該諧振器來(lái)測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法。
權(quán)利要求
1. 一種用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器，其測(cè)量電介質(zhì)層的復(fù)介電 常數(shù)，所述用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器包括第一和第二導(dǎo)體層，它們彼此平行地設(shè)置，以將所述電介質(zhì)層夾 在其間；第一和第二開(kāi)口部分，它們彼此面對(duì)并分別形成在所述第一和第 二導(dǎo)體層中；多個(gè)第一通路，其設(shè)置在所述第一和第二開(kāi)口部分周?chē)?，其間留 有間隙，并且所述通路將所述第一和第二導(dǎo)體層彼此連接；和第二通路，在所述第一和第二開(kāi)口部分中以及在與這些開(kāi)口部分 相匹配的所述電介質(zhì)層的區(qū)域中，不與所述第一和第二導(dǎo)體層接觸地 形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器，還包括 一個(gè)或多個(gè)在所述第一和第二導(dǎo)體層之間彼此平行設(shè)置的導(dǎo)體層，以 將所述電介質(zhì)層夾在其間，所述導(dǎo)體層具有形成在匹配所述第一和第 二開(kāi)口部分的位置中的開(kāi)口部分，并且連接到所述第一通路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器，其 中，在平面圖中觀察，由所述第一通路包圍的區(qū)域具有矩形形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧振器，其中， 所述矩形區(qū)域的一側(cè)的長(zhǎng)度為(A/V^)或更大，其中，人為所述復(fù)介 電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的諧 振器，其中，相鄰第一通路之間的距離為(A/20)或更小，其中，入為所述復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。
6. —種印刷電路板，其中多個(gè)導(dǎo)體層利用電介質(zhì)層彼此絕緣，所 述印刷電路板包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的諧振器。
7. —種用于測(cè)量電介質(zhì)層的復(fù)介電常數(shù)的方法，所述用于測(cè)量復(fù) 介電常數(shù)的方法包括以下步驟-將高頻電功率施加到諧振器的第二通路，所述諧振器具有彼此 平行地設(shè)置的第一和第二導(dǎo)體層，以將所述電介質(zhì)層夾在其間；第一 和第二開(kāi)口部分，它們彼此面對(duì)并分別形成在所述第一和第二導(dǎo)體層 中；多個(gè)第一通路，其設(shè)置在所述第一和第二開(kāi)口部分周?chē)?，其間留 有間隙，并且其將所述第一和第二導(dǎo)體層彼此連接；和第二通路，在 所述第一和第二開(kāi)口部分中以及在匹配這些開(kāi)口部分的所述電介質(zhì)層 的區(qū)域中，不與所述第一和第二導(dǎo)體層接觸地形成；和通過(guò)S參數(shù)法，測(cè)量所述第二通路與所述第一和第二導(dǎo)體層之間 的功率損耗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法，其中，通 過(guò)如下過(guò)程完成功率損耗的測(cè)量將第一端部連接到網(wǎng)絡(luò)分析器的一 對(duì)同軸電纜的第二端部上的外部導(dǎo)體分別被連接到所述第一和第二導(dǎo) 體層，將該對(duì)同軸電纜的第二端部的中央導(dǎo)體分別從所述第二通路的 兩個(gè)端部插入并連接到所述第二通路，并通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)分析器來(lái)測(cè)量 Sii禾口 S21 。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法，其中， 所述諧振器還具有一個(gè)或多個(gè)設(shè)置為平行于所述第一和第二導(dǎo)體層的 導(dǎo)體層，以將所述電介質(zhì)層夾在所述第一和第二導(dǎo)體層之間，所述導(dǎo) 體層具有形成在匹配所述第一和第二開(kāi)口部分的位置中的開(kāi)口部分， 并且被連接到所述第一通路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的 方法，其中，從平面圖中觀察，所述諧振器的所述第一通路包圍的區(qū)域具有矩形形狀。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的方法，其中，所述矩形區(qū)域的一側(cè)的長(zhǎng)度為(入/^)或更大，其中，入為所述復(fù)介 電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的 方法，其中，所述諧振器的相鄰的第一通路之間的距離為(A/20)或 更小，其中，人為所述復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量波長(zhǎng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的用于測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的 方法，其中，所述諧振器形成在印刷電路板內(nèi)部，并用于測(cè)量所述印 刷電路板的復(fù)介電常數(shù)。
全文摘要
在彼此平行布置有導(dǎo)體層以將電介質(zhì)層夾在其間的印刷電路板中，在設(shè)置在導(dǎo)體層中的開(kāi)口部分周?chē)O(shè)置有連接到導(dǎo)體層的多個(gè)通孔通路，這些通路間留有間隙。此外，用于激勵(lì)的通孔通路以不與導(dǎo)體層接觸的方式設(shè)置在導(dǎo)體層的開(kāi)口部分中和匹配這些開(kāi)口部分的電介質(zhì)層的區(qū)域中。當(dāng)測(cè)量復(fù)介電常數(shù)時(shí)，將高頻功率施加到通孔通路，并且通過(guò)S參數(shù)法測(cè)量通孔通路和導(dǎo)體層之間的功率損耗。結(jié)果，在從幾吉赫茲到20GHz的頻率范圍中，能夠以高精度測(cè)量復(fù)介電常數(shù)和該復(fù)介電常數(shù)的頻率依賴性，并且即使該諧振器安裝在電路板上也沒(méi)有與其他部件的電干擾。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101147072SQ20068000958
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者塔拉斯·庫(kù)什塔, 成田薰 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社