JP2006133048A

JP2006133048A - 複素比誘電率測定装置及び複素比誘電率測定方法

Info

Publication number: JP2006133048A
Application number: JP2004321633A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kimura; 健一木村
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】実際の使用されている状態の各種部材の反射係数或いは透過係数を確実に測定し、その結果を用いて複素比誘電率を求めること。
【解決手段】電波送受信装置１は送信アンテナ４からレンズアンテナ５を通して戸境壁１００に放射した電磁波の戸境壁１００からの反射電磁波をレンズアンテナ７を通して受信アンテナで６受信する。ネットワークアナライザー２はこれら電磁波の送信情報と受信情報から反射係数を測定する。パソコン３は測定された反射係数を用いて所定演算を行うことにより複素比誘電率を算出する。その際、ネットワークアナライザー２は被測定物の反射係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定する。それ故、目的の反射係数を確実に測定でき、実際の使用されている状態の被測定物の複素比誘電率を確実に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築などに使用される部材の複素比誘電率を測定する複素比誘電率測定装置及び方法に関する。

高度情報化社会の到来に伴い、無線機器が色々なところで使われるようになるにつれて、空間を構成する材料の電磁波に対する材料定数、特に斜入射特性を含んだ反射係数、透過係数、複素比誘電率及び複素比透磁率等の材料定数を評価する必要性が高まってきている。例えば、室内の無線通信環境を改善するという場合に、その電波伝播特性を評価することが重要となる。この評価のためには建物を構成する材料の様々な角度の反射係数が必要である。加えて、建物に使われている材料の多くは誘電体であることから、これらの材料の複素比誘電率を正しく評価することが重要である（例えば特許文献１参照）。

材料の誘電率を評価する手法としては、導波管法、摂動法、自由空間法等があり、その用途や用意できる材料などによって、それぞれの手法を使い分けている。いずれの手法においても測定用サンプルを用意し、そのサンプルを加工することよって精度の高い測定を行っている。
特開２０００−１９３６０８号公報（第５頁、第１図）

しかしながら、従来の測定では、被測定物の複素比誘電率を精度よく測定できているが、その材料が実際に使われている状態での測定結果ではない。加工された小さな測定試料の複素比誘電率と、例えば建築構成物として使用されている状態でのそれとは大きく異なることが考えられ、このことは反射係数や透過係数などにも直ちに影響を与える。しかし、このような問題は、従来のサンプル測定では解決できないものである。

例えば、建物を考えた場合、その材料は加工された状態と実際に使われる状態では条件が大きく異なり、例えば含水率が問題となる。無機系バインダーを使っている建築材料では、その使われる部位、周りの環境等によって含水率は大きく変動し、それによって材料の複素比誘電率も大きく変動するため反射係数や透過係数も大きく変動する。それ故、このような材料について実情に則した複素比誘電率や反射係数又は透過係数の評価を行う場合には、実際に使われている場所での測定が必要とされる。しかしながら、建築現場などでは被測定物以外の様々なに部材があり、例えば反射係数を測定をするために電磁波を被測定物に放射しても、他の部材からの反射波が受信され、被測定物の反射係数がどれであるかはっきりせず、状況によっては測定不能になるという問題があった。

本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、実際の使用されている状態の各種部材の反射係数或いは透過係数を測定し、その結果を用いて目的の複素比誘電率を確実に求めることができる複素比誘電率測定装置及び複素比誘電率測定方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、送信アンテナから電磁波を被測定物に送信し、前記被測定物からの反射波を受信アンテナで受信する電波送受信手段と、前記電波送受信手段から前記電磁波の送信情報と前記反射電磁波の受信情報を取得し、これら情報から前記被測定物の反射係数をタイムドメインゲーティング機能を用いて測定する測定手段と、前記測定された反射係数を使用して所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する演算手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明は、前記タイムドメインゲーティング機能を用いる場合に予め反射電磁波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系できめられたゲーティング幅を使用することを特徴とする。

また、本発明は、前記送信アンテナと前記被測定物との間、或いは、前記受信アンテナと前記被測定物との間のいずれか一方、または両方にレンズアンテナを配置することを特徴とする。

