JP7364253B2 - 開放形共振器を用いた誘電特性測定方法および誘電特性測定システム - Google Patents

Description

本発明は、誘電体の誘電特性（複素比誘電率の実数部（比誘電率ε’）および誘電正接（ｔａｎδ））の測定に適した開放形共振器を用いた誘電特性の測定方法および誘電特性測定システムに関する。

車載レーダー、光通信、高速デジタル機器、などの応用分野において、ミリ波帯の周波数が用いられているが、レーダーにおける位置分解能の向上、光通信における通信速度の上昇、デジタル機器における処理の高速化が必須の課題となっており、使用されるミリ波の周波数はさらに高まっていくことが想定される。現状では、それぞれ、７５－８０ＧＨｚ帯、５０ＧＨｚ帯、４０ＧＨｚ帯が最先端機器での使用周波数帯であるが、今後は１００ＧＨｚを超える周波数が想定されている。また、第５世代通信網（５Ｇ）の次に来る第６世代通信網（６Ｇ）においては、３３０ＧＨｚ帯まで使うことを想定した議論がなされている。これに伴い、それらの機器に使用される材料特性の測定においても、より高周波を用いた測定が必要となってきている。材料特性のうちでも、高周波化にともなうミリ波のエネルギー損失が大きな問題となることから、材料の誘電特性の測定が必須の課題となっている。

ミリ波帯での誘電特性の測定においては、特にそのエネルギー損失の低減が重要な開発課題であることから、誘電正接（損失角、ｔａｎδ）の測定が重要であり、従来、共振器を用いた測定が主流である。スプリットシリンダー共振器はその代表的な装置であり、６０ＧＨｚ程度までの低損失材料の誘電正接の測定に用いられている。しかし、スプリットシリンダー共振器ではそれより高い周波数での誘電特性を正確に測定することが困難となってきており、それより上の周波数においては開放形共振器（ファブリペロ共振器）が適している（非特許文献１）。

ファブリペロ共振器においては、フィルム状に加工した資料を共振器内に挿入し、測定にはネットワークアナライザを用いることが多い。ネットワークアナライザを共振器につないで、横軸を周波数、縦軸を透過信号強度（透過係数）としたグラフを得、共振特性を得る。ここで、「共振特性」とは共振の中心周波数（共振周波数）とＱ値（本明細書では中心周波数と３ｄＢバンド幅との比を採用）のことである。試料があるときとないときの共振特性から試料の比誘電率と誘電正接を計算またはシミュレーションで求めるのが一般的である。

A. L. CULLEN and P. K. YU, The accurate measurement of permittivity by means of open resonator, Proc. R. Soc. Lond. A. 325, 493-509 (1971)

誘電特性が測定される試料の位置合わせを高精度に行うことが可能な開放形共振器を用いた誘電特性測定方法および誘電特性測定システムを提供する。

本開示の誘電特性測定方法は、開放形共振器を用いて、試料の誘電特性を測定するために前記試料の位置を調整する方法である。誘電特性測定方法は、前記開放形共振器に前記試料が装着されていない状態で、第１の共振特性を取得するステップと、前記開放形共振器に前記試料を装着し、前記試料の位置を調整するステップと、前記試料の位置が調整された状態で、第２の共振特性を取得するステップと、前記第１の共振特性および前記第２の共振特性に基づいて、前記試料の誘電特性を算出するステップと、を備える。前記試料の位置を調整するステップは、所定の掃引周波数範囲を第１の測定点の数で掃引することにより１回目の共振測定を行う、１回目の測定ステップと、前記１回目の共振測定に続く複数回の共振測定を有し、前記複数回の共振測定の各々を、直前に行われた共振測定に基づいて設定された掃引周波数範囲を前記第１の測定点の数より少ない第２の測定点の数で掃引することにより行い、前記複数回の共振測定のうちの２回目の共振測定の掃引周波数範囲は前記１回目の共振測定に基づいて設定される、２回目以降の測定ステップと、を含む。

