JP3680113B2 - 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 - Google Patents
誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3680113B2 JP3680113B2 JP2001270985A JP2001270985A JP3680113B2 JP 3680113 B2 JP3680113 B2 JP 3680113B2 JP 2001270985 A JP2001270985 A JP 2001270985A JP 2001270985 A JP2001270985 A JP 2001270985A JP 3680113 B2 JP3680113 B2 JP 3680113B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- measurement
- calibration
- dielectric constant
- snow
- 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.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、アンテナから被測定物に向けて電波を照射し、その反射係数を測定して、被測定物の誘電率を算出する反射法による誘電率の測定方法及び誘電率測定装置に関し、特に積雪に人為的な作業を施すことなしに積雪の誘電率を測定することの出来る誘電率の測定方法及び誘電率測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、積雪は外部環境の変化により雪質と雪深が変化したり、又、その積雪の断面は層構造となり、その層構造内部の密度の変化等により誘電率が変化する。そして、現在、マイクロ波帯における積雪の誘電率を測定したデータはあるが、その他の周波数帯における測定データはなく、当然、誘電率を測定する測定装置も存在しない。そのため、発明者等は、平成11年青森空港において、一般的な誘電率測定法の1つである透過法により積雪の誘電率を測定した。
【0003】
この透過法による積雪の誘電率測定装置は、図8に示すように、地面50に電波51が透過可能な透過ボード52が敷設され、この透過ボード52の下方(地下)には、電波51を透過ボード52面に向けて照射する送信用ホーンアンテナ53が設置されている。そして、透過ボード52の上方(地上)には、電波51(透過波)を受信する同様な形状の受信用ホーンアンテナ54が、支柱56に支持されて送信用ホーンアンテナ53に対向配置されている。そして、受信用ホーンアンテナ54には、透過波の透過特性を測定するネットワークアナライザ(図示せず)が接続されている。
【0004】
このような構成で、透過ボード52上の積雪55に向けて電波51を照射すると、電波51は、積雪55と透過ボード52とを透過し、受信用ホーンアンテナ54で受信される。この受信された透過波は、その透過特性がネットワークアナライザ(図示せず)により測定され、この透過特性から透過係数を算出し、積雪55の複素誘電率を求めている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成されているので、気象や温度等の変動により、ネットワークアナライザ、同軸ケーブル(図示せず)等の測定機器はその電気的特性が変動し、測定誤差を生じる。従って、積雪55の誘電率を測定する前に、これらの測定機器を校正する必要がある。そのためには、まず、透過ボード52上に積もっている積雪55を除雪した後、透過ボード52のみの状態(積雪のない状態)で電波51を照射して、その透過波から測定機器を校正し、次いで、改めてもとのように積雪55を透過ボード52上に積み上げて平坦な積雪面を形成するという作業を行った後に、この積雪の透過特性を測定し、この透過特性から求めた透過係数から誘電率を算出する必要があった。
【0006】
このように、測定しようとする積雪55に人為的な作業が施されるため、自然に降り積もった積雪55とは、積雪内部の密度が異なったものとなり、場所によって変化する。そのため、測定結果、周波数に対して誘電率の虚数部の誤差が大きく変化するという問題があった。
【0007】
さらに、測定に用いる電波51の周波数帯によっては、送信用及び受信用ホーンアンテナ53、54の形状が大きくなるため、それだけ風圧の影響が大きくなり、アンテナの振動や外来波により測定値が変動したり、又、受信用アンテナ54を支持する支柱56もそれだけ高くしなければならない等の問題があった。さらに、空港に設置してこのデータを積雪時における飛行コースのモニタ用に利用しようとすると、滑走路面からの高さ制限に抵触し設置出来ない等の問題があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、被測定物に電波を照射し、その反射波から被測定物の誘電率を算出する反射法による誘電率の測定方法において、電気的特性及び形状の等しい校正用送信アンテナと校正用受信アンテナとからなる校正用アンテナとこの校正用アンテナと電気的特性及び形状の等しい測定用送信アンテナと測定用受信アンテナとからなる測定用アンテナとをそれぞれ備え、被測定物として積雪を用い、測定機器校正時には、校正用アンテナに切り換えるとともに、積雪を除去した状態で、校正用送信アンテナから電波を照射し、その反射波を校正用受信アンテナで受信して、ネットワークアナライザでその反射特性を測定し、この反射特性から反射係数を算出してこれを測定機器校正用とし、次いで、測定用アンテナに切り換えるとともに、積雪に測定用送信アンテナにより電波を照射して、この反射波を測定用受信アンテナで受信して、ネットワークアナライザでその反射特性を測定し、この測定した反射特性から算出した積雪の反射係数を用いて積雪の誘電率を算出し、この算出した積雪の誘電率からVHF〜マイクロ波帯において導出されている実験式に基づいて、外挿法により、測定に使用した電波の周波数帯から他の周波数帯における誘電率を算出するようにした測定方法である。