また、本発明は、送信アンテナから電磁波を被測定物に送信し、前記被測定物を透過した透過電磁波を受信アンテナで受信する電波送受信手段と、前記電波送受信手段から前記電磁波の送信情報と前記透過電磁波の受信情報を取得し、これら情報から前記被測定物の透過係数をタイムドメインゲーティング機能を用いて測定する測定手段と、前記測定された透過係数を使用して所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する演算手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明は、前記タイムドメインゲーティング機能を用いる場合に予め透過電磁波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系できめられたゲーティング幅を使用することを特徴とする。

このように本発明では、送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物からの反射電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から反射係数を測定し、測定された反射係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する際に、被測定物の反射係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定することにより、被測定物以外の他の部材からの反射電磁波による不要な反射係数を除去して被測定物の反射係数を確実に測定することができる。特に、タイムドメインゲーティング法を用いる場合に予め反射波が極めて少ない理想的な空間で当該測定系と同じ測定系で決められたゲーティング幅を使用することにより、不要な反射係数を確実に除去でき、被測定物だけの反射係数を得ることができる。それ故、この反射係数より算出される複素比誘電率も被測定物のそれになり、被測定物が建築現場の建築構成部材であっても、この測定対象の建築構成部材の複素比誘電率を確実に得ることができる。また、送信アンテナと前記被測定物との間にレンズアンテナを配置すると共に、前記受信アンテナと前記被測定物との間にもレンズアンテナを配置することにより、被測定物へ照射する電磁波の指向性を鋭くでき、その分、電磁波を被測定物のみに当てることができるため、他の部材からの反射電磁波のレベルを低くでき、測定対象の建築構成部材の複素比誘電率を更に確実に得ることができる。

また、同様に、送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物を透過した透過電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から透過係数を測定し、測定された透過係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する際に、被測定物の透過係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定すると共に、送信アンテナと前記被測定物との間及び受信アンテナと被測定物との間にレンズアンテナを配置することより、被測定物へ照射する電磁波の指向性を鋭くして、測定対象の建築構成部材の複素比誘電率を更に確実に得ることができる。

本発明によれば、送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物からの反射電磁波、或いは前記被測定物からの透過電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から反射係数、或いは透過を測定し、測定された反射係数或いは透過係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する際に、被測定物の反射係数或いは透過係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定することにより、被測定物以外の反射係数或いは透過係数を排除して目的の反射係数或いは透過係数を確実に測定して、被測定物の複素比誘電率を確実に測定することができるため、実際の使用されている状態の各種部材の反射係数或いは透過係数を測定し、その結果を用いて複素比誘電率を求めることができる。それ故、実際の建物の構成部材をそのままの状態で反射係数や透過係数の測定が可能となり、加えて建物に多く使われている窯業系を中心とした誘電体材料の複素比誘電率の評価が可能となる。
また、送信アンテナと被測定物及び受信アンテナと被測定物の間にレンズアンテナを配置することにより、被測定物に照射する電磁波の指向性を鋭くして、実際の建物の構成部材をそのままの状態で反射係数や透過係数の測定を更に確実にすることができる。

実際の使用されている状態の各種部材の反射係数或いは透過係数を測定し、その結果を用いて複素比誘電率を確実に求める目的を、送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物からの反射電磁波、或いは前記被測定物からの透過電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から反射係数、或いは透過を測定し、測定された反射係数或いは透過係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する際に、被測定物の反射係数或いは透過係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定すると共に、送信アンテナと被測定物及び受信アンテナと被測定物との間にレンズアンテナを配置することにより、被測定物に照射する電磁波の指向性を鋭くすることによって実現した。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る複素比誘電率測定装置の構成を示したブロック図である。複素比誘電率測定装置は、電波送受信装置１、ネットワークアナライザー２、パソコン３、送信アンテナ４、レンズアンテナ５、受信アンテナ６、レンズアンテナ７を有して構成されている。この複素比誘電率測定評価装置の測定対象物は戸境壁１００で、測定時にはその背後に近接して着脱自在の金属板８が配置される。

図２はレンズアンテナ５（又は７）の構成例を示した図である。レンズアンテナ５は図のようにサイズの異なる複数枚の金属板２１を近接配置した集合体で形成されている。このようなレンズアンテナ５はアンテナ４から放射された電磁波を目的物に集める作用がある。金属板２１をアルミ泊で、これらアルミ泊を図示されない発砲スチロールなどの支持部材で支持することにより、図示のようなレンズアンテナ５を簡易的に作成することができる。レンズアンテナ７についても同様で、この場合は電磁波を受信アンテナ６に集中させる作用がある。

次に本実施の形態の動作について説明する。この例は、複素比誘電率測定装置により室内にある戸境壁の反射係数を測定するものであり、使用した機器は、送信、受信アンテナ４、６としてエムコ社製ダブルリジッドガイドアンテナＥＭＣＯ３１１５を、ネットワークアナライザー２としてアンリツ３６０Ｂを用い、また、レンズアンテナ５、７は自作のものを使用した。

まず、電波送受信装置１に接続される送信アンテナ４と受信アンテナ６を戸境壁１００に対して図１のように配置し、送信アンテナ４と戸境壁１００の間にレンズアンテナ５を、受信アンテナ６と戸境壁１００の間にレンズアンテナ７を配置する。この際、被測定物（戸境壁１００）以外による電磁波を避けるために（例えば被測定部位以外の材料）、アンテナ４のビームの広がりを考慮した測定系の配置がなされる。

その後、電波送受信装置１の指向性のある送信アンテナ４から電磁波を放射すると、この電磁波はレンズアンテナ５により戸境壁１００に集中照射されてして反射する。この反射波はレンズアンテナ７により受信アンテナ６の方へ集められて受信される。電波送受信装置１は電磁波の送信情報と受信情報をネットワークアナライザー２に送る。ネットワークアナライザー２は入力される送信情報と受信情報に基づいて電磁波の反射損失や位相のずれを測定する。測定周波数は使用アンテナの有効範囲内で対象周波数を中心に適当な帯域幅をもたせて行う。ネットワークアナライザー２では、タイムドメインゲーティング機能を用いて被測定物（戸境壁１００）以外の部材からの反射波以外の成分を除去して被測定物の反射係数を選択的に求め、これをパソコン３に送る。上記の測定は金属板８がある場合と、ない場合について行われ、それぞれの場合の反射係数が求められる。

図３、図４は戸境壁１００に放射する電磁波の周波数と上記反射係数との関係を示した特性図である。図３は上記した反射波による反射係数の測定の例として、建材型吸収体を戸境壁１００に施工した際の、その材料の反射係数のゲイトがある場合とない場合（タイムドメインゲーティング機能の使用の有無）の反射係数を示した特性図で、図４はレンズがある場合とない場合の反射係数を示した特性図で、また、図３、図４の中の推定値は同材料の厚さと含水率から推定したものである。

図３にて、（１）はレンズアンテナ（レンズ）ありタイムドメインゲーティング（ゲイト）機能無しの反射係数を示し、（２）はレンズ無しで、ゲイトありの反射係数を示し、（３）はレンズ無しで、ゲイトありの反射係数を示し、（４）は反射係数の推定値を示している。図４にて、（１）はレンズありゲイトありの反射係数を示し、（２）はレンズありで、ゲイト無しの反射係数を示し、（３）はレンズ無しで、ゲイトありの反射係数を示し、（４）は反射係数の推定値を示している。

図３に示すように、レンズアンテナを用いないが、タイムドメイン機能を用いた場合の特性線（２）は滑らかで且つほぼ推定値に一致し、他の部材の影響が排除された反射係数が得られることが分かる。図４に示すように、レンズアンテナ５、７を用いて且つタイムドメイン機能を用いた場合の特性線（１）は滑らかで且つ推定値に一致し、２．８５ＭＨｚ当たりに反射係数のピークがあることが明瞭に分かるもので、他の部材の影響が排除さ
れた反射係数が得られることが分かる。なお、上記したタイムドメインゲーティング機能を用いる場合に予め反射波が極めて少ない理想的な空間（例えば電波暗室）で当該測定と同じ測定系でゲーティングの幅を決めておき、当該測定での不必要な反射波の除去の際にそれを用いる。

図５はレンズアンテナ５、７を用いた場合の受信アンテナ６に受信される反射波の指向性を示した図である。図中、５０１がレンズアンテナ無しの受信電磁波の指向特性で、５０２はレンズアンテナ７のみを使用した場合の受信電磁波の指向性である。送信側にレンズアンテナ５を用いると、明らかに受信波の指向性が鋭くなっていることが分かる。

パソコン３は、得られたデータ（反射係数）より以下に示す計算式群（１）を使用して複素比誘電率を算出する。但し、Ｚｏは真空中の特性インピ−ダンス、ＺＣは被測定材料の特性インピ−ダンス、λ０は照射電磁波の波長、θ１は電磁波の被測定材料への入射角度，ｄは材料厚，εｒは複素比誘電率、γは伝搬乗数、Ｚ0 は入力インピーダンス、Γｏは背後が空気の場合の反射係数、Γｓは背後が金属の場合の反射係数を示している。

本実施の形態によれば、建築現場に複素比誘電率測定装置を持ち込み、この複素比誘電率測定装置により建築構成物として使用されている部材、この例では戸境壁１００に対して電磁波を照射し、その反射波から戸境壁１００の反射係数を求め。これから複素比誘電率を算出する際に、送信アンテナ４と戸境壁１００の間及び受信アンテナと戸境壁１００の間にレンズアンテナ５、７を配置することで、戸境壁１００に照射する電磁波の指向性を鋭くして、目標物（戸境壁１００）からの反射波の受信レベルを高くすると共に、ネットワークアナライザー２のタイムドメインゲーティング機能を用いて戸境壁１００からの反射波以外の成分を除くことにより、建築構成物として用いられている他の様々な部材の中から目的の戸境壁１００からの反射波を捕らえることができる。それ故、実際の使用されている状態の戸境壁１００の反射係数を確実に測定することができ、その結果を用いて実際の使用状態下における戸境壁１００の複素比誘電率を確実に求めることができる。

また、レンズアンテナ５、７を用いなくとも、ネットワークアナライザー２のタイムドメインゲーティング機能を用いただけでも、他の様々な部材の中から目的の戸境壁１００からの反射波を捕らえることができ、ほぼ、同様の効果がある。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る複素比誘電率測定装置の構成を示したブロック図である。但し、第１の実施の形態と同様の部分には同一符号を付して説明する。本実施の形態の複素比誘電率測定装置は、被測定物（戸境壁１００）の透過係数を測定する構成で、戸境壁１００を挟んで、左側に送信アンテナ４及びレンズアンテナ５が配置され、右側に受信アンテナ６及びレンズアンテナ７が配置されている。

次に本実施の形態の動作について説明する。電波送受信装置１の指向性のある送信アンテナ４から電磁波を放射すると、この電磁波はレンズアンテナ５により戸境壁１００に集中し、この戸境壁（石膏ボード）１００を透過する。この透過波はレンズアンテナ７により受信アンテナ６の方へ集められて受信される。電波送受信装置１は電磁波の送信情報と受信情報をネットワークアナライザー２に送くる。ネットワークアナライザー２は電磁波の送信情報と受信情報に基づいて透過損失や位相のずれを測定する。測定周波数は使用アンテナの有効範囲内で対象周波数を中心に適当な帯域幅をもたせて行う。ネットワークアナライザー２では、タイムドメインゲーティング機能を用いて被測定物（戸境壁１００）以外の部材からの透過波以外の成分を除去して被測定物の透過係数を選択的に求め、これをパソコン３に送る。

パソコン３では得られたデータ（透過係数）より以下に示す計算式群（２）を使用して複素比誘電率を算出する。但し、Ｚｏは真空中の特性インピ−ダンス、ＺＣは被測定材料の特性インピ−ダンス、λ０は照射電磁波の波長、θ１は電磁波の被測定材料への入射角度，ｄは材料厚，εｒは複素比誘電率、γは伝搬乗数、Ｚ0 は入力インピーダンス、Τは透過係数を示している。

図７はパソコン３により算出された石膏ボードの複素比誘電率であり、実数部も虚数部も（１）はレンズアンテナがある場合、（２）はレンズアンテナがない場合を示しており、レンズアンテナがあると、部屋や他の部材の影響のない複素比誘電率を得ることができる。

本実施の形態によれば、レンズアンテナ５、７及びタイムドメインゲーティング機能を用いることにより、部屋や他の部材の影響を排除した被測定材の透過係数を得ることができ、第１の実施の形態と同様の効果がある。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る複素比誘電率測定装置の構成を示したブロック図である。図１に示したレンズアンテナの構成を示した斜視図である。図１に示した装置により測定した反射係数の周波数特性を示した特性図である。図１に示した装置により測定した反射係数の周波数特性を示した特性図である。図１に示した装置使用されるレンズアンテナの指向性特性を示した図である。本発明の第２の実施の形態に係る複素比誘電率測定装置の構成を示したブロック図である。図６に示した複素比誘電率測定装置により測定した複素比誘電率の周波数特性を示した図である。

符号の説明

１……電波送受信装置、２……ネットワークアナライザー、３……パソコン、４……送信アンテナ、５、７……レンズアンテナ、６……受信アンテナ。

Claims

送信アンテナから電磁波を被測定物に送信し、前記被測定物からの反射波を受信アンテナで受信する電波送受信手段と、
前記電波送受信手段から前記電磁波の送信情報と前記反射電磁波の受信情報を取得し、これら情報から前記被測定物の反射係数をタイムドメインゲーティング機能を用いて測定する測定手段と、
前記測定された反射係数を使用して所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する演算手段と、
を具備することを特徴とする複素比誘電率測定装置。
前記タイムドメインゲーティング機能を用いる場合に、予め反射電磁波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系で決められたゲーティング幅を使用することを特徴とする請求項１記載の複素比誘電率測定装置。
前記送信アンテナと前記被測定物との間、或いは、前記受信アンテナと前記被測定物との間のいずれか一方、または両方にレンズアンテナを配置することを特徴とする請求項１又は２記載の複素比誘電率測定装置。
送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物からの反射電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から反射係数を測定し、測定された反射係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する複素比誘電率測定方法であって、
前記被測定物の反射係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定することを特徴とする複素比誘電率測定方法。
前記タイムドメインゲーティング法を用いる場合に予め反射波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系で決められたゲーティング幅を使用することを特徴とする請求項４記載の複素比誘電率測定方法。
前記送信アンテナと前記被測定物との間、或いは、前記受信アンテナと前記被測定物との間のいずれか一方、または両方にレンズアンテナを配置することを特徴とする請求項４又は５記載の複素比誘電率測定方法。
送信アンテナから電磁波を被測定物に送信し、前記被測定物を透過した透過電磁波を受信アンテナで受信する電波送受信手段と、
前記電波送受信手段から前記電磁波の送信情報と前記透過電磁波の受信情報を取得し、これら情報から前記被測定物の透過係数をタイムドメインゲーティング機能を用いて測定する測定手段と、
前記測定された透過係数を使用して所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する演算手段と、
を具備することを特徴とする複素比誘電率測定装置。
前記タイムドメインゲーティング機能を用いる場合に予め透過電磁波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系で決められたゲーティング幅を使用することを特徴とする請求項７記載の複素比誘電率測定装置。
前記送信アンテナと前記被測定物との間、或いは、前記受信アンテナと前記被測定物との間のいずれか一方、または両方にレンズアンテナを配置することを特徴とする請求項７又は８記載の複素比誘電率測定装置。
送信アンテナから被測定物に放射した電磁波の前記被測定物を透過した透過電磁波を受信し、これら電磁波の送信情報と受信情報から透過係数を測定し、測定された透過係数を用いて所定の演算を行うことにより複素比誘電率を算出する複素比誘電率測定方法であって、
前記被測定物の透過係数をタイムドメインゲーティング法を用いて測定することを特徴とする複素比誘電率測定方法。
前記タイムドメインゲーティング法を用いる場合に予め透過電磁波が極めて少ない理想的な空間で当該測定と同じ測定系で決められたゲーティング幅を使用することを特徴とする請求項１０記載の複素比誘電率測定方法。
前記送信アンテナと前記被測定物との間、或いは、前記受信アンテナと前記被測定物との間のいずれか一方、または両方にレンズアンテナを配置することを特徴とする請求項１０又は１１記載の複素比誘電率測定方法。