JP4819663B2 - 複素誘電率測定装置及び複素誘電率測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複素誘電率測定装置及び複素誘電率測定方法に関する。

近年、携帯電話機などの無線通信機器が急速に発達し、数多くの無線通信機器が開発されている。その開発においては、必要に応じて、無線通信機器から放射される電波が人体に吸収されるエネルギー量を定量的に評価するＳＡＲ測定や、無線通信機器のアンテナから放射される電波が実際の使用形態においてどのようなパターンで空間に放射されるのかを確認する等のアンテナ測定が実施されている。

そして、ＳＡＲ測定やアンテナ測定は、無線通信機器の近傍に、人体を模擬した高損失材料を配置することにより、実施されている。このとき、試料となる高損失材料の複素誘電率を正確に知っておく必要があるため、測定対象となる高損失材料を、同軸線路や導波管内に充填できるように、一部を加工したり形状を破壊したりする必要があった。このため、一度複素誘電率を測定すると、その高損失材料は、ＳＡＲ測定やアンテナ測定に必要な寸法を満足できなくなるため、同じ材料で作った測定試料を再度製作する必要があり、同じ製作ロットでの複素誘電率を確認することができなかった。

一方、非破壊で複素誘電率を測定する方法として、同軸プローブを用いた誘電率測定方法がある（例えば、非特許文献１参照。）。
「高周波領域における材料定数測定法」、ISBN:4627791615、森北出版、2003年8月26日出版

しかしながら、上述した同軸プローブを用いた誘電率測定方法では、測定対象が固体の場合は、測定精度を確保することが困難であり、更に測定対象物に対する複素誘電率の評価範囲が狭いため、材料全体の複素誘電率を求めることが困難であった。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、測定材料を複素誘電率測定用に加工することなく、精度良く測定材料全体の複素誘電率を求めることが可能な複素誘電率測定装置及び複素誘電率測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、（ａ）測定対象となる材料内に２本以上埋め込まれ、波源から放射される波の振幅及び位相を測定するプローブと、（ｂ）プローブの各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射波の減衰量及び位相差を算出する第１の算出部と、（ｃ）複数の観測点のうち、特定の観測点を基準とし、その他の観測点について、基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を算出する第２の算出部と、（ｄ）基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定する測定部とを備える複素誘電率測定装置であることを要旨とする。

第１の特徴に係る複素誘電率測定装置によると、測定材料を複素誘電率測定用に加工することなく、精度良く測定材料全体の複素誘電率を求めることができる。

又、第１の特徴に係る複素誘電率測定装置において、プローブは、放射される波の進行方向に並んで配置されることが好ましい。

この複素誘電率測定装置によると、放射される波の振幅及び位相を精度良く測定することができる。

又、第１の特徴に係る複素誘電率測定装置において、測定部は、プローブを３本以上配置した場合、基準観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を複数測定し、平均化することにより、複素誘電率を測定してもよい。

この複素誘電率測定装置によると、複素誘電率をより精度良く測定することができる。

本発明の第２の特徴は、（ａ）測定対象となる材料内に２本以上埋め込まれ、波源から放射される波の振幅及び位相を測定するプローブの各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射波の減衰量及び位相差を算出するステップと、（ｂ）複数の観測点のうち、特定の観測点を基準とし、その他の観測点について、基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を算出するステップと、（ｃ）基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定するステップとを含む複素誘電率測定方法であることを要旨とする。

第２の特徴に係る複素誘電率測定方法によると、測定材料を複素誘電率測定用に加工することなく、精度良く測定材料全体の複素誘電率を求めることができる。

又、第２の特徴に係る複素誘電率測定方法の測定するステップにおいて、プローブを３本以上配置した場合、基準観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を複数測定し、平均化することにより、複素誘電率を測定してもよい。

この複素誘電率測定方法によると、複素誘電率をより精度良く測定することができる。

本発明によると、測定材料を複素誘電率測定用に加工することなく、精度良く測定材料全体の複素誘電率を求めることが可能な複素誘電率測定装置及び複素誘電率測定方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。

（複素誘電率測定装置）
本実施形態では、図１に示すように、人体を模擬した高損失固体材料１１の近傍に携帯電話１２を配置して、人体近傍に携帯電話１２が存在する場合のＳＡＲ（Specific Absorption Rate：比吸収率）測定やアンテナ測定を行う場合について説明する。高損失固体材料１１としては、例えば、生体等価固定ファントムとして使用されるセラミックスが挙げられる。本実施形態では、携帯電話１２から放射される電波の振幅及び位相を測定可能な電界プローブ１３が高損失固体材料１１の内部に埋め込まれている。

次に、本実施形態に係る複素誘電率測定装置について、図２を用いて説明する。まず、高損失固体材料１１の近傍に携帯電話１２を配置した場合のＳＡＲ測定やアンテナ測定を行う前提として、高損失固体材料１１の複素誘電率を測定する必要がある。

