JP2022078723A - Dielectric constant measuring device, dielectric constant measuring method, program, and storage medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、目標となる物体や液体、生体などの誘電率を非接触で測定するのに好適な誘電率測定装置、誘電率測定方法、プログラム、及び記憶媒体に関する。 The present invention relates to a permittivity measuring device, a permittivity measuring method, a program, and a storage medium suitable for measuring the permittivity of a target object, liquid, living body, etc. in a non-contact manner.
従来、マイクロ波、ミリ波帯における物体(主として板状)の誘電率測定方法には、ホーンアンテナまたはホーンアンテナに誘電体レンズを用いたフリースペース法が知られている。
図10は、従来のフリースペース法による測定システムの概念図である。
図10に示すように、ホーンアンテナを用いたフリースペース法の場合、電波暗室1000において壁面からの反射がない環境で使用する必要があり、また、ホーンアンテナ1010から照射された電波(メインビーム1020とサイドローブ1030)が、被測定物1040以外の計測器、プラットホーム(試料架台)1050等からの反射等の影響が大きく、測定精度が低下するといた問題があった。
Conventionally, a free space method using a horn antenna or a dielectric lens for a horn antenna is known as a method for measuring the dielectric constant of an object (mainly a plate) in a microwave or millimeter wave band.
FIG. 10 is a conceptual diagram of a conventional measurement system by the free space method.
As shown in FIG. 10, in the case of the free space method using a horn antenna, it is necessary to use it in an environment where there is no reflection from the wall surface in the
このような問題を解決するために、ホーンアンテナに誘電体レンズを用いる手法が開発されている。
図11は、従来の誘電体レンズを用いたフリースペース法による測定システムの概念図である。図11に示す測定システムによれば、5組のホーンアンテナ1110と、誘電体レンズ1120および同軸導波管変換器1130の組み合わせにより、18GHz~110GHzに対応するものです。
この手法にあっては、電波を直径数cmほどのビームに絞り込むため、電波暗室のような環境が不要であり、計測器、プラットホーム等からの反射等の影響がないという利点がある。
しかしながら、ホーンアンテナ1110に誘電体レンズ1120を取り付けた系は、片側だけで数kgの重量があり、プラットホーム1140の剛性が必要となり、ビームを絞り込む作業もマイクロメータを使用して実施する必要があり、且つアジマス(方位角)及びエレベーション(仰角)調整機能、試料の方位角調整及び仰角調整機構1150を必要とするなど、設置、測定手順、使用方法が複雑となるといった問題がある。
また、誘電体レンズ1120が高額であるという問題がある。
In order to solve such a problem, a method of using a dielectric lens for a horn antenna has been developed.
FIG. 11 is a conceptual diagram of a measurement system by the free space method using a conventional dielectric lens. According to the measurement system shown in FIG. 11, the combination of 5 sets of
In this method, since the radio wave is narrowed down to a beam having a diameter of about several cm, an environment such as an anechoic chamber is unnecessary, and there is an advantage that there is no influence of reflection from a measuring instrument, a platform, or the like.
However, the system in which the
Further, there is a problem that the
図12(a)(b)は、従来の誘電体レンズを用いたフリースペース法による測定システムの概念図である。図12に示す測定システムによれば、7組のホーンアンテナ1210と、誘電体レンズおよび同軸導波管変換器1220の組み合わせにより、18GHz~110GHzに対応するものである。
12 (a) and 12 (b) are conceptual diagrams of a measurement system by the free space method using a conventional dielectric lens. According to the measurement system shown in FIG. 12, the combination of seven sets of
図13は、従来の誘電体レンズを用いたフリースペース法による測定システムの概念図である。図13に示す測定システムによれば、6組のホーンアンテナ1310と、誘電体レンズ1320および同軸導波管変換器1330の組み合わせにより、2.6GHz~18GHzに対応するものである。
FIG. 13 is a conceptual diagram of a measurement system by the free space method using a conventional dielectric lens. According to the measurement system shown in FIG. 13, a combination of six sets of
ホーンアンテナを用いるフリースペース法の場合、広い周波数範囲をカバーするためには、ホーンアンテナのバンドごとに導波管を準備する必要がある。具体的には、図14に示すように、周波数範囲に対応した導波管を設置する必要がある。 In the case of the free space method using a horn antenna, it is necessary to prepare a waveguide for each band of the horn antenna in order to cover a wide frequency range. Specifically, as shown in FIG. 14, it is necessary to install a waveguide corresponding to the frequency range.
特許文献1には、ミリ波帯・サブミリ波帯においても高精度な測定が可能となる誘電率・誘電損失測定装置を提供することを目的として、誘電率測定装置は、測定端間の経路の反射・通過損失を測定するためのネットワークアナライザと、測定端間の経路中に挿入された擬フラクタル共振器から構成されている。2つの測定端は、自由空間中への平面波の生成と、所望の方向から到来する平面波の受信を行えるよう、集光光学系の焦点位置に、ネットワークアナライザに接続された広帯域アンテナを設けることによって構成されていることが開示されている。
特許文献2には、広い周波数で誘電体の誘電率を精度よく測定可能な、誘電率の測定方法および測定装置を提供することを目的として、測定試料1は、誘電体試料11および誘電体試料11の主表面13、14に配置された導体板12とを備える。測定試料1はフィルタとしての機能を有する。導体板12により、透過率が極小値となる周波数を変更することができる。スペクトラムアナライザ4は、送信アンテナ2から測定試料1に照射される平面波の周波数を走査する。受信アンテナ3およびスペクトラムアナライザ4は、測定試料1を透過した平面波の電界強度を測定する。コンピュータ5は、コンピュータ5に入力されたパラメータおよびスペクトラムアナライザ4による測定結果を用いて、FDTD法に従う数値計算によって誘電体試料11の誘電率を算出することが開示されている。
特許文献3には、反射伝送法誘電率評価では、試料を封入する冶具両端における電磁波の反射の影響で、高精度な測定が行えない。マイクロ波帯(10GHz程度)において不要な信号の反射成分を除去するためにゲーティング法による時間領域解析を用いると、逆変換した際に低い周波数帯の解析図にはゲーティングに由来するエラーのために本来の誘電率解析図に現われないはずのリップルが現れる。そこで、目的として、時間領域解析において不要な信号の反射成分を除去するゲーティング法について時間領域波形の連続性が保たれるように波形拡張してから周波数領域に逆変換することでリップルを除去するゲーティング法による時間領域解析の補正方法を提案することが開示されている。
According to
ホーンアンテナに誘電体レンズを用い、その収束性を利用することで、サイドローブを大きく低減させ
電波暗室がなくても測定が可能としている場合は、誘電体レンズもバンド毎に必要となるため、大変高額となる。各セット(2個)はアンテナ、誘電体レンズ、同軸導波管変換により構成される。さらに、同軸コネクタに合わせて、校正キットもそれぞれ必要になる。プラットホームも、アンテナ、誘電体レンズに合わせてアンテナ支持機構をその都度変更する必要がある。
If a dielectric lens is used for the horn antenna and its convergence is used to greatly reduce sidelobes and measurement is possible without an anechoic chamber, a dielectric lens is also required for each band. It will be very expensive. Each set (2 pieces) consists of an antenna, a dielectric lens, and a coaxial waveguide conversion. In addition, a calibration kit is required for each coaxial connector. The platform also needs to change the antenna support mechanism each time according to the antenna and the dielectric lens.
<従来技術の問題点>
従来のホーンアンテナ、またはホーンアンテナに誘電体レンズを組み合わせたフリースペース法による誘電率測定にあっては、遠方界での計測に由来する制約を受けている。このため、プラットホームを含めた測定系(治具)の寸法が大きく、重量も重いため、限られた研究室等での使用に限定されるといった問題があった。このため、例えば製造ラインでの検査工程に導入するのが困難であった。
また、ホーンアンテナに誘電体レンズを組み合わせた測定系(プラットホーム、アンテナ、誘電体レンズ)は大変高額であり、しかも、導波管のバンド毎に準備する必要があり、その金額はさらに高額となるため、このような測定システムを導入するには、導入費用が増大するといった問題がった。
導波管は周波数によりそのサイズが決定されるため、商品化されている製品の下限周波数は18GHzが最も低いものとなっている(図11、図12)。
図13に示すように、2.6GHz~18GHzに対応するシステムもあるが、プラットホーム、ホーンアンテナ1310、誘電体レンズ1320も大型となり、被測定試料も大きな材料を準備する必要があり、実際に使用できるケースは少ない。
以上のように、従来の測定システムであっては、マイクロ波帯600MHzからの板状資料の誘電率測定が困難であった。また、ミリ波帯においても、従来のホーンアンテナや導波管を何セットも交換して、バンド毎の測定が必要だった。
<Problems of conventional technology>
In the conventional horn antenna or the dielectric constant measurement by the free space method in which the horn antenna is combined with the dielectric lens, there are restrictions derived from the measurement in the distant field. Therefore, since the measurement system (jig) including the platform is large in size and heavy in weight, there is a problem that it is limited to use in a limited laboratory or the like. Therefore, for example, it is difficult to introduce it into an inspection process on a production line.
In addition, the measurement system (platform, antenna, dielectric lens) that combines a horn antenna and a dielectric lens is very expensive, and it is necessary to prepare for each band of the waveguide, and the amount is even higher. Therefore, in order to introduce such a measurement system, there is a problem that the introduction cost increases.
Since the size of the waveguide is determined by the frequency, the lower limit frequency of the commercialized product is 18 GHz, which is the lowest (FIGS. 11 and 12).
As shown in FIG. 13, there is a system that supports 2.6 GHz to 18 GHz, but the platform,
As described above, it has been difficult to measure the permittivity of a plate-shaped material from a microwave band of 600 MHz with a conventional measurement system. Also, even in the millimeter wave band, it was necessary to replace several sets of conventional horn antennas and waveguides and measure each band.
本発明の一実施形態は、上記に鑑みてなされたもので、その目的は、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料の誘電率を測定することが可能な構成を提供することにある。 One embodiment of the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is a configuration capable of measuring the dielectric constant of a test sample in a wide band by one measurement using a pair of antenna couplers. Is to provide.
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、第1アンテナカプラと第2アンテナカプラのそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ前記第1アンテナカプラと前記第2アンテナカプラとの間に被試験試料を配置する配置手段と、前記第1アンテナカプラから前記被試験試料及び前記第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、前記第1アンテナカプラからの反射波、前記第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、前記反射波及び前記透過波に基づいてSパラメータを生成する測定手段と、前記測定手段により生成されたSパラメータを取得するSパラメータ取得手段と、前記Sパラメータに基づいて、当該被試験試料の誘電率特性を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
本発明によれば、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料の誘電率を測定することが可能な構成を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of a test sample in a wide band by one measurement using a pair of antenna couplers.
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
本発明は、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料の誘電率を測定することが可能な構成を提供するために、以下の構成を有する。
すなわち、本発明の誘電率測定装置は、第1アンテナカプラと第2アンテナカプラのそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラと第2アンテナカプラとの間に被試験試料を配置する配置手段(プラットホーム)と、第1アンテナカプラから被試験試料及び第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラからの反射波、第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータを生成する測定手段と、測定手段により生成されたSパラメータを取得するSパラメータ取得手段と、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料の誘電率特性を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。
以上の構成を備えることにより、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料の誘電率を測定することが可能な構成を提供することができる。
上記記載の本発明の特徴について、以下の図面を用いて詳細に解説する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
上記の本発明の特徴に関して、以下、図面を用いて詳細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiments shown in the drawings.
The present invention has the following configuration in order to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of a test sample in a wide band by one measurement using a pair of antenna couplers.
That is, in the dielectric constant measuring device of the present invention, the flat emission surfaces of the first antenna coupler and the second antenna coupler are arranged in parallel so as to face each other, and the first antenna coupler and the second antenna coupler are arranged in parallel. An arrangement means (platform) for arranging the test sample in between, and an electromagnetic wave in a predetermined frequency range is emitted from the first antenna coupler toward the test sample and the second antenna coupler, and the reflected wave from the first antenna coupler. , A measuring means that measures the transmitted wave from the second antenna coupler and generates an S parameter based on the reflected wave and the transmitted wave, an S parameter acquiring means that acquires the S parameter generated by the measuring means, and S. It is characterized by comprising an evaluation means for evaluating the dielectric constant characteristics of the test sample based on the parameters.
By providing the above configuration, it is possible to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of the test sample in a wide band by one measurement using a pair of antenna couplers.
The features of the present invention described above will be described in detail with reference to the following drawings. However, unless there is a specific description, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, etc. described in this embodiment are merely explanatory examples, not the purpose of limiting the scope of the present invention to that alone. ..
The above-mentioned features of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
<誘電率測定装置の全体構成>
図1は、本発明の一実施形態に係わる誘電率測定装置の全体構成を示す概念図である。
図1に示す誘電率測定装置1は、プラットホーム10、計測器30、パソコン50を備える。なお、図1はxy平面から見た側面図である。
プラットホーム10は、配置手段を構成し、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面12a、14aを互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に所定の厚みのある被試験試料16を配置する。第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14は、それぞれほぼ同一の高周波特性を有する。
プラットホーム10は、配置手段を構成し、第1アンテナカプラ12と被試験試料16との間の第1間隔L1、第2アンテナカプラ14と被試験試料16との間の第2間隔L2に対して、0cmから数cmの距離をそれぞれ開ける。
<Overall configuration of permittivity measuring device>
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a dielectric constant measuring device according to an embodiment of the present invention.
The
The
The
第1アンテナカプラ12の上面には、同軸コネクタ12cを備え、同軸コネクタ12cには同軸ケーブルが接続される。
第2アンテナカプラ14の上面には、同軸コネクタ14cを備え、同軸コネクタ14cには同軸ケーブルが接続される。
第1アンテナカプラ12の背面12d、第2アンテナカプラ14の背面14dには、それぞれ保持パッド18が接着されており、さらに、それぞれの保持パッド18の一面には保持アーム20が2つずつ接続されており、さらに、それぞれの保持アーム20は支持柱22を介してプラットホーム10に軸支されている。
A
A
Holding
被試験試料16は、個体状試料、或いは液体、粉体、生体の何れか一つを収容した容器試料である。
計測器30は、ベクトルネットワークアナライザ(Vector Network Analyzer)であり、ポートP1から同軸ケーブル32aを介して第1アンテナカプラ12の同軸コネクタ12cに接続されている。また、計測器30は、ポートP2から同軸ケーブル32bを介して第2アンテナカプラ14の同軸コネクタ14cに接続されている。
計測器30は、測定手段を構成し、第1アンテナカプラ12から第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータを生成する。
計測器30には、操作部34、モニタ36を備え、USBポートからUSBケーブル38を介してパソコン50に接続されている。
パソコン50は、パーソナルコンピュータであり、計測器30により生成されたSパラメータを取得しておき、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価し、評価結果をモニタ56に表示する。
金属板70は、被試験試料16に代わって、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に挟み込まれた場合に、全反射を発生させる。
The
The measuring
The measuring
The measuring
The
The
<アンテナカプラ>
図2(a)は、本発明の一実施形態に係わるアンテナカプラの外観を示す外観図である。なお、図2はx方向、y方向、z方向を有する立面図である。
第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14は、所定の高さH1、横幅W1、厚みD1を有する。
第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14は、それぞれ同一仕様の超広帯域アンテナであり、測定物にカプラを密接して使われることに重点をおき、密接時の帯域内結合特性の平坦化と全反射時の反射減衰特性の乱れを改善した、第5世代移動通信システムに好適な超広帯域のアンテナカプラである。アンテナカプラは、特性の平坦化と全反射時のVSWRの乱れを吸収することにより、EVM(RMS)値が劇的に改善される。
1対のアンテナカプラは、マイクロ波、ミリ波帯における近距離送受信デバイスとして用いアンテナであり、1対のアンテナカプラのそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に密着(0cm)から数cmの距離を開けて配置することで、アンテナカプラ同士の間に挟まれた被試験試料の誘電率測定を可能とする。
<Antenna coupler>
FIG. 2A is an external view showing the appearance of the antenna coupler according to the embodiment of the present invention. Note that FIG. 2 is an elevation view having an x direction, a y direction, and a z direction.
