JP2006220646A - 誘電率測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定試料の誘電率の測定精度を改善できる誘電率測定装置および方法を提供することを目的とする。
【解決手段】誘電率測定装置に、測定試料の電波入射面側に配置され、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有する誘電体と、測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータを測定する測定手段とを備えることにより達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波基板材料やＥＭＣ材料等に対する複素比誘電率を測定する誘電率測定装置および方法に関する。

例えば、導波管を用いたＳパラメータ法による誘電率測定では、導波管内に測定試料を充填したときのＳパラメータＳ_１１（反射特性）やＳ_２１（伝送特性）を測定し複素比誘電率を導出する。この際、測定試料が低損失材料である場合や伝送線路に挿入する測定試料の厚みが小さい場合は、校正によるＳパラメータの基準値と試料を挿入した時に測定するＳパラメータの差が大きいため誘電率を求め易く、また、測定試料の誘電率変化に対してＳパラメータの変化が大きいため測定したＳパラメータから正確な誘電率を求めることができる。

しかし、試料が高損失かつ測定試料の厚みが大きい場合は、校正によるＳパラメータの基準値と試料を挿入した時に測定するＳパラメータとの差が小さいため誘電率を求めることが困難であり、また、測定試料の誘電率変化に対してＳパラメータの変化が小さいため測定したＳパラメータから正確な誘電率を求めることは困難であり、誘電率を求めるためには特に高精度なＳパラメータの測定が要求される。

また、測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊で誘電率を測定する方法が検討されているが、測定試料を伝送線路に挿入して測定する場合と同じ理由により、測定試料が高損失かつ測定試料の厚みが大きい場合は校正によるＳパラメータの基準値と試料を挿入した時に測定するＳパラメータの差が小さいため誘電率を求めることが困難であり、また、測定試料の誘電率変化に対してＳパラメータの変化が小さいため測定したＳパラメータから正確な誘電率を求めることは困難であり、誘電率を求めるためには特に高精度なＳパラメータの測定が要求される。

また、同軸管を用いた誘電率測定では、測定試料の電気長によって、測定結果に大きな誤差が生じるため、電気長の異なる複数の測定試料に対する測定を行う必要がある。その際、電気長を変えるために、管軸方向の長さの異なる同軸管を複数個用意し測定を行う。

また、測定試料の材料によっては、試料温度により複素比誘電率が変化するため、測定時の温度を明確にする必要がある。また、誘電率の温度特性を得るためには精度良く試料温度を制御する必要があり、測定試料を充填する同軸管等の治具を、目的の温度に保った一般的な恒温槽内に配置し、十分な時間が経過した後に測定データを取得する方法がある。この方法では、恒温槽内を循環する空気の温度により同軸管内の測定試料の温度が調整される。

尚、上述した背景技術のうち誘電率を測定する方法は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。

また、出願人は出願時点までに本発明に関連する先行技術文献を発見することができなかった。よって、先行技術文献情報を開示していない。

しかしながら、上述した背景技術には以下の問題がある。

誘電率を測定しようとする材料が高損失かつ厚みが大きい場合は、校正によるＳパラメータの基準値と試料を挿入した時に測定するＳパラメータとの差が小さいため誘電率を求めることが困難である。また、測定試料の誘電率変化に対してＳパラメータの変化が小さいため測定したＳパラメータから正確な誘電率を求めることは困難である。したがって、誘電率を求めるためには特に高精度なＳパラメータの測定が要求される問題がある。

また、誘電率の温度特性を測定する場合には、測定試料を目的の温度で一定にするために数時間以上という時間を要するため、温度特性を効率良く測定することができない問題がある。

この問題に対し、温度を一定にした水槽内に同軸管等の治具を入れる方法があるが、コネクタ等に水が入らないように工夫する必要があり、効率的に測定できない問題がある。

また、実際の測定時の試料温度と目的とする試料温度との一致を確認することが困難である問題がある。例えば、熱電対温度センサを取り付けることにより試料温度を測定する場合、測定試料に金属が接触し電磁界を乱すことから、測定中に試料温度を直接測定しない場合が殆どである。

また、電気長の異なる複数の測定試料に対して測定を行うためには、管軸方向の長さの異なる測定治具、例えば同軸管を複数個用意して測定を行う必要があり、また、誘電率測定時の試料温度を考慮すると、測定治具の異なる試料同士で、同じ測定温度下で測定することは非常に困難である問題がある。