【0010】
請求項2に係る発明は、被測定物に電波を照射し、その反射波から被測定物の誘電率を算出する反射法による誘電率測定装置において、それぞれ電気的特性及び形状が同一で、被測定物に電波を照射する測定用送信アンテナと被測定物からの反射波を受信する測定用受信アンテナとからなる測定用アンテナと、この測定用アンテナとそれぞれ電気的特性及び形状が同一で、測定機器の校正時に電波を照射する校正用送信アンテナとその反射波を受信する校正用受信アンテナとからなる校正用アンテナと、反射特性を測定するネットワークアナライザに接続され、校正系及び測定系同軸ケーブルによりそれぞれ校正用アンテナと測定用アンテナとに接続されているとともに、校正用アンテナと校正系同軸ケーブルとを有する校正系と測定用アンテナと測定系同軸ケーブルとを有する測定系とを切り換える手段を有する同軸切換器と、この同軸切換器を介して校正系と測定系とに接続されているとともに、校正系からの反射波と測定系からの反射波との反射特性をそれぞれ測定するネットワークアナライザと、このネットワークアナライザでそれぞれ求めた校正系からの反射特性と測定系からの反射特性とに基づいて被測定物の誘電率を算出する機能を有するパソコンとを有し、被測定物は積雪とするとともに、パソコンは、電波の周波数帯において求めた被測定物の誘電率を、VHF〜マイクロ波帯において導出されている実験式に基づいて、外挿法により測定に使用した電波の周波数帯から他の周波数帯に換算する機能をさらに有する誘電体測定装置である。
【0011】
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の発明において、校正用アンテナの反射面は金属製の反射板とした誘電率測定装置である。
【0012】
請求項4に係る発明は、請求項2〜請求項3に記載の発明において、電波の周波数は、Cバンドを用いた誘電率測定装置である。
【0019】
【発明の実施の形態】
【実施例1】
この発明の第1の実施例は、ネットワークアナライザや同軸ケーブルなどの測定機器を校正するための一対の校正用アンテナを含む校正系と一対の測定用アンテナを含む測定系との2系統を構成するとともに、この2系統はいずれも電気的特性が同一となるように、アンテナ、同軸ケーブルのケーブル長、損失及びアンテナ高、形状等すべて等しくなるように構成し、ネットワークアナライザで被測定物の反射特性を測定して、この反射特性から反射係数を算出し被測定物の誘電率εを算出するようにした実施例を示すもので、以下、図1に基づいて説明する。
【0020】
図1は、この発明の第1の実施例を示すもので、1(1a、1b)は、電気的特性及び形状が同一の対をなす測定用アンテナで、信号源(図示せず)からの電波2を、地面6に設置されている金属製の反射板7上に載置されている被測定物3へ照射する測定用送信アンテナ1aと被測定物3からの反射波4を受信する測定用受信アンテナ1bとにより構成されており、この実施例の場合にはホーンアンテナが用いられている。
【0021】
5(5a、5b)は電気的特性及び形状が同一の対をなす校正用アンテナで、測定用アンテナ1とも電気的特性及び形状が同一である。この校正用アンテナ5(5a、5b)は、地面6に設置されている金属製の反射板8に向けて電波2を照射する校正用送信アンテナ5aと反射板8からの反射波を受信する校正用受信アンテナ5bとにより構成されている。
【0022】
なお、この実施例では、電波2の測定周波数帯域はCバンドで、測定用及び校正用アンテナとしてはホーンアンテナを用い、誘電率を測定するための被測定物3としては、反射板7上に降り積もった積雪(以下、積雪3とも記す)とした。この実施例では、被測定物3としては、積雪3で測定したが、これに限定されることなく、その他の誘電物質も同様に測定することが出来る。
【0023】
反射板7、8は、電波を反射する金属製であり、反射効率を上げるためのもので、校正系側及び測定系側とも地面6に設置されている。なお、この実施例の場合には、校正系に設置されている反射板8には、加熱装置(図示せず)が接続されており、雪の降る季節には、常時加熱して反射板8の表面に雪が積もらないように構成されている。測定系の反射板7には、被測定物3である自然な積雪が形成される。
【0024】
測定用アンテナ1と校正用アンテナ5とは、いずれも2本の支柱9、10に掛け渡されたポール11の中心線から等距離の位置に水平方向に可動可能に取り付けられている。その際、測定用アンテナ1は、被測定物3の上方に取り付けられているとともに、測定用送信アンテナ1aと測定用受信アンテナ1bとの設置角度は、測定用送信アンテナ1aから放射された電波がすべて被測定物3で反射して測定用受信アンテナ1bで受信され、直接波4aが受信されないように設置されている。なお、破線で示す電波は、被測定物3を透過して反射板7で反射される透過波を示している。
【0025】
同様に、校正用アンテナ5は、反射板8の上方に取り付けられており、校正用送信アンテナ5aと校正用受信アンテナ5bとの設置角度は、上記測定用アンテナ1と同様に校正用送信アンテナ5aから放射された電波2がすべて反射板8で反射して校正用受信アンテナ5bで受信され、直接波4aが受信されないように設置されている。
【0026】
なお、この実施例の場合には、支柱9、10は、2本使用しているが、これを1本の支柱とし、これにポール11の中心部を固定し、このポール11の両端部にそれぞれ測定用アンテナ1と校正用アンテナ5とを取り付けて支柱を中心としてその両側に測定系と校正系とを配置するように構成してもよい。、
