JP2006275687A - Permittivity measuring method - Google Patents
Permittivity measuring method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006275687A JP2006275687A JP2005093696A JP2005093696A JP2006275687A JP 2006275687 A JP2006275687 A JP 2006275687A JP 2005093696 A JP2005093696 A JP 2005093696A JP 2005093696 A JP2005093696 A JP 2005093696A JP 2006275687 A JP2006275687 A JP 2006275687A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- dielectric constant
- sample
- resonance frequency
- cavity resonator
- electromagnetic field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
本発明は、誘電材料の誘電率を測定するための誘電率測定方法に関するもので、特に、製品形状のままの誘電体部品の誘電率が測定できる誘電率測定方法の技術分野に関するものである。 The present invention relates to a dielectric constant measuring method for measuring a dielectric constant of a dielectric material, and more particularly to a technical field of a dielectric constant measuring method capable of measuring a dielectric constant of a dielectric part in a product shape.
近年、数百MHzから数GHzに及ぶ高周波数帯を用いた電子回路等が広く利用されるようになってきており、それに伴って電子回路等に用いられる部品材料の特性をより高い精度で測定する要求が高まっている。 In recent years, electronic circuits using high frequency bands ranging from several hundred MHz to several GHz have been widely used, and accordingly, the characteristics of component materials used in electronic circuits are measured with higher accuracy. There is a growing demand to do so.
例えば、GPSアンテナ用誘電体部品として高誘電率、低損失のものが要望されておリ、その他の用途でも比誘電率が10〜20程度のものが広く使われるようになってきている。そのため、誘電率に関してもより高精度に測定できる技術が強く望まれている。 For example, a dielectric component for a GPS antenna is required to have a high dielectric constant and low loss, and a dielectric component having a relative dielectric constant of about 10 to 20 is widely used in other applications. Therefore, a technique that can measure the dielectric constant with higher accuracy is strongly desired.
従来の誘電率測定方法としては、JIS規格に定められたものが代表的なものとしてよく用いられている。これは、1〜2GHz程度の周波数帯を対象とした誘電率測定方法であり、誘電体共振器法(JIS−R1627)と空洞共振器法(JIS−R1641)の2種類がある。また、より高い周波数帯を対象とするものとしては、数十GHz程度の周波数帯に対してファブリペロー共振器法が知られている。 As a conventional dielectric constant measurement method, a method defined in the JIS standard is often used as a representative method. This is a dielectric constant measurement method for a frequency band of about 1 to 2 GHz, and there are two types, a dielectric resonator method (JIS-R1627) and a cavity resonator method (JIS-R1641). As a target for a higher frequency band, a Fabry-Perot resonator method is known for a frequency band of about several tens of GHz.
これらの誘電率測定方法では、測定対象の試料の形状を平行平板か円柱に限定しており、これにより誘電率を解析式に基づいて算出できるようにしている。該解析式を用いることにより、有効数字4桁程度の高精度な誘電率を得ることができる。 In these dielectric constant measurement methods, the shape of the sample to be measured is limited to a parallel plate or a cylinder, so that the dielectric constant can be calculated based on an analytical expression. By using this analytical expression, a highly accurate dielectric constant of about four significant figures can be obtained.
また、上記とは別の誘電率測定方法として、空洞共振器を用いた摂動法も従来からよく知られている。摂動法では、空洞共振器内に試料がある場合と無い場合の該空洞共振器の共振周波数を測定し、両者の差Δfから誘電率εを算出する。本測定方法を用いた場合には、任意形状の試料の誘電率を測定することが可能である。 In addition, as a dielectric constant measurement method different from the above, a perturbation method using a cavity resonator is also well known. In the perturbation method, the resonance frequency of the cavity resonator is measured with and without the sample in the cavity resonator, and the dielectric constant ε is calculated from the difference Δf between the two. When this measurement method is used, it is possible to measure the dielectric constant of a sample having an arbitrary shape.
しかしながら従来の摂動法では、測定したΔfから誘電率εを算出するのに近似式を用いていた。そのため、近似式から求めた誘電率の精度が3%程度と低いのが問題であった。比誘電率が1〜2程度と低い場合には、εとΔfとがほぼ直線的な関係にあるため比較的精度よく近似できるが、比誘電率がそれ以上大きくなるとほとんど近似できなくなり、従来の摂動法を適用するのは困難であった。 However, in the conventional perturbation method, an approximate expression is used to calculate the dielectric constant ε from the measured Δf. For this reason, the problem is that the accuracy of the dielectric constant obtained from the approximate expression is as low as about 3%. When the relative dielectric constant is as low as about 1-2, ε and Δf are in a substantially linear relationship and can be approximated with relatively high accuracy. It was difficult to apply the perturbation method.
非特許文献1では、摂動法を用いて従来より高精度で誘電率を測定する方法が開示されている。測定精度を改善するために、測定器としてネットワークアナライザを用い、共振ピーク近傍の全ポイントのデータをネットワークアナライザからコンピュータに取り込み、精度を高めるためのデータ処理を行わせるようにしている。
Non-Patent
非特許文献2では、FDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いた数値計算により共振周波数と誘電率の関係を表す測定用チャートを作成し、これを実際の測定に用いることができるようにしている。
In
数値計算に要する時間を短縮するために、時間領域のサンプリング数を少なくし、GPOF(Generalized Pencil of Function)法を適用することで、サンプリング数を増やした場合と同程度の精度で共振周波数が算出できるようにしている。 In order to reduce the time required for numerical calculation, the number of samplings in the time domain is reduced and the GPOF (Generalized Pencil of Function) method is applied to calculate the resonance frequency with the same degree of accuracy as when the number of samplings is increased. I can do it.
