JP2006343116A - 電磁気特性測定治具及びその測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯において浮遊容量や浮遊インダクタンスの影響を受けず、現実的に作製可能な試料についての電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。また、薄いフィルムや紛体のように自立して保持できない試料についてのＶＨＦ帯からＵＨＦ帯の高精度な電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。
【解決手段】 内導体、外導体及び自由空間領域より構成される同軸線路を有する線路共振器法による電磁気特性測定治具で、測定検体が前記自由空間領域の中に、前記内導体が貫通して装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されている電磁気特性測定治具。上記同軸線路に測定検体を装着し同軸線路両端部を短絡した線路共振器法による電磁気特性測定システムを用い、前記同軸線路に信号を与え周波数に対する出力信号の大きさを測定し共振周波数とＱ値とを求め計算式から誘電特性及び透磁特性を求める電磁気特性の測定方法。
【選択図】 図１
【解決手段】 内導体、外導体及び自由空間領域より構成される同軸線路を有する線路共振器法による電磁気特性測定治具で、測定検体が前記自由空間領域の中に、前記内導体が貫通して装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されている電磁気特性測定治具。上記同軸線路に測定検体を装着し同軸線路両端部を短絡した線路共振器法による電磁気特性測定システムを用い、前記同軸線路に信号を与え周波数に対する出力信号の大きさを測定し共振周波数とＱ値とを求め計算式から誘電特性及び透磁特性を求める電磁気特性の測定方法。
【選択図】 図１
Description
本発明は電磁気特性の測定冶具及び測定方法に関するものである。
従来のＶＨＦ帯からＵＨＦ帯の電磁気特性の測定法には、インピーダンスアナライザを用いてキャパシタンスやコンダクタンス、インダクタンスを測定する方法がある（例えば、非特許文献１参照。）。この方法では浮遊容量や浮遊インダクタンスといった試料以外の影響により、精度良い測定が困難である。またマイクロ波帯で利用されている空胴共振器法やＳパラメータ法を用いた手法も提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、治具や試料サイズが大きくなりすぎて現実的な手法ではなかった。
ＩＰＣ規格ＴＭ−６５０ ２．５．５．９、１９９８年
岡田文明 著、「マイクロ波工学」、学献社、１９９３年
本発明は、ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯において浮遊容量や浮遊インダクタンスの影響を受けず、現実的に作製可能な試料についての電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。また、薄いフィルムや紛体のように自立して保持できない試料についてのＶＨＦ帯からＵＨＦ帯の高精度な電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。
本発明は、下記電磁気特性測定治具および電磁気特性の測定方法により達成される。
（１） 内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸線路を有する、線路共振器法による電磁気特性測定治具であって、測定検体が、前記自由空間領域の中に、前記内導体が貫通して装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されることを特徴とする電磁気特性測定治具。
（２） 前記測定検体は、二つの誘電体支持体により挟持されている第（１）項記載の電磁気特性測定治具。
（３） 前記測定検体または前記測定検体と誘電体支持体は、外導体及び内導体に着脱可能な挿入部位に装着されている第（１）項又は第（２）項記載の電磁気特性測定治具。
（４） 前記同軸線路の長さが５０〜１００００ｍｍである第（１）項〜第（３）項のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
（５） 前記同軸線路は、直径２〜５０ｍｍの内導体を有し、前記内導体の直径の１．２〜１０倍の直径を有する外導体で構成されるものである第（１）項〜第（４）項のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
（１） 内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸線路を有する、線路共振器法による電磁気特性測定治具であって、測定検体が、前記自由空間領域の中に、前記内導体が貫通して装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されることを特徴とする電磁気特性測定治具。
（２） 前記測定検体は、二つの誘電体支持体により挟持されている第（１）項記載の電磁気特性測定治具。
（３） 前記測定検体または前記測定検体と誘電体支持体は、外導体及び内導体に着脱可能な挿入部位に装着されている第（１）項又は第（２）項記載の電磁気特性測定治具。
（４） 前記同軸線路の長さが５０〜１００００ｍｍである第（１）項〜第（３）項のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
（５） 前記同軸線路は、直径２〜５０ｍｍの内導体を有し、前記内導体の直径の１．２〜１０倍の直径を有する外導体で構成されるものである第（１）項〜第（４）項のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
（６） 内導体、外導体および自由空間領域とを具備し、前記自由空間領域の中に測定検体が装着される同軸線路において、前記同軸線路の両端部が短絡されている、線路共振器法による電磁気特性測定システムを用い、前記同軸線路の両端部に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定し、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を下記数式から求めることを特徴とする電磁気特性の測定方法。
本発明によれば、誘電特性と透磁特性の測定精度を１桁以上向上させることができ、さらに開発現場や製造現場で作製可能な大きさの試料での測定が可能となる。また、薄い試料や紛体についても測定可能となる。しかも広周波帯域での測定が可能となる。
本発明は、内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸を有する、線路共振器法による電磁気特性測定治具であって、測定検体が、前記自由空間領域の中に装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されることを特徴とする電磁気特性測定治具である。
本発明の治具をネットワークアナライザに接続し、ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯における共振器の共振特性を測定することにより、誘電特性ならびに透磁特性を測定することができる。
本発明の治具をネットワークアナライザに接続し、ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯における共振器の共振特性を測定することにより、誘電特性ならびに透磁特性を測定することができる。
本発明における測定治具について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の測定治具を簡略化して示す模式図である。
本発明の電磁気特性測定治具は、内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸線路を有するものであり、測定検体３は、電磁気特性測定治具６において、自由空間領域１，５を隔離するように、同軸線路中、内導体が貫通して装着され、場合によって測定検体は、内導体が貫通した誘電体支持体２，４により挟持されていてもよい。
特に、測定検体が、薄いフィルムや紛体のように自立して保持できない場合に、誘電体支持体により挟持することにより、測定することができる。前記誘電体支持体としては、誘電体により構成され、誘電体の性質を示すものであれば、その材質は限定されない。
このような誘電体支持体により挟持されていても良い測定検体の装着部は、前記同軸線路と同一の形状で構成され着脱可能であることが好ましい。
図１は、本発明の測定治具を簡略化して示す模式図である。
本発明の電磁気特性測定治具は、内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸線路を有するものであり、測定検体３は、電磁気特性測定治具６において、自由空間領域１，５を隔離するように、同軸線路中、内導体が貫通して装着され、場合によって測定検体は、内導体が貫通した誘電体支持体２，４により挟持されていてもよい。
特に、測定検体が、薄いフィルムや紛体のように自立して保持できない場合に、誘電体支持体により挟持することにより、測定することができる。前記誘電体支持体としては、誘電体により構成され、誘電体の性質を示すものであれば、その材質は限定されない。
このような誘電体支持体により挟持されていても良い測定検体の装着部は、前記同軸線路と同一の形状で構成され着脱可能であることが好ましい。
同軸線路における内導体および外導体としては、金属、特に導電率が高い金属を用いることが好ましい。導電率が高い金属としては、例えば、銀、銅、金などが挙げられる。
また、同軸線路における外導体の形状としては、円筒状のものが挙げられる。
同軸線路の長さは５０〜１００００ｍｍが好ましく、３００〜５０００ｍｍがより好ましく、１００００〜２００００ｍｍがさらに好ましい。同軸線路の内導体の直径は３〜４５ｍｍが好ましく、７〜２５ｍｍがより好ましい。同軸線路の外導体の直径は内導体の直径の１．２〜１０倍が好ましく、１．５〜６倍がより好ましく、２〜４倍がさらに好ましい。
また、同軸線路における外導体の形状としては、円筒状のものが挙げられる。
同軸線路の長さは５０〜１００００ｍｍが好ましく、３００〜５０００ｍｍがより好ましく、１００００〜２００００ｍｍがさらに好ましい。同軸線路の内導体の直径は３〜４５ｍｍが好ましく、７〜２５ｍｍがより好ましい。同軸線路の外導体の直径は内導体の直径の１．２〜１０倍が好ましく、１．５〜６倍がより好ましく、２〜４倍がさらに好ましい。
本発明の電磁気特性の測定方法としては、上記電磁気特性測定治具に測定検体を装着し、前記電磁気特性測定治具の同軸線路の両端部が短絡させた、線路共振器法による電磁気特性測定システムである同軸線路共振器を用い、前記同軸線路の両端部に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定し、同軸線路共振器の共振周波数（以下fと略記）と、無負荷Ｑ値（以下Ｑ０と略記）から、下記数式（９）により、電磁気特性を測定する。
以下に電磁気特性を求める式について、更に詳細に説明する。
図１の領域ｉにおけるｚ方向の長さ、複素誘電率、複素透磁率、伝搬定数、特性インピーダンスをそれぞれｌｉ、εｉ、μｉ、γｉ、ＺＣｉとし、領域ｉと領域ｉ+１の境界から左右をみた入力インピーダンスを、それぞれＺｌｉ、Ｚｒｉとしたとき、測定検体の複素誘電率の値（=ε３）は、例えば、下記数式（１）に示す共振条件から算出した。
図１の領域ｉにおけるｚ方向の長さ、複素誘電率、複素透磁率、伝搬定数、特性インピーダンスをそれぞれｌｉ、εｉ、μｉ、γｉ、ＺＣｉとし、領域ｉと領域ｉ+１の境界から左右をみた入力インピーダンスを、それぞれＺｌｉ、Ｚｒｉとしたとき、測定検体の複素誘電率の値（=ε３）は、例えば、下記数式（１）に示す共振条件から算出した。
上記数式（１）中、Ｚｌｉ、Zｒｉは、ｌｉ、εｉ、μｉ、γｉ、ＺＣｉを用いて計算され、以下の式となる。
他方、自由空間の誘電率及び透磁率をそれぞれε０、μ０とすると、εｉとμｉは、それぞれ、領域ｉの複素比誘電率εｒｉ=εｒｉ'−ｊεｒｉ"と、複素比透磁率μｒｉ=μｒｉ'−ｊμｒｉ"を用いて、以下の式で表わされる。
上記数式（７）および（８）中、ｔａｎδｉとｔａｎδｍｉは、それぞれ領域ｉの誘電正接と磁気的な損失正接である。
また、自由空間の電磁波速度ｃ=１／（ε０μ０）１／２であり、複素角周波数ω=２πｆ（１ ＋ｊ１／２Ｑ０）とおくと、以下の式の関係となる。
また、自由空間の電磁波速度ｃ=１／（ε０μ０）１／２であり、複素角周波数ω=２πｆ（１ ＋ｊ１／２Ｑ０）とおくと、以下の式の関係となる。
なお、Ｑ０は、ｆと共振周波数での透過電力比（以下ａｔｔと略記）により、以下の式で表される。
上記図１における誘電体支持体領域２，４を有する測定システムに関する数式について説明したが、前記誘電体支持体領域２，４を用いない場合、領域２と領域４を真空（領域１および５と等しい）とみなして、上記領域ｉが１と２のパラメータ値が等しく、且つ４と５のパラメータ値が等しいとして計算すれば良い。
本発明によれば、プラスチック、セラミックス、紙など固体の絶縁物などの電磁気特性を測定することができる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
測定装置について、図４を用いて説明すると、上記同軸共振器２２（本発明の電磁気特性測定治具）の同軸線路両端部と、ベクトルネットワークアナライザ２１の入出力ポート、ポート１およびポート２とを、接続して電力（入射電力）を投入し、前記同軸共振器２２における反射電力および透過電力の比を、ベクトルネットワークアナライザにより測定する。
［誘電体支持体により測定検体を挟持しない場合の例］
（実施例１）
市販のポリテトラフルオロエチレンの測定
長さ１５００ｍｍ、内導体（１１）の外径２０ｍｍ、外導体（１２）の内径４０ｍｍである円筒状の同軸線路を用いて、中央部内導体が貫通する位置に、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍであるリング状のポリテトラフルオロエチレンの測定試料（１４）を装荷し、同軸線路の両端（短絡板（１０））を短絡した。測定においては、この同軸線路共振器とアジレントテクノロジー（株）製８５１０Ｃベクトルネットワークアナライザ（以下ＶＮＡと略記）を、コネクタ（１６）を介してループアンテナ（１５）により磁界結合し、透過電力比を計測した。その際、同軸線路の中央部１００ｍｍを切り取り、試料挿入部（１３）とした。同軸線路内は真空ポンプ（１９）を用い１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空とした。測定システムの概略断面図を図２に示した。測定したポリテトラフルオロエチレンの誘電特性を表１に示す。
（実施例１）
市販のポリテトラフルオロエチレンの測定
長さ１５００ｍｍ、内導体（１１）の外径２０ｍｍ、外導体（１２）の内径４０ｍｍである円筒状の同軸線路を用いて、中央部内導体が貫通する位置に、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍであるリング状のポリテトラフルオロエチレンの測定試料（１４）を装荷し、同軸線路の両端（短絡板（１０））を短絡した。測定においては、この同軸線路共振器とアジレントテクノロジー（株）製８５１０Ｃベクトルネットワークアナライザ（以下ＶＮＡと略記）を、コネクタ（１６）を介してループアンテナ（１５）により磁界結合し、透過電力比を計測した。その際、同軸線路の中央部１００ｍｍを切り取り、試料挿入部（１３）とした。同軸線路内は真空ポンプ（１９）を用い１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空とした。測定システムの概略断面図を図２に示した。測定したポリテトラフルオロエチレンの誘電特性を表１に示す。
［誘電体支持体により測定検体を挟持した場合の例］
（実施例２）
市販のポリイミドフィルムの測定
長さ１５００ｍｍ、内導体（１１）の外径２０ｍｍ、外導体（１２）の内径４０ｍｍである円筒状の同軸線路を用いて、中央部内導体が貫通する位置に、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１２５μｍであるリング状のポリイミドフィルムの５０枚を重ねた測定試料（１４）を装荷し、それを両側から、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのポリテトラフルオロエチレンよりなる誘電体支持体２０で支持し、同軸線路の両端（短絡板（１０））を短絡した。測定においては、この同軸線路共振器とＶＮＡを、コネクタ（１６）を介してループアンテナ（１５）により磁界結合し、透過電力比を計測した。その際、同軸線路の中央部１００ｍｍを切り取り、試料挿入部（１３）とした。同軸線路内は真空ポンプ（１９）を用い１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空とした。測定システムの概略断面図を図３に示した。測定したポリイミドフィルムの誘電特性を表２に示す。
（実施例２）
市販のポリイミドフィルムの測定
長さ１５００ｍｍ、内導体（１１）の外径２０ｍｍ、外導体（１２）の内径４０ｍｍである円筒状の同軸線路を用いて、中央部内導体が貫通する位置に、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１２５μｍであるリング状のポリイミドフィルムの５０枚を重ねた測定試料（１４）を装荷し、それを両側から、内径２０ｍｍ、外径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのポリテトラフルオロエチレンよりなる誘電体支持体２０で支持し、同軸線路の両端（短絡板（１０））を短絡した。測定においては、この同軸線路共振器とＶＮＡを、コネクタ（１６）を介してループアンテナ（１５）により磁界結合し、透過電力比を計測した。その際、同軸線路の中央部１００ｍｍを切り取り、試料挿入部（１３）とした。同軸線路内は真空ポンプ（１９）を用い１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空とした。測定システムの概略断面図を図３に示した。測定したポリイミドフィルムの誘電特性を表２に示す。
比較例１
比較のために、インピーダンスアナライザによる従来の方法測定法により、実施例１と同じテトラフルオロエチレンを用いて測定した誘電特性の測定結果を表３に示す。
比較のために、インピーダンスアナライザによる従来の方法測定法により、実施例１と同じテトラフルオロエチレンを用いて測定した誘電特性の測定結果を表３に示す。
上記結果より、本発明は、従来の方法に比べてＶＨＦ帯からＵＨＦ帯で比誘電率、誘電正接共に１桁以上高精度である誘電特性の測定法が提供される。また、従来の方法では測定できなかった３ＧＨｚの測定も可能であり、広帯域の誘電特性の測定を提供できる。
本発明によれば従来の測定法では不可能であった薄いフィルムの測定も可能である。
また、透磁特性についても、誘電特性同様に、従来の方法に比べてＶＨＦ帯からＵＨＦ帯で、比透磁率、磁気的な損失正接共に１桁以上高精度である透磁特性の測定法が提供される。また、従来の方法では測定できなかった３ＧＨｚの測定も可能であり、広帯域の透磁特性の測定を提供できる。
本発明によれば従来の測定法では不可能であった薄いフィルムの測定も可能である。
また、透磁特性についても、誘電特性同様に、従来の方法に比べてＶＨＦ帯からＵＨＦ帯で、比透磁率、磁気的な損失正接共に１桁以上高精度である透磁特性の測定法が提供される。また、従来の方法では測定できなかった３ＧＨｚの測定も可能であり、広帯域の透磁特性の測定を提供できる。
１：自由空間領域
２：誘電体支持体領域
３：測定検体
４：誘電体支持体領域
５：自由空間領域
６：同軸線路共振器
９：自由空間領域
１０：短絡板
１１：内導体
１２：外導体
１３：試料挿入部
１４：試料
１５：磁界ループアンテナ
１６：コネクタ
１７：真空ホース
１８：真空計
１９：真空ポンプ
２０：誘電体支持体
２１：ベクトルネットワークアナライザ
２２：同軸線路共振器
２：誘電体支持体領域
３：測定検体
４：誘電体支持体領域
５：自由空間領域
６：同軸線路共振器
９：自由空間領域
１０：短絡板
１１：内導体
１２：外導体
１３：試料挿入部
１４：試料
１５：磁界ループアンテナ
１６：コネクタ
１７：真空ホース
１８：真空計
１９：真空ポンプ
２０：誘電体支持体
２１：ベクトルネットワークアナライザ
２２：同軸線路共振器
Claims (6)
- 内導体、外導体および自由空間領域より構成される同軸線路を有する、線路共振器法による電磁気特性測定治具であって、測定検体が、前記自由空間領域の中に、前記内導体が貫通して装着され、前記同軸線路の両端部が短絡されることを特徴とする電磁気特性測定治具。
- 前記測定検体は、二つの誘電体支持体により挟持されている請求項１記載の電磁気特性測定治具。
- 前記測定検体または前記測定検体と誘電体支持体は、外導体及び内導体に着脱可能な挿入部位に装着されている請求項１又は２記載の電磁気特性測定治具。
- 前記同軸線路の長さが５０〜１００００ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
- 前記同軸線路は、直径２〜５０ｍｍの内導体を有し、前記内導体の直径の１．２〜１０倍の直径を有する外導体で構成されるものである請求項１〜４のいずれかに記載の電磁気特性測定治具。
- 内導体、外導体および自由空間領域とを具備し、前記自由空間領域の中に測定検体が装着される同軸線路において、前記同軸線路の両端部が短絡されている、線路共振器法による電磁気特性測定システムを用い、前記同軸線路の両端部に、一定の大きさの信号を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定し、共振周波数とＱ値とを求め、誘電特性及び透磁特性を下記数式から求めることを特徴とする電磁気特性の測定方法。
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|---|---|---|---|---|
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| CN104330641A (zh) * | 2014-10-30 | 2015-02-04 | 中国矿业大学 | 一种开关磁阻电机功率变换器杂散电感提取方法 |
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2005
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| CN114062790A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-02-18 | 东南大学 | 压缩状态下材料的宽频带电磁参数测量装置及测量方法 |
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