JP2001281284A - 複素誘電率の非破壊測定装置 - Google Patents
複素誘電率の非破壊測定装置Info
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- JP2001281284A JP2001281284A JP2000134022A JP2000134022A JP2001281284A JP 2001281284 A JP2001281284 A JP 2001281284A JP 2000134022 A JP2000134022 A JP 2000134022A JP 2000134022 A JP2000134022 A JP 2000134022A JP 2001281284 A JP2001281284 A JP 2001281284A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】マイクロ波およびミリ波領域における損失誘電
体の複素誘電率を、簡単な装置を用いて非破壊で測定す
る。 【解決手段】導波管の開口部にフランジを装着したフラ
ンジ付導波管３３，３４と、導体板３６との間に測定対
象の誘電体３５を挿入し、フランジ付導波管と導体板で
誘電体を押さえ、開口部の反射係数を反射特性測定装置
により測定する。測定された反射係数の絶対値と位相角
は、誘電率と１対１に対応していることから、この関係
を利用して容易に複素誘電率が求められる。
体の複素誘電率を、簡単な装置を用いて非破壊で測定す
る。 【解決手段】導波管の開口部にフランジを装着したフラ
ンジ付導波管３３，３４と、導体板３６との間に測定対
象の誘電体３５を挿入し、フランジ付導波管と導体板で
誘電体を押さえ、開口部の反射係数を反射特性測定装置
により測定する。測定された反射係数の絶対値と位相角
は、誘電率と１対１に対応していることから、この関係
を利用して容易に複素誘電率が求められる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複素誘電率の非破
壊測定方法とその装置に係り、特にマイクロ波帯・ミリ
波帯における複素誘電率の測定方法とその装置に関す
る。
壊測定方法とその装置に係り、特にマイクロ波帯・ミリ
波帯における複素誘電率の測定方法とその装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】各種材料の誘電率測定方法としては、低
周波領域では誘電体材料を電極間に挟み、電極間の静電
容量を測定して、その測定値と材料の寸法から誘電率を
算出する方法が用いられる。また、高周波領域では測定
周波数範囲に共振点をもつ共振器を用意し、誘電体材料
をその共振器に内挿したときとしないときの共振周波
数、Ｑ等を測定し、それらの測定値の変化から複素誘電
率を算出する方法、あるいは測定周波数がその通過帯域
内にあるような同軸伝送路または導波管伝送路を用意
し、誘電体材料をその伝送路に内挿したときとしないと
きの伝送特性を測定して、誘電率を算出する方法が用い
られる。
周波領域では誘電体材料を電極間に挟み、電極間の静電
容量を測定して、その測定値と材料の寸法から誘電率を
算出する方法が用いられる。また、高周波領域では測定
周波数範囲に共振点をもつ共振器を用意し、誘電体材料
をその共振器に内挿したときとしないときの共振周波
数、Ｑ等を測定し、それらの測定値の変化から複素誘電
率を算出する方法、あるいは測定周波数がその通過帯域
内にあるような同軸伝送路または導波管伝送路を用意
し、誘電体材料をその伝送路に内挿したときとしないと
きの伝送特性を測定して、誘電率を算出する方法が用い
られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、マイクロ波
帯・ミリ波帯における誘電体の複素誘電率測定を対象と
するものである。従来のマイクロ波帯・ミリ波帯の測定
法では、測定用の試料を共振器あるいは導波管の内部に
挿入して測定されていた。このため、従来法は測定用試
料に前記挿入する測定器具の寸法に合わせるための加工
を必要とする破壊測定法であり、試料の加工には相当の
手間を要した。また、作成した試料の外形寸法、特に測
定器具の内壁に接触する部分の寸法精度が低いと大きい
測定誤差が生じ、正確な測定は困難であった。本発明の
目的は、上述した従来技術の問題点を解決し、マイクロ
波やミリ波領域で試料の寸法精度を得るのが困難な場合
であっても、簡単な構造の回路で容易かつ正確に当該誘
電体の複素誘電率を測定することのできる誘電率の測定
方法とその装置を提供するにある。
帯・ミリ波帯における誘電体の複素誘電率測定を対象と
するものである。従来のマイクロ波帯・ミリ波帯の測定
法では、測定用の試料を共振器あるいは導波管の内部に
挿入して測定されていた。このため、従来法は測定用試
料に前記挿入する測定器具の寸法に合わせるための加工
を必要とする破壊測定法であり、試料の加工には相当の
手間を要した。また、作成した試料の外形寸法、特に測
定器具の内壁に接触する部分の寸法精度が低いと大きい
測定誤差が生じ、正確な測定は困難であった。本発明の
目的は、上述した従来技術の問題点を解決し、マイクロ
波やミリ波領域で試料の寸法精度を得るのが困難な場合
であっても、簡単な構造の回路で容易かつ正確に当該誘