【0027】
12は同軸切換器で、ネットワークアナライザ15に接続されているとともに、測定系と校正系とを切り換える手段を有し、測定系同軸ケーブル13及び校正系同軸ケーブル14を介して測定用及び校正用アンテナ1、5に接続されている。なお、測定系は、測定系同軸ケーブル13、測定用アンテナ1等により構成されており、校正系は、校正系同軸ケーブル14、校正用アンテナ5等により構成されている。
【0028】
ネットワークアナライザ15は、反射波の反射特性を測定するもので、同軸切換器12により測定系と校正系とを切り換え、それぞれ測定用受信アンテナ1b及び校正用受信アンテナ5bで受信された被測定物3及び反射板8からの反射波の反射特性がそれぞれ測定されている。16はパソコンで、ネットワークアナライザ15で測定された測定系及び校正系における反射特性の測定結果から、それぞれ反射係数が算出され、次いで、この求めた反射係数から被測定物3の誘電率εが算出される。
【0029】
次に、実際に被測定物3として反射板7上に自然に降り積もった積雪(以下、積雪3と記す)の誘電率εを求める場合について説明する。
ここで、測定系の反射板7上には、自然に雪が降り積もり積雪3が形成されており、校正系の反射板8は常時加熱されており、従って、反射板8上には積雪3はない状態であるとする。そこで、測定系の反射板7上に積もった積雪3の誘電率εを求めるためには、上記の装置を用いて積雪3の反射特性を測定し、この反射特性から反射係数を求め、この反射係数から誘電率を算出しなければならない。
【0030】
先ず、気象条件や温度変化等によりネットワークアナライザ15や測定系同軸ケーブル13、校正系同軸ケーブル14の伸縮等により測定機器の電気的特性が変動するため、これら測定機器の校正が行われる。この場合、校正系における反射板8上には、積雪がない状態で行われる。この実施例の場合には、校正系の反射板8は常時加熱されているので、表面に積雪はない。そこで、同軸切換器12を校正系に切り換えて電波2を校正用送信アンテナ5aから照射すると、反射板8からの反射波は、校正用受信アンテナ5bで受信され、ネットワークアナライザ15でその反射特性が測定される。校正時において測定された反射特性から反射係数が求められ、これによりネットワークアナライザ15や測定系同軸ケーブル13及び校正系同軸ケーブル14等の測定機器が校正される。
【0031】
次いで、同軸切換器12を測定系に切り換え、測定用送信アンテナ1aから電波2を反射板7上の積雪3面に照射して、その反射波を同様にして測定用受信アンテナ1bで受信し、ネットワークアナライザ15により反射特性が測定される。このように、測定された反射特性から、同様に積雪時における反射係数が求められる。この反射係数から積雪3の誘電率が算出される。このように、測定時には反射特性を測定し、この反射特性から反射係数が求められる。校正時には同軸切換器12により校正用アンテナ5に切り換えて時間経過・外気温の変化による測定系のドリフトをその都度校正し、次いで、同軸切換器12を測定系に切り換えて、測定時における反射特性を測定し、この反射特性から反射係数が求められ、長期的に積雪3の誘電率の変化を測定することが出来る。
【0032】
上記のようにして算出された積雪3の誘電率は、Cバンドの周波数帯で測定された結果であるので、VHF〜マイクロ波帯における特定周波数で測定され実験的に導出されている下記実験式に基づいて、外挿法により空港に設置されているグライドパスの周波数帯に換算した誘電率が算出する。以下、特定周波数(VHF〜マイクロ波帯)で測定された積雪複素誘電率を任意周波数における誘電率に換算する換算法について説明する。
【0033】
水分を含む積雪の分散特性がDebyの式で与えられる水の分散特性に対応して表現出来ると仮定して、周波数fにおける積雪誘電率虚数部ε"s(f)及び積雪誘電率実数部ε's(f)の増分Δε's(f)は、それぞれ下記の(A)式及び(B)式を用いる。
【0034】
【0035】
【0036】
ここで、ε"sは積雪誘電率虚数部、Δε'sは積雪水分による積雪誘電率実数部ε'sの増分で、ε's=ε'd+Δε'sである。(但し、ε'dは水の占有体積を空気で置き換え乾雪とした時の誘電率実数部)である。又、f0は純水の誘電緩和周波数で、f0=8.84(GHz)であり、tan δwは純水の誘電正接(損失係数)で、温度0℃では、下記(C)式となる。
【0037】
【0038】
ここで、周波数fMにおける複素誘電率の実数部及び虚数部の測定値を、それぞれε's(fM)、ε"s(fM)とすれば、任意の周波数fにおける積雪3の複素誘電率の虚数部は、(A)式を用いると、下記(D)式で表される。
【0039】
【0040】
次いで、積雪3の複素誘電率の実数部は、上記ε's=ε'd+Δε'sから(A)、(B)、(C)式を用いて、下記(E)式で表される。
【0041】
【0042】
ここで、発明者等は、3〜37(GHz)のマイクロ波帯の周波数で報告されているHallikainmenn等の実験式が、3(GHz)以下の周波数帯に対しても有効であると仮定し、0〜5(GHz)の帯域で、体積含水率0〜12(%)、密度0.25(g/cm3)の積雪の誘電率を計算した結果を、図2、図3に実線で示した。このデータで、f=5(GHz)における複素誘電率を既知の測定値と仮定し、(D)、(E)式から新たにf<5(GHz)の周波数について複素誘電率を算出した結果をマーカプロットした。この結果から明らかであるように、両者は良く一致していることが判明した。
【0043】
このようにして積雪3の誘電率を求めたので、従来のようにネットワークアナライザ15の校正をする際に、反射板8上の積雪を除雪して測定機器の校正時における反射特性を測定し、この反射特性から反射係数を求めて校正値を求めた後に、再度、測定時に平坦な積雪面にする作業が必要であったが、この作業が必要なくなる。そのため、人為的な作業による積雪内部の密度の変動をなくすことが出来、より正確な自然積雪による測定データを得ることが出来る。
【0044】
【実施例2】
しかしながら、上記実施例1では、測定用及び校正用アンテナ1、5や測定系及び校正系同軸ケーブル13、14等の測定データに影響を与える測定機器が屋外に設置されているため、長期間の測定の場合には、周囲の環境温度変化による測定系及び校正系同軸ケーブル13、14等の伸縮や風圧振動等による測定用及び校正用アンテナ1、5と反射板7、8との間隔の相対的な位置が変動したり、両アンテナのふらつきかたが異なる等の理由により、校正系と測定系との電気的特性が相違する。
【0045】
又、校正系の反射板8の周囲には雪の壁面が形成され、校正用アンテナ5に指向性の良いアンテナを使用しても、わずかなアンテナのふらつきのために、反射板8周囲の雪の壁面からの反射波が受信されてしまう。このように、雪の壁面からの反射波を完全に除去出来ず、測定誤差の原因ともなっていた。さらに、第1の実施例では、校正系の反射板8には加熱装置が設置されているので、その消費電力がかかりコストがかさむという問題もある。加熱装置が設置されていない場合には、測定系の反射板7上の除雪は必要ないが、測定使用とする都度、校正系の反射板8上の積雪を除去する必要があり、従来例ほどではないが、手間がかかる等の問題もある。
【0046】
そこで、この発明の第2の実施例では、図4に示すように、校正用アンテナ5と反射板8との代わりに、校正系にスルーの同軸ケーブル(以下、校正用伝送ケーブル20と記す)を用いたもので、以下、図4〜図7に基づいて詳細に説明する。なお、上記実施例1と同一のものは同一符号及び同一名称を用いるとともに、その説明を省略する。
【0047】
図4は第2の実施例を示す構成図、図5は図4の説明図、図6はベクトル図、図7は反射法の幾何学的モデルを示す。測定用アンテナ1は、実施例1と同様に、測定用送信アンテナ1aと測定用受信アンテナ1bとにより構成されており、同軸切換器12と測定用アンテナ1とを接続する測定系同軸ケーブル13と測定用アンテナ1等とにより測定系が構成されている。
【0048】
校正系を構成する校正用伝送ケーブル20は、実施例1における校正用アンテナ5と反射板8及び校正用アンテナ5と同軸切換器12とを接続する校正系同軸ケーブル14の代わりに、測定系の電気的特性と全く等しい電気的特性を有する直線状のスルーの同軸ケーブルで形成されている。なお、反射効率を改善するために設置されている反射板としては、実施例1における測定用の反射板7のみが使用される。その他は上記実施例1と同様である。
【0049】
この第2の実施例では、図5に示すように、同軸切換器12はネットワークアナライザ15と2本の同軸伝送線路21、22で接続されており、校正用伝送ケーブル20と測定系とを切り換える手段を有しており、測定用アンテナ1の近傍に設置されている。
【0050】
又、図5に示すように、校正用伝送ケーブル20と、測定用送信アンテナ1aと同軸切換器12とを接続する同軸ケーブル23aと、測定用受信アンテナ1bと同軸切換器12とを接続する同軸ケーブル23bとは、同種の線材のケーブルを用いるとともに、同軸ケーブル23aと同軸ケーブル23bとの電気長の和が、校正用伝送ケーブル20の電気長に等しく、線路長も短いほうが望ましい。
【0051】
図4、図5に基づいて、実際に被測定物3として自然に降り積もった積雪3の誘電率εを求める場合について説明する。
先ず、この第2の実施例の概略を述べると以下の通りである。
即ち、温度変化によるネットワークアナライザ15の変動や同軸ケーブル部分の伸縮等による測定誤差を排除するために、まず、積雪3の無い状態の時に測定用アンテナ1で測定したネットワークアナライザ校正係数から、校正用伝送ケーブル20側に切り換えて得られるネットワークアナライザ校正係数を差し引いたアンテナ間透過係数を求める。更に同様の手順で、測定用送信アンテナ1aと測定用受信アンテナ1bの相対位置を変えず天空方向を向けた状態でのアンテナ間結合係数を測定して、上記アンテナ間透過係数からベクトル的に減算する。これは、基本的にはアンテナ間の結合と同軸ケーブル部分の影響を除いた測定機器校正値を測定したことになり、この値を測定機器校正値の初期値としてパソコン16に保存しておく。そして、この測定機器校正値(初期値)は、測定用アンテナ1のアンテナ特性が変動しないがぎり、固有の値である。
【0052】
次に、積雪状態において、同軸ケーブル部分の校正値を測定し、保存されている測定機器校正値(初期値)に加算して新たな測定機器校正値(積雪時における校正値)とする方法で、測定用送信アンテナ1aから測定用受信アンテナ1bへの直接波成分による測定誤差、測定時における温度変化によるネットワークアナライザ15の変動や同軸ケーブル部分の伸縮等による校正値誤差をなくし、反射板7と測定用アンテナ1からなる空間開放型の校正系における不安定要素を解消することが出来る。以下、さらに詳細に説明する。
【0053】
まず、積雪のない状態におけるネットワークアナライザ15の校正法(上記初期値を求める方法)について説明する。この測定では、積雪のない季節に実行され、長期測定時のために取得しておくデータが得られる。
まず、上記初期値を保存する手順は、以下のような手順で実行されて求められる。
同軸切換器12を測定用アンテナ1側に切り換えて、レスポンススルー校正を行う。測定用受信アンテナ1bで受信した反射波からネットワークアナライザ15で校正特性を測定し、この校正特性から求めた校正係数C#1(複素数)のデータをパソコン16に保存する。
次に、同軸切換器12を校正用伝送ケーブル20側に切り換えて、レスポンススルー校正を行う。同様にしてネットワークアナライザ15で校正特性を測定し、この校正特性から求めた校正係数C#2(複素数)のデータをパソコン16に保存する。
ここで、校正係数C♯1=|S♯1|εj ♯ 1、校正係数C♯2=|S♯2|εj ♯2とすると、測定用送信アンテナ1a及び測定用受信アンテナ1bのコネクタ端からみた透過係数は、
で表される。従って、透過係数SR 21は、校正係数C♯ 1及び校正係数C♯ 2から算出出来るがアンテナ間結合を含むのでこれを補正する。
まず、アンテナ間の相対位置を固定したまま、反射板7が存在しない状態、例えば、真上の天空方向に2つのアンテナ開口を向けた状態で、▲1▼〜▲3▼の手順を実行して、アンテナ間の結合係数SD 21を測定し、保存しておく。この結果、図6に示すように、SR 21からSD 21をベクトル的に引くことで結合を含まない送受信アンテナ間の透過係数SC 21が、SC 21=SR 21−SD 21として求められる。この値は、固有の値であり、測定用アンテナ1の特性(結合度、利得、コネクタ反射特性)が変わらないかぎり、気温変動によりケーブル長が変化した状態で実行して送受信アンテナ間の透過係数SC 21値を求めても変動することはない。従って、これを測定時における測定機器校正値の初期値としてパソコン16に保存しておく。
【0054】
次いで、積雪時における測定は、以下の手順で実行される。
同軸切換器12を校正用伝送ケーブル20側に切り換え、レスポンスルー校正を行う。この時ネットワークアナライザ15で校正特性を測定し、この校正特性から求めた校正係数C#2 Mデータを取得する。
校正係数C#2 M=|S♯2 M|εj φ2 Mとし、保存してある透過係数S21 Cとの積を求める。
C#2 MS21 C=|S♯2 M|εj φ2 M・|S21 C|εjφC 21=S21 M
この積S21 Mが、積雪時における新たなレスポンス校正係数として、ネットワークアナライザ15へ転送される。
次いで、現在の測定データを追跡する。この値が、積雪時に測定した時の実際の測定値となる。
【0055】
このようにして、積雪時における実際の透過係数を求め、この値から反射法により積雪3の透過誘電率εを求める。
この積雪3の透過誘電率εを求めるためには、TE波が積雪面に入射した時の積雪面反射係数ΓTEを精度良く測定する必要がある。以下、積雪面反射係数ΓTEの測定について説明する。
【0056】
ここで、図7に示すように、測定用アンテナ1の送信アンテナ1a及び受信アンテナ1bの両アンテナ高さH、アンテナ指向性利得G、両アンテナ間の間隔をSとする。図7は、校正用の完全反射面を無限大とし、反射板7面上に厚さdの積雪3(誘電率εr=εs-jεs)がある状態を示している。
【0057】
測定用送信アンテナ1aから送信電界Etで照射された電波2は、積雪3面で反射し、測定用受信アンテナ1bで受信される。ここで、両アンテナ1a、1bのアンテナ軸Pa、Pbは、完全反射面上の反射点Pに向いているものとする。又、送信球面波に対する積雪面反射係数は、平面波入射時の反射係数ΓTEで近似出来る(積雪層内では平面波伝搬と見なす)ものと仮定し、両アンテナ1a、1b間結合(直接波)やアンテナ−積雪面間の多重反射の影響は無視出来るものとする。
【0058】
積雪の無いときの受信電界強度Ermは、下記の式(1)のように示される。
【0059】
【0060】
k0は自由空間中の伝搬定数、測定に用いた電波のλは波長である。測定用送信及び受信アンテナ利得は、いずれもGとする。積雪3の深さdにおける受信電界Ersは、ΓTEを用いて下記の式(2)で表す。
【0061】
【0062】
従って、無積雪時の受信電界強度Ermを基準とした積雪3の深さdにおける受信電界Ers、即ち測定された伝達特性(反射係数を求めるためのもの)S21は、
【0063】
となる。
【0064】
ここで、式(3)において、r/rsは金属面反射時と積雪面反射時の伝搬線路長差であり、送信球面波の拡散にともなう伝搬損失の比を表し、アンテナ高Hが積雪の深さdに較べて充分長い距離であれば1と見なせる。G(θS)/G(θ)は、金属反射面での入射角度の違いによるアンテナ利得変動比である。これらの2つの項は、1と見なせない場合には、ΓTEの振幅誤差となる。e−j2k(2kD(rs−r)は、伝搬経路長さに伴う位相差分である。測定されたS21は、これらの係数を補正しているので、誘電率を求めるための精度の良い反射係数が得られる。
【0065】
上記のようにして算出された積雪3の誘電率は、Cバンドの周波数帯で測定された結果であるので、VHF〜マイクロ波帯における特定周波数で測定された実験的に導出されている実験式に基づいて、外挿法により空港に設置されているグライドパスの周波数帯に換算して誘電率を算出する。この換算法については、すでに、実施例1において説明したので、その説明を省略する。
【0066】
【発明の効果】
請求項1及び請求項2に係る発明は、測定機器の校正時に、反射板上の被測定物を除去する必要がなく、手間がかからない。特に、積雪の誘電率を測定する場合には、従来のように、積雪に人為的な作業を施す必要がないので、積雪内部の密度も自然の状態のものが得られ、自然の積雪に対する誘電率を正確に測定出来る。
【0067】
請求項3に係る発明は、反射効率が良くなり、又、乱反射による反射波の拡散も少なくなる。又、自然に降り積もった状態の積雪の誘電率を正確に測定することが出来る。
【0068】
請求項4に係る発明は、測定用アンテナの形状を小型化出来る周波数帯(例えば、Cバンド)を用いて測定し、これを求める周波数帯(例えば、ILSのグライドパス周波数)に換算することが出来るので、形状の大きなアンテナ等を用いる必要がない。従って、従来のように、風圧の影響によるアンテナの振動や外来波により測定値の変動、又、測定用アンテナの高さ等の問題を除去することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施例を示す誘電率測定装置の構成図である。
