JPH02147962A - 誘電体の相互変調歪測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 この発明は誘電体の相互変調歪測定方法および測定装置
に関し、特に、たとえば８００ＭＨｚ帯自動車電話など
のチャネルフィルタやアンテナフィルタなどに用いられ
る誘電体共振器等の誘電体材料の相互変調歪測定方法お
よび測定装置に関する。

〔従来技術〕

自動車電話などの８００Ｍ１−Ｉｚ帯移動通信基地局用
送信共用装置では、小型化で高性能かつ低シス］・の利
点のために、誘電体共振器の有用性が報告されている。

しかし、送信共用装置には、多数の高電力信号が人力さ
れるため、相互変調信号が発生し、悪影響を及ぼす場合
がある。

そこで、送信共用装置に誘電体共振器を用いる場合は、
誘電体材料自体の相互変調歪（Ｉｎｔｅｒ−Ｍ。

ｄｕｌａｔｃｄ　Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　：　Ｉ　Ｍ　
Ｄ　）を測定して事前に評価する必要がある。

なお、相互変調歪とは、一般に、非線形回路に複数の信
号が人力されたとき、これらの信号の組合せからなる新
しい周波数成分を発生させる現象をいう。

誘電体の高周波歪は、従来コンデンサ法を用いて測定さ
れている。この方法においては、印加電圧は大きいもの
の、測定周波数が１ｋＨｚと低くかつ測定限界も一１５
０ｄＢ程度であるため、この方法は相互変調歪に対する
有効な評価方法とはなっていない。

相互変調歪のレベルを直接測定しようとする場合、最も
簡単には、伝送系内に誘電体共振器を置き、２つの人力
ボートから２波の信号を入力し、出力ポートから応答信
号を取り出して測定する。

より詳しくいえば、第８図に示すような測定系を構成し
、２つの入力信号をボート１および２からそれぞれ入力
する。入力ボート１および２の前にトラップフィルタ３
および４を挿入し、入力ポート１および２の入力部分で
は、その中に被測定誘電体（図示せず）を配置した測定
治具５にアースをとっている。そして、出力ポートロか
らの信号をバンドパスフィルタ７を介してスペクトラム
アナライザ８に入力することによって相互変調歪成分の
レベルを直接読み取ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

第８図に示す従来の測定方法では、入力ポート１および
２が測定治具と電気的に接触しているので、その部分で
非線形回路が形成されてしまい、測定系自体からも相互
変調信号が発生する。この測定系で生じた相互変調信号
がスペクトラムアナライザ８に入力されると、被測定誘
電体材料の真の相互変調歪のレベルを測定することが不
可能となる。そのために、従来の方法では、−１５０ｄ
Ｂｃ以上のレベルでの測定は困難であった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、測定精度をより
向上し得る、誘電体の相互変調歪測定方法および装置を
提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

第１発明は、両端が電磁気的に閉塞された円筒キャビテ
ィ内に被測定誘電体を配置し、円筒キャビティの両端に
設けられた２つの入力ループから波長の異なる入力信号
を放射し、円筒キャビティに設けられた出力ループによ
って円筒キャビティから出力を取り出すようにした、誘
電体の相互変調歪測定方法である。

第２発明は、その内に被測定誘電体を配置するための円
筒キャビティ、円筒キャビティの両端を電磁気的に閉塞
するための閉塞手段、円筒キャビティの両端に設けられ
かつ円筒キャビティ内に互いに波長の異なる入力信号を
放射するための２つの入力ループ、および円筒キャビテ
ィ内に設けられかつそこから出力を取り出すための出力
ループを備える、誘電体の相互変調歪測定装置である。

［作用〕 たとえば誘電体同軸共振器で両端が電磁気的に閉塞され
た円筒キャビティ内に被測定誘電体を配置する。そして
、２つの入力ループから互いに波長の異なる入力信号を
放射する。したがって、被測定誘電体は放射された２つ
の入力信号によって相互変調信号を生じる。この相互変
調信号は発生後減衰することなく円筒キャビティ内に蓄
積される。したがって、円筒キャビティ内に配置された
出力ループによって、入力した入力信号とともにその信
号を取り出せば、被測定誘電体の相互変調歪レベルを直
接測定できる。

