JP2012093223A - 誘電材料の電気特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミリ波帯における誘電材料の誘電率や透磁率などの電気特性を，広い温度範囲で測定できるようにし、温度変化の激しい環境下で使用されるようなミリ波帯無線装置に用いられる誘電材料の開発・選択を容易にする。
【解決手段】ビームレンズ１０７，１０８を備えた２つの電磁ホーン１０１，１０２の焦点が一致するように配置し、その焦点位置に置いた板状の誘電材料試料１０６のミリ波帯における透過特性を測定して、誘電材料の電気特性を測定するようにした誘電材料の電気特性測定装置において、前記試料１０６をその内部に含む密閉空間１４を、ケース１および該ケース１に設けた開口部に着脱可能なシール２により形成し、温度を可変制御可能な加熱・冷却装置３により温度制御されたガスを上記密閉空間１４内へ通流させて前記試料１０６の温度を目標温度とし、この目標温度における試料の電気特性を測定できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電材料の電気特性測定装置にかかわり、特にミリ波帯における誘電率および透磁率の温度特性を測定できるようにした誘電材料の電気特性測定装置に関するものである。

近年無線機器の発達とその応用はめざましく、利用される周波数もミリ波帯へと広がってきている。これに伴って、ミリ波帯無線機器に用いられる誘電材料の電気特性、すなわち誘電率や透磁率の正確な測定装置の開発も重要な課題となっている。

一般に誘電材料の電気特性測定法としては、（ａ）平行金属板法（ｂ）導波管法（ｃ）共振器法および（ｄ）自由空間法に大別される。このうちマイクロ波・準ミリ波に適した共振器法を具体化した誘電率測定装置が，たとえば特許文献１に開示されている。

一方、ミリ波帯ではその波長が小さいことから上記（ａ）〜（ｃ）の方法では装置構成や試料工作が難しく、精度上も十分な結果が得られないので、上記（ｄ）の自由空間法が実用化されており、たとえば非特許文献１および非特許文献２に開示されたものがある。

特開２００８−１１６３８５

戸高ほか著「ビーム収束型ホーンアンテナを用いたフリースペース法電子材料測定システム」信学技報、ＥＭＣＪ−２００２−７９，ＰＰ１３−２０（２００２） 橋本修著「材料定数測定法」ｐｐ１５４−１６６，森北出版２００３，ＩＳＢＮ４−６２７−７９１６１−５

無線機器は、その使用環境によって周囲温度が広範囲に変化する場合がある。たとえば、自動車追突防止装置の車載器を考えると、寒冷地における冬季と沖縄のような南方における夏期とでは、車載器の設置状況によっては、１００度以上の温度差があり得る。このような無線機器の開発に当たっては、誘電材料の誘電率や透磁率の温度特性の把握が不可欠である。

このような温度特性としては、例えばマイクロ波・準ミリ波において、前記した特許文献１の装置を用いた、テフロン（登録商標）試料およびマシナブルセラミック試料の−６０℃〜１００℃、５ＧＨｚにおける測定例が示されている。しかしミリ波帯においてはこのような温度特性の測定装置は実現されていない。

本発明の目的は、ミリ波帯における誘電材料の温度特性を広い温度範囲にわたって測定可能な誘電材料の電気特性測定装置を提供することにある。

上記の目的は、電波を収束させるレンズを備えた第１および第２の電磁ホーンを、該２つの電磁ホーンの焦点が一致するように対向して設置し、前記第１の電磁ホーンから放射された電波の進行方向と垂直となりかつ前記焦点がその面内に位置するように板状誘電材料の試料を設置し、前記第１の電磁ホーンから放射され前記試料を透過した電波を前記第２の電磁ホーンで受信することによって前記試料を含む電波伝搬路の伝送特性をＳパラメータとして計測し、該計測したＳパラメータと前記試料の寸法データを用いて前記試料の誘電率および透磁率の一方または双方を測定するように構成した誘電材料の電気特性測定装置において、
ガス源および該ガス源からのガスの温度を目標温度にするためのガス温度制御手段と、 前記試料をその内部に収容した密閉空間を前記電波伝搬路の伝送特性に影響しないように形成し、前記ガス温度制御手段からのガスをその内部に通流させるためのガス入り口および出口を備え、かつ開口部を有するケースと、該ケースの開口部を塞ぐための着脱可能なシールと、前記試料の周辺温度を検出するための温度センサーとを設けることにより達成される。

本発明の装置によれば、前記ケースの開口部を前記シールで塞いで形成される密閉空間内に、前記温度制御手段から目標温度のガスを通流させることで試料の温度を目標温度とし、この状態で自由空間法によるミリ波帯誘電材料電気特性を測定できる。そしてガスやシールとして広い温度範囲で変質しない材質のものを用い、かつ温度制御手段も広い温度範囲で制御可能なものを用いることで、例えば−５０℃〜２００℃といった温度範囲での誘電材料の電気特性測定が可能となり、屋外などの温度変化の激しい環境で使われるミリ波装置用の誘電材料の開発・選択に資することが大きい。

本発明の装置の構成例を示す断面図。 ケース１の形状説明図。 図１のＡ−Ａ’部を電磁ホーン１０１の側から見た図。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明になる誘電材料の電気特性測定装置の全体構成例を示す断面図で、装置長手方向の中央線を含む垂直面に沿った断面図である。同図において、プラットホーム１００，電磁ホーン１０１，１０２とそれらを装置長手方向に移動させるための可動機構１０３，１０４，電磁ホーン１０１，１０２の各々に備えられた誘電体レンズ１０７，１０８，測定対象誘電材料である板状の試料１０６の支持板１１０，支持板１１０の支持機構をかねた可動機構１０５などで構成される部分は，前述した非特許文献１および非特許文献２に示されている公知の電気特性測定装置を構成している。

本発明の特徴とする部分は、測定時に試料１０６の周囲空間を覆って密閉空間１４を形成するためのケース１およびシート２，ガスボンベ６からガス管７を経て送られてきたガスの温度を、管路９を収容した液層１０内の液体の温度を液温調整器８により制御し、保温材５により保持されたガス管４へ送り出す加熱・冷却装置３，ガス管４からのガスを前記密閉空間１４内へ取り込むためのケース１に設けられたガス入り口部１１，密閉空間１４内のガスを外部へ排出するためのケース１に設けられたガス出口部１２，試料の支持板１１０に取り付けられた温度センサー１３からなっている。

以上の構成において、誘電率や透磁率の測定方法は、前記引用の非特許文献１に詳しく記述された公知のもので、その概略は以下のようである。まず、入力同軸ケーブル１１１へ、図示を省略したネットワークアナライザーから送られてきた測定周波数を持つミリ波信号（ＴＥＭモード）が，同軸導波管変換器１１２で矩形導波管モード（ＴＥ０１モード）へ変換され、さらに矩形円形導波管変換器１１３で円形導波管モード（ＴＥ１１モード）へ変換された後、電磁ホーン１０１へ入力される。電磁ホーン１０１からの放射派は、誘電体で構成されたレンズ１０７で収束されて、試料１０６上で収束するようなビーム１０９として密閉空間１４内へ放射される。電磁ホーン１０１に対向している電磁ホーン１０２は、その焦点が電磁ホーン１０１の焦点と一致するように設置されており、試料１０６を透過したビームはレンズ１０８を備えた電磁ホーン１０２で受信される。この受信信号は、入力側とは逆のモード変換を経てＴＥＭモードとされ、出力同軸ケーブル１１４へ出力される。この出力信号は、前記図示省略のネットワークアナライザーへ送られる。

ネットワークアナライザーは、入力同軸ケーブル１１１へ送り出した信号と出力同軸ケーブル１１４から戻ってきた信号から、被測定系の伝送特性であるＳパラメータを求め、さらにそのＳパラメータと試料の寸法から誘電率や透磁率を、既知のソフトウエアを用いて算出する。可動機構１０３〜１０５は、２つのレンズ１０７および１０８の焦点が試料中央部に来るようにするための位置調整や、試料が装着されていないときの測定系の伝送測定校正のために用いられる。

以上に概略を述べた測定を、本発明の装置では、加熱・冷却装置３で温度制御したガスを密閉空間１４内に流すことによって、試料１０６の温度を調節して行う。温度変化の範囲をたとえば−５０℃〜２００℃とすると、このような温度範囲で液化や固化したり発火などを起こさないガス、たとえばアルゴンガスを用い、また同様の温度範囲で相変化を起こさない液体、たとえばシリコンオイルを液槽１０で用いる。

図２は、ケース１の形状を示す斜視図で、電磁ホーン１０７側の部分のみを示している。ケース１はトンネル状の筒の両端に蓋をし、その蓋に電磁ホーン１０７用の穴１０７’、ガス出口穴１２を設け、天井部分は、斜線部１１以外は取り除かれていて開口しており、開口部１５を形成している。この開口部１５は、試料１０６の着脱や可動機構１０５の操作時に必要となるもので、ガスを流して測定するときは、シート２を斜線部１６に貼り付けて開口部１５を塞ぎ、試料１０６を含む空間が密閉状態となるようにする。ケース１はたとえば鉄材で構成し、ケース１の斜線部１６に接するシート２の部分に磁性体塗料を塗布しておけば、シート２は必要に応じて容易に着脱できる。このシート２としては、前記のような広い温度範囲で変質しない材質が必要で、たとえばシリコンシートを用いる。またケース１を鉄材で構成したとき、メインビームはレンズで収束させているのでケース１の影響はない一方、電磁ホーン１０１からの放射波のサイドローブがケース１内面で反射されて電磁ホーン１０２で受信されると伝送特性（Ｓパラメータ）測定の誤差要因になる。従って電磁ホーン１０１を、そのサイドローブのレベルが十分小さくなるように製作できれば問題はない。もし影響が認められる場合は、ケース内面を電波吸収材で覆うようにすればよい。

図３は、図１の電磁ホーン１０１側から見た試料１０６、支持板１１０の部分（図１のＡ−Ａ’）を示したもので、可動機構１０５上に設けられた支持板１０の２カ所に温度センサー１３が取り付けられ、リード線１３’が外部へ取り出され、図示を省略した温度検出装置に接続されて計測された温度が表示される。

図２の穴１０７’には電磁ホーン１０１に組み込まれたレンズ１０７がはめ込まれるようにして取り付けられるが、電磁ホーン１０１，レンズ１０７は，校正時などに可動機構１０３により図１の左右方向に微少距離移動させられる。一方ケースは固定であるからレンズ１０７と穴１０７’の間は固定できず、滑動可能なようにしておく必要がある。このため測定時にこの部分から多少のガス漏れを生じる可能性があるが、もともと穴１２からガスを外部へ流出させながら測定するので、試料１０６周辺の温度分布に影響しないようなガス漏れは問題ない。電磁ホーン１０２側や、シート２とケース１の間で生じうるガス漏れについても同様である。

以上に説明した図１の実施例によれば、温度センサー１３により検出されるガスの温度が、測定したい目標温度となるようにケース１内へ送られるガスの温度を加熱・冷却装置３によって制御し、その状態を維持してネットワークアナライザーおよび電磁ホーンによる試料１０６の電気特性測定を実施すれば、目標温度における誘電材料の電気特性を測定することができる。従って、目標温度を順次変えて上記測定を繰り返すことにより、誘電材料電気特性の温度変化データを取得できる。この場合、温度センサーの検出温度を温度検出装置に表示し，その値を目視しながら加熱・冷却装置３を手動により調節して目標温度を実現しても良いし、加熱・冷却装置３をその入力制御電圧により温度制御できる構造として、この入力制御電圧を温度センサー１３からのフィードバック信号から生成して目標温度を実現するようにしてもよい。

なお、図１の実施例では、ケース１は２つの電磁ホーンのレンズ前面と可動機構１０５とこれに搭載された支持板１１０，試料１０６などを密閉空間１４内に収容する構造とした。この構造では、可動機構１０３，１０４はケース１の外側にあってケース外部で操作し、可動機構１０５の操作は，試料の着脱操作と同様に、シート２を外した状態で行うことになる。しかし、可動機構１０５を、図１の断面図に垂直な方向に伸び，かつプラットホーム１００に固定した回転軸を回転することで移動操作できるように構成しかつその回転軸をケース１側面からケース外へ出して外部から可動機構１０５の移動を行えるようにすることもできる。この場合は、シール２をケース１に装着したままでも可動機構１０５の移動操作が可能である。

また、図１の変形例として、２つの電磁ホーンの矩形円形導波管変換部の間、すなわち２つの電磁ホーン１０１，１０２と可動機構１０３〜１０５を含む部分をケース１内に収容し、すべての可動機構の操作用回転軸をプラットホーム上に設けて操作できるようにし、これらの回転軸をケーの外へ出して外部から操作するようにしてもよい。

また、図２のケースはその天井部分に開口部を設けているが、この開口部の形成は主に試料の着脱が目的であるから、ケース側面中央部に設ける形状としても良い。

さらに、図１〜図３の実施例では、ガスの入り口、出口をそれぞれ上下２個、温度センサーを支持板上に２個設けるようにしたが、これらの取り付け位置や個数はこれに限ったものではなく、たとえば４個ずつ設置して密閉空間内の温度分布をより一様となるようにし、かつ温度測定もより正確に行えるようにすることもできる。

本発明の装置を用いれば、−５０℃〜２００℃といった広い温度範囲で誘電率の電気特性を測定できる。一方、ミリ波帯の電波を用いた自動車衝突防止装置のような装置では、上記のような広範囲の温度における動作が求められる場合がある。この場合にそれら装置で用いられる誘電材料電気特性の把握は装置設計上不可欠となり、本発明の装置はこれを可能にするものである。

１ ケース
２ シート
３ 加熱・冷却装置
４ ガス管
５ 保温材
６ ガスボンベ
７ ガス管
８ 液温調整器
９ 管路
１０ 液槽
１１ ガス入口穴
１２ ガス出口穴
１３ 温度センサー
１４ 密閉空間
１５ 開口部
１００ プラットホーム
１０１ 電磁ホーン
１０２ 電磁ホーン
１０３ 可動機構
１０４ 可動機構
１０５ 可動機構
１０６ 試料
１０７ レンズ
１０８ レンズ
１０９ ビーム
１１０ 支持板
１１１ 入力同軸ケーブル
１１２ 同軸導波管変換器
１１３ 矩形円形導波管変換器
１１４ 出力同軸ケーブル

Claims (1)

1. 電波を収束させるレンズを備えた第１および第２の電磁ホーンを、該２つの電磁ホーンの焦点が一致するように対向して設置し、前記第１の電磁ホーンから放射された電波の進行方向と垂直となりかつ前記焦点がその面内に位置するように板状誘電材料の試料を設置し、前記第１の電磁ホーンから放射され前記試料を透過した電波を前記第２の電磁ホーンで受信することによって前記試料を含む電波伝搬路の伝送特性をＳパラメータとして計測し、該計測したＳパラメータと前記試料の寸法データを用いて前記試料の誘電率および透磁率の一方または双方を測定するように構成した誘電材料の電気特性測定装置において、
   ガス源および該ガス源からのガスの温度を目標温度にするためのガス温度制御手段と、 前記試料をその内部に収容した密閉空間を前記電波伝搬路の伝送特性に影響しないように形成し、前記ガス温度制御手段からのガスをその内部に通流させるためのガス入り口および出口を備え、かつ開口部を有するケースと、
   該ケースの開口部を塞ぐための着脱可能なシールと、前記試料の周辺温度を検出するための温度センサーとを設けたことを特徴とする誘電材料の電気特性測定装置。

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