本開示の誘電特性測定システムは、誘電特性が測定される試料が装着される試料台、信号注入部および信号検出部を有する開放形共振器と、前記信号注入部に信号を送信し、前記信号検出部からの信号を受信することにより共振測定を行うネットワークアナライザと、前記ネットワークアナライザを制御するコントローラと、を備える。前記コントローラは、前記試料台に装着された前記試料の位置を調整するステップにおいて、所定の掃引周波数範囲を第１の測定点の数で掃引することにより１回目の共振測定を行い、前記１回目の共振測定に続く複数回の共振測定の各々を、直前に行われた共振測定に基づいて設定された掃引周波数範囲を前記第１の測定点の数より少ない第２の測定点の数で掃引することにより行い、前記複数回の共振測定のうちの２回目の共振測定の掃引周波数範囲を前記１回目の共振測定に基づいて設定するように、前記ネットワークアナライザを制御する。

本開示の開放形共振器を用いた誘電特性測定方法および誘電特性測定システムによれば、誘電特性が測定される試料の位置合わせを、熟練していない作業者でも高精度に行うことができる。

実施の形態１に係るファブリペロ共振器の模式図 実施の形態１に係るファブリペロ共振器を用いた誘電特性測定システムのブロック図 ファブリペロ共振器における試料の位置調整を説明する模式図（位置調整前） ファブリペロ共振器における試料の位置調整を説明する模式図（位置調整完了時） ファブリペロ共振器における試料がない時の共振周波数から試料がある時の共振周波数への移動を示す図 ファブリペロ共振器における試料がない時の共振周波数から試料がある時の共振周波数への移動を示す図（分解能過大） ファブリペロ共振器における試料がない時の共振周波数から試料がある時の共振周波数への移動を示す図（分解能過小） 実施の形態１に係るファブリペロ共振器において、測定点の数を減らした場合の周波数に対する透過係数の測定結果を示す図 実施の形態１に係るファブリペロ共振器における試料の位置調整の方法を示すフローチャート 実施の形態１に係るファブリペロ共振器における試料の位置調整を支援する時間と共振周波数（初期）との関係を示す図 実施の形態１に係るファブリペロ共振器における試料の位置調整を支援する時間と共振周波数（オートスケール）との関係を示す図 実施の形態１に係るファブリペロ共振器における試料の位置調整を支援する時間と共振周波数（下限値）との関係を示す図 周波数を示す縦軸のスケールを必要以上に拡大した場合における、時間と共振周波数との関係を示す図

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るファブリペロ共振器１１０の模式図である。図１に示すように、ファブリペロ共振器１１０は、固定台１０、第１の球面反射鏡１１、第２の球面反射鏡１２、試料台２０、マイクロメータ２２および覆い３０を有する。ファブリペロ共振器１１０は、開放形共振器の一例である。以下の説明では、図に示すＸＹＺ座標系を用いて説明し、Ｘ方向は上下方向、Ｙ方向は前後方向、Ｚ方向は左右方向に、それぞれ対応する。

固定台１０には、図１に示すように、互いに対向する第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２が所定の距離Ｄ０隔てて配置される。第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の中心にはそれぞれ第１の導波管１５および第２の導波管１６が形成されている。第１の導波管１５および第２の導波管１６の球面側の先端開口部には、所望の共振特性を得る結合状態を形成するための微小の径を有する結合孔が形成されている。第１の球面反射鏡１１の第１の導波管１５は試料の誘電特性の測定のための測定信号が入力さる信号注入部であり、第２の球面反射鏡１２の第２の導波管１６は検出信号が出力される信号検出部である。

試料台２０は、貫通孔２１を有し、互いに対向する第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間に配置される。試料台２０は、誘電特性の測定の対象となる試料２５を取り付けるホルダである。試料２５は貫通孔２１を覆うように取り付けられる。試料台２０に取り付けられた試料２５の左右方向（Ｚ方向）の位置を調整するためのマイクロメータ２２が取り付けられている。マイクロメータ２２は、固定台１０（即ち、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２）に対して試料台２０のＺ方向の位置を調整することにより試料台２０に取り付けられた試料２５の位置を調整することができる位置調整機構である。

図２は、ファブリペロ共振器１１０を用いた誘電特性測定システム１００のブロック図である。誘電特性測定システム１００は、図２に示すように、ファブリペロ共振器１１０、ネットワークアナライザ１２０およびモニター（不図示）を備えたコントローラ１３０を有する。