〔発明の効果］ この発明によれば、２つの入力ループから入力信号を放
射するようにしているので、入力部において非接触構造
とすることができるため、従来の方法のように測定器自
体および測定系内で相互変調信号が発生することはない
。したがって、被測定誘電体自体の相互変調歪レベルを
正確に測定することができる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点
は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から
一層明らかとなろう。

〔実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図解図である。

この実施例の相互変調歪測定装置１０は円筒金属ケース
１２を含み、この円筒金属ケース１２は、たとえば銅の
円筒に銀めっきを施されたもので、内壁の表面粗さは１
μｍ以下に仕上げられる。この円筒金属ケース１２によ
って円筒キャビティ１４が規定される。

円筒金属ケース１２の両端には、円柱状の誘電体１６が
それぞれ嵌め込まれる。そして、誘電体１６には、有底
円筒状の金属導体１８が、それぞれ、底部が内側になる
ように埋め込まれる。誘電体１６および金属導体１日は
、協働して、λ／４誘電体同軸共振器を構成する。した
がって、両者の長さは、この相互変調歪測定装置１０で
使用する電磁波の使用中心周波数の波長をλとすれば、
λ／４に設定される。

この誘電体１６および金属導体１８は金属キャビティ１
４内からの７２Ｍモードのリークを抑制するためのもの
である。たとえば、誘電体１６の直径すなわち円筒キャ
ビティ１４の内径を１２０順、金属導体１８の直径を８
０鵬、誘電体１６の比誘電率をεｒを「２」とし、そし
て中心周波数を８７０ＭＨｚとしたとき、誘電体１６お
よび金属導体１８の長さを６０ｍｍ（−λ／４）に設定
すると、帯域約１００ＭＨｚで約６０ｄＢの減衰が得ら
れた。このようにして、誘電体１６および金Ｗ！４Ｓ体
１８は円筒キャビティ１４の両端における閉塞手段とし
て作用する。

なお、誘電体１６の比誘電率εｒを大きくすれば、λ／
４の長さを短縮することが可能となり、したがって小形
化できる。

金属導体１８の中心部には、第２Ａ図からよくわかるよ
うに、誘電体１６を貫通するように、ケーブル２０がそ
れぞれ配置される。ケーブル２０の芯線は金属導体１８
とは絶縁されていて、円筒キャビティ１４内に突出する
芯線によって、第２Ｂ図からよくわかるようなアルフォ
ードループを構成し、それによって入力ループ２２が形
成される。

円筒キャビティ１４内には、たとえば発泡スチロールで
形成された支持台２４が配置される。そして、支持台２
４の上には、２つのスペーサ２８で所定間隔を隔てられ
て、被測定誘電体としての３つの誘電体共振器２６が固
定される。それぞれの誘電体共振器２６は中空誘電体共
振器として構成され、その軸線上に２つの入カル−１２
２の中心が配置される。

支持台２４の両側には、入力ループ２２との間に、それ
ぞれ、同じく発泡スチロールで形成された別の支持台３
０が配置される。この支持台３０上には、トラップ共振
器３２が固定される。このトラップ共振器３２も中空誘
電体共振器として構成され、その軸線が誘電体共振器２
６のそれと一致するように配置される。

トラップ共振器３２は、それぞれ一方の入カル−１２２
から放射された入力信号を互いに遮断するためのフィル
タとして働く。すなわち、右側に配置されているトラッ
プ共振器３２は、左側の入力ループ２２から放射された
入力信号を遮断し、左側に配置されているトラップ共振
器３２は右側の入力ループ２２から放射された入力信号
を遮断する。

このトラップ共振器３２に相当するフィルタを円筒キャ
ビティ１４の外側に設けることも考えられるが、外側に
設けた場合には、誘電体共振器２６の共振電磁界がその
外付フィルタの部分にまで及んでくるため、入力ループ
２２部分で発生した相互変調信号が誘電体共振器２６内
に入力信号とともに混入し、測定精度を低下させてしま
うことがわかった。そこで、トラップ共振器３２を誘電
体共振器２６と入力ループ２２との間に配置することに
よって、誘電体共振器２６の共振電磁界をトラップ共振
器３２間に封じ込め、一方の入力ループ２２に他方の入
力ループ２２からの相互変調信号が影響を与えないよう
にしている。そして、誘電体共振器２６とトランプ共振
器３２との間の距離を調整し７て、両者は臨界結合され
ている。

さらに、円筒キャビティ１４の長さ方向略中央部には、
たとえばＴ字型の出力ループ３４が配置される。この出
力ループ３４も、入力ループ２２がケーブル２０の芯線
を利用して形成されたように、ケーブル３６の芯線を利
用しで形成される。

第１図の相互変調歪測定装置１０は第３図で示す等価回
路のものとなる。

このような相互変調歪測定装置１０を用いた測定系が、
第４図に示すようにして構成される。たとえば高出力発
振器等で構成される信号源３８からの周波数ｆ１の高周
波信号は、所定の電圧ｉノベルに調整された後、サーキ
ュレータを経て相互変調歪測定装置１０の一方の人力ル
ープ２２に与えられる。別の信号源４０からの周波数ｒ
２の高周波信号が所定の電圧レベルに調整された後、サ
ーキュレータを経て、他方の入カル−１２２に与えられ
る。そうすると、誘電体共振器２６において周波数ｒ１
および［２の入力信号によって相互変調波が形成され、
円筒キャビティ１４内に閉じ込められる。したがって、
出力ループ３４からは周波数ｆ１およびｆ２の２つの入
力信号とともに、周波数ｆ３□１のたとえば３次の相互
変調信号が取り出される。そして、この出力信号は、バ
ンドパスフィルタ４２および増幅器４４を経て、スペク
トラムアナライザ４６に入力される。

ここで、第４図の測定系で周波数ｒ、およびｆ２の２波
の入力信号を入力して３次の相互変調波を測定する原理
について述べる。

円筒キャビティ１４内に３個の誘電体共振器２６を第１
図図示のように配置すると、円筒キャビティ１４内には
３つの共振周波数ｆＡ、ｆＢおよびｆ　を有するＴＥ　
　　　共振モード（ＡモードＣ０１δ ＢモードおよびＣモード）が存在する。Ａモードの磁界
分布および電界強度分布が第５図（Ａ）に、Ｂモードが
第５図（Ｂ）に、そしてＣモードが第５図（Ｃ）にそれ
ぞれ示される。

Ａモードは、支持台２４上に固定された３つの誘電体共
振器２６が協働して共振するモードである。Ｂモードは
、３つの誘電体共振器２６のうちの両側の２つの誘電体
共振器２６が共振するモードである。したがって、Ｂモ
ードでは、中央部の誘電体共振器２Ｇにはほとんどエネ
ルギが蓄えられない、Ｃモードは、３つの誘電体共振器
２６がそれぞれ独立して共振するモードである。

ここで、Ａモードの共振周波数ｆＡを一方の入力信号の
周波数ｆ１、Ｂモードの共振周波数ｒＢを他方の入力信
号の周波数ｆ２、Ｃモードの共振周波数ｆｃを３次の相
互変調信号の周波数ｆ３Ｈにそれぞれ一致させるように
、誘電体共振器２６間の距離およびトラップ共振器３２
の位置を調整する。そうすると、３次の相互変調信号は
、発生後減衰することなく円筒キャビティ１４内に閉じ
込められる。

第５図からもわかるように、ＡモードとＣモードとでは
位相は異なるものの、各誘電体共振器２６内に蓄えられ
るエネルギの分布は等しくなる。

したがって、両端の入力ループ２２から周波数ｆ１およ
びｆ２の入力信号をそれぞれ入力し、円筒キャビティ１
４の長さ方向中央の出力ループ３４から周波数ｆ３Ｈの
３次の相互変調信号を出力するとき、各モードにおける
ｉ番目の誘電体共振器内の電界強度をＥｉＡ、ＥｉＢお
よびＥｉＣとすると、３次の相互変調歪のレベルは次式
（１）で表される。

２Ａ なお、前述のように、　Ｂモードにおいては中央の誘電
体共振器２６内に殆どエネルギが蓄えられないので、電
界強度Ｅ２Ｂは電界強度Ｅ２Ａに比べて２０ｄＢ以上も
小さくなる。したがって、出力ループ３４での相互変調
信号の発生レベルは小さく、誘電体共振器２６自体の発
生レベルに比べて８０ｄＢ以上も小さくなって問題とは
ならなくなる。したがって、入力ループ２２もしくはそ
れ以前での相互変調信号の発生を抑えれば、出力ループ
３４によって、誘電体共振器２６のみの相互変調信号の
発生レベルを確実に測定できる。測定レベルとしては、
第６図のシュミレーションの結果に示すように、−１７
０ｄＢｃ以上が可能である。

より詳しく説明すると、周波数ωえおよびωＢの２つの
信号を被測定誘電体共振器に臨界結合で入力した場合の
入力電力をＰＡおよびＰＢとすると、誘電体共振器内に
蓄えられるエネルギＷｊＡおよびＷｊ８は次式（２）で
示される。

Ｗ２Ａ＝２ＷＩＡ ただし、ＴｄＡ、Ｂは補正項であり ｒｄＡ−０，０２５（ε、／３８．６−１．０）−１，
１３（１／ｄ−０，４）　−２，１５（ｄ／Ｄ−０，５
）γ、Ｂ＝−０．０１４　（ε、／３８．６−１゜０）
−０，７６（１／ｄ−０，４）−１，６４（ｄ／Ｄ−０
，５）・・・（２） 一方、誘電体共振器内に蓄えられるエネルギと最大電界
強度の関係は、ＦＥＭを用いた数値計算により次式（３
）で表される。

ＥｊＡ、　５＝ＦＷｊＡ、　ｓ　（１＋職、Ｂ）Ｆ＝２
．３２４Ｘ１０−３εｒ　−’　／２（ｔ）３　／また
だし、”ｄＡ、Ｂは補正項であり ’Ａｔ　Ｂ＝−０，０１５（εｒ／３８．６−１．０）
−１，１２（１／ｄ−０，４）　−０１，３（ｄ／Ｄ−
０，５）・・・（３） 前（１）式に（２）式および（３）弐を代入して整理す
ると測定用の公式として次式（４）が得られる。

した°がって、任意の電界強度における３次の相互変調
歪ＩＭ３　（Ｅ）は、周波数依存性αを考慮しなければ
、さらに次式（５）のように表される。

１Ｍ３　　（Ｅ）＝２０１ｏｇ　　　　　１０口ｉ（３
Ｍ／２０１Ｂ２ このようにして、第４図図示の測定系によって３次相互
変調信号のレベルが測定できることがわかる。

この実施例の相互変調歪測定装置１０では、前述のよう
に入力ループ２２が円筒金属ケース１２と電気的に非接
触であるので、入力系での相互変調信号の発生を４０ｄ
Ｂ以上抑制でき、このためにトータルで８０ｄＢ以上抑
制できる。これは、第６図のシュミレーションの結果に
も示されている。すなわち、この実施例では、入カル−
１２２と円筒金属ケース１２とは電気的に非接触構造に
なっているので、接触によって形成される非線形回路が
入力系には存在せず、したがって、その人力系に生じる
相互変調信号の発生が大幅に抑制される。したがって、
入力ループ２２での相互変調信号による影響はほとんど
ない。

なお、第４図に示すように、出カル−１３４から取り出
された信号はバンドパスフィルタ４２によって所定の帯
域の信号のみが取り出され、増幅器４４で増幅される。

したがって、実際の測定にあたってはバンドパスフィル
タ４２の挿入損失と増幅器４４の増幅度とを考慮した減
衰量Ａを加味する必要がある。したがって、実際の相互
変調歪ＩＭ３ＭＭのレベルは次式（６）で表される。

１Ｍ３　Ｍｌ、Ｉ＝ＩＭ３　ＭｌＡ　　　　　・・・（
６）ただし、Ａは減衰量である。

また、相互変調歪測定装置１０から漏れて空中に放射さ
れる電磁界や、電源からの廻り込み信号の影響を防ぐた
めに、相互変調歪測定装置１０自体を銅箔でシールドし
たり、ケーブルに電磁波フィルタを挿入することによっ
てほぼ完全にシールドが施される。これらによって、こ
の実施例では第７図に示すスペクトラムアナライザ４６
のデイスプレィ上の信号波形かられかるように、測定レ
ベルとして一１７０ｄＢｃを得ることができた。

そして、再現性を含めた測定誤差は２ｄＢ程度である。

ただし、第７図では、入力信号レベルｆ１およびｆ２は
それぞれ１００ｄＢ以上減衰されていることに留意され
たい。

なお、実験に用いた誘電体共振器２６の材料は（Ｚｒ−
３ｎ）Ｔｉ０４であり、その比誘電率ε「は３８．６、
ｔａｎδは０．２５Ｘ１０−’（ａｔＩＧＨｚ）、そし
て７７ｆはＯ±２　ｐｐｍ　／　’Ｃであった。

上述のように、この実施例では、３個の誘電体共振器２
６を用いたＴＥｏエモードによって、入力信号と相互変
調信号の電界強度を比較して測定するものである。した
がって、通常の伝送系の電界を単に直接測定する方法に
比べ１０倍以上の感度で測定が可能であり、実験によれ
ば電界強度範囲は５〜５５Ｖ／ｍｍであり、広範囲の電
界強度について測定が可能である。

したがって、この発明は、ＲＦ帯での誘電体材料の相互
変調歪の測定方法および装置として有用であり、移動通
信基地局送信共用装置用フィルタに用いる誘電体共振器
などの評価を正確に行うことが可能になった。

なお、この発明では、共振モードの数や共振周波数を適
当に選ぶことにより、実施例の３次に限らず、たとえば
５次以上の相互変調歪レベルの測定も可能である。

また、この実施例ではＴＥモードであったが、この発明
はＴＭモードにも適用が可能であるとともに、より高次
のモードにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図解図である。 第２Ａ図は第１図実施例の誘電体および金属導体を示す
断面図であり、第２Ｂ図は入力ループも併せて示すその
内側端面図である。 第３図は第１図実施例の等価回路図である。 第４図は第１図実施例の装置によって構成した測定系を
示すブロック図である。 第５図は円筒キャビティ内における各モードの磁界分布
および電界強度分布を示す図である。 第６図は第１図装置によるシュミレーション結果を示す
グラフである。 第７図は第４図の測定系で実際に測定した結果を示すグ
ラフである。 第８図は従来の測定系の一例を示すブロック図である。 図において、１０は相互変調歪測定装置、１２は円筒金
属ケース、１４は円筒キャビティ、１６は誘電体、１８
は金属導体、２２は入力ループ、２４．３０は支持台、
２６は誘電体共振器、３２はトラップ共振器、３４は出
力ループを示す。 特許出願人　株式会社　村田製作所 代理人　弁理士　山　１）　義　人 図 ；２Ａ−４ 第３ 「− 第 図 ３５２８図 第 矛 図 第 図 第 図 一一伽舷数 ＣＭＨｚ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　両端が電磁気的に閉塞された円筒キャビティ内に被
   測定誘電体を配置し、前記円筒キャビティの両端に設け
   られた２つの入力ループから波長の異なる入力信号を放
   射し、前記円筒キャビティに設けられた出力ループによ
   って前記円筒キャビティから出力を取り出すようにした
   、誘電体の相互変調歪測定方法。 ２　その内に被測定誘電体を配置するための円筒キャビ
   ティ、 前記円筒キャビティの両端を電磁気的に閉塞するための
   閉塞手段、 前記円筒キャビティの両端に設けられかつ前記円筒キャ
   ビティ内に互いに波長の異なる入力信号を放射するため
   の２つの入力ループ、および前記円筒キャビティ内に設
   けられかつそこから出力を取り出すための出力ループを
   備える、誘電体の相互変調歪測定装置。 ３　前記円筒キャビティ内において前記入力ループと前
   記被測定誘電体との間にそれぞれ配置されるトラップフ
   ィルタを備える、請求項２記載の誘電体の相互変調歪測
   定装置。 ４　前述のトラップフィルタは前記被測定誘電体と同じ
   材料で形成された誘電体共振器を含む、請求項３記載の
   相互変調歪測定装置。 ５　前記閉塞手段は誘電体同軸共振器を含む、請求項１
   ないし４のいずれかに記載の誘電体の相互変調歪測定装
   置。 ６　前記誘電体同軸共振器は、前記円筒キャビティの両
   端に嵌めれる円柱状の誘電体とその誘電体内に配置され
   る円筒状の金属導体とを含む、請求項５記載の誘電体の
   相互変調歪測定装置。 ７　前記入力ループはそれぞれ前記誘電体を貫通して前
   記円筒キャビティ内に臨まされる、請求項６記載の誘電
   体の相互変調歪測定装置。