電体の複素誘電率を測定することのできる誘電率の測定
方法とその装置を提供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、フランジ付導
波管と導体板との間に誘電体を挿入して押さえ、開口面
の反射係数を計測し、その計測により得られた反射係数
の絶対値と位相角から、前記挿入した誘電体の複素誘電
率を求めることを特徴とする複素誘電率の測定装置を開
示する。
波管と導体板との間に誘電体を挿入して押さえ、開口面
の反射係数を計測し、その計測により得られた反射係数
の絶対値と位相角から、前記挿入した誘電体の複素誘電
率を求めることを特徴とする複素誘電率の測定装置を開
示する。
【０００５】更に本発明は、試料が平板形状の誘電体で
あることを特徴とする、複素誘電率の測定装置を開示す
る。
あることを特徴とする、複素誘電率の測定装置を開示す
る。
【０００６】更に本発明は、フランジ付導波管と導体板
との間に誘電体を挿入して押さえ、開口面から電磁波を
入射させ、開口面から誘電体に入射した電磁波が、開口
面以外の位置から誘電体の外部に漏れることがなく、よ
って計測系以外の外界の電磁波的な悪影響を受けること
なく反射係数を計測し、前記挿入した誘電体の複素誘電
率を求めることを特徴とする複素誘電率の測定装置を開
示する。
との間に誘電体を挿入して押さえ、開口面から電磁波を
入射させ、開口面から誘電体に入射した電磁波が、開口
面以外の位置から誘電体の外部に漏れることがなく、よ
って計測系以外の外界の電磁波的な悪影響を受けること
なく反射係数を計測し、前記挿入した誘電体の複素誘電
率を求めることを特徴とする複素誘電率の測定装置を開
示する。
【０００７】更に本発明は、その開口面より誘電体表面
に電磁波を入射して、開口面からの反射波を計測するた
めのフランジ付導波管で構成された電磁波入力手段と、
該手段へ電磁波を供給して、その基本モードに対する反
射特性を測定するための反射特性測定手段と、該手段に
より測定された反射特性から前記挿入された誘電体の複
素誘電率を求めるために反射係数と誘電率の関係を算出
するための反射係数算出手段と、該手段により算出され
た反射係数と複素誘電率の関係から複素誘電率を特定す
るための誘電率特定手段と、を備えたことを特徴とする
誘電率の測定装置を開示する。
に電磁波を入射して、開口面からの反射波を計測するた
めのフランジ付導波管で構成された電磁波入力手段と、
該手段へ電磁波を供給して、その基本モードに対する反
射特性を測定するための反射特性測定手段と、該手段に
より測定された反射特性から前記挿入された誘電体の複
素誘電率を求めるために反射係数と誘電率の関係を算出
するための反射係数算出手段と、該手段により算出され
た反射係数と複素誘電率の関係から複素誘電率を特定す
るための誘電率特定手段と、を備えたことを特徴とする
誘電率の測定装置を開示する。
【０００８】更に本発明は、前記電磁波入力手段が、高
周波発生手段により発生した高周波を導波管に導くため
のコネクタと、導波管内において前記高周波を電磁波に
変換するためのロッドアンテナと、前記ロッドアンテナ
から放射された電磁波を誘電体に入射させるためにその
開口面まで導くための導波管と、誘電体内部に入射した
電磁波が、開口面以外の位置から誘電体の外部に漏れる
ことを防ぐためのフランジとから成るフランジ付導波管
および誘電体からの電磁波の透過を防ぐための導体板と
から構成されたことを特徴とする誘電率の測定装置を開
示する。
周波発生手段により発生した高周波を導波管に導くため
のコネクタと、導波管内において前記高周波を電磁波に
変換するためのロッドアンテナと、前記ロッドアンテナ
から放射された電磁波を誘電体に入射させるためにその
開口面まで導くための導波管と、誘電体内部に入射した
電磁波が、開口面以外の位置から誘電体の外部に漏れる
ことを防ぐためのフランジとから成るフランジ付導波管
および誘電体からの電磁波の透過を防ぐための導体板と
から構成されたことを特徴とする誘電率の測定装置を開
示する。
【０００９】更に本発明は、前記反射係数算出手段が、
マックスウェルの方程式から導出されたヘルムホルツ方
程式を、導波管と誘電体の各領域について立て、これら
を導波管の開口面およびフランジ面上の境界条件式に代
入するという厳密解法により得られた連立方程式を、基
本モードだけでなく開口面で発生する高次モードを含め
た上で，基本モードの反射係数を算出することを特徴と
する誘電率の測定装置を開示する。
マックスウェルの方程式から導出されたヘルムホルツ方
程式を、導波管と誘電体の各領域について立て、これら
を導波管の開口面およびフランジ面上の境界条件式に代
入するという厳密解法により得られた連立方程式を、基
本モードだけでなく開口面で発生する高次モードを含め
た上で，基本モードの反射係数を算出することを特徴と
する誘電率の測定装置を開示する。
【００１０】更に本発明は、前記誘電率特定手段が、前
記反射係数算出手段により算出された誘電率と反射係数
の対応関係を、複素誘電率に対する反射係数の絶対値と
位相角の等高線分布図（以下、等高線図）として表現す
る作図手段と、前記作図手段により作成された等高線図
を用いて前記反射係数測定手段により得られた反射係数
の絶対値と位相角から、複素誘電率を直接求める誘電率
読取手段とから成る誘電率の測定装置を開示する。