そこで、本発明の目的は、測定試料の誘電率の測定精度を改善できる誘電率測定装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の誘電率測定装置は、測定試料のＳパラメータを測定し、複素比誘電率の値を算出する誘電率測定装置において、測定試料の電波入射面側に配置され、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスの整合状態を変化させ、測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有する誘電体と、測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータを測定する測定手段とを備える。

このように構成することにより、測定試料の誘電率変化に対するＳパラメータの変化を大きくでき、高損失かつ測定試料の厚みが大きい試料に対して、誘電率の測定精度を改善することができる。

また、本発明の誘電率測定方法は、測定試料のＳパラメータを測定し、複素比誘電率の値を算出する誘電率測定方法において、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスの整合状態を変化させ、測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有する誘電体を、測定試料の電波入射面側に配置するステップと、測定試料に電波を入射するステップと、Ｓパラメータを測定するステップとを有する。

このようにすることにより、測定試料の誘電率変化に対するＳパラメータの変化を大きくでき、高損失かつ測定試料の厚みが大きい試料に対して誘電率の測定精度を改善することができる。

本発明の実施例によれば、測定試料の誘電率の測定精度を改善できる誘電率測定装置および方法を実現できる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

本発明の第１の実施例にかかる誘電率測定装置について、図１を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置１００は、同軸管を用いたＳパラメータ法による誘電率測定装置であり、損失が大きく厚みを十分有する測定試料１１０がその内部に充填される同軸管１０１と、その測定試料１１０の電波入射面側に配置される誘電体１０２と、同軸管内に配置される内導体１０３と、測定部（図示なし）とを備える。

誘電体１０２は、インピーダンス整合を目的としており、測定試料１１０の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。このようにすることにより、単に電波を入射させた場合ではＳ_１１（反射係数）やＳ_２１（透過係数）の変化が小さい測定試料に対し、測定試料の誘電率変化に対し測定するＳパラメータの変化を大きくすることができるため、高精度な誘電率測定を実現することができる。

次に、自由空間を伝送路として測定試料を自由空間中に配置する場合の誘電率測定装置の例について、図２を参照して説明する。

損失が大きく厚みを十分有する測定試料１１０を自由空間に配置し、その測定試料１１０の電波入射面側に配置される誘電体１０２と、測定試料１１０に対して電波の送受信を行うアンテナ１１１と、測定部（図示なし）とを備える。

誘電体１０２は、インピーダンス整合を目的としており、測定試料１１０の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、アンテナ１１１を介して、測定試料１１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。

このように構成することにより、測定試料１１０が高損失かつ測定試料の厚みが大きい場合でも、測定試料１１０の誘電率変化に対し測定するＳパラメータの変化を大きくすることができるため、高精度に誘電率を求めることができる。

次に、本発明の第２の実施例にかかる誘電率測定装置について、図３を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置２００は、測定試料２１０を収容、例えば充填する容器２０１と、導波管２０３と、伝送線路端部に配置された誘電体２０２と、測定部（図示なし）とを備える。

本実施例にかかる誘電率測定装置２００は、誘電体２０２を伝送線路端部に配置し、伝送線路端部をその誘電体２０２に密着させてその誘電体２０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定する。

誘電体２０２は、インピーダンス整合を目的とし、導波管内に挿入しない測定試料２１０の電波入射面側に配置されることによって、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料２１０の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料２１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）を測定する。

測定試料２１０が液体の場合は、図３に示すように測定試料２１０内に導波管２０３を挿入して測定を行うようにしてもよい。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。

また、図４に示すように、誘電体２０２を伝送線路端部に配置し、伝送線路端部を容器２０１に密着させてその誘電体２０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定するようにしてもよい。

この場合、誘電体２０２は、インピーダンス整合を目的とし、導波管内に挿入しない測定試料２１０の電波入射面側に配置されることによって、電波入射面から容器２０１を含む測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが容器２０１を含む測定試料２１０の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料２１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく、また測定試料が液体および固体の場合においても非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。

また、２本の導波管を備え、一方の導波管については上述したように、誘電体２０２を伝送線路端部に配置し、伝送線路端部を容器２０１の側面に密着させ、他方の導波管については測定試料２１０の電波透過側に他の伝送線路端部を容器２０１に密着させて配置するようにしてもよい。このようにすることにより電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）や測定試料の電波透過面において得られるＳ_２１（透過係数）を測定することができる。

