JP4257782B2 - 同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法に関し、特に、ネットワークアナライザ、ＴＤＲ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）などの高周波特性測定評価装置を用いる同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法に関するものである。

情報量の増大化や高速伝送化の流れを受けて、携帯情報端末のアンテナ配線や、ＬＣＤとＣＰＵを結ぶ配線等に、最近同軸ケーブルが使われつつある。また、情報機器端末やノートパソコンの小型化、薄型化により、同軸ケーブルにも高性能化とともに、細径化が要求され、種々の改良の検討がなされている。

ここで、この種の同軸ケーブルの高周波特性を測定評価する際には、公知文献の存在は確認していないが、実際の製造現場では、同軸ケーブルの両端又は片端にコネクタを接続し、コネクタを介してネットワークアナライザ、ＴＤＲなどの高周波特性測定評価装置と接続して高周波特性の測定評価を行っている。

このような用途に用いられるコネクタは、通常、雄，雌構造の一対から構成され、例えば、一方の雄コネクタが高周波特性測定評価装置に接続され、他方の雌コネクタが特性を測定評価する同軸ケーブルに接続される。

この場合、同軸ケーブルは、中心導体とシールド導体とを露出させ、これをコネクタのハウジングに、そのまま挿入することで、ハウジングに嵌着されているカップリングナットとシールド導体とが電気的に接続するようにし、中心導体は、カップリングナットの中心に突出させるようにしていた。

しかしながら、このような従来の高周波特性の測定評価方法には、以下に説明する課題があった。

前述した従来の高周波特性の測定評価方法では、同軸ケーブルに装着するコネクタは、同軸ケーブルの径に合わせたものが用いられており、例えば、小型情報端末機器などに組み込まれる細径同軸ケーブルの場合には、専用のコネクタを設計及び製作し、これを取り付けた上で測定評価することがこれまでの常であった。

このような測定評価方法では、専用のコネクタが無ければ、同軸ケーブルの高周波特性の正確な測定評価ができなかった。ところが、専用コネクタの開発には、多くの費用と時間がかかるため、同軸ケーブルの開発段階における特性評価などでは、現存する径の異なるコネクタを流用することで対処せざるを得なかった。

径の異なるコネクタを用いた場合は、そのままの状態ではインピーダンス整合がとりづらく、正確なケーブルの特性評価を行うことができなかった。また、そのコネクターのグランド部分に金属製スリーブを挿入して、そうした不整合を改善することができるが、スリーブの加工、取り付け、ハンダ付けなど熟練工による手作業で行うため、コストと時間がかかる欠点があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、専用のコネクタを用いることなく、正確な測定評価ができる同軸ケーブルの高周波特性の測定評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、中心導体と、絶縁被覆層と、シールド導体とを備えた同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法において、前記同軸ケーブルの一方の端部、あるいは、両端部を長手方向に対し直角に切断した後、前記同軸ケーブルの切断端面に露出する前記中心導体とシールド導体とに、コンタクトプローブの一方の端部に設けられた測定端子をそれぞれ接触させるとともに、前記コンタクトプローブの他方の端部に、ネットワークアナライザ，ＴＤＲ測定機などの高周波特性測定評価装置を接続して、前記同軸ケーブルの高周波特性を測定評価する方法であって、前記同軸ケーブルは、垂直に切断する前に、前記端部の周辺に熱硬化性、または、熱可塑性樹脂などの固化性樹脂を充填，固化させた固化体を形成し、前記固化体ごと長手方向に対して直角に切断し、切断端面が上面側に露出するように固定治具に保持させ、前記固定治具を位置調整可能な測定テーブルに載置するようにした。

このように構成した同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法では、半導体ウエハーや、実装基板上のデバイスなどの微小な部分の特性を測定するために用いるコンタクトプローブを使用することで、同軸ケーブルの正確な高周波特性を、専用のコネクタを用いることなく、測定評価することができる。

本発明の測定評価方法は、直径が２ｍｍ以下の細径同軸ケーブル、とりわけ、直径が１ｍｍ以下の細径同軸ケーブルにおける高周波特性の測定評価方法として、好適なものである。

上述した同軸ケーブルにおいては、特に、細径の場合に切断端面は、単に、切断しただけでは、コンタクトプローブを精度良く接触させることが困難になるが、固化性樹脂で固化させ、固化した固化性樹脂ごと長手方向に対し直角に切断すると、同軸ケーブル端面を垂直（角度９０゜±５゜）に調整することができ、測定評価精度を向上させることができる。

この場合、使用する固化性樹脂は、熱硬化性樹脂では、加熱を必須としない常温硬化型のエポキシ樹脂、紫外線硬化樹脂等が好ましい。このような硬化性樹脂を硬化させて同軸ケーブルを固定した後、硬化性樹脂ごと直角に切断して端面を作成した後、より正確な高周波特性を測定するために、端面をシリカ粒子等の研磨材で研磨してフラットにすることが望ましい。

また、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）などの熱可塑性樹脂を固化性樹脂として用い、これらの樹脂を溶融成形して、冷却固化させても良い。この様な柔軟な熱可塑性樹脂を使用すると端面の切断処理が容易に行える。

本発明にかかる同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法によれば、専用のコネクタを用いることなく、同軸ケーブルの高周波特性を測定評価することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態について、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１から図４は、本発明に係る同軸ケーブルの高周波特性の測定評価方法の一実施例を示している。これらの図に示した測定評価方法では、例えば、直径が２ｍｍ以下の細径同軸ケーブル１０の高周波特性を測定評価する方法であって、細径同軸ケーブル１０は、その断面を図３に示すように、中心導体１０ａと、絶縁被覆層１０ｂと、シールド導体１０ｃと、保護被覆層１０ｄとを備えている。

中心導体１０ａは、銅、スチールなどの単線または撚り線から構成され、その外周に、合成樹脂製の絶縁被覆層１０ｂが所定の厚みになるように形成されている。シールド導体１０ｂは、銅線などを編み組したものであって、絶縁被覆層１０ｂの外周面を覆うように形成されている。保護被覆層１０ｄは、例えば、熱可塑性樹脂から構成され、シールド導体１０ｂの外周を覆うように形成されている。

このような構成の細径同軸ケーブル１０の高周波特性、マイクロ波の伝送および反射特性などを測定評価する際には、まず、同軸ケーブル１０の端部に、図４に示すように、固化性樹脂の固化体１２を形成する。

図４には、同軸ケーブル１０の両方の端部にそれぞれ固化体１２を形成しているが、測定する高周波特性の種類に応じて、一方の端部だけに固化体１２を形成することもある。

本実施例の場合、固化体１２は、所定長さの中空円筒体の中心に同軸ケーブル１０の端部を挿入した状態で、円筒体の内部に熱硬化性、または、熱可塑性樹脂などの固化性樹脂を充填，固化させた後に、円筒体を除去することで形成される。

固化体１２が形成されると、次に、同軸ケーブル１０の端部と固化した固化性樹脂とを含めて、同軸ケーブル１０の長手方向に対して、直角に切断して直角切断端面１４を形成する。

このようにして形成された直角切断端面１４は、必要に応じて、端面をシリカ粒子等の研磨材で研磨して、よりフラットな直角切断面とする。このような切断端面１４が形成されると、次に、同軸ケーブル１０は、図１，２に示すように、固定治具１６に着脱可能に挟持固定し、測定テーブル１８上に載置する。測定テーブル１８は、２次元方向で位置調整が可能になっている。

そして、同軸ケーブル１０の切断端面１４に露出する中心導体１０ａとシールド導体１０ｃとに、コンタクトプローブ２０の一方の端部に設けられた測定端子２２をそれぞれ接触させる。

この場合、測定端子２２には、図３に拡大して示すように、分岐した一対のコンタクト２２ａ，２２ｂを有しているので、これらをそれぞれ中心導体１０ａとシールド導体１０ｃとに接触させる。

コンタクトプローブ２０は、３次元方向で位置決め可能なポジショナー２４に保持されていて、コンタクトプローブ２０の後端に延設されたケーブル２６は、一端が測定端子２２に接続され、他端側には、ネットワークアナライザ，ＴＤＲ測定機などの高周波特性測定評価装置（図示省略）が接続されているので、この測定評価装置を作動させて、プローブ２０が接続されている同軸ケーブル１０の高周波特性を測定評価することになる。

さて、以上のように構成した同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法によれば、専用のコネクタを用いることなく、同軸ケーブル１０の正確な高周波特性を測定評価することができる。

以下に、本発明のより具体的な実施例について、比較例とともに説明する。

具体例１

潤工社製細径同軸ケーブルＤＦＳ２４１（中心導体銀メッキ銅線０．０５ｍｍ×７撚り、絶縁被覆層０．４２ｍｍシールド０．０５ｍｍ錫めっき銅線×３×１６編組、特性インピーダンス 公称 ５０Ω）、１ｍの両端末を、太さφ１０ｍｍ、端末からの長さ２０ｍｍの中空円筒型の中央に入れて、紫外線硬化樹脂（スリーボンド製 ＵＶｃｕｒｉｎｇ ３０４２）をその型内に流し込み、紫外線露光装置（ウシオ電機製：モデル：ＭＬ−２５１Ｄ／Ｍ）にて２０分間かけて硬化させ、ケーブルと垂直になるように水切りカッターにてカットした。