記反射係数算出手段により算出された誘電率と反射係数
の対応関係を、複素誘電率に対する反射係数の絶対値と
位相角の等高線分布図（以下、等高線図）として表現す
る作図手段と、前記作図手段により作成された等高線図
を用いて前記反射係数測定手段により得られた反射係数
の絶対値と位相角から、複素誘電率を直接求める誘電率
読取手段とから成る誘電率の測定装置を開示する。
【００１１】更に本発明は、等高線図の作図作業と、被
測定試料から得られた反射係数の絶対値と位相角から等
高線上の最適位置を求める作業およびこの位置から誘電
率と誘電正接（ｔａｎδ）を求める作業をコンピュータ
化したことを特徴とする誘電率の測定装置を開示する。
測定試料から得られた反射係数の絶対値と位相角から等
高線上の最適位置を求める作業およびこの位置から誘電
率と誘電正接（ｔａｎδ）を求める作業をコンピュータ
化したことを特徴とする誘電率の測定装置を開示する。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
の図面を参照して説明する。図１は、本発明になる誘電
率の測定装置の構成例を示すブロック図で、反射特性測
定装置１の信号送受端子に誘電体内挿部２を接続する。
反射特性測定装置１としては、この種の測定に多く利用
されているベクトルネットワークアナライザを用いる。
ベクトルネットワークアナライザには、掃引周波数発振
器、レベル検出器、校正回路等が含まれている。測定結
果は、反射特性測定装置１上の表示器に表示される。表
示器に表示された反射係数の測定結果から、内挿された
誘電体の反射特性が求められる。
の図面を参照して説明する。図１は、本発明になる誘電
率の測定装置の構成例を示すブロック図で、反射特性測
定装置１の信号送受端子に誘電体内挿部２を接続する。
反射特性測定装置１としては、この種の測定に多く利用
されているベクトルネットワークアナライザを用いる。
ベクトルネットワークアナライザには、掃引周波数発振
器、レベル検出器、校正回路等が含まれている。測定結
果は、反射特性測定装置１上の表示器に表示される。表
示器に表示された反射係数の測定結果から、内挿された
誘電体の反射特性が求められる。
【００１３】この反射係数の測定にあたってはベクトル
ネットワークアナライザの掃引発振器の発振周波数範囲
を、測定しようとする周波数を含むように設定する。誘
電率の値は、表示器上に表示された反射係数の絶対値
（大きさ）と位相角を直接読み取り、後述の方法によっ
て求めることができる。
ネットワークアナライザの掃引発振器の発振周波数範囲
を、測定しようとする周波数を含むように設定する。誘
電率の値は、表示器上に表示された反射係数の絶対値
（大きさ）と位相角を直接読み取り、後述の方法によっ
て求めることができる。
【００１４】図２は、図１の誘電体内挿部のうちフラン
ジ付導波管を示すものである。このフランジ付導波管
は、反射特性測定装置１からの高周波を供給するケーブ
ルを接続するためのコネクタ２１と、このコネクタ２１
より供給された高周波から電磁波を発生させるためのロ
ッドアンテナ２２と、発生した電磁波を誘電体表面まで
伝搬させるとともに、開口面からの反射波のうち基本モ
ードだけをロッドアンテナ２２まで伝搬させるための導
波管２３と、誘電体内部に入射した電磁波が、開口面以
外の位置から誘電体の外部に漏れることを防ぐためのフ
ランジから成っている。
ジ付導波管を示すものである。このフランジ付導波管
は、反射特性測定装置１からの高周波を供給するケーブ
ルを接続するためのコネクタ２１と、このコネクタ２１
より供給された高周波から電磁波を発生させるためのロ
ッドアンテナ２２と、発生した電磁波を誘電体表面まで
伝搬させるとともに、開口面からの反射波のうち基本モ
ードだけをロッドアンテナ２２まで伝搬させるための導
波管２３と、誘電体内部に入射した電磁波が、開口面以
外の位置から誘電体の外部に漏れることを防ぐためのフ
ランジから成っている。
【００１５】図３は、誘電体内挿部２の構成例を示すも
のである。この誘電体内挿部は、前述のフランジ付導波
管と導体板により測定対象の誘電体を挟んだ構造をもっ
ている。なお、図示では誘電体内挿部２と反射特性測定
装置１との接続部がコネクタとなっているが、反射特性
測定装置１の信号送受端子の回路形式が導波管であれば
フランジで直接結合し、同軸であれば図２、図３に示し
たようなコネクタとする。
のである。この誘電体内挿部は、前述のフランジ付導波
管と導体板により測定対象の誘電体を挟んだ構造をもっ
ている。なお、図示では誘電体内挿部２と反射特性測定
装置１との接続部がコネクタとなっているが、反射特性
測定装置１の信号送受端子の回路形式が導波管であれば
フランジで直接結合し、同軸であれば図２、図３に示し
たようなコネクタとする。
【００１６】誘電体内挿部２の構造によるフランジ付導
波管の開口面における反射係数Γは、
波管の開口面における反射係数Γは、
【数１】
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【数９】 （数１）〜（数９）は、平野他「フランジ付方形導波管
を用いた損失誘電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４