【図2】この発明の第1の実施例を示すもので、比誘電率の実数部の周波数特性図である。
【図3】この発明の第1の実施例を示すもので、比誘電率の虚数部の周波数特性図である。
【図4】この発明の第2の実施例を示す誘電率測定装置の構成図である。
【図5】この発明の第2の実施例を示すもので、図4の説明図である。
【図6】この発明の第2の実施例を示すもので、ベクトル図である。
【図7】この発明の第2の実施例を示すもので、反射法の幾何学モデル図である。
【図8】従来例を示すもので、透過法による誘電率測定装置の構成図である。
【符号の説明】
1 測定用アンテナ
2 電波
3 被測定物(積雪)
5 測定用アンテナ
7 反射板
12 同軸切換器
15 ネットワークアナライザ
16 パソコン
Claims (4)
- 被測定物に電波を照射し、その反射波から前記被測定物の誘電率を算出する反射法による誘電率の測定方法において、
電気的特性及び形状の等しい校正用送信アンテナと校正用受信アンテナとからなる校正用アンテナとこの校正用アンテナと電気的特性及び形状の等しい測定用送信アンテナと測定用受信アンテナとからなる測定用アンテナとをそれぞれ備え、
前記被測定物として積雪を用い、
測定機器校正時には、前記校正用アンテナに切り換えるとともに、前記積雪を除去した状態で、前記校正用送信アンテナから電波を照射し、その反射波を校正用受信アンテナで受信して、ネットワークアナライザでその反射特性を測定し、
この反射特性から反射係数を算出してこれを測定機器校正用とし、
次いで、前記測定用アンテナに切り換えるとともに、前記積雪に前記測定用送信アンテナにより電波を照射して、この反射波を前記測定用受信アンテナで受信して、前記ネットワークアナライザでその反射特性を測定し、
この測定した反射特性から算出した積雪の反射係数を用いて前記積雪の誘電率を算出し、
この算出した積雪の誘電率からVHF〜マイクロ波帯において導出されている実験式に基づいて、外挿法により、前記測定に使用した電波の周波数帯から他の周波数帯における誘電率を算出すること
を特徴とする誘電率の測定方法。 - 被測定物に電波を照射し、その反射波から前記被測定物の誘電率を算出する反射法による誘電率測定装置において、
それぞれ電気的特性及び形状が同一で、前記被測定物に電波を照射する測定用送信アンテナと前記被測定物からの反射波を受信する測定用受信アンテナとからなる測定用アンテナと、
この測定用アンテナとそれぞれ電気的特性及び形状が同一で、測定機器の校正時に電波を照射する校正用送信アンテナとその反射波を受信する校正用受信アンテナとからなる校正用アンテナと、
反射特性を測定するネットワークアナライザに接続され、校正系及び測定系同軸ケーブルによりそれぞれ前記校正用アンテナと前記測定用アンテナとに接続されているとともに、前記校正用アンテナと前記校正系同軸ケーブルとを有する校正系と前記測定用アンテナと前記測定系同軸ケーブルとを有する測定系とを切り換える手段を有する同軸切換器と、
この同軸切換器を介して前記校正系と前記測定系とに接続されているとともに、前記校正系からの反射波と前記測定系からの反射波との反射特性をそれぞれ測定する前記ネットワークアナライザと、
このネットワークアナライザでそれぞれ求めた前記校正系からの反射特性と前記測定系からの反射特性とに基づいて前記被測定物の誘電率を算出する機能を有するパソコンとを有し、
前記被測定物は積雪とするとともに、前記パソコンは、前記電波の周波数帯において求めた前記被測定物の誘電率を、VHF〜マイクロ波帯において導出されている実験式に基づいて、外挿法により測定に使用した電波の周波数帯から他の周波数帯に換算する機能をさらに有すること
を特徴とする誘電率測定装置。 - 前記校正用アンテナの反射面は金属製の反射板としたこと
を特徴とする請求項2に記載の誘電率測定装置。 - 前記電波の周波数は、Cバンドを用いたこと
を特徴とする請求項2〜請求項3にそれぞれ記載の誘電率測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001270985A JP3680113B2 (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001270985A JP3680113B2 (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004016855A Division JP3988828B2 (ja) | 2004-01-26 | 2004-01-26 | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003075369A JP2003075369A (ja) | 2003-03-12 |
JP3680113B2 true JP3680113B2 (ja) | 2005-08-10 |
Family
ID=19096555
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001270985A Expired - Lifetime JP3680113B2 (ja) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3680113B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4129420B2 (ja) * | 2002-08-22 | 2008-08-06 | 名古屋電機工業株式会社 | 路面における凍結防止剤の濃度計測方法およびその装置 |