次に、同軸線路２０４を用いた誘電率測定装置の例について、図５を参照して説明する。

この誘電率測定装置２００は、同軸線路２０４と、同軸線路端部に配置された誘電体２０２と、測定部（図示なし）とを備える。

誘電体２０２は、インピーダンス整合を目的とし、同軸線路内に挿入しない測定試料２１０の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料２１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）を測定する。

伝送線路端部をその誘電体２０２に密着させてその誘電体２０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定する。

測定試料２１０が液体の場合は、図６に示すように、測定試料２１０を容器２０１に充填し、測定試料２１０内に同軸線路２０４を挿入して測定を行うようにしてもよい。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。

次に、本発明の第３の実施例にかかる誘電率測定装置について、図７を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置３００は、２本の導波管と、一方の導波管の伝送線路端部に配置された誘電体３０２と、測定部（図示なし）を備える。

電波入射側の伝送線路端部に配置した誘電体３０２を測定試料３１０に密着させ、測定試料３１０の電波透過側に他の伝送線路端部を密着させ、伝導線路端部に配置した誘電体３０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）や測定試料３１０の電波透過面において得られるＳ_２１（透過係数）を測定する。

誘電体３０２は、インピーダンス整合を目的とし、導波管内に挿入しない測定試料の電波入射面側に配置することによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料３１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）、の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。

次に、同軸線路を用いた誘電率測定装置の例について、図８を参照して説明する。

この誘電率測定装置３００は、２組の同軸線路３０４と、一方の同軸線路３０４の伝送線路端部に配置された誘電体３０２と、測定部（図示なし）を備える。

誘電体３０２を伝送線路端部に配置し、伝送線路端部に配置した誘電体３０２を測定試料３１０の電波入射側に密着させ、測定試料３１０の電波透過側に別の伝送線路端部を密着させて、伝導線路端部に配置した誘電体３０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）や測定試料３１０の電波透過面において得られるＳ_２１（透過係数）を測定する。

誘電体３０２は、インピーダンス整合を目的とし、同軸線路内に挿入しない測定試料３１０の電波入射面側に配置することによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料３１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）、の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。

次に、本発明の第４の実施例にかかる誘電率測定装置について、図９を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置４００は、導波管４０３と、伝送線路外に配置された誘電体４０２と、測定部（図示なし）を備える。

本実施例にかかる誘電率測定装置４００は、伝送線路端部をその誘電体４０２に密着させてその誘電体４０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定する。

誘電体４０２は、インピーダンス整合を目的とし、導波管内に挿入しない測定試料の電波入射面側に配置することによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料４１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく、非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現できる。また、誘電体４０２を伝送線路としての導波管に挿入可能な状態に加工することなく高精度な誘電率測定を実現できる。

次に、同軸線路を用いた誘電率測定装置の例について、図１０を参照して説明する。

この誘電体測定装置４００は、同軸線路４０４と、伝送線路外に配置された誘電体４０２と、測定部（図示なし）を備える。

伝送線路端部をその誘電体４０２に密着させてその誘電体４０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定する。

誘電体４０２は、同軸線路内に挿入されない測定試料の電波入射面側に配置することによって、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態が変化し測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料４１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現できる。また、誘電体４０２を伝送線路としての同軸線路に挿入可能な状態に加工することなく高精度な誘電率測定を実現できる。

次に、本発明の第５の実施例にかかる誘電率測定装置について、図１１を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置５００は、２本の導波管と、一方の導波管の伝送線路外に配置された誘電体５０２と、測定部（図示なし）を備える。

電波入射側の伝送線路端部を伝送線路外に配置した誘電体に密着させ、測定試料５１０の電波透過側に他の伝送線路端部を密着させて、伝送線路外に配置された誘電体５０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）や測定試料の電波透過面において得られるＳ_２１（透過係数）を測定する。

誘電体５０２は、導波管内に挿入しない測定試料５１０の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料５１０の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）の変化が小さい測定試料を、伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。また、誘電体５０２を伝送線路としての導波管に挿入可能な状態に加工することなく高精度な誘電率測定を実現できる。

次に、同軸線路を用いた誘電率測定装置の例について、図１２を参照して説明する。

この誘電率測定装置５００は、２組の同軸線路と、伝送線路外に配置された誘電体５０２と、測定部（図示なし）を備える。

電波入射側の伝送線路端部を伝送線路外に配置した誘電体５０２に密着させ、測定試料５１０の電波透過側に他の伝送線路端部を密着させて、伝導線路外に配置した誘電体５０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）や測定試料５１０の電波透過面において得られるＳ_２１（透過係数）を測定する。

誘電体５０２は、インピーダンス整合を目的とし、同軸線路内に挿入しない測定試料の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）を測定する。

このようにすることにより、単に電波を入射させた場合では、Ｓ_１１（反射係数）、Ｓ_２１（透過係数）、の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定を実現することができる。また、誘電体５０２を伝送線路としての導波管に挿入可能な状態に加工することなく高精度な誘電率測定を実現できる。

上述した実施例では、Ｓパラメータ法によって誘電率を求めることが困難であった高損失かつ厚みが大きい測定試料に対し、伝送線路と測定試料間のインピーダンスを調節するために誘電体を配置することによって、測定試料が高損失かつ測定試料の厚みが大きい場合でも、測定試料の誘電率変化に対し測定するＳパラメータの変化を大きくすることができるため、高精度に誘電率を求めることができる。このため、極めて高精度なＳパラメータの測定が要求されない。また、非破壊の誘電率測定にも適用でき、高損失かつ測定試料の厚みが大きい測定試料に対しても非破壊で誘電率の測定ができる。

次に、誘電率を求めることが困難である測定試料について説明する。

例えば、周波数２ＧＨｚにおいて導波管内に充填した十分な厚みを有する高損失媒質（比誘電率＝３０〜５０、ｔａｎδ＝０．３１５一定）に対するＳ_１１（反射係数）を伝送線路理論により計算した結果を図１３に示す。

このような高損失媒質は、Ｓ_１１の基準となる短絡時と比較して位相差が非常に小さく、さらに、対象となる高損失媒質の比誘電率が３０〜５０と変化してもＳ_１１の振幅と位相は変化が小さいため、測定誤差などの誤差要因を考慮すると正確な誘電率を求めることは困難である。

このような高損失媒質などの誘電率を測定するため、伝送線路中に挿入される測定試料の電波入射面側に、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄとを有する誘電体を配置し、その誘電体の電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスを調節することにより得られるＳ_１１を測定する。

この解決方法を適用し、上述した伝送線路理論による計算を行った場合（誘電体は一例として、比誘電率＝４．０、ｔａｎδ＝０．０１、厚さ２０ｍｍ）を図１４に示す。

Ｓ_１１の基準となる短絡時と比較して位相差は大きくなり、さらに、対象となる高損失媒質の比誘電率が３０〜５０と変化するとＳ_１１の振幅と位相は大きく変化するため、測定誤差等の誤差要因が含まれても比較的正確な誘電率を求めることができる。

次に、図１５に示すように伝送線路外に測定試料を配置する場合に、誘電率を求める具体的な例について説明する。伝送線路外に配置した測定試料に対し伝送線路理論を用いて誘電率を導出することができない。そこでまず、ＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain method）等の数値計算手法を用いてＳ_１１を解析的に求める。高損失媒質（比誘電率＝３０〜５０、ｔａｎδ＝０．３１５一定）に終端開放型導波管を密着させそのときのＳ_１１を計算すると、短絡時を基準とした反射量、位相差によって図１６に示す誘電率チャートが得られる。実験で測定したＳ_１１をこの誘電体チャートにプロットすることによって誘電率を導出する。図１６は高損失媒質に単に終端開放型導波管を密着させた場合の結果を示しているが、高損失媒質の表面反射のみによる反射量、位相差の変動は非常に小さく、この誘電率チャートから誘電率を導出するには極めて正確な測定が要求され、測定誤差を考慮すると正確な誘電率を求めることが困難である。

しかし、図１７に示すように、伝送線路と測定試料とのインピーダンスを調節可能な特性、例えば誘電率と厚みを有する誘電体を終端開放型導波管端部に挿入し、導波管端部を伝送線路外に配置した測定試料に密着させるようにした場合、一例として図１８に示すような誘電率チャートが得られる。この場合、反射量、位相差の変動が非常に大きくなるため、誘電率の導出が容易になる。

このように、伝送線路と測定試料とのインピーダンスを調節可能な誘電率と厚みとを有する誘電体を、伝送線路端部に挿入し、その伝送線路端部面を伝送線路端部に挿入しない測定試料に密着させ、伝送線路中に挿入した誘電体の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定することにより、単に電波を入射させた場合ではＳ_１１（反射係数）の変化が小さい測定試料を、伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定が可能となる。

また、伝送線路と測定試料とのインピーダンスを調節可能な誘電率と厚みを有する誘電体を、伝送線路中に挿入しない測定試料における電波入射面側の伝送線路外に配置し、伝送線路端部をその誘電体に密着させてその誘電体の電波入射面において得られるＳ_１１を測定することにより、単に電波を入射させた場合ではＳ_１１の変化が小さい測定試料を伝送線路に挿入可能な状態に加工することなく非破壊の反射測定によって高精度な誘電率測定が可能となる。

次に、誘電率測定方法について説明する。

ここでは、一例として導波管によって反射係数を非破壊で測定する装置を用いる場合について説明する。この装置は、導波管２０３と、導波管端部に配置された誘電体２０２と、測定部（図示なし）とを備える。

誘電体２０２は、インピーダンス整合を目的とし、同軸線路内に挿入しない測定試料２１０の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

測定部は、測定試料２１０に電波を入射し、Ｓパラメータ、例えばＳ_１１（反射係数）を測定する。

導波管端部を測定試料２１０に密着させて誘電体２０２の電波入射面において得られるＳ_１１（反射係数）を測定する。

予め、上述したＦＤＴＤ法などの数値計算により、この非破壊測定の構成において誘電率測定の対象物が有する複素誘電率と得られる反射係数の関係とを導出する。

次に、図１９に示される測定系を、伝送線路理論で等価回路に表現可能なインピーダンス整合を目的とした誘電体と測定試料とを導波管内に充填した図２０の構成に置き換えた場合について、誘電率測定の対象物が有する複素誘電率と得られる反射係数の関係を伝送線路理論により導出する。

次に、両者の関係を変換可能な補正式を求める。次に、測定した反射係数をこの補正式により変換し、変換後の反射係数を図２０に示す簡易構成の等価回路に代入する。このようにすることにより、容易に複素誘電率を逆推定できる．
次に、本実施例にかかる他の誘電率測定方法について説明する。

予め、上述したＦＤＴＤ法などの数値計算を用いて数値計算上で設定する測定試料の複素誘電率と、非破壊測定の構成を図２０に示すような伝送線路理論で考慮可能な電気的に簡易な構成に変更した場合の等価回路に先の数値計算によって得られる反射係数を代入して逆推定した複素誘電率を変換可能な補正式を求める。例えば、両者の結果が図２１に示す複素誘電率の設定値と反射係数計算結果より推定された複素誘電率の関係のようになった場合、黒丸“●”印から白丸“○”印への補正式を求める。

ここで、ε_ｍ＝ε´_ｍ−ｊε´´_ｍは補正前、ε_ｒ＝ε´_ｒ−ｊε´´_ｒは補正後の複素誘電率であるとした場合、図２１の結果から、ε´_ｒ＝ε´_ｍ−０．０１６５ε´´_ｍ ^２＋０．０１６２ε´´_ｍ−０．４９９９８、ε´´_ｒ＝ε´´_ｍ＋０．００００６ε´_ｍ ^２＋０．０７２ε´_ｍ＋２．２１７１という補正式が導出できる。

測定した反射係数を図２０に示す簡易構成の等価回路に代入して複素誘電率を逆推定し、その推定値を導出した補正式に代入することで容易に測定試料の複素誘電率が推定できる。

次に、上述した実施例にかかる誘電体測定装置を用いて、誘電率の温度特性を測定する第６の実施例にかかる誘電率測定装置について説明する。

一例として第１の実施例において説明した誘電体測定装置を用いて誘電率の温度特性を測定する誘電率測定装置について、図２２を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置６００は、図２２に示すように、液体を満たす容器としての恒温槽容器６０１と、恒温槽容器６０１と一体形成された導体管としての金属管６０３と、両端に金属管６０３の内径と同様の寸法を有する低損失誘電体材料からなる誘電体板６０５を装着した内導体６０６と、ＲＦコネクタ６０８に金属管６０３の内径と同様の寸法を有する低損失誘電体からなる誘電体板６０７を装着したコネクタ６０９とから構成される。恒温槽容器６０１と金属管６０３とは外導体６０４を構成する。また、金属管６０３と内導体６０６とにより同軸管を構成する。

また、少なくとも一方の誘電体板６０５は、インピーダンス整合を目的とし、測定試料の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような特性、例えば誘電率と厚みｄを有する。

また、恒温槽容器６０１は恒温槽容器６０１内に満たされた液体の温度を一定温度にするための恒温器６０２を備える。このように構成することにより、同軸管構造を有する伝送線路を液体の満たされた恒温槽容器内に実現することができる。また、液体の温度を目的の温度にすることにより、伝送線路の外導体、すなわち金属管６０３の外壁は液体に直接接しているため、短時間で測定試料温度を目的の温度にすることができる。

誘電率の測定を行う場合には、図２３に示すように、内導体６０６を金属管６０３内に設置し、内導体の両端部に、内導体を固定する誘電体板６０５を介してコネクタ６０９を接合する。次に、測定部により、コネクタ６０９のＲＦケーブルから所定の通電および信号を入出力しＳパラメータを測定し、複素比誘電率の値を導出する。

以上の構成により、同軸管を構成する金属管６０３の温度を、液体の温度を調節することによって直接調整できるため、熱の伝わりが早く短時間で測定試料を目的の温度にでき、さらに目的の温度で一定にすることができる。このため、短時間で効率的に誘電率の温度特性を測定することができる。

また、長さの異なる内導体６０６を用いることで、外導体６０４を含む恒温槽容器を変えずに、電気長の異なる複数の測定試料に対して誘電率測定を行うことができる。すなわち、長さの異なる内導体６０６とコネクタ６０９とを入れ替えることにより、電気長の異なる試料に対する誘電率測定が可能となる。この場合、ＲＦコネクタ６０８に装着されている誘電体板６０７の厚さを調節する。また、内導体１０６を固定する少なくとも一方の誘電体板１０５の厚さを調節するようにしてもよい。

また、図２４に示すように、外導体６０４を金属管６０３の周囲に他の金属管を配置した二重同軸管により構成し、その金属管の間隙に液体を循環させるようにしてもよい。

この場合、例えば他の金属管に配管６１４を設け、この配管６１４を介して、液体循環部としての恒温水循環装置６１２により液体を循環させる。このように、外導体を二重同軸管により構成し、この二重同軸管の間隙に液体を循環させるようにすることにより測定試料の温度を一定に保つことができる。

次に、本発明の第７の実施例にかかる誘電率測定装置について、図２５を参照して説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置６００は、第６の実施例において説明した誘電率測定装置において、外導体６０４を構成する金属管６０３に微小なスリット６１６を少なくとも１つ設ける。このようにすることにより、液体の測定試料を恒温槽容器６０１内に満たした場合、目的の温度の液状測定試料をスリット６１６から同軸管内に流し込むことが可能となる。液状測定試料を隙間なく同軸管内に充填できるため、同軸管の測定における試料充填誤差を小さくすることができる。

また、スリットを設けることで、そのスリットに光ファイバ温度センサを挿入して試料内温度をモニターすることが可能となる。

また、図２６に示すように、外導体６０４を、スリットを設けた金属管６０３の周囲に他の金属管を配置した二重同軸管により構成し、その金属管の間隙に液体の測定試料を循環させることにより、目的の温度で一定となった液状測定試料を隙間なく同軸管内に充填できる。

次に、本発明の第８の実施例にかかる誘電率測定装置について説明する。

本実施例にかかる誘電率測定装置８００は、図２７に示すように、液体を満たす恒温槽容器６０１と、恒温槽容器６０１と一体形成され、導体管としての複数の金属管６０３とを備える。そして、各金属管６０３に、両端部に金属管６０３の内径と同様の寸法を有する低損失誘電体材料からなる誘電体板６０５を装着した長さの異なる複数の内導体６０６を設置し、ＲＦコネクタに金属管６０３の内径と同様の寸法を有する低損失誘電体からなる誘電体板６０７を装着したコネクタ６０９を各内導体６０６の両端に接合させる。また、少なくとも一方の誘電体６０５は、インピーダンス整合を目的とし、測定試料の電波入射面側に配置されることによって電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスＺ_ｉｎの整合状態を変化させ、測定されるＳパラメータが測定試料の誘電率変化に対して大きく変化するような誘電率と厚みｄを有する。

誘電率の測定を行う場合、液体を満たした恒温槽容器内の液温を恒温器６０２により目的の温度で一定に保つことにより、電気長を変化させた複数の測定試料は同時に温度変化し、同じ温度で一定となる。次に、測定部により、各コネクタのＲＦケーブルから、所定の通電および信号を入力しＳパラメータを測定し、複素誘電率の値を導出する。このようにすることにより、電気長の異なる測定試料に対し、同じ測定温度でのＳパラメータ測定が可能となる。

次に、本発明の第９の実施例にかかる誘電率測定システムについて説明する。

本実施例にかかる誘電率測定システム９００は、図２８に示すように、第６の実施例ないし第８の実施例において説明した誘電率測定装置に、例えばＲＦケーブルを介して、コネクタに接続するベクトルネットワークアナライザ１２０と、測定試料の温度を測定する温度計測部としての光ファイバ温度計測装置１６０と、ベクトルネットワークアナライザ１２０と光ファイバ温度計測装置１６０と恒温器１２０と例えば、通信ケーブルにより接続され、測定試料の温度と液体を満たした恒温槽容器内の液温をモニターし、ベクトルネットワークアナライザ１２０と光ファイバ温度計測装置１６０と恒温器６０２を制御する制御部としてのＰＣ（パーソナルコンピュータ）１４０とにより構成される。

ＰＣ１４０は光ファイバ温度計測装置１６０により測定される試料温度をモニターし、測定試料が目的の温度に達するように恒温器６０２の設定温度を制御して恒温槽容器内の液温を調整する。そして、測定試料が目的の温度に達したときにベクトルネットワークアナライザ１２０にＳパラメータを測定するように命令する。このようにすることにより、誘電率の温度特性の自動計測を可能にする。

本実施例においては例として、第７の実施例において説明した誘電率測定装置を用いた誘電率測定システムについて説明したが、第６および第８の実施例において説明した誘電率測定装置を用いた場合においても、誘電率測定システムを構成できることは言うまでもない。この場合、測定試料の温度は、例えば恒温槽容器に満たされた液体の温度に基づいて求める。

本発明の実施例によれば、同軸管の外導体温度を液体によって直接調整するため、熱の伝わりが早く短時間で測定試料を目的の温度で一定にすることができ、短時間に効率的に誘電率の温度特性を得ることができる。

また、ＰＣ等を用いて恒温器の温度と測定試料温度をモニターし、自動で目的の温度下における誘電率測定を行うことができる。また，同軸管内の試料温度を直接モニターした状態で誘電率を測定できるため、信頼性の高い温度特性を得ることができる。

また、内導体とコネクタを入れ替えるだけで、電気長の異なる試料に対する誘電率測定が可能となる。

また、複数の電気長の異なる試料に対する誘電率測定を同時に行うことが可能となる。

本発明にかかる誘電率測定装置は、高周波基板材料やＥＭＣ材料などに対する複素比誘電率を測定する装置に適用できる。

同軸管を用いた誘電率測定を示す模式図である。 自由空間法による誘電率測定を示す模式図である。 測定試料が液体の場合に導波管を用いて反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 容器内の測定試料の反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を同軸線路端部に配置した場合に反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 測定試料が液体の場合に同軸線路を用いて反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を導波管端部に配置した場合に透過係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を同軸線路端部に配置した場合に透過係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を導波管外に配置した場合に反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を同軸線路外に配置した場合に反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を導波管外に配置した場合に透過係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を同軸線路外に配置した場合に透過係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 損失が大きく厚みを十分有する測定試料の比誘電率変化に対する反射係数（Ｓ_１１）を示す説明図である。 測定試料側を見込んだインピーダンスを調節することを目的とした誘電体を配置した場合における測定試料の比誘電率変化に対する反射係数（Ｓ_１１）を示す説明図である。 終端開放型導波管を用いた反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 終端開放型導波管を用いた非破壊測定における誘電率チャートを示す説明図である。 誘電体を導波管端部に配置した場合に反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 誘電体を導波管端部に配置した非破壊測定における誘電率チャートを示す説明図である。 導波管によって反射係数を測定する非破壊測定法を示す模式図である。 インピーダンス整合を目的とした誘電体と測定試料を導波管内に充填した構成を示す模式図である。 複素誘電率の設定値と反射係数計算結果により推定した複素誘電率との関係を示す特性図である。 低損失誘電体材料を装着した内導体を金属管内に設置した様子を示す模式図である。 誘電率測定時の様子を示す模式図である。 外導体を金属管で囲む二重構造の同軸管において液体を循環させる構成を示す模式図である。 外導体にスリットを設けた構成を示す模式図である。 スリットのある外導体と金属管の隙間に液体を循環させる構成を示す模式図である。 内導体長の異なる同軸管構造を複数配置した構成を示す模式図である。 ＰＣ制御により自動測定を行う構成を示す模式図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、８００ 誘電率測定装置
９００ 誘電率測定システム

Claims (14)

1. 測定試料のＳパラメータを測定し、複素比誘電率の値を算出する誘電率測定装置において：
   前記測定試料の電波入射面側に配置され、電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスの整合状態を変化させ、前記測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有する誘電体；
   前記測定試料に電波を入射し、Ｓパラメータを測定する測定手段；
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
2. 請求項１に記載の誘電率測定装置において：
   前記測定試料を挿入する伝送線路；
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
3. 請求項１に記載の誘電率測定装置において：
   前記試料に電波を入射させる伝送線路；
   を備え、
   前記誘電体は、前記伝送線路に挿入されることを特徴とする誘電率測定装置。
4. 請求項３に記載の誘電率測定装置において：
   前記測定試料を収容する容器；
   を備え、
   前記誘電体は、電波入射面から前記容器を含む測定試料側を見込んだインピーダンスの整合状態を変化させ、前記容器を含む前記測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有することを特徴とする誘電率測定装置。
5. 請求項３または４に記載の誘電率測定装置において；
   前記測定試料の電波透過側に配置された伝送線路；
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
6. 請求項２に記載の誘電率測定装置において：
   液体を満たす容器；
   を備え、
   前記伝送線路は、前記液体と外壁が接するように、前記容器と一体形成されることを特徴とする誘電率測定装置。
7. 請求項６に記載の誘電率測定装置において：
   前記液体の温度を調節する恒温器；
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
8. 請求項６または７に記載の誘電率測定装置において：
   前記伝送線路は、少なくとも１つのスリットを備えることを特徴とする誘電率測定装置。
9. 請求項６ないし８のいずれか１項に記載の誘電体測定装置において：
   前記伝送線路とともに二重同軸管構造を構成する他の伝送線路；
   前記二重同軸管の間隙に液体を循環させる液体循環手段；
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
10. 測定試料のＳパラメータを測定し、複素比誘電率の値を算出する誘電率測定方法において：
    電波入射面から測定試料側を見込んだインピーダンスの整合状態を変化させ、前記測定試料の誘電率変化に対して、測定されるＳパラメータが所定の変化をするような特性を有する誘電体を、前記測定試料の電波入射面側に配置するステップ；
    前記測定試料に電波を入射するステップ；
    Ｓパラメータを測定するステップ；
    を有することを特徴とする誘電率測定方法。
11. 測定試料のＳパラメータを測定し、複素誘電率の値を算出する誘電率測定方法において：
    誘電率の測定系を電気的近似により計算が容易な簡易構成に置換するステップ；
    同じ測定試料に対し、実際の測定系で得られるＳパラメータを簡易構成で得られるＳパラメータに変換する補正式を求めるステップ；
    補正したＳパラメータを用いて複素誘電率を推定するステップ；
    を有することを特徴とする誘電率測定方法。
12. 請求項１１に示す誘電率測定方法において：
    前記複素誘電率を推定するステップは、誘電率の測定系を簡易構成に置換して等価回路化し、該等価回路に補正式を適用し、測定試料の複素誘電率を推定するステップ；
    を有することを特徴とする誘電率測定方法。
13. 測定試料のＳパラメータを測定し、複素誘電率の値を算出する誘電率測定方法において：
    誘電率の測定系を電気的近似により計算が容易な簡易構成に置換するステップ；
    実際の測定系で得られるＳパラメータと簡易構成により複素誘電率を推定するステップ；
    推定した誘電率を測定試料が有する複素誘電率に変換する補正式を求めるステップ；
    を有することを特徴とする誘電率測定方法。
14. 請求項１３に示す誘電率測定方法において：
    前記複素誘電率を推定するステップは、実際の測定系で得られるＳパラメータと測定系を置換した簡易構成の等価回路を用い、複素誘電率を推定するステップ；
    を有することを特徴とする誘電率測定方法．

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