The
The
A pair of antenna couplers are antennas used as short-range transmission / reception devices in the microwave and millimeter wave bands, and are in close contact (0 cm) in parallel so that the flat emission surfaces of the pair of antenna couplers face each other. By arranging them at a distance of cm, it is possible to measure the dielectric constant of the test sample sandwiched between the antenna couplers.
<被試験試料>
図2(b)は、本発明の一実施形態に係わる被試験試料の外観を示す外観図である。
被試験試料16は、所定の高さH2、横幅W2、厚みD2を有する、板状、フィルム状の個体状試料であればよい。また、被試験試料16は、所定の高さH2、横幅W2、厚みD2を有する容器に収容された液体、粉体、生体の何れか一つであればよい。
なお、被試験試料16は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14に対して、高さH2>高さH1、横幅W2>横幅W1という条件を満足すればよい。
<金属板>
図1に示す金属板70は、所定の高さH3、横幅W3、厚みD3を有する、板状の金属板であればよい。
<Sample to be tested>
FIG. 2B is an external view showing the appearance of the test sample according to the embodiment of the present invention.
The
The
<Metal plate>
The
<計測器の機能的な構成>
図3は、本発明の一実施形態に係わる誘電率測定装置に用いる計測器の機能的な構成を示す構成図である。
計測器30は、測定手段を構成する一般的なベクトルネットワークアナライザであり、主として信号源SG、4つの受信部、方向性結合器DO1、DO2で構成される。
信号源SGは、周波数が所定の範囲で変化する電磁波を出力する。
方向性結合器DO1、DO2は、信号の伝送方向に方向性を有しており、進行波、反射波を抽出する。
4つの受信部は、信号a1を出力する第1基準受信部30a、信号a2を出力する第2基準受信部30b、信号b1を出力する第1測定受信部30c、信号b2を出力する第2測定受信部30dである。
なお、各受信部の測定結果を式(1)に代入することでSパラメータを求めることができる。
<Functional configuration of measuring instrument>
FIG. 3 is a configuration diagram showing a functional configuration of a measuring instrument used in the dielectric constant measuring device according to the embodiment of the present invention.
The measuring
The signal source SG outputs an electromagnetic wave whose frequency changes within a predetermined range.
The directional couplers DO1 and DO2 have directionality in the signal transmission direction, and extract a traveling wave and a reflected wave.
The four receiving units include a first
The S parameter can be obtained by substituting the measurement result of each receiving unit into the equation (1).
計測器30から出力される所定の周波数範囲の電磁波は、600MHzから110GHzまでの範囲の周波数、又は600MHzから145GHzまでの範囲の周波数を有することで、計測器30により生成可能なSパラメータの有効な周波数範囲を600MHzから110GHz、又は600MHzから145GHzとすることができる。
The electromagnetic wave in the predetermined frequency range output from the measuring
<パソコンの構成>
図4は、本発明の一実施形態に係わる誘電率測定装置に用いるパソコンの構成を示すブロック図である。
パソコン50は、パーソナルコンピュータであり、制御部52、表示制御部54、モニタ56、操作部58、通信制御部60、ハードディスクHD62を備えている。
制御部52は、内部にCPU(central processing unit)52a、ROM(read only memory)52b、RAM(random access memory)52c、タイマ52dを備えている。CPU52aは、ROM52bからオペレーティングシステムOSを読み出してRAM52c上に展開してOSを起動し、OS管理下において、ROM52bからアプリケーションソフトウエアのプログラム(処理モジュール)を読み出し、各種処理を実行する。
表示制御部54は、制御部52から入力される画像をVRAM上に描画してモニタ56に表示させる。
モニタ56は、表示制御部54がVRAM上に描画した画像を表示する。
操作部58は、キーボードやマウスなどを備えている。
通信制御部60は、USBケーブル38を介して計測器30に接続されている。
ハードディスクHD62は、データベースDBを備えている。
<PC configuration>
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a personal computer used in the dielectric constant measuring device according to the embodiment of the present invention.
The
The
The
The
The
The
The hard disk HD62 includes a database DB.
<パソコンの動作>
図5は、本発明の一実施形態に係わる誘電率測定装置に用いるパソコンの動作を示すフローチャートである。
ステップS10では、制御部52は、同軸ケーブルに対してフル2ポート校正を実施することを促すメッセージを表示制御部54に出力して、例えば「同軸ケーブルに対してフル2ポート校正を実施して下さい」というメッセージをモニタ56に表示する。
<Operation of PC>
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of a personal computer used in the dielectric constant measuring device according to the embodiment of the present invention.
In step S10, the
ステップS20では、制御部52は、アンテナカプラに対して校正を実施することを促すメッセージを表示制御部54に出力して、例えば「アンテナカプラに対して校正を実施して下さい」というメッセージをモニタ56に表示する。
In step S20, the
ステップS30では、制御部52は、被試験試料16を配置しない状態でSパラメータの測定を実施することを促すメッセージを表示制御部54に出力して、例えば「試料を配置しない状態でSパラメータの測定を実施して下さい」というメッセージをモニタ56に表示する。
In step S30, the
ステップS40では、制御部52は、被試験試料16を配置しない状態で測定したSパラメータを計測器30から取得する。被試験試料16を配置しない状態で測定したSパラメータを第1のSパラメータ(S11a、S21a、S12a、S22a)としてハードディスクHDに保存する。
In step S40, the
ステップS50では、制御部52は、被試験試料16を配置した状態でSパラメータの測定を実施することを促すメッセージを表示制御部54に出力して、例えば「試料を配置した状態でSパラメータの測定を実施して下さい」というメッセージをモニタ56に表示する。
In step S50, the
ステップS60では、制御部52は、被試験試料16を配置した状態で測定したSパラメータを計測器から取得する。被試験試料16を配置した状態で測定したSパラメータを第2のSパラメータ(S11x、S21x、S12x、S22x)としてハードディスクHDに保存する。
In step S60, the
ステップS70では、制御部52は、取得した2種類のSパラメータ、すなわち、第1のSパラメータ、第2のSパラメータに基づいて、被試験試料16の誘電率を算出する。
In step S70, the
ステップS80では、制御部52は、被試験試料16の誘電率を表すグラフの画像データを表示制御部54に出力して、グラフ画像をモニタ56に表示(図8)する。
In step S80, the
<完全校正モデリング>
図6は、本発明の一実施形態に係わる計測器における完全校正モデリングを示す概念図である。
本実施形態では、電磁波の反射波・透過波を測定しSパラメータを取得する前に、計測器30が有する校正方法を利用することにより、Sパラメータの取得にあたってその精度を向上(誤差要因の除去)する。
以下、図5に示すステップS10、S20においてモニタ56に表示されるメッセージに対して、ユーザが行うべき校正、すなわち、同軸ケーブル32a、32bに対して行うフル2ポート校正、アンテナカプラに対して行う校正について説明する。
なお、校正方法としては、フル2ポート校正、アンノンスルーフル2ポート校正、TRL校正、ゲイティッドTRL校正、ポートエクステンション、ディ・エンベディングなどがある。
<Complete calibration modeling>
FIG. 6 is a conceptual diagram showing complete calibration modeling in a measuring instrument according to an embodiment of the present invention.
In the present embodiment, by using the calibration method possessed by the measuring
Hereinafter, the calibration to be performed by the user for the message displayed on the
The calibration methods include full 2-port calibration, unnon-through full 2-port calibration, TRL calibration, gated TRL calibration, port extension, and de-embedding.
<フル2ポート校正>
計測器30にアンテナカプラまでの同軸ケーブルを接続した状態において、
(1)ポートP1側に接続された同軸ケーブル32aの他端のコネクタに校正キットのopen/short/lordを順次接続し、計測器30に校正データを取得する。
(2)ポートP2側に接続された同軸ケーブル32bの他端のコネクタに校正キットのopen/short/lordを順次接続し、計測器30に校正データを取得する。
(3)同軸ケーブル32a、32b同士を直結し(校正キットのthruを使用)、計測器30に校正データを取得する。
なお、近年の「自動校正キット」、「電子校正モジュール」を使用することで、校正モジュールに1回接続するだけでフル2ポート校正が可能である。
このように、フル2ポート校正を実施することにより、同軸ケーブル32a、32bの誤差要因(ロス、反射)を除去するという効果がある。
<Full 2-port calibration>
With the coaxial cable to the antenna coupler connected to the measuring
(1) Open / short / rod of the calibration kit is sequentially connected to the connector at the other end of the
(2) Open / short / rod of the calibration kit is sequentially connected to the connector at the other end of the
(3) The
By using the recent "automatic calibration kit" and "electronic calibration module", full 2-port calibration is possible by connecting to the calibration module once.
By performing full 2-port calibration in this way, there is an effect of removing error factors (loss, reflection) of the
<アンテナカプラに対しての校正>
(1)Reflect の校正
アンテナカプラ間にSHORT(金属板70)を固定する。
ポートP1側の同軸ケーブル32aのコネクタから第1アンテナカプラ12の電波の出射面までの経路誤差を計測する。
すなわち、金属板70によって全反射が発生するので、計測器30では、ポートP1側から同軸ケーブル32a、第1アンテナカプラ12を介して出射された電磁波が金属板70で反射されるまでの経路に生じる通過ロスに係わる補正データ(S11)を取得できる。
<Calibration for antenna coupler>
(1) Reflect calibration Fix the SHORT (metal plate 70) between the antenna couplers.
The path error from the connector of the
That is, since total reflection is generated by the
同様に、ポートP2側の同軸ケーブル32bのコネクタから第2アンテナカプラ14の電波の出射面までの経路誤差を計測する。
すなわち、金属板70によって全反射が発生するので、計測器30では、ポートP2側から同軸ケーブル32b、第2アンテナカプラ14を介して出射された電磁波が金属板70で反射されるまでの経路に生じる通過ロスに係わる補正データ(S22)を取得できる。
Similarly, the path error from the connector of the
That is, since total reflection is generated by the
(2)Thruの校正
金属板70を取り除き、第1アンテナカプラ12、および第2アンテナカプラ14の通過特性、反射特性を計測する。
まず、ユーザが計測器30を操作し、第1アンテナカプラ12から電磁波を出射し、第2アンテナカプラ14で受信するまでの通過特性(振幅/位相)、第2アンテナカプラ14の端面14aからの反射特性(振幅/位相)を計測する。
すなわち、金属板70を取り除き、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間での通過特性(S21、S12)を計測することで、計測器30に空間伝搬の誤差補正データを取得する。
(2) Thru calibration The
First, the user operates the measuring
That is, by removing the
次に、ユーザが計測器30を操作し、第2アンテナカプラ14から電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12で受信するまでの通過特性(振幅/位相)、第1アンテナカプラ12の端面12aからの反射特性(振幅/位相)を計測する。
すなわち、金属板70を取り除き、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間での通過特性(S21、S12)を計測することで、計測器30に空間伝搬の誤差補正データを取得する。
このように、アンテナカプラに対して校正を実施することにより、計測器30に空間伝搬の誤差補正データ(通過特性(S21、S12))を取得できるという効果がある。
Next, the user operates the measuring
That is, by removing the
By calibrating the antenna coupler in this way, there is an effect that the error correction data (passing characteristics (S21, S12)) of the spatial propagation can be acquired in the measuring
<完全校正モデリング>
次に、図6に示す完全校正モデリングについて説明する。
代表的な校正手法であるSOLT(Short-Open-Load-Thru)の校正手順において、NISTなどにトレーサブルな校正キットとして、基準となるショート基準器(抵抗値:0)、オープン基準器(抵抗値:∞)、50Ω終端基準器(抵抗値:50Ω)を使用し、それらを測定の対象となる同軸ケーブルの一端に接続し、測定系が持つこれらの誤差要因を求める。
計測器30では、数学的な手法(ベクトル誤差補正)により次の誤差要因を補正する。
すなわち、誤差要因として、方向性(Edf、Edr)、アイソレーション(Exf、Exr)、ソース・マッチ(Esf、Esr)、ロード・マッチ(Elf、Elr)、伝送トラッキング(Etf、Etr)、反射トラッキング(Erf、Err)などがある。
計測器30において、これらすべての誤差要因を順方向と逆方向との両方について補正することを、フル2ポート校正、又は12タームの誤差補正という。図6は、12タームの完全な校正モデルを示す。
<Complete calibration modeling>
Next, the complete calibration modeling shown in FIG. 6 will be described.
In the calibration procedure of SOLT (Short-Open-Load-Thru), which is a typical calibration method, as a calibration kit traceable to NIST etc., a short reference device (resistance value: 0) and an open reference device (resistance value) are used as a reference. : ∞), 50Ω termination reference device (resistance value: 50Ω) is used, and they are connected to one end of the coaxial cable to be measured, and these error factors of the measurement system are obtained.
The measuring
That is, as error factors, directionality (Edf, Edr), isolation (Exf, Exr), source match (Esf, Esr), load match (Elf, Elr), transmission tracking (Etf, Etr), reflection tracking (Erf, Err) and the like.
Correcting all these error factors in the measuring
<被試験試料を配置しない状態でSパラメータの測定>
図5に示すステップS30においてモニタ56に表示されるメッセージに対して、ユーザは、被試験試料16を配置しない状態でSパラメータの測定を行う。
まず、ユーザは、プラットホーム10に対して、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置する。
ユーザの所定の操作に応じて計測器30は、第1アンテナカプラ12から第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータ(S11a、S21a、S12a、S22a)を生成する。
ユーザは、パソコンを操作し、計測器30により生成されたSパラメータ(S11a、S21a、S12a、S22a)を取得する。
このように、被試験試料16を配置しない状態でSパラメータの測定を実施することにより、アンテナカプラ間の空気層を計測し、比誘電率1の基準データを取得するという効果がある。
<Measurement of S-parameters without placing the test sample>
In response to the message displayed on the
First, the user arranges the flat exit surfaces of the
In response to a predetermined operation by the user, the measuring
The user operates a personal computer and acquires S-parameters (S11a, S21a, S12a, S22a) generated by the measuring
As described above, by measuring the S parameter without arranging the
<被試験試料を配置した状態でSパラメータの測定>
図5に示すステップS50においてモニタ56に表示されるメッセージに対して、ユーザは、被試験試料16を配置した状態でSパラメータの測定を行う。
まず、ユーザは、プラットホーム10に対して、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に所定の厚みのある被試験試料16を配置する。
被試験試料16は、所定の厚みを有する個体状試料、或いは液体、粉体、生体の何れか一つを封入した所定の厚みを有する容器試料である。
ユーザの所定の操作に応じて計測器30は、第1アンテナカプラ12から第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータ(S11x、S21x、S12x、S22x)を生成する。
パソコン50は、パーソナルコンピュータであり、計測器30により生成されたSパラメータ(S11x、S21x、S12x、S22x)を取得しておき、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価する。
<Measurement of S-parameters with the sample to be tested placed>
In response to the message displayed on the
First, the user arranges the flat emission surfaces of the
The
In response to a predetermined operation by the user, the measuring
The
<誘電率の算出>
図5に示すステップS70では、制御部52は、取得した2種類のSパラメータ、すなわち、第1のSパラメータ、第2のSパラメータに基づいて、被試験試料16の誘電率を算出する。
フリースペース法による誘電率算出「Conversion methods」の計算方法である、ニコルソンロスウィアーの変換プロセス(Nicholson-Ross-Weir Conversion Process)について説明する。
<Calculation of permittivity>
In step S70 shown in FIG. 5, the
The Nicholson-Ross-Weir Conversion Process, which is a calculation method of the dielectric constant calculation "Conversion methods" by the free space method, will be described.