次いで、固化性樹脂で固めた端末部分を、株式会社ナノファクター社の研磨機（モデルＦＡＣＴ２００）で、シリカ微粒子を研磨材として用い、端面の凹凸がなくなるように端面研磨処理を行った。

高周波特性の測定は、研磨された両端面を水平となるよう両端末を測定テーブル上に固定し、コンタクトプローブ（ＧＧＢ社製ピコプローブ）の先端のグランドを同軸ケーブルのシールド導体に、プローブのシグナルを同軸ケーブルの中心導体に、それぞれにＸ−Ｙ−Ｚポジショナーを介して両端末とも接触させた。

コンタクトプローブには、ＡＰＣ３．５ｍｍ互換コネクタが装備されており、デジタルサンプリングオシロスコープ（日本テクトロニクス株式会社製、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ １１８０１Ｂ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）およびベクトルネットワークアナライザ（アジレントテクノロジー社製、モデル８７２２ＥＳ）とＡＰＣ３．５ｍｍコネクタ付きケーブルを介して任意に接続できるようにした。

ＴＤＲ測定の場合は、片端の接続のみで測定することができるが、ベクトルネットワークアナライザの測定を同時に行うときは、両端接続する必要がある。今回はネットワークアナライザについても測定を行うため、両端をコンタクトプローブと接続した。

次に、デジタルサンプリングオシロスコープによるＴＤＲ測定方法および結果について述べる。デジタルサンプリングオシロスコープのＴＤＲヘッドとコンタクトプローブのコネクタとを接続して測定を行った。

この場合、同軸ケーブルの両端は、コンタクトプローブ先端と接続されており、どちらのコンタクトプローブとＴＤＲヘッドを接続してもデータを得ることができる。

結果としては、コンタクトプローブと端面処理された同軸ケーブルの接続地点におけるインピーダンスの不整合（ディップス）が存在しないことが確認された。 次に、ベクトルネットワークアナライザによるマイクロ波の伝送特性（Ｓ２１）および反射特性（Ｓ１１）の測定を行った。

ＴＤＲの測定時と同様、ケーブルの両端はコンタクトプローブと接続されており、片方のプローブをネットワークアナライザポート１に、もう片方をポート２に接続し（同軸ケーブルの両端末のうち、どちらの端末をポート１につないでもよい）、周波数５００ＭＨｚから１０ＧＨｚまでの範囲で、マイクロ波を挿入、縦軸を減衰量、横軸を周波数とした波形データを得た。図５、６に測定結果を示示している。

同図に示した測定結果から判るように、伝送特性の波形データにリップルが存在せず滑らかな波形であり、反射特性についてもリップルが少なく減衰量が大きい、良好な結果となった。

比較例１

実施例１で使用した潤工社製細径同軸ケーブルＤＦＳ２４１、ケーブル長さ１ｍの両端末を太さφ１０ｍｍ、端末からの長さ２０ｍｍの型の中央に入れて、紫外線硬化樹脂（スリーボンド製 ＵＶｃｕｒｉｎｇ ３０４２）をその型に流し込み、紫外線露光装置（ウシオ電機製：モデル：ＭＬ−２５１Ｄ／Ｍ）にて２０分間かけて硬化させ、ケーブルと４０°の角度になるように、水切りカッターにてカットしたサンプルを作製した。

更に樹脂で固めた端末部分を株式会社ナノファクター社の研磨機（モデルＦＡＣＴ２００）でシリカ微粒子を研磨材として用い、端面の凹凸がなくなるように端面研磨処理を行った。（この際の端面のカットの角度を４０°とした以外は、具体例１と同様の方法でサンプルを作成した。）

高周波特性の測定は、研磨された両端面が水平となるよう測定台上に固定した上、ＧＧＢ社（米国）製ピコプローブ先端のグランドを同軸ケーブルのシールド導体に、プローブのシグナルを同軸ケーブルの中心導体に、それぞれＸ−Ｙ−Ｚポジショナーを介して接触させた。

コンタクトプローブには、ＡＰＣ３．５ｍｍ互換コネクタが装備されており、デジタルサンプリングオシロスコープ（日本テクトロニクス株式会社製、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ １１８０１Ｂ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ）やベクトルネットワークアナライザ（アジレントテクノロジー社製、モデル８７２２ＥＳ）などとＡＰＣ３．５ｍｍコネクタ付きケーブルを介して接続する事で、高周波特性測定が可能となる。

具体例１と同様の測定方法のデジタルサンプリングオシロスコープによるＴＤＲ測定の結果、コンタクトプローブと端面処理された同軸ケーブルの接続地点におけるインピーダンスが７０Ω程度であり、インピーダンスの不整合（ディップス）が存在することが分かった。これは端面部分を斜めにカットしたことでシグナル線が半オープン状態になったためと考えられる。

次に、具体例１と同様の測定方法のベクトルネットワークアナライザによるマイクロ波の伝送特性（Ｓ２１）、反射特性（Ｓ１１）の測定評価を行った。周波数は５００ＭＨｚから１０ＧＨｚまでスキャンを行い、縦軸を減衰量、横軸を周波数とした測定データを得た。図５、６に測定結果を示す。伝送特性および反射特性の波形データに大きなリップルが存在し、正確な高周波特性測定評価が不可能であった。

比較例２

具体例１で使用したケーブル両端の被覆の一部を剥ぎ取り、中心導体、絶縁被覆をむき出した後、セミリジット用ＳＭＡコネクタを接続した。両端のＳＭＡコネクタを、デジタルサンプリングオシロスコープ、ベクトルネットワークアナライザなどの機器のＡＰＣ３．５ｍｍコネクタと直接接続し（コネクタの互換性があるため直接接続が可能）ケーブルの高周波特性測定を行った。

デジタルサンプリングオシロスコープによるＴＤＲ測定の結果、接続地点から１ナノ秒程度にわたって５３から４７Ω程度のインピーダンス変動が存在した。詳しい原因についてはわからないがコネクタ取り付け時の加熱によるインピーダンスの不整合が原因であると考えられる。

次に、ベクトルネットワークアナライザによる伝送特性、反射特性の測定評価を行った。片方のコネクタ加工された端末をネットワークアナライザポート１に、もう片方をポート２に接続し（同軸ケーブルの両端末のうち、どちらの端末をポート１に接続してもよい）、周波数は５００ＭＨｚから１０ＧＨｚまでスキャンを行い、縦軸を減衰量、横軸を周波数とした測定データを得た。図５、６に測定結果を示す。その結果コネクタ部のインピーダンス不整合が存在するため、伝送特性の波形にリップルが確認された。また反射特性も実施例と比較し大きな値となった。

なお、上記具体例では、市販のフレキシブルな細径同軸ケーブルの高周波特性を測定評価したが、本発明では、リジッドタイプ、セミミリジッドタイプ、セミフレキシブルタイプ、或いはこれ以外の、種々の同軸ケーブルの高周波特性測定評価に適用することができる。

本発明にかかる同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法によれば、専用に設計製造されたコネクタを用いることなく同軸ケーブルの高周波特性の測定評価が可能になるので、特に、いままで製造されていなかった細径の同軸ケーブルを製造した際の測定評価に有効に活用することができる。

また、プリント回路基板、パッケージ、電子部品などと同軸ケーブルの接続には、コネクタを用いないで、ハンダ付け、溶接、導電性接着材などにより直接接続することが可能である。このような応用を考えた場合、本発明の方法は、必要不可欠な重要技術である。

本発明にかかる同軸ケーブルにおける高周波特性測定評価方法の実施状態の説明図である。 図１の要部拡大図である。 図２の要部拡大図である。 図１に示した測定評価方法における評価対象同軸ケーブルの外観説明図である。 本発明にかかる細径同軸ケーブルの測定評価方法と比較例方法とで測定した伝送特性のグラフである。 本発明にかかる細径同軸ケーブルの測定評価方法と比較例方法とで測定した反射特性のグラフである。

符号の説明

１０ 同軸ケーブル
１０ａ 中心導体
１０ｂ 絶縁被覆層
１０ｃ シールド導体
１２ 固化体
１４ 切断端面
１６ 固定治具
１８ 測定テーブル
２０ コンタクトプローブ
２２ 測定端子

Claims (2)

1. 中心導体と、絶縁被覆層と、シールド導体とを備えた同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法において、
   前記同軸ケーブルの一方の端部、あるいは、両端部を長手方向に対し直角に切断した後、
   前記同軸ケーブルの切断端面に露出する前記中心導体とシールド導体とに、コンタクトプローブの一方の端部に設けられた測定端子をそれぞれ接触させるとともに、
   前記コンタクトプローブの他方の端部に、ネットワークアナライザ，ＴＤＲ測定機などの高周波特性測定評価装置を接続して、
   前記同軸ケーブルの高周波特性を測定評価する方法であって、
   前記同軸ケーブルは、垂直に切断する前に、前記端部の周辺に熱硬化性、または、熱可塑性樹脂などの固化性樹脂を充填，固化させた固化体を形成し、
   前記固化体ごと長手方向に対して直角に切断し、切断端面が上面側に露出するように固定治具に保持させ、前記固定治具を位置調整可能な測定テーブルに載置することを特徴とする同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法。
2. 前記切断端面は、シリカ粒子などの研磨剤で研磨することを特徴とする請求項１記載の同軸ケーブルの高周波特性測定評価方法。

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