本実施形態に係る複素誘電率測定装置は、図２に示すように、高損失固体材料１１に埋め込まれた電界プローブ１３と、携帯電話１２の代わりに配置された電波照射源１４と、スイッチ部１００と、偏波処理部１０１と、光源部１０２と、信号発生部１０３と、レシーバ部１０４と、スペクトラムアナライザ１０５と、ＰＣ１０６とを備える。

電界プローブ１３は、電波照射源１４から放射される電波の振幅及び位相を測定する。電界プローブ１３としては、例えば、電気光学結晶を用いたＥＯプローブのようにプローブの存在によって放射電磁界を乱すことのない非侵襲性プローブが望ましい。以下の説明では、電界プローブとしてＥＯプローブを用いた場合について説明する。

又、電界プローブ１３は、放射電波の進行方向に複数本配置される。ここで、放射電波の進行方向とは、図３に示すように、電波の入射波面に対して垂直な方向を指す。又、電界プローブの本数については、少なくとも２本を使用することとし、３本以上の電界プローブを使用してもよい。

スイッチ部１００は、偏波処理部１０１から入射された光を切り替えて、複数の電界プローブ１３の先端に配置された各電気光学結晶へ出射る。又、スイッチ部１００は、複数の電界プローブ１３から取得した偏波情報を偏波処理部１０１に送る。

偏波処理部１０１は、光源部１０２から入射された直線偏光を特定の偏光状態に調整して、スイッチ部１００へ出射する。又、偏波処理部１０１は、スイッチ部１００から入力された偏波情報を、レシーバ部１０４へ送る。

光源部１０２は、信号発生部１０３によって発生した信号を直線偏光に変換し、偏波処理部１０１へ送る。

レシーバ部１０４は、偏波処理部１０１から入力された偏波情報を受信し、スペクトラムアナライザ１０５へ送る。スペクトラムアナライザ１０５は、複数の電界プローブ１３それぞれで測定された電界の振幅及び位相を検出する。

ＰＣ１０６（第１の算出部、第２の算出部及び測定部）は、複数の電界プローブ１３それぞれで測定された電界の振幅及び位相を取得し、各観測点における放射電波の減衰量及び位相差を算出する。そして、ＰＣ１０６は、ある観測点（例えば、観測点１１０）を基準とし、その他の観測点（観測点１１１、１１２、１１３）について、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差を算出し、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定する。ＰＣ１０６における複素誘電率の測定については、本実施形態に係る複素誘電率測定方法において、詳細に説明する。

尚、ＰＣ１０６は、処理制御装置（ＣＰＵ）を有し、プローブの各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射電波の減衰量及び位相差を算出する第１の算出モジュールと、複数の観測点のうち、特定の観測点を基準とし、その他の観測点について、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差を算出する第２の算出モジュールと、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定する測定モジュールとをＣＰＵに内蔵する構成とすることができる。これらのモジュールは、パーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータにおいて、所定のプログラム言語を利用するための専用プログラムを実行することにより実現することができる。

（複素誘電率測定方法）
次に、本実施形態に係る複素誘電率測定方法について、図４を用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１において、図１に示すように、携帯電話１２から放射される電波の振幅及び位相を測定可能な電界プローブ１３を高損失固体材料１１の内部に埋め込む。

次に、ステップＳ１０２において、高損失固体材料１１の複素誘電率を確認するために、図２に示すように、携帯電話１２の代わりに、半波長ダイポールアンテナや導波管というような電波照射源１４を高損失固体材料１１の近傍に配置し、その状態で高損失固体材料１１内の電界について、振幅及び位相を複数の電界プローブ１３により測定する。

例えば、電界プローブとしてＥＯプローブを用いた場合は、ＥＯプローブの先端に配置された電気光学結晶の状態が放射電界により変化するため、信号発生部１０３及び光源部１０２により結晶に入力された光の偏波面が回転することで、電界の振幅及び位相を検出する。複数本のプローブで得られた偏波情報をスイッチ部１００により順次偏波処理部１０１に送り、レシーバ部１０４及びスペクトラムアナライザ１０５により最終的に複数本の電界プローブそれぞれで測定された電界の振幅及び位相を検出する。

そして、ステップＳ１０３において、電波進行方向に複数配置された観測点１１０、１１１、１１２、１１３における電界情報（振幅及び位相情報）を、例えば、スペクトラムアナライザ１０５に接続されたＰＣ１０６にて取得する。

次に、ステップＳ１０４において、ＰＣ１０６は、電界プローブ１３の各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射電波の減衰量及び位相差を算出する。

次に、ステップＳ１０５において、ＰＣ１０６は、複数の観測点のうち、特定の観測点（例えば、観測点１１０）を基準とし、その他の観測点（観測点１１１、１１２、１１３）について、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差を算出する。

次に、ステップＳ１０６において、ＰＣ１０６は、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定する。例えば、伝送線路理論式を用いた誘電率の推定法（非特許文献１参照）に、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差の３つの値を当てはめ、最小二乗法等によって各観測点の間に存在する高損失固体材料１１の複素誘電率を測定することができる。

そして、その後、電波照射源１４を携帯電話１２に交換し、ＳＡＲ測定やアンテナ測定を行う。

又、電界プローブの本数については、少なくとも２本を使用することとし、３本以上の電界プローブを使用することによって、電界測定の精度を高めることが可能となる。具体的には、電界プローブが３本以上のとき、基準の観測点からの距離、放射電波の減衰量及び位相差の３つの値を複数測定し、平均化することにより精度がより高まる。

（作用及び効果）
従来、ＲＦ帯やマイクロ波帯において、高損失な固体材料の複素誘電率を非破壊で測定することは非常に困難であり、例えば、ＳＡＲ測定に用いられる生体等価固体ファントムとしての高損失固体材料の場合、複素誘電率を非破壊で測定することは非常に困難で有効な測定方法がなく、材料が有する誘電率を定期的に確認することができなかった。

本実施形態に係る複素誘電率測定装置及び複素誘電率測定方法によると、予め電界プローブ１３を材料内部に複数埋め込み、高損失固体材料１１内部の振幅及び位相を直接測定することができる。このため、高損失固体材料１１を誘電率測定用に破壊し、加工することなく、非破壊で複素誘電率を定期的に確認することができる。又、精度良く測定材料全体の複素誘電率を測定することができる。

又、電界プローブ１３は、放射される波の進行方向に並んで配置される。このため、放射される波の振幅及び位相を精度良く測定することができる。

又、本実施形態に係るＰＣ１０６は、プローブを３本以上配置した場合、基準観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を複数測定し、平均化することにより、複素誘電率を測定する。このため、複素誘電率をより精度良く測定することができる。

（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の実施形態では、高損失固体材料について説明したが、本発明に係る複素誘電率測定は、固体材料に限定されるものではなく、液体材料に対しても適用可能である。

又、上記の実施形態では、高損失固体材料について説明したが、本発明に係る複素誘電率測定は、低誘電率低損失材料である場合においても、電界プローブの設置間隔を広く取ることにより適用可能である。

又、上記の実施形態では、電界プローブの配置方法として、放射電波の進行方向に複数本配置すると説明したが、本発明に係る複素誘電率測定は、この配置方法に限定されず、放射電波の距離による減衰量及び電波遅延が取得可能な配置方法であれば構わない。

更に、上記の実施形態では、誘電率を求めるために電界を測定することについて説明したが、磁界についても磁界プローブを用いて同様の方法にて測定を行うことにより、透磁率を算出することができる。具体的には、材料内における磁界の減衰量及び位相差を測定し、材料の複素透磁率を算出する。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本実施形態に係るＳＡＲ測定やアンテナ測定について説明するための図である。 本実施形態に係る複素誘電率測定装置の機能ブロック図である。 本実施形態に係る電界プローブの配置を示す図である。 本実施形態に係る複素誘電率測定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１…高損失固体材料
１２…携帯電話
１３…電界プローブ
１４…電波照射源
１００…スイッチ部
１０１…偏波処理部
１０２…光源部
１０３…信号発生部
１０４…レシーバ部
１０５…スペクトラムアナライザ
１０６…ＰＣ
１１０、１１１、１１２、１１３…観測点

Claims (5)

1. 測定対象となる材料内に２本以上埋め込まれ、波源から放射される波の振幅及び位相を測定するプローブと、
   前記プローブの各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射波の減衰量及び位相差を算出する第１の算出部と、
   複数の観測点のうち、特定の観測点を基準とし、その他の観測点について、基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を算出する第２の算出部と、
   前記基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定する測定部と
   を備えることを特徴とする複素誘電率測定装置。
2. 前記プローブは、放射される波の進行方向に並んで配置されることを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定装置。
3. 前記測定部は、前記プローブを３本以上配置した場合、前記基準観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を複数測定し、平均化することにより、複素誘電率を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の複素誘電率測定装置。
4. 測定対象となる材料内に２本以上埋め込まれ、波源から放射される波の振幅及び位相を測定するプローブの各観測点における振幅及び位相から、各観測点における放射波の減衰量及び位相差を算出するステップと、
   複数の観測点のうち、特定の観測点を基準とし、その他の観測点について、基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を算出するステップと、
   前記基準の観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差に基づいて、複素誘電率を測定するステップと
   を含むことを特徴とする複素誘電率測定方法。
5. 前記測定するステップにおいて、前記プローブを３本以上配置した場合、前記基準観測点からの距離、放射波の減衰量及び位相差を複数測定し、平均化することにより、複素誘電率を測定することを特徴とする請求項４に記載の複素誘電率測定方法。
   

Images