<ニコルソンロスウィアーの変換プロセス>
図7は、本発明の一実施形態に係わる誘電率測定装置に用いるパソコンにより処理されるニコルソンロスウィアーの変換プロセスを説明するためのフローチャートである。
いか、図7を参照して、ニコルソンロスウィアーの数学モデルについて説明する。
ステップS210では、制御部52は、Sパラメータ(S11、S21、S12、S22)をRAM52cに取得する。
ステップS220では、制御部52は、反射係数Γを計算する。
ステップS230では、制御部52は、伝達係数Tを計算する。ここで、条件|Γ|<1となれば計算は正しい。
ステップS240では、制御部52は、透過率μを計算する。
ステップS250では、制御部52は、誘電率εを計算する。ここで、計算は実部と虚部で行う。
<Conversion process of Nicholson Rothweer>
FIG. 7 is a flowchart for explaining a conversion process of Nicholson Rothweer processed by a personal computer used in the dielectric constant measuring device according to the embodiment of the present invention.
Squid, with reference to FIG. 7, a mathematical model of Nicholson Rothweer will be described.
In step S210, the
In step S220, the
In step S230, the
In step S240, the
In step S250, the
<ニコルソンロスウィアーの変換プロセスの手順>
ニコルソンロスウィアーの変換プロセス(NRW法)によって提案された手順は、次の式(2)から推定される。
<Procedure of Nicholson Rothweer conversion process>
The procedure proposed by Nicholson Rothweer's conversion process (NRW method) is estimated from the following equation (2).
これらのパラメータは、計測器30から直接取得できる。
反射係数Γは、次の式(3)のように推定できる。
These parameters can be obtained directly from the measuring
The reflection coefficient Γ can be estimated by the following equation (3).
この式において、|Γ|<1は、正しいルートとSパラメータの観点から検索に必要になる。
In this equation, | Γ | <1 is required for the search in terms of the correct route and S-parameters.
透過係数は、次の式(5)のように記述できる。
The transmission coefficient can be described by the following equation (5).
透過率μrは、次の式(6)のように与えられる。
The transmittance μr is given by the following equation (6).
ここで、λ0は自由空間波長、λcはカットオフ波長である。
Here, λ 0 is a free space wavelength and λ c is a cutoff wavelength.
誘電率εrは次の式(8)のように定義できる。
The permittivity ε r can be defined by the following equation (8).
ここで、電磁波の反射波・透過波を測定して取得されたSパラメータ(S11x、S21x、S12x、S22x)から誘電率を算出する式は(非特許文献1~4)に詳細の記載がある。概略(計算式)は下記となる。
本実施形態では、被試験試料16に入射した電磁波の反射・伝送特性(Sパラメータ)から誘電率を導出する。
本実施形態では、被試験試料16面におけるSパラメータは次式で表わされ、この方程式系の逆問題を解くことで、被試験試料16の複素誘電率εを算出する。
Here, the formula for calculating the permittivity from the S parameters (S11x, S21x, S12x, S22x) obtained by measuring the reflected wave / transmitted wave of the electromagnetic wave is described in detail in (
In this embodiment, the permittivity is derived from the reflection / transmission characteristics (S parameter) of the electromagnetic wave incident on the
In the present embodiment, the S parameter on the surface of the
ここで、
Lは電磁波が進行する方向の被試験試料16の長さ(図2では、D2)、そして、γ0とγはそれぞれ被試験試料16と空気の伝搬定数であり、次式で与えられる。
here,
L is the length of the
ここで、cair、cvacはそれぞれ測定環境における空気と真空中の光速、ωは角周波数である。計測器で測定したSパラメータから誘電率を導出する過程は反射伝送法のすべての測定方法で共通している。
Here, cage and cvac are the speeds of light in air and vacuum in the measurement environment, respectively, and ω is the angular frequency. The process of deriving the permittivity from the S-parameters measured by the measuring instrument is common to all measuring methods of the reflection transmission method.
<誘電率の定義(誘電率測定)>
εr’:複素誘電率(誘電率)の実部がプロットされる。
εr”:複素誘電率の虚数部(損失係数)がプロットされる。
Loss tangent e:複素誘電率(損失正接)の虚部(損失係数)と実部(誘電率)の比率がプロットされる。
Cole-Cole e:損失係数対誘電率がプロットされる。
<Definition of permittivity (measurement of permittivity)>
εr': The real part of the complex permittivity (permittivity) is plotted.
εr ”: The imaginary part (loss coefficient) of the complex permittivity is plotted.
Loss tangent e: The ratio of the imaginary part (loss coefficient) and the real part (dielectric constant) of the complex permittivity (tangent loss) is plotted.
Core-Cole e: Loss factor vs. permittivity is plotted.
<透磁率測定>
μr’:複素透磁率の実部がプロットされる。
μr”:複素透磁率の虚数部がプロットされる。
Loss tangent μ:複素透磁率の虚部と実部の比率がプロットされる。
Cole-Cole μ:複素透磁率の虚部と実部の比率がプロットされる。
<Measurement of magnetic permeability>
μr': The real part of complex magnetic permeability is plotted.
μr ”: The imaginary part of complex magnetic permeability is plotted.
Loss tangent μ: The ratio of the imaginary part and the real part of the complex magnetic permeability is plotted.
Core-Cole μ: The ratio of the imaginary part and the real part of the complex magnetic permeability is plotted.
<Sパラメータを示すグラフ図>
図8は、本発明の一実施形態に係わる計測器により被試験材料を測定したSパラメータを示すグラフ図である。図8に示す各グラフ図において、横軸は周波数であり、縦軸は信号レベルである。
図8において、G1は第1アンテナカプラ12における反射特性(S11)、G2は第2アンテナカプラ14における反射特性(S22)、G3は第1アンテナカプラ12から、被試験材料を透過した第2アンテナカプラ14との通過特性(S21)、G4はG3と逆の第2アンテナカプラ14から、第1アンテナカプラ12への通過特性(S12)を示すグラフ図である。
<Graph diagram showing S-parameters>
FIG. 8 is a graph showing S-parameters measured by a measuring instrument according to an embodiment of the present invention. In each graph shown in FIG. 8, the horizontal axis is the frequency and the vertical axis is the signal level.
In FIG. 8, G1 is the reflection characteristic (S11) in the
図9は、本発明の一実施形態に係わるパソコンにより算出された誘電率を示すグラフ図である。
図9に示すG7は、横軸が周波数であり、縦軸が誘電率の一例である。
G7においては、24GHz~28.2GHzの範囲においてほぼフラットであり、28.2GHz~30GHzに渡って減衰傾向にあることを示している。
G8は、横軸が周波数であり、縦軸が誘電率の一例である。
FIG. 9 is a graph showing the dielectric constant calculated by the personal computer according to the embodiment of the present invention.
In G7 shown in FIG. 9, the horizontal axis is the frequency and the vertical axis is an example of the dielectric constant.
In G7, it is almost flat in the range of 24 GHz to 28.2 GHz, and shows that it tends to be attenuated in the range of 28.2 GHz to 30 GHz.
In G8, the horizontal axis is frequency and the vertical axis is an example of dielectric constant.
<変形例>
上述した本発明の一実施形態にあっては、誘電率測定装置1は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に被試験試料16を配置するプラットホーム10(配置手段)と、第1アンテナカプラ12から被試験試料16及び第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータを生成する計測器30(測定手段)と、計測器30により生成されたSパラメータを取得するパソコン50(Sパラメータ取得手段)と、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価するパソコン50(評価手段)と、を備えることを特徴とする。
これにより、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料16の誘電率を測定することが可能な構成を提供することができる。
<Modification example>
In one embodiment of the present invention described above, the dielectric
Thereby, it is possible to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of the
これに対して、変形例にあっては、誘電率測定装置1は、第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14は、直線偏波として垂直偏波、水平偏波、斜め偏波のうち何れか一つ、或いは円偏波をそれぞれ有し、プラットホーム10(配置手段)において、操作に応じて第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14の偏波を変更するように配置し、パソコン50(評価手段)は、被試験試料16の誘電率に係わる異方性特性を評価することを特徴とする。
このように、第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14は、直線偏波として垂直偏波、水平偏波、斜め偏波のうち何れか一つ、或いは円偏波をそれぞれ有し、操作に応じて第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14の偏波を変更するように配置し、被試験試料16の誘電率に係わる異方性特性を評価することで、異方性メタマテリアルなどの新材料に係わる誘電率特性の評価の進展に貢献することができる。
On the other hand, in the modified example, in the dielectric
As described above, the
<本実施形態の効果>
本発明は、アンテナカプラを利用したフリースペース法に属する発明であり、本実施形態では、被試験試料16とアンテナカプラとの距離を密着(0cm)から数cmとした近距離で測定することができる。
従来技術に用いられたホーンアンテナではバンドごとに分割されるという欠点を持っていた。
これに対して、本発明の本実施形態では、アンテナカプラの広帯域特性を利用して、アンテナカプラが例えば600MHz~18GHz、600MHz~67GHzを1つのアンテナカプラでカバーしていれば、この周波数範囲において、1回の測定により被試験試料16の誘電率を測定することが可能になる。
また、アンテナカプラが例えば600MHz~110GHzの超広帯域特性を有していれば、1回の測定により被試験試料16の誘電率を測定することが可能になる。
さらに、アンテナカプラが例えば600MHz~145GHzの超広帯域特性を有していれば、1回の測定により被試験試料16の誘電率を測定することが可能になる。
<Effect of this embodiment>
The present invention is an invention belonging to the free space method using an antenna coupler, and in the present embodiment, the distance between the
The horn antenna used in the prior art has the drawback of being divided into bands.
On the other hand, in the present embodiment of the present invention, if the antenna coupler covers, for example, 600 MHz to 18 GHz and 600 MHz to 67 GHz with one antenna coupler by utilizing the wide band characteristic of the antenna coupler, in this frequency range. The dielectric constant of the
Further, if the antenna coupler has an ultra-wideband characteristic of, for example, 600 MHz to 110 GHz, the dielectric constant of the
Further, if the antenna coupler has an ultra-wideband characteristic of, for example, 600 MHz to 145 GHz, the dielectric constant of the
5G(第5世代移動通信システム)に代表される、ミリ波の利用28GHz帯、39GHz帯、60GHz帯と従来の2G、3G、4G(LTE)、Wi-Fiが混在するシステムにおいて、600MHzから60GHz帯を1つの端末(スマートホン)、IoT通信モジュールで扱われる。
このため、基板材料に要求される誘電率の測定というニーズは高く、小型軽量の測定システムへの応用、生産ラインでの検査工程への導入など、広範囲の利用が可能になる。
例えば、5Gのミリ波帯(FR2)は、ITU-R(国際電気通信連合 無線通信部門)の定めにより、24.25GHzから52.6GHzまでの帯域を利用している。
Use of millimeter waves represented by 5G (5th generation mobile communication system) In a system where 28GHz band, 39GHz band, 60GHz band and conventional 2G, 3G, 4G (LTE), Wi-Fi coexist, 600MHz to 60GHz The band is handled by one terminal (smartphone) and IoT communication module.
Therefore, there is a high need for measuring the dielectric constant required for substrate materials, and it can be widely used for applications such as small and lightweight measurement systems and introduction to inspection processes on production lines.
For example, the 5G millimeter wave band (FR2) uses a band from 24.25 GHz to 52.6 GHz according to the ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector).
この帯域を従来技術に用いられたホーンアンテナで計測しようとすると、
(1)周波数範囲18~26.5GHzでは、導波管としてWR-42、同軸コネクタとしてACP3.5、2.92mmなどを用いる。
(2)周波数範囲26.5-40GHzでは、導波管としてWR-28、同軸コネクタとして2.4mm、2.92mmなどを用いる。
(3)周波数範囲33-50GHzでは、導波管としてWR-22、同軸コネクタとして2.4mm、2.92mmなどを用いる。
(4)周波数範囲50-75GHzでは、導波管としてWR-15、同軸コネクタとして1.85mmなどを用いる。
このように、従来技術では4つのバンドを分割して計測する必要がある。
これに対して、本実施形態では、アンテナカプラをフリースペース法に利用することで、1回の測定で必要な全帯域の測定が可能となる。
When trying to measure this band with the horn antenna used in the prior art,
(1) In the frequency range of 18 to 26.5 GHz, WR-42 is used as the waveguide and ACP3.5, 2.92 mm or the like is used as the coaxial connector.
(2) In the frequency range of 26.5-40 GHz, WR-28 is used as the waveguide, 2.4 mm and 2.92 mm are used as the coaxial connector.
(3) In the frequency range of 33 to 50 GHz, WR-22 is used as the waveguide, 2.4 mm, 2.92 mm, or the like is used as the coaxial connector.
(4) In the frequency range of 50-75 GHz, WR-15 is used as the waveguide, 1.85 mm or the like is used as the coaxial connector.
As described above, in the prior art, it is necessary to divide and measure four bands.
On the other hand, in the present embodiment, by using the antenna coupler in the free space method, it is possible to measure the entire band required by one measurement.
本実施形態によれば、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域での測定が可能な構成を提供することができる。
測定系の小型、軽量化の実現により、誘電率分布の測定が可能になった。
According to this embodiment, it is possible to provide a configuration capable of measuring in a wide band by one measurement using a pair of antenna couplers.
The reduction in size and weight of the measurement system has made it possible to measure the dielectric constant distribution.
<本実施形態の態様例の作用、効果のまとめ>
<第1態様>
本態様の誘電率測定装置1は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に被試験試料16を配置するプラットホーム10(配置手段)と、第1アンテナカプラ12から被試験試料16及び第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータを生成する計測器30(測定手段)と、計測器30により生成されたSパラメータを取得するパソコン50(Sパラメータ取得手段)と、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価するパソコン50(評価手段)と、を備えることを特徴とする。
本態様によれば、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料16の誘電率を測定することが可能な構成を提供することができる。
<Summary of Actions and Effects of Examples of Embodiments>
<First aspect>
In the dielectric
According to this aspect, it is possible to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of the
<第2態様>
本態様の誘電率測定装置1において、配置手段は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、計測器30(測定手段)は、第1アンテナカプラ12から第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいて第1のSパラメータを生成し、Sパラメータ取得手段は、計測器30により生成された第1のSパラメータを取得し、プラットホーム10(配置手段)は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に被試験試料16を配置し、計測器30は、第1アンテナカプラ12から被試験試料16及び第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいて第2のSパラメータを生成し、パソコン50(Sパラメータ取得手段)は、計測器30により生成された第2のSパラメータを取得し、パソコン50(評価手段)は、第1のSパラメータ及び第2のSパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価することを特徴とする。
本態様によれば、第1アンテナカプラ12から第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいて第1のSパラメータを生成し、計測器30により生成された第1のSパラメータを取得し、一方、第1アンテナカプラ12から被試験試料16及び第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいて第2のSパラメータを生成し、計測器30により生成された第2のSパラメータを取得し、第1のSパラメータ及び第2のSパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価することで、ミリ波電波を扱う次世代通信などで使用される、プリント基板、セラミック基板等に使用する材料の誘電率特性を評価することができる。
<Second aspect>
In the dielectric
According to this aspect, an electromagnetic wave in a predetermined frequency range is emitted from the
<第3態様>
本態様のプラットホーム10(配置手段)は、第1アンテナカプラ12と被試験試料16との間の第1間隔L1、第2アンテナカプラ14と被試験試料16との間の第2間隔L2に対して、0cmから数cmまでの距離をそれぞれ許容することを特徴とする。
本態様によれば、第1アンテナカプラ12と被試験試料16との間の第1間隔L1、第2アンテナカプラ14と被試験試料16との間の第2間隔L2に対して、0cmから数cmまでの距離をそれぞれ許容することで、被試験試料16の誘電率特性の評価精度を維持することができる。
<Third aspect>
The platform 10 (arrangement means) of this embodiment is for the first distance L1 between the
According to this aspect, the number is from 0 cm with respect to the first distance L1 between the
<第4態様>
本態様のパソコン50(評価手段)は、Sパラメータの周波数領域波形から得られた当該被試験試料16の誘電率特性に基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価することを特徴とする。
本態様によれば、Sパラメータの周波数領域波形から得られた当該被試験試料16の誘電率特性に基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価することができる。
<Fourth aspect>
The personal computer 50 (evaluation means) of this embodiment is characterized in that the dielectric constant characteristics of the
According to this aspect, the permittivity characteristic of the
<第5態様>
本態様のパソコン50(評価手段)は、被試験試料16の誘電率として、複素誘電率、比誘電率、誘電正接、誘電損失、複素透磁率、比透磁率の何れか一つを評価することを特徴とする。
本態様によれば、被試験試料16の誘電率として、複素誘電率、比誘電率、誘電正接、誘電損失、複素透磁率、比透磁率の何れか一つを評価することができる。
<Fifth aspect>
The personal computer 50 (evaluation means) of this embodiment evaluates any one of the complex dielectric constant, the relative permittivity, the dielectric loss tangent, the dielectric loss, the complex magnetic permeability, and the relative magnetic permeability as the dielectric constant of the
According to this aspect, as the permittivity of the
<第6態様>
本態様の被試験試料16は、所定の厚みを有する個体状試料、或いは液体、粉体、生体の何れか一つを封入した所定の厚みを有する容器試料であることを特徴とする。
本態様によれば、所定の厚みを有する個体状試料、或いは液体、粉体、生体の何れか一つを封入した所定の厚みを有する容器試料であることで、個体状試料、或いは液体、粉体、生体の何れか一つを封入した所定の厚みを有する容器試料の誘電率特性を評価することができる。
<Sixth aspect>
The
According to this aspect, a solid sample having a predetermined thickness or a container sample having a predetermined thickness in which any one of a liquid, a powder, and a living body is enclosed can be used as a solid sample, or a liquid or powder. It is possible to evaluate the dielectric constant characteristics of a container sample having a predetermined thickness in which either a body or a living body is enclosed.
<第7態様>
本態様の計測器30(測定手段)から出力される所定の周波数範囲の電磁波は、600MHzから110GHzまでの範囲の周波数、又は600MHzから145GHzまでの範囲の周波数を有することを特徴とする。
本態様によれば、計測器30から出力される所定の周波数範囲の電磁波は、600MHzから110GHzまでの範囲の周波数、又は600MHzから145GHzまでの範囲の周波数を有することで、計測器30により生成可能なSパラメータの有効な周波数範囲を600MHzから110GHz、又は600MHzから145GHzとすることができる。
<7th aspect>
The electromagnetic wave in a predetermined frequency range output from the measuring instrument 30 (measuring means) of the present embodiment is characterized by having a frequency in the range of 600 MHz to 110 GHz or a frequency in the range of 600 MHz to 145 GHz.
According to this aspect, the electromagnetic wave in a predetermined frequency range output from the measuring
<第8態様>
本態様の誘電率測定装置1は、第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14は、直線偏波として垂直偏波、水平偏波、斜め偏波のうち何れか一つ、或いは円偏波をそれぞれ有し、プラットホーム10(配置手段)は、操作に応じて第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14の偏波を変更するように配置し、パソコン50(評価手段)は、被試験試料16の誘電率に係わる異方性特性を評価することを特徴とする。
本態様によれば、第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14は、直線偏波として垂直偏波、水平偏波、斜め偏波のうち何れか一つ、或いは円偏波をそれぞれ有し、操作に応じて第1アンテナカプラ12及び第2アンテナカプラ14の偏波を変更するように配置し、被試験試料16の誘電率に係わる異方性特性を評価することで、異方性メタマテリアルなどの新材料に係わる誘電率特性の評価の進展に貢献することができる。
<8th aspect>
In the dielectric
According to this embodiment, the
<第9態様>
本態様の誘電率測定方法は、第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14のそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ第1アンテナカプラ12と第2アンテナカプラ14との間に被試験試料16を配置するプラットホーム10(配置手段)と、第1アンテナカプラ12から被試験試料16及び第2アンテナカプラ14に向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、第1アンテナカプラ12からの反射波、第2アンテナカプラ14からの透過波をそれぞれ測定して、反射波及び透過波に基づいてSパラメータを生成する計測器30(測定手段)と、を備えた測定装置による測定方法であって、計測器30により生成されたSパラメータを取得するSパラメータ取得ステップ(ステップS40、S60)と、Sパラメータに基づいて、当該被試験試料16の誘電率特性を評価する評価ステップ(ステップS70)と、を実行することを特徴とする。
本態様によれば、1対のアンテナカプラを用いて1回の測定により広帯域で被試験試料16の誘電率を測定することが可能な構成を提供することができる。
<9th aspect>
In the method for measuring the dielectric constant of this embodiment, the flat emission surfaces of the
According to this aspect, it is possible to provide a configuration capable of measuring the dielectric constant of the
<第10態様>
本態様の誘電率測定方法は、計測器30と、校正キットと、を備え、計測器30による所定の周波数範囲の電磁波の出射に先だって、計測器30と第1アンテナカプラ12を接続する同軸ケーブル32a(第1同軸ケーブル)、及び計測器30と第2アンテナカプラ14を接続する同軸ケーブル32b(第2同軸ケーブル)に対して、校正キットを用いて所定の校正操作を実施することにより、計測器30において発生する誤差要因を除去する誤差要因除去行程を実施することを特徴とする。
本態様によれば、計測器30と第1アンテナカプラ12を接続する同軸ケーブル32a、及び計測器30と第2アンテナカプラ14を接続する同軸ケーブル32bに対して、校正キットを用いて所定の校正操作を実施することにより、計測器30において発生する誤差要因を除去する誤差要因除去行程を実施することで、誤差要因を除去できるので、誘電率特性の評価精度を向上することができる。
<10th aspect>
The dielectric constant measuring method of this embodiment includes a measuring
According to this aspect, the
<第11態様>
本態様のプログラムは、第9態様に記載の誘電率測定方法の各ステップをプロセッサに実行させることを特徴とする。
本態様によれば、各ステップをプロセッサに実行させることができる。
<11th aspect>
The program of this aspect is characterized in that the processor executes each step of the dielectric constant measuring method according to the ninth aspect.
According to this aspect, each step can be executed by the processor.
<第12態様>
本態様の記憶媒体は、第11態様に記載のプログラムを記録したことを特徴とする。
本態様によれば、プログラムを記録した記憶媒体からプログラムを読み出して、実行することができる。
<12th aspect>
The storage medium of this aspect is characterized in that the program according to the eleventh aspect is recorded.
According to this aspect, the program can be read out from the storage medium on which the program is recorded and executed.