２−６４９、Ｎｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文
誌に示されている。
を用いた損失誘電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４
２−６４９、Ｎｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文
誌に示されている。
【００１７】図４は、（数１）に複素誘電率
【数１０】εｒ＝εｒ′−ｊεｒ″の実部εｒ′と虚部
εｒ″の値を代入して反射係数Γについて解き、得られ
たΓの絶対値｜Γ｜と位相角φの同じ値を結んで図化し
た等高線図である。
εｒ″の値を代入して反射係数Γについて解き、得られ
たΓの絶対値｜Γ｜と位相角φの同じ値を結んで図化し
た等高線図である。
【００１８】図１の反射特性測定装置１で、反射係数Γ
を測定し、その値を図４にプロットすれば、プロット点
の横軸より複素誘電率の実部εｒ′が、縦軸より虚部ε
ｒ″がそれぞれ求められる。以上のように本発明では、
開口面の反射係数Γを測定して誘電率を求めるが、反射
係数の測定は短絡板と誘電体との比較測定によるため精
度が高く、よって正確な誘電率の測定が可能である。
を測定し、その値を図４にプロットすれば、プロット点
の横軸より複素誘電率の実部εｒ′が、縦軸より虚部ε
ｒ″がそれぞれ求められる。以上のように本発明では、
開口面の反射係数Γを測定して誘電率を求めるが、反射
係数の測定は短絡板と誘電体との比較測定によるため精
度が高く、よって正確な誘電率の測定が可能である。
【００１９】以上で図１に示した本発明の装置および方
法の原理的な動作を説明したが、次に、図３に示した誘
電体内挿部２について詳細に説明する。まず、導波管３
３の長さｌ１は、長くなるほどロッドアンテナ３２と開
口面の間の伝送損失が大きくなるので、反射係数Γが必
要な精度で測定できる長さがあればよく、例えばＸ帯
（８．２〜１２．４ＧＨｚ）の導波管の場合には、ｌ１
＝１０（ｃｍ）程度でよい。次に、導波管断面の寸法
ａ，ｂは、一般に用いられているＸ帯方形導波管の定格
寸法ａ＝２２．９（ｍｍ），ｂ＝１０．２（ｍｍ）とし
ている。この寸法は、測定に不要な高次モードの伝搬を
抑制するように決められた定格なので、本測定法にもそ
のまま適用できる。
法の原理的な動作を説明したが、次に、図３に示した誘
電体内挿部２について詳細に説明する。まず、導波管３
３の長さｌ１は、長くなるほどロッドアンテナ３２と開
口面の間の伝送損失が大きくなるので、反射係数Γが必
要な精度で測定できる長さがあればよく、例えばＸ帯
（８．２〜１２．４ＧＨｚ）の導波管の場合には、ｌ１
＝１０（ｃｍ）程度でよい。次に、導波管断面の寸法
ａ，ｂは、一般に用いられているＸ帯方形導波管の定格
寸法ａ＝２２．９（ｍｍ），ｂ＝１０．２（ｍｍ）とし
ている。この寸法は、測定に不要な高次モードの伝搬を
抑制するように決められた定格なので、本測定法にもそ
のまま適用できる。
【００２０】また、フランジ、誘電体および導体板の寸
法ｌ２は、（数１）を導出する際には放射条件を満足さ
せるために無限長（ｌ２→∞）としているが、実際には
誘電体に損失があるため無限長の必要は無く、電磁波が
誘電体の端部に至るまでに充分減衰する程度の寸法があ
ればよい。平野他「フランジ付方形導波管を用いた損失
誘電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、
Ｎｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文誌における検
討の結果、ｌ２＝１５〜２０ｃｍ程度あれば充分であ
る。
法ｌ２は、（数１）を導出する際には放射条件を満足さ
せるために無限長（ｌ２→∞）としているが、実際には
誘電体に損失があるため無限長の必要は無く、電磁波が
誘電体の端部に至るまでに充分減衰する程度の寸法があ
ればよい。平野他「フランジ付方形導波管を用いた損失
誘電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、
Ｎｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文誌における検
討の結果、ｌ２＝１５〜２０ｃｍ程度あれば充分であ
る。
【００２１】次に本発明では、構造上、開口面において
高次モードが発生するが、これらの高次モード反射波
は、ロッドアンテナに到達するまでに充分減衰してしま
い、反射特性測定装置１では開口面における基本モード
反射波のみが観測される。しかし、（数１）を用いて反
射係数Γを算出するときには、前述の高次モードを含め
る必要がある。平野他「フランジ付き方形導波管と導体
板に挟まれた損失誘電体内の電磁界解析」、ｐｐ．５２
５−５３６、Ｓｅｐ．１９９９、電子情報通信学会論文
誌において検討の結果、ＴＥ１０，ＴＥ３０，ＴＥ１
２，ＴＭ１２，ＴＥ１４，ＴＭ１４の６モードを計算に
含めれば正確な反射係数が得られることが明らかとなっ
た．
高次モードが発生するが、これらの高次モード反射波
は、ロッドアンテナに到達するまでに充分減衰してしま
い、反射特性測定装置１では開口面における基本モード
反射波のみが観測される。しかし、（数１）を用いて反
射係数Γを算出するときには、前述の高次モードを含め
る必要がある。平野他「フランジ付き方形導波管と導体