ネットワークアナライザ１２０は、ミリ波信号を出力し、ファブリペロ共振器１１０の信号注入部である第１の導波管１５に入力する。また、ネットワークアナライザ１２０は、第１の導波管１５から入力されファブリペロ共振器１１０を透過したミリ波信号をファブリペロ共振器１１０の信号検出部である第２の導波管１６から検出する。そして、ネットワークアナライザ１２０は、出力したミリ波信号とファブリペロ共振器１１０を透過して検出したミリ波信号とから、横軸を周波数、縦軸を透過減衰量（透過係数）とした波形（グラフ）を表示部に表示する。

（誘電特性の測定）
ファブリペロ共振器１１０による誘電特性の測定の手順（ステップ）は次の通りである。
１）ファブリペロ共振器１１０、ネットワークアナライザ１２０およびコントローラ１３０をケーブルで接続する。
２）試料を装着しない状態（試料無）で、測定する共振周波数において、共振特性（第１の共振特性）を測定し共振波形のバンド幅からＱ値Ｑemptyを求める。
３）測定する周波数における共振とその前後の共振とを合わせた５個の共振を測定し、５個の共振周波数から、球面反射鏡間の距離Ｄ０を計算で求める。
４）ファブリペロ共振器１１０の覆い３０を外して試料２５を試料台２０に装着した後、覆い３０で第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆う。
５）マイクロメータ２２を操作して、試料２５の位置調整を行う（共振周波数が最小値を示す位置に試料２５の位置を合わせる）。
６）試料２５の位置調整がされた状態（試料有）で、測定する共振周波数において、共振特性（第２の共振特性）を測定し、試料２５の挿入によって移動した共振の中心周波数（共振周波数Ｆsample）とＱ値Ｑsampleを求める。
７）試料２５の厚さｔ、距離Ｄ０、試料を装着しない状態のＱ値Ｑempty、試料を装着した状態の共振周波数Ｆsample、試料を装着した状態のＱ値Ｑsampleから試料の比誘電率ε’と誘電正接ｔａｎδを計算で求める。
同一の試料２５に対して複数の周波数で誘電特性を測定するときは、上記ステップ１）の後、上記ステップ２）および３）を測定対象のすべての周波数で行い、次に上記ステップ４）および５）を行った後、上記ステップ６）および７）を測定対象のすべての周波数で行う。

上記ステップ５）において、試料２５の左右方向（Ｚ方向）の位置を、共振周波数が最小値となるように調整する。ファブリペロ共振器での誘電特性の測定では、試料２５のＺ方向の中心が共振による定在波の電界の最も強い位置、即ち共振の中央の腹（振幅）の中心と一致するように位置合わせをする必要がある。そのとき、共振周波数は試料２５の影響を最も大きく受けるため、最も大きく低周波側に移動する。正確な誘電特性の測定には、共振周波数が最も低くなるように試料２５の位置を調整しなければならない。試料２５ごとに厚みが異なるため、共振特性の測定前に必ず位置合わせが必要となる。図３Ａは、試料２５の位置が共振の中央の腹（振幅）の中心と一致していない状態を説明する模式図であり、図３Ｂは、試料２５の位置が共振の中央の腹（振幅）の中心と一致している状態を説明する模式図である。

上述のように、上記ステップ５）において、試料２５の位置調整が完了したか否かは、共振周波数が最小値となっているか否かにより判断される。試料２５の比誘電率をε’、厚みをｔとすると、試料２５がない場合の共振周波数から試料２５がある場合の共振周波数への移動量はほぼ (√(ε’)- 1) × t に比例することが知られている。例えば、典型的な試料である、比誘電率ε’が３．５、厚みｔが５０μｍのポリイミドの場合、試料２５がない場合の共振周波数１００ＧＨｚに対して、試料２５が適正な位置に調整された場合の共振周波数は１００ＭＨｚ（０．１ＧＨｚ）程度低くなる（図４Ａ参照）。即ち、この場合の共振周波数の移動量は１００ＭＨｚ程度である。共振周波数が最小値となるように試料２５の位置を調整するためには、誘電特性測定システム１００で周波数を掃引して共振測定を行い、共振周波数を確認しつつ試料２５の位置を調整（移動）する必要がある。