1…誘電率測定装置、10…プラットホーム、12…第1アンテナカプラ、12c…同軸コネクタ、12d…背面、14…第2アンテナカプラ、14c…同軸コネクタ、14d…背面、16…被試験試料、20…保持アーム、22…支持柱、30…計測器、30a…第1基準受信部、30b…第2基準受信部、30c…第1測定受信部、30d…第2測定受信部、32a…同軸ケーブル、32b…同軸ケーブル、34…操作部、36…モニタ、38…USBケーブル、50…パソコン、52…制御部、54…表示制御部、56…モニタ、58…操作部、60…通信制御部、70…金属板、DO1…方向性結合器、DO2…方向性結合器、HD62…ハードディスク、SG…信号源 1 ... Dielectric constant measuring device, 10 ... Platform, 12 ... First antenna coupler, 12c ... Coaxial connector, 12d ... Rear, 14 ... Second antenna coupler, 14c ... Coaxial connector, 14d ... Back, 16 ... Test sample, 20 ... holding arm, 22 ... support column, 30 ... measuring instrument, 30a ... first reference receiving unit, 30b ... second reference receiving unit, 30c ... first measuring receiving unit, 30d ... second measuring receiving unit, 32a ... coaxial cable. , 32b ... Coaxial cable, 34 ... Operation unit, 36 ... Monitor, 38 ... USB cable, 50 ... PC, 52 ... Control unit, 54 ... Display control unit, 56 ... Monitor, 58 ... Operation unit, 60 ... Communication control unit, 70 ... Metal plate, DO1 ... Directional coupler, DO2 ... Directional coupler, HD62 ... Hard disk, SG ... Signal source
Claims (12)
前記第1アンテナカプラから前記被試験試料及び前記第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、前記第1アンテナカプラからの反射波、前記第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、前記反射波及び前記透過波に基づいてSパラメータを生成する測定手段と、
前記測定手段により生成されたSパラメータを取得するSパラメータ取得手段と、
前記Sパラメータに基づいて、当該被試験試料の誘電率特性を評価する評価手段と、を備えることを特徴とする誘電率測定装置。 The flat emission surfaces of the first antenna coupler and the second antenna coupler are arranged in parallel so as to face each other, and the test sample is arranged between the first antenna coupler and the second antenna coupler. Means and
An electromagnetic wave in a predetermined frequency range is emitted from the first antenna coupler toward the test sample and the second antenna coupler, and the reflected wave from the first antenna coupler and the transmitted wave from the second antenna coupler are emitted. A measuring means that measures each and generates an S parameter based on the reflected wave and the transmitted wave, and
An S-parameter acquisition means for acquiring an S-parameter generated by the measuring means, and an S-parameter acquisition means.
A dielectric constant measuring device comprising an evaluation means for evaluating the dielectric constant characteristics of the test sample based on the S parameter.
前記測定手段は、前記第1アンテナカプラから前記第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、前記第1アンテナカプラからの反射波、前記第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、前記反射波及び前記透過波に基づいて第1のSパラメータを生成し、
前記Sパラメータ取得手段は、前記測定手段により生成された第1のSパラメータを取得し、
前記配置手段は、前記第1アンテナカプラと前記第2アンテナカプラのそれぞれの平坦な出射面を互いに対向するように並行に配置し、かつ前記第1アンテナカプラと前記第2アンテナカプラとの間に被試験試料を配置し、
前記測定手段は、前記第1アンテナカプラから前記被試験試料及び前記第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、前記第1アンテナカプラからの反射波、前記第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、前記反射波及び前記透過波に基づいて第2のSパラメータを生成し、
前記Sパラメータ取得手段は、前記測定手段により生成された第2のSパラメータを取得し、
前記評価手段は、前記第1のSパラメータ及び前記第2のSパラメータに基づいて、当該被試験試料の誘電率特性を評価することを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定装置。 The arrangement means arranges the flat exit surfaces of the first antenna coupler and the second antenna coupler in parallel so as to face each other.
The measuring means emits an electromagnetic wave in a predetermined frequency range from the first antenna coupler toward the second antenna coupler, and emits a reflected wave from the first antenna coupler and a transmitted wave from the second antenna coupler. Each is measured to generate a first S parameter based on the reflected wave and the transmitted wave.
The S-parameter acquisition means acquires the first S-parameter generated by the measurement means, and obtains the first S-parameter.
The arrangement means arranges the flat emission surfaces of the first antenna coupler and the second antenna coupler in parallel so as to face each other, and between the first antenna coupler and the second antenna coupler. Place the test sample and place it.
The measuring means emits an electromagnetic wave in a predetermined frequency range from the first antenna coupler toward the test sample and the second antenna coupler, and the reflected wave from the first antenna coupler and the second antenna coupler. The transmitted wave from the above is measured, and the second S parameter is generated based on the reflected wave and the transmitted wave.
The S-parameter acquisition means acquires a second S-parameter generated by the measurement means, and obtains the second S-parameter.
The dielectric constant measuring device according to claim 1, wherein the evaluation means evaluates the dielectric constant characteristics of the test sample based on the first S parameter and the second S parameter.
前記配置手段は、操作に応じて第1アンテナカプラ及び第2アンテナカプラの偏波を変更するように配置し、
前記評価手段は、前記被試験試料の誘電率に係わる異方性特性を評価することを特徴とする請求項1に記載の誘電率測定装置。 The first antenna coupler and the second antenna coupler have any one of vertical polarization, horizontal polarization, diagonal polarization, or circular polarization as linear polarization.
The arrangement means is arranged so as to change the polarization of the first antenna coupler and the second antenna coupler according to the operation.
The dielectric constant measuring device according to claim 1, wherein the evaluation means evaluates an anisotropic characteristic related to the dielectric constant of the test sample.
前記第1アンテナカプラから前記被試験試料及び前記第2アンテナカプラに向かって、所定の周波数範囲の電磁波を出射し、前記第1アンテナカプラからの反射波、前記第2アンテナカプラからの透過波をそれぞれ測定して、前記反射波及び前記透過波に基づいてSパラメータを生成する測定手段と、を備えた測定装置による測定方法であって、
前記測定手段により生成されたSパラメータを取得するSパラメータ取得ステップと、
前記Sパラメータに基づいて、当該被試験試料の誘電率特性を評価する評価ステップと、を実行することを特徴とする誘電率測定方法。 The flat emission surfaces of the first antenna coupler and the second antenna coupler are arranged in parallel so as to face each other, and the test sample is arranged between the first antenna coupler and the second antenna coupler. Means and
An electromagnetic wave in a predetermined frequency range is emitted from the first antenna coupler toward the test sample and the second antenna coupler, and the reflected wave from the first antenna coupler and the transmitted wave from the second antenna coupler are emitted. It is a measurement method by a measuring device provided with a measuring means for measuring each and generating an S parameter based on the reflected wave and the transmitted wave.
An S-parameter acquisition step for acquiring an S-parameter generated by the measuring means, and
A method for measuring a dielectric constant, which comprises performing an evaluation step of evaluating the dielectric constant characteristics of the sample to be tested based on the S parameter.
校正キットと、を備え、
前記計測器による所定の周波数範囲の電磁波の出射に先だって、前記計測器と前記第1アンテナカプラを接続する第1同軸ケーブル、及び前記計測器と前記第2アンテナカプラを接続する第2同軸ケーブルに対して、前記校正キットを用いて所定の校正操作を実施することにより、前記計測器において発生する誤差要因を除去する誤差要因除去行程を実施することを特徴とする請求項9に記載の誘電率測定方法。 The measuring instrument constituting the measuring means and
With a calibration kit,
Prior to the emission of electromagnetic waves in a predetermined frequency range by the measuring instrument, the first coaxial cable connecting the measuring instrument and the first antenna coupler, and the second coaxial cable connecting the measuring instrument and the second antenna coupler. On the other hand, the dielectric constant according to claim 9, wherein an error factor removing process for removing an error factor generated in the measuring instrument is carried out by carrying out a predetermined calibration operation using the calibration kit. Measuring method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020189597A JP2022078723A (en) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | Dielectric constant measuring device, dielectric constant measuring method, program, and storage medium |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023095524A1 (en) * | 2021-11-23 | 2023-06-01 | Emラボ株式会社 | Open type resonator, and method for measuring dielectric property employing same |
WO2023095525A1 (en) * | 2021-11-23 | 2023-06-01 | Emラボ株式会社 | Dielectric characteristic measurement method and dielectric characteristic measurement system using open resonator |
-
2020
- 2020-11-13 JP JP2020189597A patent/JP2022078723A/en active Pending
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WO2023095524A1 (en) * | 2021-11-23 | 2023-06-01 | Emラボ株式会社 | Open type resonator, and method for measuring dielectric property employing same |
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