JP2007057362A (ja) * | 2005-08-24 | 2007-03-08 | Nagoya Electric Works Co Ltd | 特性値計測方法およびその装置 |
JP5008330B2 (ja) * | 2006-03-31 | 2012-08-22 | 大和製衡株式会社 | 脂質含有率測定方法及び装置 |
KR101171251B1 (ko) * | 2009-12-28 | 2012-08-10 | 한국생산기술연구원 | 마이크로웨이브를 이용한 내부 온도 측정 방법 및 장치 |
KR101544590B1 (ko) | 2010-09-07 | 2015-08-18 | 한국전기연구원 | 물질의 덩어리 유전 상수와 종류를 비파괴 검출하기 위한 장치 및 그 방법 그리고 이를 위한 안테나 |
JP6711607B2 (ja) * | 2015-12-16 | 2020-06-17 | 太陽誘電株式会社 | 雪質測定装置及び雪質測定方法 |
DE102016216433B3 (de) * | 2016-08-31 | 2017-12-07 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Sensorvorrichtung zum Ermitteln einer Permittivität und/oder einer Feuchtigkeit einer Schicht |
KR101822817B1 (ko) * | 2016-11-18 | 2018-01-29 | 전북대학교산학협력단 | 비닐하우스용 적설량 측정 장치 및 그 방법 |
CN107091847B (zh) * | 2017-06-01 | 2023-11-07 | 厦门大学 | 一种介质材料电磁参数测量装置及测量方法 |
FR3087269B1 (fr) * | 2018-10-10 | 2020-10-09 | Commissariat Energie Atomique | Methode et dispositif de caracterisation de la surface d'un objet |
EP4290225A1 (en) * | 2021-02-05 | 2023-12-13 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Dielectric spectroscopic measurement device and dielectric spectroscopic measurement method |
-
2001
- 2001-09-06 JP JP2001270985A patent/JP3680113B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003075369A (ja) | 2003-03-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bogosanovic et al. | Microstrip antenna array with a beam focused in the near-field zone for application in noncontact microwave industrial inspection | |
Virone et al. | Antenna pattern verification system based on a micro unmanned aerial vehicle (UAV) | |
JP3680113B2 (ja) | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 | |
CN106483494A (zh) | 基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法 | |
JP2006275967A (ja) | アンテナ特性評価方法及び測定装置 | |
Cuinas et al. | Building material characterization from complex transmissivity measurements at 5.8 GHz | |
JP3988828B2 (ja) | 誘電率の測定方法及び誘電率測定装置 | |
Rajaraman | Design of a wideband Vivaldi antenna array for the snow radar | |
Jull | An investigation of near-field radiatin patterns measured with large antennas | |
Palermo et al. | Bistatic scattering cross section of chaff dipoles with application to communications | |
CN113917241B (zh) | 一种天线方向图快速测量和预估方法、系统、设备及终端 | |
RU2613810C1 (ru) | Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ диапазоне | |
Van Tonder et al. | A study of an archimedes spiral antenna | |
Harima et al. | Determination of gain for pyramidal-horn antenna on basis of phase center location | |
Ahmadabadi et al. | Wide beam reflector antenna with cosecant-squared pattern | |
JP3752169B2 (ja) | Ilsのグライドパスのgp進入コース予測方法及びilsのグライドパスのgp進入コース予測装置 | |
EP4170359A1 (en) | Device for electromagnetic exposure assessment comprising a field enhancing element | |
Golovkov et al. | Measurement of Sheet Dielectric Materials at UHF Band | |
Ghorbani et al. | Beam switchable radiosonde receiver antennas | |
Horner | Scattering of radio waves by metal wires and sheets | |
FUJII et al. | Evaluation of sites for measuring complex antenna factors: Comparison of theoretical calculation and TRL-based experiment | |
Midtbøen | 3D Printed Horn Antenna for Ultra Wideband Applications | |
Picard | Antenna measurement | |
Fallah‐Rad et al. | Gain enhancement in embedded microstrip antennas | |
Smith et al. | Antenna Measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20031202 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040126 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040323 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040518 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040526 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20040601 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040601 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040617 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040601 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20050118 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20050308 |
|
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: 20050412 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050414 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3680113 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080527 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090527 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090527 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100527 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110527 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120527 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120527 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120527 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130527 Year of fee payment: 8 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130527 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140527 Year of fee payment: 9 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
R370 | Written measure of declining of transfer procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R370 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |