JP2019105541A - 誘電体材料の定数測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘電体材料の試料片を高い精度で加工することを可能にして測定誤差を少なくし、また、校正キットを自作することを可能にする誘電体材料の定数測定装置を提供する。【解決手段】 誘電体材料の定数をネットワークアナライザ１０で測定する誘電体材料の定数測定装置において、誘電体材料で作られた円柱状の試験片Ａ１が挿入されてネットワークアナライザ１０のトランスジューサ２０、３０の間に取り付けられる筒状の円形導波管４０を備える。【選択図】 図１

Description

この発明は、誘電体材料の定数を測定する誘電体材料の定数測定装置に関する。

誘電体材料の定数を測定する場合に測定で用いる信号の周波数が高いときの測定方法（例えば、非特許文献１〜３）として、例えば伝送ライン法がある。伝送ライン法ではネットワークアナライザを用い、ネットワークアナライザの２つのポート間に、図８（ａ）に示すように所定形状の試験片Ａ１１を入れた矩形導波管１０１または図８（ｂ）に示すように所定形状の試験片Ａ１２を入れた同軸ライン１０２を接続する。そして、ネットワークアナライザでＳパラメータを測定し、Ｓパラメータの測定データから計算で誘電体材料の定数として、誘電率と透磁率とを算出する。

このように、伝送ライン法では伝送ラインとして矩形導波管および同軸ラインのどちらかを用いる。矩形導波管や同軸ラインでＳパラメータを測定するためには、校正キットを用いてネットワークアナライザを校正する。例えば、矩形導波管を用いるときには標準の導波管の校正キットでＴＲＬ（Ｔｒｏｕｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔ−Ｌｉｎｅ）校正を行い、同軸ラインを用いる場合には標準の同軸ラインの校正キットでＴＲＬ校正を行う（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−１９７５７７号公報

「誘電体測定の基礎」 キーサイトテクノロジーズ アプリケーションノート ５９８９−２５８９ＪＡＪＰ、 ２０１５年７月 「Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」， ｉｎ Ｍ．Ｉ．Ｔ． Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｂｏｓｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ． Ｉｎｃ．， １９６４年 「Ａｐｐｅｎｄｉｘ Ｃ ｉｎ Ａｎｔｅｎｎａ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｔｈｅｏｒｙ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎｓ」，Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｒａｉｎｈｏｌｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， １９８８年

先に述べた伝送ライン法には次の課題がある。伝送ライン法で矩形導波管を用いる場合には、誘電体材料を直方体にフライス加工して試験片を作製する。このとき、矩形導波管の内壁と試験片との間に隙間があると、測定誤差が大きくなる。しかし、回転して加工する旋盤加工に比べてフライス加工では精度が高くないので、矩形導波管の内壁と試験片との間に隙間ができて、測定誤差が大きくなる。

また、矩形導波管の内壁の角部分にはアールがついているので、試験片を小さくする必要がある。試験片を小さくした結果、矩形導波管の内壁と試験片との間に隙間ができて、測定誤差が大きくなる。

伝送ライン法で同軸ラインを用いる場合には、線路が同軸なので高い周波数では用いることができない。また、誘電体材料から円環状の試験片を作製する必要があり、作製工程が増えてしまう。

伝送ライン法で伝送ラインとして矩形導波管と同軸ラインのどちらかを用いてＳパラメータを測定しようとすると、校正キットが必ず必要である。しかし、これらの校正キットは高価で自作困難である。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、誘電体材料の試料片を高い精度で加工することを可能にして測定誤差を少なくし、また、校正キットを自作することを可能にする誘電体材料の定数測定装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、誘電体材料の定数をネットワークアナライザで測定する誘電体材料の定数測定装置において、前記誘電体材料で作られた円柱状の試験片が挿入されて前記ネットワークアナライザのトランスジューサの間に取り付けられる筒状の円形導波管を備えることを特徴とする誘電体材料の定数測定装置である。