また、精度よく共振周波数の最小値を見極めるためには、共振を示す波形（共振波形）の横軸に表示される周波数の掃引周波数幅を小さくして横軸を拡大する必要があるが、横軸を拡大し過ぎると共振を示す波形が表示画面から外れてしまい、共振周波数の最小値を判断することができなくなる（図４Ｂ参照）。逆に、掃引周波数幅を大きくして横軸を縮小し過ぎると、分解能が小さくなり過ぎて、精度よく共振周波数の最小値を判断することが困難となる（図４Ｃ参照）。

共振周波数が最も低いところに調整できないと、試料位置が適正な位置に調整されていないことになり、上記ステップ７）において求める比誘電率等の値にも誤差が生じる。市場要求から比誘電率の誤差の許容範囲は１％程度であり、試料２５の位置調整に伴う測定誤差は０．１％以下に抑えることが求められる。例えば、上述の例で共振周波数の移動量が１００ＭＨｚ程度の場合は、試料２５の位置調整を判断するための共振周波数の測定は０．１ＭＨｚ以下の精度で行う必要がある。

上記で説明したように、横軸を周波数として共振波形を表示しながら、共振周波数が最小になるように試料２５の位置を調整するには、何度もネットワークアナライザ１２０の周波数設定（中心周波数と掃引周波数幅の設定）を変更する必要があり、作業者にとってはとても難しく、時間がかかる作業となる。実施の形態１では、試料２５の位置を調整に伴う共振周波数の時系列の変化が確認できるように、モニターに横軸を時間、縦軸を周波数としたグラフを表示する。ネットワークアナライザの周波数設定は、作業者による試料２５の位置調整により常に移動している共振周波数に追従し、測定される共振周波数が常に掃引周波数の範囲内に入るように、コントローラが自動で行う。

実施の形態１の誘電特性測定システム１００を用いた共振測定では、作業者がモニターに表示されたグラフの共振周波数の推移を視認しながらマイクロメータ２２を操作して試料２５の位置調整を行うので、試料２５の位置に対応して測定された共振周波数をできるたけ速くグラフに反映させることが望ましい。誘電特性測定システム１００では、試料２５の位置調整に対応して測定された共振周波数をリアルタイム（即ち、試料２５の位置の移動に伴う共振周波数の測定を試料２５の位置の移動に要する時間に比べて十分短い時間）で反映させるため、測定点の数（データポイント数）を大幅に少なく設定し、一掃引に要する時間（掃引時間）を０．０５秒未満にする。

図５に示す例では、掃引時間を０．０５秒未満にするために、一掃引の掃引周波数幅における測定点の数が２０点（第２の測定点の数の一例）となるように、測定する周波数間隔を設定している。測定点の数を減らすと一般的には測定する周波数間隔が大きくなり周波数の分解能が低下して共振周波数の測定精度が劣化する傾向を示す。誘電特性測定システム１００では、次回の共振測定の掃引周波数幅を直前に行われた共振測定（前回の共振測定）における共振波形の３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢ（共振周波数に対応する透過係数のピーク値との差が３ｄＢである周波数の幅）の２倍に設定し、その設定された掃引周波数幅に対して測定点の数を２０点に設定することで十分な周波数の分解能を担保しつつ、掃引時間を０．０５秒未満として共振測定をリアルタイムに行う。このような掃引周波数幅と測定点の数の組み合わせにより、試料２５の位置調整に伴って共振周波数が移動いても、測定される共振周波数が掃引周波数範囲から外れず、かつ、十分な周波数の分解能をもって共振周波数の測定が可能である。

ネットワークアナライザの周波数設定は、前回の共振測定で測定された共振波形に基づいて、コントローラにより自動的に設定される。具体的には、ネットワークアナライザの周波数設定における中心周波数については、前回の共振測定で測定された共振周波数を次回の共振測定での中心周波数に設定し、掃引周波数幅については、前回の共振測定で測定された共振波形の３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍を次回の掃引周波数幅に設定する。中心周波数と掃引周波数幅が設定されることにより次回の共振測定における掃引周波数範囲が決定される。このようにして、ネットワークアナライザの周波数設定を自動的に行い、掃引周波数幅における測定点の数を２０点とすると、リアルタイムに試料２５の位置を調整しても、その調整に伴って変化する共振周波数が掃引周波数範囲から外れてしまうことがなく、かつ、必要な精度（実施の形態１の例では０．１ＭＨｚ以下）で共振周波数の測定を行うことが可能となる。

次に、誘電特性測定システム１００を用いた誘電特性の測定における試料の位置調整の方法を具体的に説明する。図６は、誘電特性測定システム１００を用いた誘電特性の測定における試料の位置調整の方法を示すフローチャートである。

ファブリペロ共振器１１０の試料台２０に試料２５を装着した状態で、作業者はコントローラを操作してネットワークアナライザ１２０の周波数設定（中心周波数Ｆｃと掃引周波数幅Ｆｓｐａｎの設定）を行う。例えば、試料２５がない時（空状態）の共振周波数が１００ＧＨｚで、試料２５がポリイミド（厚みｔ：５０μｍ）である場合、中心周波数Ｆｃを９９．９ＧＨｚ、掃引周波数幅Ｆｓｐａｎを２００ＭＨｚ（９９．８～１００ＧＨｚ）に設定する。また、掃引周波数幅に対する周波数間隔を０．５ＭＨｚに設定し測定点の数ＤＰを４０１点（第１の測定点の数の一例）とする。1回目の共振測定では、２回目の共振測定のための掃引周波数幅を設定するためのデータが必要であるため、１回目の共振測定における１回目の掃引周波数幅を２００ＭＨｚと比較的広く設定し、測定点の数ＤＰを４０１点と比較的多く設定する。この設定で、装着された試料２５の位置に対応した共振周波数の測定（1回目の共振測定）が行われる（Ｓ１）。1回目の共振測定では、測定点の数ＤＰが４０１点と多いため、1秒以上の掃引時間を要する。

次に、２回目の共振測定に使用するネットワークアナライザ１２０の周波数設定を、１回目の共振測定で得られた共振波形に基づいて行う（Ｓ２）。具体的には、１回目の共振測定で測定された共振周波数Ｆｒｅｓを中心周波数Ｆｃに設定し、１回目の共振測定で得られた共振波形の３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍を２回目の共振測定の掃引周波数幅Ｆｓｐａｎに設定する（Ｓ２）。

ステップＳ２で周波数設定が行われると、設定された周波数設定で２回目の共振測定が行われる。２回目の共振測定は２回目以降の共振測定（Ｓ３）として行われ、２回目以降の共振測定では、一掃引に要する時間を０．０５秒未満にするため、測定点の数ＤＰが２０点になるように、掃引周波数幅に対する周波数間隔が設定される。２回目以降の共振測定における測定点の数ＤＰは２０点であり、1回目の共振測定における測定点の数ＤＰの４０１点の２０分の１以下に設定している。

ステップＳ３の２回目以降の共振測定を開始すると、コントローラ１３０は、測定終了の指示が入力されたか否かを監視している（Ｓ４）。測定終了の指示が入力されていない場合（Ｓ４のＮｏ）、コントローラ１３０は、ステップＳ３の２回目以降の共振測定において、前回の共振測定で得られた共振波形に基づいて、次回の共振測定のための周波数設定を行う（Ｓ５）。具体的には、前回の共振測定で測定された共振周波数Ｆｒｅｓを中心周波数Ｆｃに設定し、前回の共振測定で得られた共振波形の３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍を次回の共振測定における掃引周波数幅Ｆｓｐａｎに設定する（Ｓ５）。

ステップＳ５で次回の共振測定のための周波数設定が行われると、ステップＳ３に戻り再度２回目以降の共振測定が行われる。ステップＳ５で２回目の共振測定に基づく３回目の共振測定のための周波数設定が行われた場合、次のステップＳ３の２回目以降の共振測定は３回目の共振測定となる。ステップＳ４で測定終了の指示が入力されると（Ｓ４のＹｅｓ）、コントローラ１３０は共振測定を終了する。即ち、コントローラ１３０は、ステップＳ４で測定終了の指示が入力されるまで、前回の共振測定で得られた共振波形に基づいて次回の共振測定のための周波数設定を行って、毎回、周波数設定を更新し、繰り返し共振測定（複数回の共振測定）を行う。なお、２回目以降の共振測定における測定点の数ＤＰは、２０点であり、２回目以降の毎回の共振測定は０．０５秒未満で行われる。

ステップＳ３の２回目以降の共振測定を開始すると、コントローラ１３０は、図７Ａに示すように、横軸を時間、縦軸を共振周波数（２回目以降の共振測定で測定された共振周波数）としてグラフをモニターに表示させる（Ｓ６）。上述の通り、空状態の共振周波数が１００ＧＨｚで、試料２５がポリイミド（厚みｔ：５０μｍ）である場合、共振周波数の移動量は１００ＭＨｚ程度であり、試料２５の位置調整中における共振周波数はこの範囲内で測定されるので、当初、縦軸の周波数の幅は例えば１００ＭＨｚ程度に設定される（初期設定）。

このとき、図７Ａ～図７Ｃに示すように、横軸の時間は１０秒間である。即ち、直近の１０秒間における測定された共振周波数の推移がグラフに表示されることになる。また、縦軸に示される周波数の範囲は、オートスケール設定になっており、直近の１０秒間に測定された共振周波数の範囲（最小値から最大値の範囲）がグラフの縦軸の表示範囲に対応するように、縦軸の周波数の目盛りが自動的に更新される。例えば、直近の１０秒間に測定された共振周波数の変動幅が１０ＭＨｚより少し小さい９ＭＨｚである場合、図７Ｂに示すように、測定された周波数の値に応じて、グラフの縦軸の周波数の幅は１０ＭＨｚに自動的に変化する。

次に、コントローラ１３０は、直近の所定の時間における測定された共振周波数の変動幅が所定の範囲（第１の所定の値内）に入っている否かを判定する（Ｓ７）。即ち、直近の１０秒間に測定された共振周波数の最大値と最小値との差（変動幅）が所定の範囲に入っている否かが判定される。この変動幅が所定の範囲に入っていない場合（Ｓ７のＮｏ）、ステップＳ６に戻り、コントローラ１３０は、縦軸の周波数目盛りをオートスケール設定としたグラフ表示を継続する。第１の所定の値は、例えば、空状態の共振周波数が１００ＧＨｚで、試料２５がポリイミド（厚みｔ：５０μｍ）である場合、共振周波数の移動量は１００ＭＨｚ程度であるので、その１％である１ＭＨｚに設定される（図７Ｃ参照）。

ステップＳ３で測定された共振周波数の直近の１０秒間における変動幅が所定の範囲以下である場合（Ｓ７のＹｅｓ）、コントローラ１３０は、図７Ｃに示すように、表示されるグラフの縦軸に示される周波数の幅（スケール）を第１の所定の値（下限値）に固定するとともに、調整目標範囲をグラフに表示する（Ｓ８）。調整目標範囲は、測定された共振周波数の最小値から第２の所定の値の範囲である。第２の所定の値は、上述のように、例えば、空状態の共振周波数が１００ＧＨｚで、試料２５がポリイミド（厚みｔ：５０μｍ）である場合、共振周波数の移動量は１００ＭＨｚ程度であるので、その０．１％である０．１ＭＨｚに設定される（図７Ｃ参照）。

ステップＳ２の２回目以降の共振測定が開始されると、作業者は、図７Ａ～図７Ｃに示すグラフを確認し、グラフに表示される共振周波数が最小になるように、マイクロメータを操作して試料２５の位置調整を行う。特に、ステップＳ８で図７Ｃに示すグラフが表示されると、グラフに表示された調整目標範囲に共振周波数が入るように、試料２５の位置に調整を行い、共振周波数が調整目標範囲に入ったことを確認することにより位置調整作業の完了を判断できる。グラフの表示は測定終了の指示が入力されるまで継続され（Ｓ９のＮｏ）、位置調整作業が完了し、測定終了の指示が入力されると（Ｓ９のＹｅｓ）、共振測定を終了するとともにグラフ表示の更新を終了する。

コントローラ１３０は、図７Ｃに示すように、横軸を時間、縦軸を周波数としたグラフをモニターに表示させる。図７Ａに示すグラフから図７Ｃに示すグラフにように、縦軸に示される周波数の範囲を１００ＭＨｚから１ＭＨｚ程度に小さくして縦軸を拡大するのは、１００ＭＨｚ程度移動する共振周波数を０．１ＭＨｚ程度の精度で調整する場合に、縦軸に表示される周波数の範囲が１００ＭＨｚのままでは、十分な精度をもって試料２５の位置を調整することが困難だからである。

ステップＳ７において、グラフの縦軸に示す周波数の幅は、図７Ｃに示すように、１ＭＨｚであって、求められる共振周波数の精度以上に小さくする（縦軸を拡大する）必要はない。即ち、周波数の幅に関して下限値が設定される。実施の形態１の場合、下限値は、１００ＭＨｚ程度の共振周波数の移動量に対して１ＭＨｚであり、移動量に対して１％程度の値に設定されている。図８は、必要以上に縦軸を拡大し、縦軸の周波数の幅を０．１ＭＨｚに設定した例である。図８に示すように、縦軸を必要以上に拡大すると、試料２５の位置の微小な変化に伴う共振周波数の変動が大きく表示され過ぎ、却って、試料２５の位置調整が完了したか否かの判断が困難となる。このため、実施の形態１では、図６のステップＳ８における共振周波数の測定結果を表示するグラフの縦軸に示される周波数の幅の下限値として、図７Ｃに示すように１ＭＨｚを設定している。

上述のように、誘電特性測定システム１００は、試料２５の位置調整を行うために、前回の共振測定で得た共振周波数を次回の共振測定の中心周波数に、前回の共振測定で得た共振特性の３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍を次回の共振測定の掃引周波数幅に設定して掃引周波数範囲を定めることにより、共振測定（２回目以降の共振測定）を繰り返し行う。２回目以降の共振測定において、掃引周波数幅に対する測定点の数は２０点に設定され、２回目以降の共振測定の各々は０．０５秒未満の掃引時間で行われる。

測定点の数を少なくすると、掃引スピードが速くなって次回の共振測定までの時間が短くなり、繰り返し行われる共振測定のアップデートスピードが早くなる（リアルタイム性が向上する）とともに繰り返し行われる共振測定において設定された掃引周波数範囲に共振周波数が入るという追従性が向上する半面、測定する周波数間隔が大きくなり周波数の分解能が低くなる。また、掃引周波数幅を狭くすると、測定する周波数間隔が小さくなり周波数の分解能が高くなる半面、追従性が悪くなる。即ち、試料２５の位置調整を精度よく行うためには、リアルタイム性、周波数の分解能および追従性の３条件を満足することが必要であり、そのためには、掃引周波数幅とそれに対する測定点の数の組み合わせが重要である。

誘電特性測定システム１００は、２０点の測定点を３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍という掃引周波数幅に設定することにより、繰り返し行われる共振測定において、これらの３条件を担保している。つまり、２０点の測定点を３ｄＢバンド幅ＢＷ３ｄＢの２倍という掃引周波数幅に設定することにより、十分な周波数の分解能が得られる周波数間隔で共振測定を行うことができ、一掃引が０．０５秒未満で行われアップデートスピードを十分に速くなるため、作業者がリアルタイム感覚で位置調整作業を行うことができ、試料２５の位置の移動に応じて変化する共振周波数が掃引周波数範囲から外れることなく共振測定を行うことができる。このように、試料２５の位置調整のために繰り返し行われる共振測定に関するパラメータ（測定点の数と掃引周波数幅）を設定することで、上記の３条件を満たすことが可能であることを見出した。

上記の例では、２回目以降の共振測定において、掃引時間が０．０５秒未満となるように、測定点の数を２０点に設定するとともに、掃引周波数幅を前回の共振測定で測定された共振波形の３ｄＢバンド幅の２倍に設定したが、測定点の数および掃引周波数幅はこれらの値に限定されるものではない。掃引時間は、試料２５の位置調整をリアルタイムで行える時間であればよい。ここで、リアルタイムとは、作業者がモニターの表示を視認しその表示に基づいてマイクロメータ２２を操作して試料２５の位置の移動させる場合に、その位置の移動に伴ってモニターの表示が更新される時間が、作業者が手でマイクロメータ２２を操作して試料２５の位置の調整し、その結果をモニターの表示で視認するのに要する時間に比べて十分に短いことをいう。したがって、マイクロメータ２２の操作による試料２５の位置の移動速度に応じて、例えば、掃引時間が０．２秒以下（好ましくは０．１秒以下）になるように、測定点の数を設定してもよい。また、掃引周波数幅は、試料２５の位置調整に伴って変化する共振周波数が掃引周波数幅の範囲から外れてしまうことがなければ、３ｄＢバンド幅の１～１０倍の範囲（所定のバンド幅）で設定してもよい。このように、測定点の数と掃引周波数幅との組み合わせは、誘電特性を測定される試料２５の特性、マイクロメータ２２の操作による試料２５の位置の移動速度に応じて、変更が可能である。

本発明の開放形共振器を用いた誘電特性の測定方法および誘電特性測定システムは、高周波帯域における誘電体の誘電特性を高精度に測定することに適している。

１０ 固定台
１１ 第１の球面反射鏡
１２ 第２の球面反射鏡
１５ 第１の導波管
１６ 第２の導波管
２０ 試料台
２１ 貫通孔
２２ マイクロメータ
２５ 試料
３０ 覆い
１００ 誘電特性測定システム
１１０ ファブリペロ共振器
１２０ ネットワークアナライザ
１３０ コントローラ
ＢＷ３ｄＢ ３ｄＢバンド幅
Ｄ０ 距離
ＤＰ 測定点の数
Ｆｃ 中心周波数
Ｆｒｅｓ 共振周波数
Ｆｓｐａｎ 掃引周波数幅

Claims (8)

1. 開放形共振器を用いて、試料の誘電特性を測定するために前記試料の位置を調整する誘電特性測定方法であって、
   前記開放形共振器に前記試料が装着されていない状態で、第１の共振特性を取得するステップと、
   前記開放形共振器に前記試料を装着し、前記試料の位置を調整するステップと、
   前記試料の位置が調整された状態で、第２の共振特性を取得するステップと、
   前記第１の共振特性および前記第２の共振特性に基づいて、前記試料の誘電特性を算出するステップと、を備え、
   前記試料の位置を調整するステップは、
   所定の掃引周波数範囲を第１の測定点の数で掃引することにより１回目の共振測定を行う、１回目の測定ステップと、
   前記１回目の共振測定に続く複数回の共振測定を有し、前記複数回の共振測定の各々を、直前に行われた共振測定に基づいて設定された掃引周波数範囲を前記第１の測定点の数より少ない第２の測定点の数で掃引することにより行い、前記複数回の共振測定のうちの２回目の共振測定の掃引周波数範囲は前記１回目の共振測定に基づいて設定される、２回目以降の測定ステップと、を含む、
   誘電特性測定方法。
2. 前記試料の位置を調整するステップは、
   時間と前記２回目以降の測定ステップで測定された共振周波数との関係を表示する表示ステップを有する、
   請求項１に記載の誘電特性測定方法。
3. 前記表示ステップにおいて、最新の所定の時間と前記２回目以降の測定ステップで測定された前記共振周波数との関係を表示する、
   請求項２に記載の誘電特性測定方法。
4. 前記表示ステップにおいて、前記２回目以降の測定ステップで測定された前記共振周波数を示す軸における周波数の幅は所定の下限値を有する、
   請求項２に記載の誘電特性測定方法。
5. 前記複数回の共振測定の各々に対応する掃引周波数範囲は、前記直前に行われた共振測定で測定された共振波形の共振周波数と所定のバンド幅により設定される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の誘電特性測定方法。
6. 前記複数回の共振測定の各々に要する時間は、０．２秒以下である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の誘電特性測定方法。
7. 前記第２の測定点の数は前記第１の測定点の数の２０分の１以下である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の誘電特性測定方法。
8. 誘電特性が測定される前記試料が装着される試料台、信号注入部および信号検出部を有する前記開放形共振器と、
   前記信号注入部に信号を送信し、前記信号検出部からの信号を受信することにより共振測定を行うネットワークアナライザと、
   前記ネットワークアナライザを制御するコントローラと、を備え、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の誘電特性測定方法を実施する、
   誘電特性測定システム。