板に挟まれた損失誘電体内の電磁界解析」、ｐｐ．５２
５−５３６、Ｓｅｐ．１９９９、電子情報通信学会論文
誌において検討の結果、ＴＥ１０，ＴＥ３０，ＴＥ１
２，ＴＭ１２，ＴＥ１４，ＴＭ１４の６モードを計算に
含めれば正確な反射係数が得られることが明らかとなっ
た．
【００２２】誘電体３５の厚さｄの選定には特に制限は
無く、任意の厚さでもこれに対応する等高線図（図４）
さえ用意すれば誘電率が求められるが、より正確な測定
を行うためには、厚さｄの選定に関し若干の注意を払う
必要がある。その理由は、図４に示すように、等高線図
内にΓ＝０となる整合点が存在し、整合点近傍で測定す
る方が精度が高く、このことを利用する方が有利だから
である。平野他「フランジ付方形導波管を用いた損失誘
電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、Ｎ
ｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文誌における検討
より、開口面より入射した電磁波が誘電体内をフランジ
と平行な方向に伝搬できない最大の厚さを遮断厚さｄｃ
とすれば、誘電体の厚さｄを
無く、任意の厚さでもこれに対応する等高線図（図４）
さえ用意すれば誘電率が求められるが、より正確な測定
を行うためには、厚さｄの選定に関し若干の注意を払う
必要がある。その理由は、図４に示すように、等高線図
内にΓ＝０となる整合点が存在し、整合点近傍で測定す
る方が精度が高く、このことを利用する方が有利だから
である。平野他「フランジ付方形導波管を用いた損失誘
電体の複素誘電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、Ｎ
ｏｖ．１９９９、電子情報通信学会論文誌における検討
より、開口面より入射した電磁波が誘電体内をフランジ
と平行な方向に伝搬できない最大の厚さを遮断厚さｄｃ
とすれば、誘電体の厚さｄを
【数１１】ｄ＝ｄｃ／２とすれば整合点近傍を利用でき
る。ここで、遮断厚さｄｃは
る。ここで、遮断厚さｄｃは
【数１２】 である。ただし、λοは自由空間波長、εｒ′は誘電率
の実部である．以上のことは、即ち、整合がとれた状態
で測定することが精度が高く、より正確な測定であると
いえる。（数１１）、（数１２）より、誘電率が大きけ
れば薄く、小さければ厚い誘電体試料が必要である。
の実部である．以上のことは、即ち、整合がとれた状態
で測定することが精度が高く、より正確な測定であると
いえる。（数１１）、（数１２）より、誘電率が大きけ
れば薄く、小さければ厚い誘電体試料が必要である。
【００２３】誘電率εｒ′のおおよその値が既知の場合
には、（数１１）、（数１２）により誘電体の厚さｄを
決定すればよいが、全く未知の場合には前述のように、
任意の厚さの誘電体および等高線図を用いて測定し、ε
ｒ′の概略値を求め、これを（数１２）に代入して（数
１１）から最適な厚さを求め再度測定すればよい。
には、（数１１）、（数１２）により誘電体の厚さｄを
決定すればよいが、全く未知の場合には前述のように、
任意の厚さの誘電体および等高線図を用いて測定し、ε
ｒ′の概略値を求め、これを（数１２）に代入して（数
１１）から最適な厚さを求め再度測定すればよい。
【００２４】次に、図３のへの誘電体内挿部２への誘電
体の内挿方法について述べる。測定対象の誘電体は、フ
ランジと導体板で挟むことができる平板形状のものであ
れば何でもよく、厚さｄを考慮する場合は前述の方法に
よって定められた寸法の誘電体を用意する。そして、導
体板、誘電体の順に机上等に重ねて置き、誘電体表面に
フランジ付導波管を押し当てて測定を行う。このとき、
導体板と誘電体間やフランジと誘電体間に空気の隙間が
生じないように密着させることが好ましい。それは、空
気層が生じたことによる誘電率の相異や厚さｄの相異を
考慮する必要がなくなるからである。従って、ある程度
の力でフランジ付導波管を誘電体表面に押さえる必要が
あるが、あまり強く押さえても反射係数Γに変化はない
ので、隙間が無くなる程度でよい。
体の内挿方法について述べる。測定対象の誘電体は、フ
ランジと導体板で挟むことができる平板形状のものであ
れば何でもよく、厚さｄを考慮する場合は前述の方法に
よって定められた寸法の誘電体を用意する。そして、導
体板、誘電体の順に机上等に重ねて置き、誘電体表面に
フランジ付導波管を押し当てて測定を行う。このとき、
導体板と誘電体間やフランジと誘電体間に空気の隙間が
生じないように密着させることが好ましい。それは、空
気層が生じたことによる誘電率の相異や厚さｄの相異を
考慮する必要がなくなるからである。従って、ある程度
の力でフランジ付導波管を誘電体表面に押さえる必要が
あるが、あまり強く押さえても反射係数Γに変化はない
ので、隙間が無くなる程度でよい。
【００２５】以上、マイクロ波帯およびミリ波帯の伝送
線路として最も普及している方形導波管により誘電体内
挿部２を構成した実施の形態を詳しく説明したが、円形
導波管でも同様に適用できることは明らかである。
線路として最も普及している方形導波管により誘電体内
挿部２を構成した実施の形態を詳しく説明したが、円形
導波管でも同様に適用できることは明らかである。
【００２６】
【実施例】シート形の電波吸収体として利用されている
炭化ケイ素ＦＲＰの損失誘電体試料を用意した。寸法は