請求項１の発明では、誘電体材料で作られた円柱状の試験片が円形導波管に挿入され、円形導波管がネットワークアナライザのトランスジューサの間に取り付けられる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の誘電体材料の定数測定装置において、前記円形導波管の内壁面と前記試験片の外壁面とは旋盤加工で切削されて作られている、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の誘電体材料の定数測定装置において、前記ネットワークアナライザはＴＲＬ校正時に前記各トランスジューサに接続可能な円板状のショート板とオフセット板とを用いる、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、筒状の円形導波管と円柱状の試験片とを用いるので、矩形導波管のように内壁面の角部が無く円形導波管と試験片との隙間を少なくすることができる。また、円形導波管を用いるので、例えばミリ波のような高い周波数での使用が可能である。

請求項２の発明によれば、円形導波管の内壁面と試験片の外壁面とを旋盤加工で切除するので、これらを高精度で加工することができる。これにより、試験片を円形導波管内に隙間無く挿入することが可能であり、測定誤差を少なくすることができる。

請求項３の発明によれば、ＴＲＬ校正に際してショート板とオフセット板とが円板状であるので、これらを測定者側で自作することを可能にする。

この発明の一実施の形態による誘電体材料の定数測定装置を示す構成図である。 円形導波管を示す図であり、図２（ａ）は円形導波管の正面図、図２（ｂ）は円形導波管の右側面図である。 トランスジューサを示す図であり、図３（ａ）はトランスジューサの左側面図、図３（ｂ）はトランスジューサの正面図である。 測定を説明する説明図である。 ショート板を示す図であり、図５（ａ）はショート板の正面図、図５（ｂ）はショート板の右側面図である。 オフセット板を示す図であり、図６（ａ）はオフセット板の正面図、図６（ｂ）はオフセット板の右側面図である。 誘電体材料の定数測定を説明する説明図である。 伝送ラインを示す斜視図であり、図８（ａ）は矩形導波管の斜視図、図８（ｂ）は同軸ラインの斜視図である。

次に、この発明の一実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。この実施の形態による誘電体材料の定数測定装置（単に「定数測定装置」と記す）を図１に示す。この定数測定装置は、ネットワークアナライザ１０と、トランスジューサ２０、３０と、円形導波管４０とを備えている。

円形導波管４０は、被測定物である被測定誘電体棒Ａ１を収納するためのものであり、内径の大きさがφＤｃの筒状の管本体４１を備えている。円形導波管４０は金属材料で作られ、管本体４１の内壁面は旋盤加工、つまり管本体４１を回転して内壁面を切削することにより、高精度で加工することができる。

ここで、被測定誘電体棒Ａ１について説明する。図２に示すように、管本体４１に収納される被測定誘電体棒Ａ１は誘電体材料を円柱状に加工したものである。被測定誘電体棒Ａ１は管本体４１に入るように、直径の大きさが略φＤｃ_１（単にφＤｃ_１と記す）で長さがＬ１に加工されている。被測定誘電体棒Ａ１は直径φＤｃ_１で長さＬ１の円柱状の棒であるので、誘電体材料から被測定誘電体棒Ａ１を作り出す際には旋盤加工により被測定誘電体棒Ａ１の外壁面を高精度で加工することができる。この結果、高精度で加工された被測定誘電体棒Ａ１は同じく高精度で加工された管本体４１の内壁に対して隙間が無いように管本体４１に挿入される。

筒状の管本体４１の両端はフランジ加工されて、円板形の張出し部４２、４３が形成されている。張出し部４２、４３の中心部分には管本体４１の内径と同じ大きさのφＤｃの開口４２ａ、４３ａが開けられている。開口４２ａ、４３ａは、被測定誘電体棒Ａ１を挿入するためのものであり、また、被測定誘電体棒Ａ１の測定時には入射波を通すためのものである。

張出し部４２、４３の周囲には、開口４２ａ、４３ａを中心にして、それぞれ４つの貫通穴４２ｂ、４３ｂが開けられている。それぞれ４つの貫通穴４２ｂ、４３ｂは張出し部４２、４３をトランスジューサ２０、３０にネジ止めで取り付けるためのものである。

こうした円形導波管４０の使用帯域は、ドミナントモード（ＴＥ１１）がカットオフになる周波数ｆ_ｍｉｎから、最初の高次モード（ＴＭ０１）がカットオフになる周波数ｆ_ｍａｘまでの範囲となる。周波数ｆ_ｍｉｎ、ｆ_ｍａｘは下式から計算され、使用帯域が周波数ｆ_ｍｉｎから周波数ｆ_ｍａｘの範囲に入るように円形導波管４０の内径φＤｃを選定する。なお、この数式の分子にあるＣは光速である。
例えば、φＤｃ＝５ｍｍであれば、
ｆ_ｍｉｎ≒３５．１ＧＨｚ〜ｆ_ｍａｘ≒４５．９ＧＨｚ
の周波数範囲を測定可能である。

トランスジューサ２０はネットワークアナライザ１０からの入射信号を入射波に変換して円形導波管４０に放射し、また円形導波管４０からの反射波を反射信号に変換してネットワークアナライザ１０に送る変換装置である。

トランスジューサ２０は、図３に示すように、一端が塞がれた筒状の装置本体２１を備えている。装置本体２１の開口の内径は円形導波管４０の管本体４１の内径φＤｃと同じである。装置本体２１の一端側にはポート２２が設けられている。ポート２２は同軸ケーブルでネットワークアナライザ１０に接続するためのものである。トランスジューサ２０には、ポート２２から装置本体２１内に突き出た芯部分２２ａが設けられている。これにより、トランスジューサ２０は入射信号を入射波に変換し、また反射波を反射信号に変換する。

装置本体２１の他端はフランジ加工されて、円板形の張出し部２３が形成されている。張出し部２３の中心部分には装置本体２１の開口と向かい合うように開口２３ａが開けられている。開口２３ａは被測定誘電体棒Ａ１の測定時に入射波を通すためのものであり、内径がφＤｃである。

張出し部２３の周囲には、開口２３ａを中心にして、４つの貫通穴２３ｂが開けられている。張出し部２３を円形導波管４０の張出し部４２に重ね合わせたときに、４つの貫通穴２３ｂは張出し部４２の貫通穴４２ｂと向かい合うように配置されている。そして、４つの貫通穴２３ｂは張出し部４２の貫通穴４２ｂと共に用いられ、円形導波管４０の張出し部４２にネジ止めで張出し部２３を取り付けるために設けられている。

トランスジューサ３０はトランスジューサ２０と同様にネットワークアナライザ１０からの入射信号を入射波に変換して円形導波管４０に放射し、また円形導波管４０からの伝送波を伝送波信号に変換してネットワークアナライザ１０に送る変換装置である。

トランスジューサ３０は、筒状の装置本体３１と、装置本体３１の一端側に設けられたポート３２と、装置本体３１の他端に形成された張出し部３３を備えている。これらの装置本体３１とポート３２と張出し部３３とはトランスジューサ２０の装置本体２１とポート２２と張出し部２３と同様であるので、これらの説明を省略する。なお、図示はされていないが、トランスジューサ２０の４つの貫通穴２３ｂに対応して、トランスジューサ３０には４つの貫通穴３３ｂが開けられている。

ネットワークアナライザ１０は高周波回路の特性などを測定する測定装置である。このために、ネットワークアナライザ１０は、第１のポート１１と第２のポート１２とを備え、第１のポート１１と第２のポート１２との間にトランスジューサ２０、３０を介在して円形導波管４０がケーブル１１ａ、１２ａで接続される。

ネットワークアナライザ１０は、円形導波管４０に入れられた試験片である被測定誘電体棒Ａ１の誘電率ε_ｒと透磁率μ_ｒとをこの実施の形態では測定する。例えば図４に示すように、ネットワークアナライザ１０は第１のポート１１、１２を用いて被測定誘電体棒Ａ１に入射信号による入射波を加え、被測定誘電体棒Ａ１での反射による反射信号と、被測定誘電体棒Ａ１を通って伝送された入射波の伝送波による伝送信号とから被測定誘電体棒Ａ１によるＳパラメータ（Ｓ_１１、Ｓ_２１）を測定する。この後、ネットワークアナライザ１０はあらかじめ取り込んであるソフトウエアにより、Ｓパラメータから誘電率ε_ｒと透磁率μ_ｒとを算出する。

こうした被測定誘電体棒Ａ１の定数を算出する前にネットワークアナライザ１０に対しては校正キットを用いた校正が必要である。ネットワークアナライザ１０はＴＲＬ法で校正され、円形導波管４０を用いた場合には、図５に示すようなショート板５０と図６に示すようなオフセット板６０とを用意する。

ショート板５０は円板形の平らな校正用の標準器であり、金属材料で作られている。ショート板５０の周囲には４つの貫通穴５１が開けられている。ショート板５０をトランスジューサ２０、３０の張出し部２３にそれぞれ重ね合わせたときに、４つの貫通穴５１は張出し部２３、３３の貫通穴２３ｂ、３３ｂと向かい合うように配置されている。そして、４つの貫通穴２３ｂはトランスジューサ２０、３０の張出し部２３、３３の貫通穴２３ｂ、３３ｂと共に用いられ、トランスジューサ２０、３０の張出し部２３、３３にネジ止めでショート板５０をそれぞれ取り付けるために設けられている。

オフセット板（１／４λオフセット板）６０はショート板５０と同様に円板形の平らな校正用の標準器であり、金属材料で作られている。ショート板６０の中心部分には円形導波管４０の管本体４１の内径と同じφＤｃの開口６１が開けられている。開口６１はＴＲＬ法による校正時に入射波を通すためのものである。オフセット板６０の周囲には、開口６１を中心にして、それぞれ４つの貫通穴６２が開けられている。それぞれ４つの貫通穴６２はトランスジューサ２０、３０で挟んだ状態でオフセット板６０をネジ止めで取り付けるためのものである。オフセット板６０がトランスジューサ２０、３０に取り付けられたときには、先に述べた開口６１がトランスジューサ２０、３０の開口と向かい合うように開けられている。

オフセット板６０の厚さＴは、
（λｇ：使用中心周波数ｆ_ｃｅｎにおける管内波長）
に選ばれ、次式から計算される。
例えば、φＤｃ＝５ｍｍ、使用中心周波数ｆ_ｃｅｎ＝４０．５ＧＨｚとすると、オフセット板６０の厚さＴはＴ≒３．７２ｍｍとなる。

こうしたショート板５０とオフセット板６０とは円板状であるので自作が容易である。つまり、測定者側でショート板５０とオフセット板６０とを作るだけで、ネットワークアナライザ１０をＴＲＬ法で校正することができる。

以上がこの実施の形態による定数測定装置の構成である。次に、この定数測定装置の作用について説明する。誘電体材料の測定を行う測定者は前もってショート板５０とオフセット板６０とを用意する。ショート板５０とオフセット板６０とは、金属材料を円板状に加工して作られているので、測定者側で自作できる。

測定者はショート板５０とオフセット板６０とを用意すると、測定作業を開始する前にショート板５０とオフセット板６０を用いてＴＲＬ法でネットワークアナライザ１０を校正する。

一方、測定者は誘電体材料を円形導波管４０に入れるために、誘電体材料を加工して被測定誘電体棒Ａ１を作製する。このとき、円形導波管４０の内壁が円筒であるので、誘電体材料を回転して切除し円柱状にする旋盤加工を行うことができる。そして、測定者は被測定誘電体棒Ａ１を作製すると円形導波管４０に挿入し、円形導波管４０の両端にトランスジューサ２０、３０を取り付ける。この後、測定者は、ネットワークアナライザ１０を操作してＳパラメータを測定し、ソフトウエアによりＳパラメータから誘電率ε_ｒと透磁率μ_ｒとを算出する。