JIS規格に定められている従来の誘電率測定方法は、試料の形状が平行平板または円柱などの単純な形状に限定されている。これは、上記の通り誘電率を解析式で表せるようにし、これを用いて精度よく算出できるようにするためであった。 In the conventional dielectric constant measurement method defined in the JIS standard, the shape of the sample is limited to a simple shape such as a parallel plate or a cylinder. This is because the dielectric constant can be expressed by an analytical expression as described above, and can be calculated accurately using this.
一方、製品に用いられている誘電体部品は、角が面取りされていたり穴が開いていたりと、一般には複雑な形状をしているものが多い。該誘電体部品と同じ材料で平行平板または円柱の試料を作成し、該試料を対象に誘電率を測定することは可能である。 On the other hand, many dielectric parts used in products generally have complicated shapes such as chamfered corners or holes. It is possible to make a parallel plate or cylinder sample with the same material as the dielectric part and measure the dielectric constant of the sample.
しかしながら、同じ材料であっても、誘電体部品の加工中に物性値が変化する可能性が高いため、誘電体部品を製品に用いられる形状のまま誘電率を測定するのが望ましい。JIS規格の方法では、誘電体部品の誘電率を製品形状のまま測定することができないため、これが高い精度で実現できる誘電率測定方法の技術が強く望まれている。 However, even if the same material is used, the physical property value is likely to change during processing of the dielectric part. Therefore, it is desirable to measure the dielectric constant of the dielectric part in the shape used for the product. In the JIS standard method, the dielectric constant of a dielectric part cannot be measured as it is in the shape of the product. Therefore, a technique of a dielectric constant measurement method that can realize this with high accuracy is strongly desired.
非特許文献1の摂動法では、測定試料が細長い棒状のものに限られるという大きな課題があった。また、誘電率の誤差も1%以下であり、十分高い精度とはいえない程度のものであった。また非特許文献2でも、算出された誘電率の誤差は1〜3%程度と、十分な精度が得られていない。
In the perturbation method of Non-Patent
そこで本発明は、所定の電磁界シミュレーションを用いて作成した誘電率換算曲線と摂動法とを組み合わせることによって、任意形状の試料に対しても高精度で誘電率を求めることができる誘電率測定方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a dielectric constant measurement method capable of obtaining a dielectric constant with high accuracy even for a sample of an arbitrary shape by combining a dielectric constant conversion curve created using a predetermined electromagnetic field simulation and a perturbation method. The purpose is to provide.
この発明の誘電率測定方法の第1の態様は、試料の誘電率として少なくとも2種類以上想定し、それぞれの誘電率を有する前記試料を所定の空洞共振器内に挿入した場合と挿入しない場合との共振周波数差(以下では数値計算による共振周波数差という)を所定の電磁界シミュレーションを用いて算出し、前記2種類以上の誘電率と算出されたそれぞれの前記数値計算による共振周波数差とから誘電率換算曲線を作成し、前記空洞共振器内に前記試料を挿入した場合と挿入しない場合のそれぞれの共振周波数を測定して両者の共振周波数差(以下では測定による共振周波数差という)を求め、前記測定による共振周波数差を前記誘電率換算曲線と照合することにより前記試料の誘電率を算出することを特徴とする誘電率測定方法である。 The first aspect of the dielectric constant measurement method according to the present invention assumes that at least two types of dielectric constants of the sample are assumed, and the sample having each dielectric constant is inserted into a predetermined cavity resonator and not inserted. The resonance frequency difference (hereinafter referred to as a numerical resonance frequency difference) is calculated using a predetermined electromagnetic field simulation, and the dielectric constant is calculated from the two or more types of dielectric constants and the calculated numerical resonance frequency differences. Create a rate conversion curve, measure the resonance frequency when the sample is inserted into the cavity resonator and not insert the sample, and determine the resonance frequency difference between them (hereinafter referred to as the resonance frequency difference by measurement), The dielectric constant measurement method is characterized in that the dielectric constant of the sample is calculated by comparing the resonance frequency difference obtained by the measurement with the dielectric constant conversion curve.
第2の態様は、前記試料が前記空洞共振器の内部で試料が占有する空間に蓄積される電界エネルギーが最大になる位置に置かれることを特徴とする誘電率測定方法である。 A second aspect is a dielectric constant measurement method, wherein the sample is placed at a position where the electric field energy accumulated in the space occupied by the sample is maximized inside the cavity resonator.
第3の態様は、前記空洞共振器に設けられた入力端子及び出力端子が、15mm以下の長さのプローブまたは小孔を備えることを特徴とする誘電率測定方法である。 A third aspect is a dielectric constant measuring method, wherein an input terminal and an output terminal provided in the cavity resonator include a probe or a small hole having a length of 15 mm or less.
第4の態様は、前記空洞共振器に設けられた入力端子及び出力端子が、前記空洞共振器内で発生される共振の波長の7.5%以下に相当する長さのプローブまたはアンテナを備えることを特徴とする誘電率測定方法である。 In a fourth aspect, the input terminal and the output terminal provided in the cavity resonator include a probe or an antenna having a length corresponding to 7.5% or less of the wavelength of resonance generated in the cavity resonator. This is a dielectric constant measuring method.