１４７（ｍｍ）×１４７（ｍｍ）であり、厚さがｄ＝
３．７６（ｍｍ）である。この試料に対して誘電体内挿
部２を構成して反射特性測定装置１によりＸ帯の１０Ｇ
Ｈｚにより測定を行った結果、反射係数｜Γ｜＝０．３
０、φ＝−３４°が得られた。この値を詳細な等高線図
を作成してプロットしたものが図５である。プロット点
（図５の「実験値」）の横軸と縦軸から複素誘電率εｒ
＝５．２７−ｊ０．２３と読みとれる。なお、従来法で
ある導波管法による測定結果では、εｒ＝５．２５−ｊ
０．３０であり両者はほぼ一致している。誤差検討を行
った結果、反射特性測定装置１として汎用のベクトルネ
ットワークアナライザを使用した場合，誘電率を約５％
以内の精度で定められることが明らかとなった。（平野
他「フランジ付方形導波管を用いた損失誘電体の複素誘
電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、Ｎｏｖ．１９９
９、電子情報通信学会論文誌）
炭化ケイ素ＦＲＰの損失誘電体試料を用意した。寸法は
１４７（ｍｍ）×１４７（ｍｍ）であり、厚さがｄ＝
３．７６（ｍｍ）である。この試料に対して誘電体内挿
部２を構成して反射特性測定装置１によりＸ帯の１０Ｇ
Ｈｚにより測定を行った結果、反射係数｜Γ｜＝０．３
０、φ＝−３４°が得られた。この値を詳細な等高線図
を作成してプロットしたものが図５である。プロット点
（図５の「実験値」）の横軸と縦軸から複素誘電率εｒ
＝５．２７−ｊ０．２３と読みとれる。なお、従来法で
ある導波管法による測定結果では、εｒ＝５．２５−ｊ
０．３０であり両者はほぼ一致している。誤差検討を行
った結果、反射特性測定装置１として汎用のベクトルネ
ットワークアナライザを使用した場合，誘電率を約５％
以内の精度で定められることが明らかとなった。（平野
他「フランジ付方形導波管を用いた損失誘電体の複素誘
電率の測定」、ｐｐ．６４２−６４９、Ｎｏｖ．１９９
９、電子情報通信学会論文誌）
【００２７】導波管による測定では、管壁に密着するよ
うな試料片の作成が必要であり、手間を要する。また、
寸法精度は、本実施例のＸ帯ではそれほど大きな問題と
はならないが、さらに周波数が高いミリ波帯では、試料
片の寸法が数ｍｍ程度と小さくなるため、わずかな寸法
の誤差が誘電率εｒに大きく影響を与える。このため、
試料片の加工や精度を必要としない本発明は、従来法に
比べ有利である。
うな試料片の作成が必要であり、手間を要する。また、
寸法精度は、本実施例のＸ帯ではそれほど大きな問題と
はならないが、さらに周波数が高いミリ波帯では、試料
片の寸法が数ｍｍ程度と小さくなるため、わずかな寸法
の誤差が誘電率εｒに大きく影響を与える。このため、
試料片の加工や精度を必要としない本発明は、従来法に
比べ有利である。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、測定器具の寸法に合わ
せた試料の精密加工を必要とせずに、任意の広さの平板
形状の試料を用いればよく、しかもその表面にフランジ
付導波管を押し当てるという操作のみで複素誘電率を簡
単に測定できる。また、導波管の開口部またはフランジ
面に、誘電率が既知の誘電体でふたをすることにより、
固体だけでなく液体、気体であっても、さらに高温や腐
食性の媒質であっても測定が行えるという効果がある。
せた試料の精密加工を必要とせずに、任意の広さの平板
形状の試料を用いればよく、しかもその表面にフランジ
付導波管を押し当てるという操作のみで複素誘電率を簡
単に測定できる。また、導波管の開口部またはフランジ
面に、誘電率が既知の誘電体でふたをすることにより、
固体だけでなく液体、気体であっても、さらに高温や腐
食性の媒質であっても測定が行えるという効果がある。
【図１】本発明になる誘電率の測定装置の構成例を示す
ブロック図である。
ブロック図である。
【図２】図１の誘電体内挿部のうちフランジ付導波管を
示す図である。
示す図である。
【図３】図１の誘電体内挿部構成例を示す断面図であ
る。
る。
【図４】反射係数と複素誘電率の関係を表す等高線図の
例である。（厚さｄ＝３．５（ｍｍ）、周波数１０ＧＨ
ｚ）
例である。（厚さｄ＝３．５（ｍｍ）、周波数１０ＧＨ
ｚ）
【図５】反射係数の測定値から複素誘電率を求めるため
の詳細な等高線図の例である。（厚さｄ＝３．７６（ｍ
ｍ）、周波数１０ＧＨｚ）
の詳細な等高線図の例である。（厚さｄ＝３．７６（ｍ
ｍ）、周波数１０ＧＨｚ）
１ 反射特性測定装置 ２ 誘電体内挿部 ２１、３１ コネクタ ２２、３２ ロッドアンテナ ２３、３３ 導波管 ２４、３４ フランジ ３５ 誘電体 ３６ 導体板
Claims (8)
- 【請求項１】 フランジ付導波管と導体板との間に誘電
体を挿入して押さえ、開口面の反射係数を計測し、その
計測により得られた反射係数の絶対値と位相角から、前
記挿入した誘電体の複素誘電率を求めることを特徴とす
る複素誘電率の測定装置。 - 【請求項２】 試料が平板形状の誘電体であることを特
徴とする、請求項１に記載の複素誘電率の測定装置。 - 【請求項３】 フランジ付導波管と導体板との間に誘電
体を挿入して押さえ、開口面から電磁波を入射させ、開
口面から誘電体に入射した電磁波が、開口面以外の位置
から誘電体の外部に漏れることがなく、よって計測系以
外の外界の電磁波的な悪影響を受けることなく反射係数
を計測し、前記挿入した誘電体の複素誘電率を求めるこ
とを特徴とする複素誘電率の測定装置。 - 【請求項４】 その開口面より誘電体表面に電磁波を入
射して、開口面からの反射波を計測するためのフランジ
付導波管で構成された電磁波入力手段と、該手段へ電磁
波を供給して、その基本モードに対する反射特性を測定
するための反射特性測定手段と、該手段により測定され
た反射特性から前記挿入された誘電体の複素誘電率を求
めるために反射係数と誘電率の関係を算出するための反
射係数算出手段と、該手段により算出された反射係数と
複素誘電率の関係から複素誘電率を特定するための誘電
率特定手段と、を備えたことを特徴とする誘電率の測定
装置。 - 【請求項５】 前記電磁波入力手段は、高周波発生手段
により発生した高周波を導波管に導くためのコネクタ
と、導波管内において前記高周波を電磁波に変換するた
めのロッドアンテナと、前記ロッドアンテナから放射さ
れた電磁波を誘電体に入射させるためにその開口面まで
導くための導波管と、誘電体内部に入射した電磁波が、
開口面以外の位置から誘電体の外部に漏れることを防ぐ
ためのフランジとから成るフランジ付導波管および誘電
体からの電磁波の透過を防ぐための導体板とから構成さ
れたことを特徴とする請求項４に記載の誘電率の測定装
置。 - 【請求項６】 前記反射係数算出手段は、マックスウェ
ルの方程式から導出されたヘルムホルツ方程式を、導波
管と誘電体の各領域について立て、これらを導波管の開
口面およびフランジ面上の境界条件式に代入するという
厳密解法により得られた連立方程式を、基本モードだけ
でなく開口面で発生する高次モードを含めた上で，基本
モードの反射係数を算出することを特徴とする請求項４
に記載の誘電率の測定装置。 - 【請求項７】 前記誘電率特定手段は、前記反射係数算
出手段により算出された誘電率と反射係数の対応関係
を、複素誘電率に対する反射係数の絶対値と位相角の等
高線分布図（以下、等高線図）として表現する作図手段
と、前記作図手段により作成された等高線図を用いて前
記反射係数測定手段により得られた反射係数の絶対値と
位相角から、複素誘電率を直接求める誘電率読取手段と
から成る請求項４に記載の誘電率の測定装置。 - 【請求項８】 等高線図の作図作業と、被測定試料から
得られた反射係数の絶対値と位相角から等高線上の最適
位置を求める作業およびこの位置から誘電率と誘電正接
（ｔａｎδ）を求める作業をコンピュータ化したことを
特徴とする請求項７に記載する誘電率の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000134022A JP2001281284A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | 複素誘電率の非破壊測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000134022A JP2001281284A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | 複素誘電率の非破壊測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001281284A true JP2001281284A (ja) | 2001-10-10 |
Family
ID=18642376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000134022A Pending JP2001281284A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | 複素誘電率の非破壊測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001281284A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7164095B2 (en) | 2004-07-07 | 2007-01-16 | Noritsu Koki Co., Ltd. | Microwave plasma nozzle with enhanced plume stability and heating efficiency |
| US7189939B2 (en) | 2004-09-01 | 2007-03-13 | Noritsu Koki Co., Ltd. | Portable microwave plasma discharge unit |
| US7271363B2 (en) | 2004-09-01 | 2007-09-18 | Noritsu Koki Co., Ltd. | Portable microwave plasma systems including a supply line for gas and microwaves |
| WO2009116301A1 (ja) * | 2008-03-19 | 2009-09-24 | 国立大学法人北海道大学 | 複素誘電率測定装置、複素誘電率測定方法及びプログラム |
| JP2010502996A (ja) * | 2006-09-08 | 2010-01-28 | マグヌッソン、ロバート | 角度ダイバーシチ、スペクトルダイバーシチ、モードダイバーシチ、及び偏光ダイバーシチを用いて高精度検出を小型構成で行なう導波モード共振センサ |
| US7806077B2 (en) | 2004-07-30 | 2010-10-05 | Amarante Technologies, Inc. | Plasma nozzle array for providing uniform scalable microwave plasma generation |
| CN103278696A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-09-04 | 北京大华无线电仪器厂 | 铁氧体介电常数测量系统 |
| CN104950184A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-09-30 | 电子科技大学 | 固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统 |
| US9151793B1 (en) | 2014-09-25 | 2015-10-06 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Method for measuring the complex dielectric constant of a substance |
| CN113063989A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-07-02 | 西安交通大学 | 片状微波介质材料的多频点介电性能高速测试系统及方法 |
-
2000
- 2000-03-30 JP JP2000134022A patent/JP2001281284A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9528940B2 (en) | 1999-11-05 | 2016-12-27 | Board Of Regents, University Of Texas System | Guided-mode resonance sensors employing angular, spectral, modal, and polarization diversity for high-precision sensing in compact formats |
| US7164095B2 (en) | 2004-07-07 | 2007-01-16 | Noritsu Koki Co., Ltd. | Microwave plasma nozzle with enhanced plume stability and heating efficiency |
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| JP2014178329A (ja) * | 2006-09-08 | 2014-09-25 | Magnusson Robert | 角度ダイバーシチ、スペクトルダイバーシチ、モードダイバーシチ、及び偏光ダイバーシチを用いて高精度検出を小型構成で行なう導波モード共振センサ |
| JP2010502996A (ja) * | 2006-09-08 | 2010-01-28 | マグヌッソン、ロバート | 角度ダイバーシチ、スペクトルダイバーシチ、モードダイバーシチ、及び偏光ダイバーシチを用いて高精度検出を小型構成で行なう導波モード共振センサ |
| JPWO2009116301A1 (ja) * | 2008-03-19 | 2011-07-21 | 国立大学法人北海道大学 | 複素誘電率測定装置、複素誘電率測定方法及びプログラム |
| WO2009116301A1 (ja) * | 2008-03-19 | 2009-09-24 | 国立大学法人北海道大学 | 複素誘電率測定装置、複素誘電率測定方法及びプログラム |
| CN103278696A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-09-04 | 北京大华无线电仪器厂 | 铁氧体介电常数测量系统 |
| US9151793B1 (en) | 2014-09-25 | 2015-10-06 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Method for measuring the complex dielectric constant of a substance |
| CN104950184A (zh) * | 2015-06-04 | 2015-09-30 | 电子科技大学 | 固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统 |
| CN113063989A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-07-02 | 西安交通大学 | 片状微波介质材料的多频点介电性能高速测试系统及方法 |
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