この実施の形態による測定例として、１５ＧＨｚ帯の誘電体材料定数測定を図７に示す。内径φＤｃ＝１４．６ｍｍの円形導波管に、直径φＤｃ_１≒１４．５６ｍｍ（隙間０．０４ｍｍ）、長さＬ１＝２９．８ｍｍのアクリル樹脂棒（ＰＭＭＡ）を挿入してＳパラメータ（Ｓ１１、Ｓ２１）を測定し、そのＳパラメータから比誘電率εｒと誘電正接ｔａｎδを、伝送線路理論による計算値とのフィッティングにより求めた。Ｓ１１から算出した場合の材料定数とＳ２１から算出した場合の材料定数がほぼ一致しており、また得られた比誘電率εｒ＝２．５２は、先の非特許文献３に示された値（εｒ≒２．５）とほぼ一致しており、この実施の形態の誘電体材料の定数測定装置による測定が有効であることが分かる。なお、図７では、Ｓ２１から算出した定数と測定値とが略一致していて２つの差異は図示されていない。

こうして、この実施の形態によれば、円形導波管４０の内径および被測定誘電体棒Ａ１(円柱)の外径は、旋盤加工により非常に高精度に加工され（±５／１００ｍｍから±２／１００ｍｍ程度に改善）、被測定誘電体棒Ａ１は円形導波管内にほとんど隙間無く挿入することが可能である。これにより、測定誤差を少なくすることができる。

例として、周波数４０ＧＨｚで比誘電率２．８の誘電体を、
（あ）矩形導波管Ｗｂ＝２．８４５ｍｍ（ＷＲ−２２）かつ隙間０．１ｍｍの場合
（い）円形導波管φＤｃ＝５ｍｍかつ隙間０．０４ｍｍの場合
で測定したときの比誘電率εｒの誤差を、非特許文献２に示された換算式から計算すると、
（あ）の矩形導波管の場合は、εｒ＝２．７３６７（測定誤差３．８％）
（い）の円形導波管の場合は、εｒ＝２．７８５６（測定誤差０．５％）
となり、大幅に比誘電率測定精度が改善できることが分かる。

また、この実施の形態ではネットワークアナライザ１０の校正は、円形導波管４０のショート板（図５）と１／４λオフセット板（図６）および円形導波管トランスジューサ（図３）を用いたＴＲＬ校正により、従来の矩形導波管の場合と同様に高精度で校正される。使用周波数が高くなるほど円形導波管による改善度は高くなる。

また、この実施の形態では円形導波管４０を用いるので、従来の同軸ラインを用いた場合に比べ容易に加工でき、ミリ波帯のような高い周波数でも使用できる。

さらに、この実施の形態によればネットワークアナライザ１０のＴＲＬ校正に必要とする円板状のショート板５０とオフセット板６０とを測定者側で作ることが可能である。つまり、ＴＲＬ校正キット（ショートおよびオフセットの両方）を容易に自作できる。

１０ ネットワークアナライザ
１１ 第１のポート
１２ 第２のポート
２０、３０ トランスジューサ
２１、３１ 装置本体
２２、３２ ポート
２３、３３ 張出し部
４０ 円形導波管
４１ 管本体
４２ 張出し部
５０ ショート板
６０ オフセット板

Claims (3)

1. 誘電体材料の定数をネットワークアナライザで測定する誘電体材料の定数測定装置において、
   前記誘電体材料で作られた円柱状の試験片が挿入されて前記ネットワークアナライザのトランスジューサの間に取り付けられる筒状の円形導波管を備える、
   ことを特徴とする誘電体材料の定数測定装置。
2. 前記円形導波管の内壁面と前記試験片の外壁面とは旋盤加工で切削されて作られている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘電体材料の定数測定装置。
3. 前記ネットワークアナライザはＴＲＬ校正時に前記各トランスジューサに接続可能な円板状のショート板とオフセット板とを用いる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体材料の定数測定装置。