第5の態様は、前記所定の電磁界シミュレーションが、電磁界空間を所定の寸法のセルに分割し、前記セルの中心差分によりマクスウェル方程式を計算して共振周波数を算出する手段であって、前記セルの寸法を少なくとも2種類以上変えてそれぞれで前記所定の電磁界シミュレーションを実行し、前記2種類以上のセルの寸法とそれぞれのシミュレーションから得られる前記共振周波数とから前記セルの寸法を0としたときの共振周波数を推定することを特徴とする誘電率測定方法である。 According to a fifth aspect, the predetermined electromagnetic field simulation is a means for dividing the electromagnetic field space into cells of a predetermined size, calculating Maxwell's equations based on the center difference of the cells, and calculating a resonance frequency, At least two types of cell dimensions are changed to execute the predetermined electromagnetic field simulation, and the cell size is set to 0 based on the size of the two or more types of cells and the resonance frequency obtained from each simulation. A dielectric constant measurement method characterized by estimating a resonance frequency at the time.
第6の態様は、前記所定の電磁界シミュレーションに用いる前記試料の誘電率として、前記試料を形成する誘電体材料から推定される誘電率を挟む2種類以上の誘電率を想定して前記電磁界シミュレーションを行うことを特徴とする誘電率測定方法である。 In a sixth aspect, the electromagnetic field is assumed by assuming two or more kinds of dielectric constants sandwiching a dielectric constant estimated from a dielectric material forming the sample, as the dielectric constant of the sample used for the predetermined electromagnetic field simulation. A dielectric constant measurement method characterized by performing a simulation.
第7の態様は、前記誘電率換算曲線が、前記共振周波数差をパラメータとする多項式で作成されることを特徴とする誘電率測定方法である。 A seventh aspect is a dielectric constant measurement method, wherein the dielectric constant conversion curve is created by a polynomial having the resonance frequency difference as a parameter.
以上説明したように本発明によれば、任意形状の誘電体部品に対して誘電率を測定することが可能となるため、従来のように同じ材質で平行平板や円柱の試料を製造して測定する必要がなくなる。例えば、試料形状が粉末であっても、これを誘電率が既知の容器に充填するか、または誘電率が既知の樹脂で固めることによって、該粉末の誘電率を求めることが可能となる。 As described above, according to the present invention, since it is possible to measure the dielectric constant of a dielectric part having an arbitrary shape, the measurement is performed by manufacturing a parallel plate or cylinder sample with the same material as in the past. There is no need to do it. For example, even if the sample shape is powder, it is possible to determine the dielectric constant of the powder by filling it in a container with a known dielectric constant or by hardening it with a resin with a known dielectric constant.
このように、本発明の誘電率測定方法は、誘電率の値が重要となる製品について、製造の原料段階から製品段階に至るまで、誘電体としての良否判定に幅広く適用できることから、製品の品質向上・製造工数削減等に大きく寄与するものである。 As described above, the dielectric constant measurement method of the present invention can be widely applied to the determination of pass / fail as a dielectric material from the raw material stage to the product stage of the product in which the value of the dielectric constant is important. This greatly contributes to improvement and reduction of manufacturing man-hours.
またこの発明によれば、従来の摂動法(1%以上)に比べて精度を約1桁向上できることから(0.1%のオーダー)、任意形状の誘電体部品の誘電率を高精度で算出することができるといった優れた効果が得られる。 In addition, according to the present invention, the accuracy can be improved by an order of magnitude compared to the conventional perturbation method (1% or more) (on the order of 0.1%), so that the dielectric constant of an arbitrarily shaped dielectric component can be calculated with high accuracy. It is possible to obtain an excellent effect that it can be performed.
図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における誘電率測定方法について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。 A dielectric constant measurement method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about each component which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description.
本発明の誘電率測定方法では、空洞共振器を用いた摂動法を基本的な手段に用いている。但し、従来の摂動法では、空洞共振器を用いて測定した共振周波数から誘電率を算出するのに近似式を用いていたのに対し、本発明の誘電率測定方法では、所定の電磁界シミュレーションによる数値計算に基づいて作成した誘電率換算曲線を誘電率の算出に用いている。 In the dielectric constant measurement method of the present invention, a perturbation method using a cavity resonator is used as a basic means. However, in the conventional perturbation method, an approximate expression is used to calculate the dielectric constant from the resonance frequency measured using the cavity resonator, whereas in the dielectric constant measurement method of the present invention, a predetermined electromagnetic field simulation is performed. The dielectric constant conversion curve created based on the numerical calculation by is used for calculating the dielectric constant.
図1は、本発明の実施の形態における誘電率測定方法の全体の処理の流れを説明する図である。本実施形態における誘電率測定方法では、従来の摂動法と同様に、試料1を空洞共振器2内に挿入しない場合と挿入した場合のそれぞれに対し、空洞共振器2内に入力信号3を印加して共振させ、それぞれの共振周波数を測定する。
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall processing flow of the dielectric constant measurement method according to the embodiment of the present invention. In the dielectric constant measurement method according to the present embodiment, as in the conventional perturbation method, the
そして、試料1を空洞共振器2内に挿入したことによる共振周波数の変化を測定し、試料1を空洞共振器2内に挿入しない場合と挿入した場合との共振周波数差から資料1の誘電率を求める。
Then, the change in the resonance frequency due to the
本実施形態ではまず、試料1と空洞共振器2の各々の形状データ、及び入力信号3の波形データを基に、ステップS1において電磁界シミュレーションの計算を行う。この電磁界シミュレーションの計算は、試料1が空洞共振器2内に挿入されていない場合と挿入されている場合の2ケースについて行う。
In this embodiment, first, calculation of electromagnetic field simulation is performed in step S1 based on the shape data of the
そして、前記電磁界シミュレーション結果より誘電率換算曲線を作成する。該誘電率換算曲線は、試料1が空洞共振器2内に挿入されていない場合と挿入されている場合との共振周波数差(前記の測定による共振周波数差)から誘電率を算出するのに用いるものである。ステップS1の処理の詳細については後述する。
Then, a dielectric constant conversion curve is created from the electromagnetic field simulation result. The dielectric constant conversion curve is used to calculate the dielectric constant from the resonance frequency difference between the case where the
次に、ステップS2及びステップS3において、空洞共振器2に入力信号3を入力して共振を発生させ、そのときの共振周波数を測定する。ステップS2では、空洞共振器2内に試料1を挿入しない状態で入力信号3を空洞共振器2に入力し、そのときの共振周波数(以下では試料無し時共振周波数という)をネットワークアナライザー等で測定する。
Next, in step S2 and step S3, the
一方ステップS3では、空洞共振器2内に試料1を挿入した状態で、ステップS2と同様にして共振周波数(以下では試料有り時共振周波数という)を測定する。
On the other hand, in step S3, with the
空洞共振器2から測定される出力信号の一実施例を図2に示す。図2は、横軸を周波数、縦軸を電界強度として前記出力信号を表示している。同図において、出力信号11は、空洞共振器2内に試料1を挿入しないで共振させたときの出力信号であり、出力信号12は、空洞共振器2内に試料1を挿入して共振させたときの出力信号である。
An example of the output signal measured from the
試料1を挿入しないときの出力信号11は、周波数13で電界強度がピークとなっており、この周波数13がこのときの共振周波数と判定される。また、試料1を挿入したときの出力信号12は、出力信号11に比べて全体的に低周波数側に移動している。
The
そして、電界強度がピークとなる周波数14は、上記の周波数13よりも低いところに現れており、17に示す共振周波数の差(前記の測定による共振周波数差)が生じている。電界強度も、出力信号11のピーク値15から出力信号12のピーク値16まで、電界強度差18だけ低下している。
The
ステップS4では、ステップS2で測定した試料無し時共振周波数とステップS3で測定した試料有り時共振周波数との差である前記測定による共振周波数差を計算する。以下では、前記測定による共振周波数差をΔfで表すものとする。 In step S4, a resonance frequency difference by the measurement, which is a difference between the resonance frequency without sample measured in step S2 and the resonance frequency with sample measured in step S3, is calculated. In the following, it is assumed that the resonance frequency difference by the measurement is represented by Δf.
ステップS5では、ステップS1で作成した前記誘電率換算曲線を用いて、前記測定による共振周波数差から試料1の誘電率を算出する。前記誘電率換算曲線の一実施例を図3に示す。図3は、縦軸を共振周波数差とし、横軸を比誘電率とした時の誘電率換算曲線21を表している。
In step S5, the dielectric constant of the
図3において、共振周波数差をステップS4で算出したΔfとしたとき、誘電率換算曲線21から比誘電率εrが求まる。このように、誘電率換算曲線21を用いることにより、空洞共振器2を用いて測定した前記測定による共振周波数差から試料1の比誘電率を求めることが可能となる。なお、試料1の誘電率は、誘電率換算曲線21から求めた比誘電率εrに真空の誘電率を掛けたものである。
In FIG. 3, when the resonance frequency difference is Δf calculated in step S4, the relative dielectric constant εr is obtained from the dielectric
次に、ステップS1の電磁界シミュレーションにより誘電率換算曲線を作成する方法について、図4を用いて以下に詳細に説明する。図4は、所定の電磁界シミュレータを用いて共振器2内の電磁界の空間分布及び時間変化を数値計算する処理の流れを説明する図である。
Next, a method for creating a dielectric constant conversion curve by electromagnetic field simulation in step S1 will be described in detail below with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining the flow of processing for numerically calculating the spatial distribution and temporal change of the electromagnetic field in the
前記所定の電磁界シミュレータとして、本実施の形態ではFDTD法と完全境界近似(PBA:Perfect Boundary Approximation)を適用している。但し、電磁界シミュレータとしてこれに限定されるものではなく、共振器内の電磁界の空間分布及び時間変化を精度よく解析できるものであれば何でもよい。 As the predetermined electromagnetic field simulator, the FDTD method and perfect boundary approximation (PBA) are applied in this embodiment. However, the electromagnetic field simulator is not limited to this, and any electromagnetic field simulator can be used as long as it can accurately analyze the spatial distribution and temporal change of the electromagnetic field in the resonator.
前記FDTD法は、電磁界空間を所定の大きさのセルに分割し、マクスウェル方程式を前記セルの中心差分により計算する手法である。また、時間変化についても、所定の時間幅ごとにシミュレーション計算を行う。 The FDTD method is a method of dividing the electromagnetic field space into cells of a predetermined size and calculating the Maxwell equation based on the center difference of the cells. In addition, with respect to time changes, simulation calculation is performed for each predetermined time width.
前記FDTD法だけで凸凹のある試料を取り扱おうとすると、前記セルサイズの影響を大きく受けるため、前記セルサイズをできるだけ細かくする必要がある。そして、前記セルサイズを0になるまで細かくしたときに最も正確な解が得られる。しかしながら、前記セルサイズを0にすることは現実には不可能である。 If an uneven sample is handled only by the FDTD method, it is greatly affected by the cell size. Therefore, it is necessary to make the cell size as fine as possible. The most accurate solution can be obtained when the cell size is reduced to zero. However, it is actually impossible to set the cell size to zero.
また前記完全境界近似は、任意形状の試料を取り扱うのに有効な手法であり、セル毎の誘電率等の物性値に対し等価的な物性値を算出して用いることで、セルサイズを比較的粗くしても精度を高めることができる手法である。 Further, the perfect boundary approximation is an effective technique for handling a sample of an arbitrary shape, and by calculating and using an equivalent physical property value such as a dielectric constant for each cell, the cell size can be set relatively. This is a technique that can improve the accuracy even when rough.
図4において、まずステップS11では、シミュレーション条件として、試料1と空洞共振器2の各々の形状データ、及び入力信号3の波形データを前記電磁界シミュレータに入力する。
In FIG. 4, first, in step S11, the shape data of the
ステップS12では、試料1を空洞共振器2に挿入しないときの共振周波数を、前記電磁界シミュレータを用いて算出する。このとき、前記FDTD法で用いられる前記セルサイズは、適切な値を選択して用いる。前記セルサイズは、空洞共振器2の寸法等に基づいて決めることができる。
In step S12, the resonance frequency when the
ステップS13では、試料1の誘電率として所定の値を想定して前記電磁界シミュレータに設定する。ここで、誘電率の前記所定の値は、測定された共振周波数差から誘電率を内挿によって精度よく推定できるよう、試料1を形成する誘電体材料から推定される誘電率より小さい誘電率と大きい誘電率を含めるのが好ましい。
In step S13, a predetermined value is assumed as the dielectric constant of the
例えば、比誘電率が30以下の測定を目的とする場合には、比誘電率として5,10,15,20,25,30を選択しておき、それぞれの比誘電率を前記電磁界シミュレータに順次設定してシミュレーションを実行させる。 For example, when the relative dielectric constant is intended for measurement of 30 or less, 5, 10, 15, 20, 25, and 30 are selected as relative dielectric constants, and the relative dielectric constants are stored in the electromagnetic field simulator. Set up sequentially and run the simulation.
次にステップS14において、前記FDTD法の計算で用いる前記セルサイズとして予め選択した複数の値のうちの一つを設定する。前記セルサイズは、空洞共振器2のサイズをもとに複数の値を選択することができ、選択された前記複数のセルサイズを前記電磁界シミュレータに順次設定してシミュレーション計算を実行する。
Next, in step S14, one of a plurality of preselected values is set as the cell size used in the calculation of the FDTD method. As the cell size, a plurality of values can be selected based on the size of the
ステップS15では、ステップS11で入力されたシミュレーション条件、ステップS13で選択された誘電率、及びステップS14で選択されたセルサイズを用いて前記電磁界シミュレータを実行し、このときの共振周波数を算出する。 In step S15, the electromagnetic field simulator is executed using the simulation conditions input in step S11, the dielectric constant selected in step S13, and the cell size selected in step S14, and the resonance frequency at this time is calculated. .
ステップS16では、ステップS14で選択された複数のセルサイズの全てについてシミュレーション計算が終了したか否かを判定する。前記複数のセルサイズの一部しかシミュレーション計算を終了していない場合には、ステップS14に戻り、残りのセルサイズの値を選択する。一方、前記複数のセルサイズの全てについてシミュレーション計算を終了している場合には、次のステップS17に進む。 In step S16, it is determined whether the simulation calculation has been completed for all of the plurality of cell sizes selected in step S14. If only a part of the plurality of cell sizes has finished the simulation calculation, the process returns to step S14 to select the remaining cell size values. On the other hand, if the simulation calculation has been completed for all of the plurality of cell sizes, the process proceeds to the next step S17.
ステップS17では、前記複数のセルサイズに対する共振周波数をもとに、共振周波数の真値を推定する。すなわち、前記複数のセルサイズとそれぞれの共振周波数とから、前記セルサイズを0まで外挿したときの共振周波数を求めることで、共振周波数の真値を推定することができる。 In step S17, the true value of the resonance frequency is estimated based on the resonance frequencies for the plurality of cell sizes. That is, the true value of the resonance frequency can be estimated by obtaining the resonance frequency when the cell size is extrapolated to 0 from the plurality of cell sizes and the respective resonance frequencies.
例えば、前記複数のセルサイズとして3種類の値を選択した場合には、共振周波数を前記セルサイズの2次式として表すことができる。該2次式において、セルサイズに0を代入したときの共振周波数を真値と推定することができる。 For example, when three types of values are selected as the plurality of cell sizes, the resonance frequency can be expressed as a quadratic expression of the cell size. In the quadratic equation, the resonance frequency when 0 is substituted for the cell size can be estimated as a true value.
複数の誘電率について、上記の方法により前記共振周波数の真値を求めた実施例を図5に示す。同図において、誘電率をε1としたとき、前記3種類のセルサイズから前記共振周波数を2次式で表したものを31で示している。このとき、セルサイズを0としたときの共振周波数31aを真値と推定する。
FIG. 5 shows an embodiment in which the true value of the resonance frequency is obtained by the above method for a plurality of dielectric constants. In the drawing, when the dielectric constant is ε1, 31 represents the resonance frequency expressed by a quadratic expression from the three types of cell sizes. At this time, the
同様に、誘電率がε2〜ε6のときの前記2次式をそれぞれ32〜36で示しており、セルサイズを0としたときの共振周波数32a〜36aをそれぞれの誘電率に対する共振周波数の真値としている。
Similarly, the quadratic expressions when the dielectric constant is ε2 to ε6 are indicated by 32 to 36, respectively, and the
ステップS17までで、ステップS13で選択されたいずれかの誘電率に対する共振周波数が求まると、ステップS18で全ての誘電率について前記共振周波数の真値の推定を完了したか否かを判定する。そして、前記共振周波数の真値の推定が行われていない誘電率がある場合には、ステップS13に戻って上記の計算処理を繰り返す。 When the resonance frequency for any one of the dielectric constants selected in step S13 is obtained up to step S17, it is determined in step S18 whether or not the estimation of the true value of the resonance frequency has been completed for all the dielectric constants. If there is a dielectric constant for which the true value of the resonance frequency has not been estimated, the process returns to step S13 and the above calculation process is repeated.
一方、ステップS13で選択された全ての誘電率について、前記共振周波数の真値の推定を完了すると、次にステップS19において、前記誘電率換算曲線を作成する。前記誘電率換算曲線は、図3に示す通り、共振周波数差と比誘電率との関係を示すものである。 On the other hand, when the estimation of the true value of the resonance frequency is completed for all the dielectric constants selected in step S13, the dielectric constant conversion curve is created in step S19. The dielectric constant conversion curve shows the relationship between the resonant frequency difference and the relative dielectric constant, as shown in FIG.
ステップS19ではまず、ステップS17で算出した前記複数の誘電率に対するそれぞれの共振周波数からステップS12で算出した試料無し時の共振周波数を減算して共振周波数差を求める。そして、該共振周波数差とこれに対応する比誘電率を図3に示すようにグラフ上に描くことで、誘電率換算曲線21を作成することができる。
In step S19, first, a resonance frequency difference is obtained by subtracting the resonance frequency in the absence of the sample calculated in step S12 from each resonance frequency for the plurality of dielectric constants calculated in step S17. A dielectric
あるいは、前記共振周波数差とこれに対応する比誘電率を所定の多項式でフィッティングすることにより、該多項式を比誘電率算出式として用いることも可能である。 Alternatively, it is possible to use the polynomial as a relative dielectric constant calculation formula by fitting the resonance frequency difference and the relative dielectric constant corresponding thereto with a predetermined polynomial.
誘電率換算曲線21の精度を確認するために、従来の空洞共振器法(JIS―R1641)の測定結果と比較したものを図6に示す。従来のJIS―R1641でも高い精度で誘電率が測定できるよう、試料1として所定の平行平板のものを用いた。
FIG. 6 shows a comparison with the measurement result of the conventional cavity resonator method (JIS-R1641) in order to confirm the accuracy of the dielectric
図6(a)は図3と同様の図であるが、誘電率換算曲線41は試料1として前記所定の平行平板としたときのものである。図6(b)は、図6(a)の42の部分を拡大したものである。図6(b)において、43は従来のJIS―R1641で測定した共振周波数差とそのときの比誘電率を表している。JIS―R1641の測定結果と誘電率換算曲線41とは高い精度で一致することが確認できている。
FIG. 6A is a view similar to FIG. 3, but the dielectric
以上で説明したように、本発明の誘電率測定方法によれば、所定の精度を有する電磁界シミュレータを用いた数値計算により前記誘電率換算曲線を作成し、該誘電率換算曲線を用いることにより、任意形状の誘電体部品の誘電率を高精度で算出することができる。 As described above, according to the dielectric constant measurement method of the present invention, the dielectric constant conversion curve is created by numerical calculation using an electromagnetic field simulator having a predetermined accuracy, and the dielectric constant conversion curve is used. The dielectric constant of the arbitrarily shaped dielectric part can be calculated with high accuracy.
本発明の誘電率測定方法における空洞共振器2を用いた共振周波数の測定方法について図7を用いて以下に説明する。図7(a)は、空洞共振器2の概略構成を説明する図である。空洞共振器2には試料1が挿入されており、入力端子51から入力信号が入力され、出力端子52から出力信号が取り出される。入力端子51及び出力端子52は同軸ケーブル53、54でネットワークアナライザ55と接続されており、出力端子52から取り込んだ前記出力信号がネットワークアナライザ55で測定される。
A method of measuring the resonance frequency using the
本発明の誘電率測定方法において、空洞共振器2内に試料1を挿入する位置は、空洞共振器2の中で空間の電界エネルギーが極大になる位置とするのが望ましい。図7(a)では、電界エネルギーの分布の概略を58で示しているが、該電界エネルギーの分布を空洞共振器2の上部から見たものを模式的に図7(b)に示している。
In the dielectric constant measurement method of the present invention, the position where the
図7(b)において、59の位置が最も電界強度が高いことを示しており、試料1は59の位置に挿入されるのが最も望ましい。試料1を挿入する位置の電界エネルギーが高いほど、前記共振周波数差は大きくなる。
In FIG. 7B, the
また、本発明の誘電率測定方法では、空洞共振器2内の電磁界結合に用いる入力端子51及び出力端子52のアンテナまたはプローブ56、57の寸法を15mm以下とするのが望ましい。アンテナまたはプローブ56、57の寸法を15mm以下とすることにより、空洞共振器2の測定を適切に行うことができる。
In the dielectric constant measurement method of the present invention, it is desirable that the dimensions of the antennas or probes 56 and 57 of the
さらに、1.5GHz以上の空洞共振器2の測定では、アンテナまたはプローブ56、57の寸法を測定波長の7.5%以下とするのが望ましい。
Furthermore, in the measurement of the
本発明の誘電率測定方法に用いる空洞共振器2は、任意の形状のものを用いることができる。すなわち、空洞共振器2は密封型(直方体、円筒、球、回転楕円体)、あるいは開放型(ファブリベロー型、NRD型)のいずれであってもよい。
The
以上説明したように、本発明の誘電率測定方法によれば、摂動法と電磁界シミュレーションを組み合わせることにより、任意形状の試料についても誘電率を0.1%程度の高精度で測定することが可能となる。 As described above, according to the dielectric constant measurement method of the present invention, by combining the perturbation method and the electromagnetic field simulation, the dielectric constant can be measured with high accuracy of about 0.1% even for a sample of an arbitrary shape. It becomes possible.
1・・・試料
2・・・空洞共振器
3・・・入力信号
11、12・・・出力信号
13、14・・・共振周波数
15,16・・・電界強度のピーク値
17・・・共振周波数差
18・・・電界強度差
21、41・・・誘電率換算曲線
31、32、33、34、35、36・・・セルサイズの2次式で表した共振周波数
31a、32a、33a、34a、35a、36a・・・共振周波数の真値
42・・・誘電率換算曲線の拡大領域
43・・・JIS―R1641による測定値
51・・・入力端子
52・・・出力端子
53、54・・・同軸ケーブル
55・・・ネットワークアナライザ
56、57・・・アンテナまたはプローブ
58・・・電界エネルギーの分布
59・・・電界エネルギーが最も高い位置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
それぞれの誘電率を有する前記試料を所定の空洞共振器内に挿入した場合と挿入しない場合との共振周波数差(以下では数値計算による共振周波数差という)を所定の電磁界シミュレーションを用いて算出し、
前記2種類以上の誘電率と算出されたそれぞれの前記数値計算による共振周波数差とから誘電率換算曲線を作成し、
前記空洞共振器内に前記試料を挿入した場合と挿入しない場合のそれぞれの共振周波数を測定して両者の共振周波数差(以下では測定による共振周波数差という)を求め、
前記測定による共振周波数差を前記誘電率換算曲線と照合することにより前記試料の誘電率を算出する
ことを特徴とする誘電率測定方法。 Assuming at least two types of dielectric constant of the sample,
The resonance frequency difference between the case where the sample having each dielectric constant is inserted into a predetermined cavity resonator and the case where the sample is not inserted is calculated using a predetermined electromagnetic field simulation. ,
A dielectric constant conversion curve is created from the two or more kinds of dielectric constants and the calculated resonance frequency difference of each numerical calculation,
Measure the respective resonance frequencies when the sample is inserted into the cavity resonator and not insert the sample to obtain the resonance frequency difference between them (hereinafter referred to as the resonance frequency difference by measurement),
A dielectric constant measurement method comprising: calculating a dielectric constant of the sample by comparing a resonance frequency difference obtained by the measurement with the dielectric constant conversion curve.
前記空洞共振器の内部で試料が占有する空間に蓄積される電界エネルギーが最大になる位置に置かれる
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定方法。 The sample is
2. The dielectric constant measurement method according to claim 1, wherein the dielectric constant is measured at a position where the electric field energy accumulated in the space occupied by the sample is maximized inside the cavity resonator.
15mm以下の長さのプローブまたは小孔を備える
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の誘電率測定方法。 The input terminal and output terminal provided in the cavity resonator are
The dielectric constant measuring method according to claim 1, further comprising a probe or a small hole having a length of 15 mm or less.
前記空洞共振器内で発生される共振の波長の7.5%以下に相当する長さのプローブまたはアンテナを備える
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の誘電率測定方法。 The input terminal and output terminal provided in the cavity resonator are
The dielectric constant measurement method according to claim 1, further comprising a probe or an antenna having a length corresponding to 7.5% or less of a wavelength of resonance generated in the cavity resonator.
前記セルの寸法を少なくとも2種類以上変えてそれぞれで前記所定の電磁界シミュレーションを実行し、
前記2種類以上のセルの寸法とそれぞれのシミュレーションから得られる前記共振周波数とから前記セルの寸法を0としたときの共振周波数を推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定方法。 The predetermined electromagnetic field simulation is a means for dividing an electromagnetic field space into cells of a predetermined size, calculating Maxwell's equations from the center difference of the cells, and calculating a resonance frequency,
Changing the dimensions of the cell by at least two or more types, and executing the predetermined electromagnetic field simulation in each of them,
2. The dielectric constant measurement method according to claim 1, wherein a resonance frequency when the cell size is set to 0 is estimated from the size of the two or more types of cells and the resonance frequency obtained from each simulation. .
前記試料を形成する誘電体材料から推定される誘電率を挟む2種類以上の誘電率を想定して前記電磁界シミュレーションを行う
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定方法。 As the dielectric constant of the sample used for the predetermined electromagnetic field simulation,
The dielectric constant measurement method according to claim 1, wherein the electromagnetic field simulation is performed assuming two or more kinds of dielectric constants sandwiching a dielectric constant estimated from a dielectric material forming the sample.
前記共振周波数差をパラメータとする多項式で作成される
ことを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定方法。 The dielectric constant conversion curve is
The dielectric constant measurement method according to claim 1, wherein the dielectric constant measurement method is created by a polynomial having the resonance frequency difference as a parameter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005093696A JP4142661B2 (en) | 2005-03-29 | 2005-03-29 | Dielectric constant measurement method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005093696A JP4142661B2 (en) | 2005-03-29 | 2005-03-29 | Dielectric constant measurement method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006275687A true JP2006275687A (en) | 2006-10-12 |
JP4142661B2 JP4142661B2 (en) | 2008-09-03 |
Family
ID=37210613
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005093696A Expired - Fee Related JP4142661B2 (en) | 2005-03-29 | 2005-03-29 | Dielectric constant measurement method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4142661B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011185748A (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-22 | Jeol Resonance Inc | Cavity resonator for esr apparatus |
US9985602B2 (en) | 2012-12-05 | 2018-05-29 | Thomson Licensing | Radio frequency device with compensation of permittivity dispersion of the substrate and adjustment method |
JP2020126059A (en) * | 2014-06-06 | 2020-08-20 | シーティーエス・コーポレーションCts Corporation | Radio frequency state variable measurement system and method |
-
2005
- 2005-03-29 JP JP2005093696A patent/JP4142661B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011185748A (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-22 | Jeol Resonance Inc | Cavity resonator for esr apparatus |
US9985602B2 (en) | 2012-12-05 | 2018-05-29 | Thomson Licensing | Radio frequency device with compensation of permittivity dispersion of the substrate and adjustment method |
JP2020126059A (en) * | 2014-06-06 | 2020-08-20 | シーティーエス・コーポレーションCts Corporation | Radio frequency state variable measurement system and method |
US11543365B2 (en) | 2014-06-06 | 2023-01-03 | Cts Corporation | Radio frequency state variable measurement system and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4142661B2 (en) | 2008-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gold et al. | Surface impedance concept for modeling conductor roughness | |
Haq et al. | Inverse modeling and optimization of CSRR-based microwave sensors for industrial applications | |
Jabita | Design of singly split single ring resonator for measurement of dielectric constant of materials using resonant method | |
JP4142661B2 (en) | Dielectric constant measurement method | |
Panchenko et al. | On the development of a practical technique of theoretical calibration of resonant sensors for near-field microwave diagnostics | |
Paez et al. | Uncertainty estimation in complex permittivity measurements by shielded dielectric resonator technique using the Monte Carlo method | |
Scott et al. | Biaxial permittivity determination for electrically small material specimens of complex shape using shorted rectangular waveguide measurements | |
Shahid et al. | Reflection type Q-factor measurement using standard least squares methods | |
Park et al. | New measurement technique for complex permittivity in millimeter-wave band using simple rectangular waveguide adapters | |
Basl et al. | Modelling of electromagnetic responses using a robust multi-dimensional Cauchy interpolation technique | |
US10353022B2 (en) | Measuring apparatus for electromagnetic property of material and measuring method thereof | |
Haro-Báez et al. | Higher‐Order Mode Electromagnetic Analysis of a Material Sample between Two Flanged Coaxial Probes for Broadband Modelling of Dielectric Measurement Setups | |
Sharma et al. | Dielectric Characterization for solids with an Improved NRW procedure and Uncertainty Estimation | |
Sutinjo et al. | Improved efficiency measurement and analysis methods using an overmoded Wheeler cap | |
Hasar et al. | Effect of sample deformation in longitudinal axis on material parameter extraction by waveguides | |
Celuch et al. | Accurate analysis of whispering gallery modes in dielectric resonators with BoR FDTD method | |
Buell et al. | A method for characterizing complex permittivity and permeability of meta-materials | |
Cho et al. | Design of a Waveguide Calibration Kit Consisting of Offset Shorts for Low Measurement Uncertainty | |
El Afendi et al. | Dielectric characterization using FEM modeling and ANNs for coaxial waveguide with conical open ended radiation | |
Ismail et al. | Microwave Planar Sensor for Determination of the Permittivity of Dielectric Material | |
JP2000346891A (en) | Electromagnetic field analyzing method | |
Gregory et al. | Calculations of the fringing capacitance of cylindrical electrodes | |
Marques-Villarroya et al. | Analysis of an overmoded re-entrant cavity | |
US10557698B2 (en) | Flexible strap antenna arrays for tank volume calibration and resonance frequency shift measuring methods using same | |
Canos et al. | A new empirical method for extracting unloaded resonant frequencies from microwave resonant cavities |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080313 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20080318 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20080519 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080610 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Effective date: 20080612 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110620 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110620 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |