WO2023119855A1 - 試料保持器およびそれを用いた開放形共振器 - Google Patents

試料保持器およびそれを用いた開放形共振器 Download PDF

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WO2023119855A1
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housing
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Inventor
由香里 齋藤
Original Assignee
Emラボ株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06Cavity resonators

Definitions

  • the present invention relates to an open resonator suitable for measuring the dielectric properties of dielectrics (the real part of the complex dielectric constant (relative dielectric constant ⁇ ') and the dielectric loss tangent (tan ⁇ )).
  • Millimeter-wave band frequencies are used in application fields such as automotive radar, optical communication, and high-speed digital equipment. Improvements in position resolution in radar, increases in communication speed in optical communication, and speeding up processing in digital equipment is an essential issue, and it is expected that the millimeter wave frequencies used will continue to increase.
  • the 75-80 GHz band, 50 GHz band, and 40 GHz band are used in the most advanced equipment, respectively, but frequencies exceeding 100 GHz are expected in the future.
  • 6G 6th generation communication network
  • 5G 5th generation communication network
  • a split-cylinder resonator is a representative device, and is used to measure the dielectric loss tangent of low-loss materials up to about 60 GHz.
  • a film-shaped or plate-shaped sample is inserted between two spherical reflectors facing each other, and an input signal with a frequency of, for example, about 100 GHz is input to measure resonance.
  • the resonance waveform is acquired by the sample, and the dielectric properties of the sample are measured.
  • a network analyzer is often used for resonance measurement.
  • a network analyzer is connected to the Fabry-Perot resonator to obtain a graph (resonance waveform) with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing transmitted signal intensity (transmission coefficient) to measure resonance characteristics.
  • the "resonance characteristic” means the resonance center frequency (resonance frequency) and the Q value (in this specification, the ratio of the center frequency to the 3 dB bandwidth is used).
  • the dielectric constant and dielectric loss tangent of the sample are obtained by calculation or simulation from the resonance characteristics with and without the sample.
  • a Fabry-Perot resonator In a Fabry-Perot resonator, there is a standing wave created by resonance, and the dielectric properties are usually measured at frequencies where the number of antinodes of the standing wave is an odd number.
  • the sample to be measured is placed in the center of the antinode, which is the center of the entire standing wave. If off-center, there is no change in the original resonance properties and errors in the measurement of the dielectric properties.
  • a conventional Fabry-Perot resonator holds a film-shaped sample horizontally. A sample is placed on a sample stage having a through hole, and a presser is placed thereon to fix the sample.
  • This method is used in conventional Fabry-Perot resonators because it can easily set a sample of any shape and can easily set even a soft sample.
  • the input signal has a low measurement frequency and a long wavelength, which was conventionally required, the adoption of this method has less restrictions on the positional accuracy of the sample placement. Depends on what you value.
  • the wavelength is much shorter than the signals of the frequencies used in the past, and in the measurement of dielectric properties using a Fabry-Perot resonator, the requirements for the accuracy of the position of the sample are becoming stricter. It's here.
  • the installation position not only the position but also the flatness is important. Since electromagnetic waves in free space are used for measurement, the position of the antinode of the standing wave must be a perfect plane, and the sample must be placed parallel to that plane without deflection or deviation. In many cases, the sample is a resin film, and when placed in a horizontal direction (perpendicular to the direction of gravity), it slightly bends under its own weight.
  • the measurement frequency When the measurement frequency is in the millimeter wave range, this slight deflection becomes a size that cannot be ignored compared to the wavelength, resulting in an error.
  • a sample holder and an open resonator using the same are provided, which can measure the dielectric properties of a film-like or plate-like sample with higher accuracy by increasing the positional accuracy of the sample to be measured when it is placed.
  • a sample holder of the present disclosure is a sample holder that holds a sample whose dielectric properties are to be measured, and includes a first holding housing having a magnetic material, and a first holding housing arranged opposite to the first holding housing, and a second holding housing having a magnet at a position facing the magnetic body, wherein the first holding housing and the second holding housing are separated by an attractive force generated between the magnetic body and the magnet.
  • the sample is clamped between the body.
  • the open resonator of the present disclosure includes the sample holder and two spherical reflectors arranged to face each other with the sample holder interposed therebetween.
  • the sample holder of the present disclosure it is possible to improve the positional accuracy of the sample by suppressing the bending and sagging of the film-shaped or plate-shaped sample when it is placed, so that the dielectric properties of the sample can be measured with high accuracy. can be done.
  • Schematic diagram of the Fabry-Perot resonator according to the first embodiment 1 is a perspective view of a sample holder of a Fabry-Perot resonator according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 shows how a sample is attached to the sample holding plate of the Fabry-Perot resonator according to the first embodiment;
  • Schematic diagram of the sample holder of the Fabry-Perot resonator according to the first embodiment viewed from the Z direction Explanatory drawing showing a cross section along the 4B-4B cross section line shown in FIG. 4A
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a Fabry-Perot resonator according to Embodiment 1.
  • the Fabry-Perot resonator 100 includes a fixing table 10, a first spherical reflector 11, a second spherical reflector 12, a sample holder 20, a position adjustment mechanism 35 and a cover. 50.
  • a Fabry-Perot resonator 100 is an example of an open resonator.
  • the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIG. 1 is used, and the X direction corresponds to the up-down direction, the Y direction to the front-rear direction, and the Z direction to the left-right direction.
  • a first spherical reflecting mirror 11 having a first reflecting spherical surface 13 and a second spherical reflecting mirror 12 having a second reflecting spherical surface 14 are mounted on a fixed base 10 so as to face each other. placed. At this time, the center of the first reflecting spherical surface 13 and the center of the second reflecting spherical surface 14 have a predetermined distance D0 between the spherical surfaces.
  • a first waveguide 41 and a second waveguide 42 are arranged at the centers of the first reflecting spherical surface 13 and the second reflecting spherical surface 14, respectively.
  • a first coupling hole 15 and a second coupling hole 16 each having a minute diameter for forming a coupling state for obtaining a desired resonance characteristic are formed at the tip opening on the spherical side of the wave tube 42 .
  • the first waveguide 41 of the first spherical reflector 11 is a signal injection part into which an input signal for measuring the dielectric properties of the sample is input, and the second waveguide of the second spherical reflector 12
  • a tube 42 is a signal detector from which a detection signal is output.
  • FIG. 2 is a perspective view of the sample holder 20.
  • the sample holder 20 has two holding housings 21A and 21B, four magnetic bodies 26, four magnets 27, and two guide shafts 28 arranged facing each other.
  • the sample holder is placed between a first spherical reflector 11 and a second spherical reflector 12 facing each other, as shown in FIG.
  • the sample holder 20 is a sample mounting mechanism for mounting a sample 33 (see FIG. 3) whose dielectric properties are to be measured (details will be described later).
  • the holding housing 21A is provided with a concave portion 22 and a through hole 24A.
  • the recess 22 has walls in the ⁇ X direction, ⁇ Y direction and ⁇ Z direction, and is open in the +X direction and +Z direction.
  • a sample holding plate 31 holding a sample 33 sandwiched between two sample holding plates 31A and 31B (collectively referred to as sample holding plates 31) is placed in the concave portion 22.
  • the through hole 24A is a circular hole that is formed in the concave portion 22 and penetrates in the Z direction.
  • Four magnetic bodies 26 and two guide shafts 28 are attached to the holding housing 21A, as shown in FIG.
  • the four magnetic bodies 26 are arranged outside the recess 22 and near four corners of the holding housing 21A so as to face the holding housing 21B.
  • the two guide shafts 28 are arranged side by side in the Y direction outside the recess 22 and protrude toward the holding housing 21B (+Z direction).
  • the holding housing 21A is an example of a first holding housing.
  • the holding housing 21B is provided with a projection 23, a through hole 24B and two bearing holes 29, as shown in FIG.
  • the convex portion 23 is provided at a position corresponding to the concave portion 22 of the holding housing 21A, protrudes in the ⁇ Z direction, and sandwiches the sample holding plate 31 with the concave portion 22.
  • the through-hole 24B is formed in the convex portion 23, is a circular hole penetrating in the Z direction, and has substantially the same diameter as the through-hole 24A.
  • Two guide shafts 28 of the holding housing 21A are inserted through the two bearing holes 29, respectively.
  • four magnets 27 are attached to the holding housing 21B.
  • the four magnets 27 are arranged outside the protrusion 23 and near four corners of the holding housing 21B so as to face the four magnetic bodies 26 attached to the holding housing 21A.
  • the attractive force generated between the four magnetic bodies 26 increases, and the holding housing 21B is attracted to the holding housing 21A along the guide shaft 28,
  • the sample holding plate 31 is sandwiched between the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B.
  • the holding housing 21B is an example of a second holding housing.
  • the position adjustment mechanism 35 has a pedestal 36 and a micrometer 37, as shown in FIG.
  • the pedestal 36 is installed so as to be movable (slidable) in the Z direction with respect to the fixed base 10 (that is, the first spherical reflector 11 and the second spherical reflector 12).
  • the operator can move the pedestal 36 by operating the micrometer 37 .
  • a holding housing 21 A of the sample holder 20 is fixed to the pedestal 36 . That is, the operator operates the micrometer 37 to move the sample holder 20 fixed to the pedestal 36 via the pedestal 36, thereby adjusting the Z-direction position of the sample 33 attached to the sample holder 20. can be adjusted.
  • the cover 50 is formed in a U-shape having a front plate made of a transparent acrylic plate, a back plate, and a top plate connecting the front plate and the back plate. As shown in FIG. 1, the front, back and top plates of the cover 50 cover the front, back and top sides of the Fabry-Perot resonator 100, respectively, when measuring the dielectric properties. When attaching the sample, the cover 50 is slid upward and removed from the Fabry-Perot resonator 100, and the space between the first spherical reflector 11 and the second spherical reflector 12 (that is, the sample holder) 20) is exposed.
  • FIG. 3 is a diagram showing attachment of a sample to the sample holding plate 31 of the Fabry-Perot resonator 100.
  • the two sample holding plates 31A and 31B have circular through holes 32A and 32B (collectively called through holes 32), respectively, and have substantially the same shape. With the sample 33 placed between the two sample holding plates 31A and 31B, the two sample holding plates 31A and 31B are overlapped so that the two through holes 32A and 32B overlap each other, so that the sample 33 is placed on the sample holding plate. 31 is attached. In this case, the sample 33 is exposed from the through hole 32 .
  • the two sample holding plates 31A and 31B are aluminum plates (aluminum plates). Other nonmagnetic metal or resin plates may be used as the two sample holding plates 31A and 31B.
  • FIG. 4A is a schematic view of the sample holder 20 in a state in which the sample holding plate 31 holding the sample 33 is sandwiched, viewed from the Z direction
  • FIG. 4B shows a cross section taken along the 4B-4B cross section line shown in FIG. 4A.
  • FIG. 4C shows a section along section line 4C-4C shown in FIG. 4A.
  • the force of attraction generated between the four magnetic bodies 26 and the four magnets 27 causes the sample holding plate 31 holding the sample 33 to move between the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B. (see FIG. 4B).
  • FIG. 4B shows a schematic view of the sample holder 20 in a state in which the sample holding plate 31 holding the sample 33 is sandwiched, viewed from the Z direction
  • FIG. 4B shows a cross section taken along the 4B-4B cross section line shown in FIG. 4A.
  • FIG. 4C shows a section along section line 4C-4C shown in FIG. 4A.
  • the film-like sample 33 is held by the sample holder 20 parallel to the XY plane (that is, in the vertical direction (the direction parallel to the direction of gravity)). Further, in a state in which the sample holding plate 31 is sandwiched between the sample holders 20, the through holes 32A and 32B are arranged at positions corresponding to the through holes 24A and 24B. In Embodiment 1, the diameters of the through holes 32A, 32B are smaller than the diameters of the through holes 24A, 24B.
  • the diameters of the through-holes 32A and 32B are equal to or less than the diameters of the through-holes 24A and 24B, the slack of the sample 33 is suppressed, and the sample is securely held by the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B.
  • a holding plate 31 can be sandwiched.
  • the magnetic body 26 and the magnet 27 are not in direct contact with each other while holding the sample 33, and there is a gap G therebetween.
  • the gap G it becomes easier to separate the holding housing 21B from the holding housing 21A when removing the sample holding plate 31 from the sample holder 20, compared to the case of direct contact. That is, since the holding housing 21B can be moved away from the holding housing 21A relatively easily, it is possible to avoid applying force to other components such as the position adjusting mechanism 35 and moving them.
  • the resonator body moves, the stress from the connected waveguide or cable changes, and the inter-spherical distance D0 between the pair of facing spherical reflectors changes.
  • the resonance frequency changes, resulting in a measurement error.
  • a change of 1 ⁇ m in the distance D0 between the spherical surfaces results in an error of about 1% in the dielectric constant of a standard sample.
  • the error is about several percent, which is out of the allowable range.
  • the structure is such that the magnet 27 does not come into direct contact with the magnetic body 26.
  • an iron countersunk screw is used as the magnetic body 26 .
  • the magnetic body 26 can be easily attached to the holding housing 21A. Further, by using a screw as the magnetic body 26 and rotating it, the gap G between the magnetic body 26 and the magnet 27 can be easily adjusted.
  • the guide shaft 28 of Embodiment 1 is made of fluororesin (PTFE: polytetrafluoroethylene).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the sliding friction between the guide shaft 28 and the bearing hole 29 of the holding housing 21B is reduced, and the magnetic force of the magnet 27 is not increased more than necessary.
  • a metal shaft coated with fluororesin may be used, or the bearing hole 29 may be coated with fluororesin.
  • the procedure (steps) for measuring dielectric properties with the Fabry-Perot resonator 100 is as follows. 1) Cable the Fabry-Perot resonator 100, the network analyzer and the controller. 2) With no sample attached (no sample), the resonance characteristic (first resonance characteristic) is measured at the resonance frequency to be measured, and the Q value Qempty is obtained from the bandwidth of the resonance waveform. 3) Measure five resonances including the resonance at the frequency to be measured and the resonances before and after that, and calculate the inter-spherical distance D0 between the reflecting spherical surfaces from the five resonance frequencies.
  • the dielectric constant ⁇ of the sample ' and the dielectric loss tangent tan ⁇ are calculated.
  • step 4 for example, as shown in FIG. 2, the sample holding plate 31 with the sample 33 sandwiched therebetween is placed in the recess of the holding housing 21A while the holding housing 21B is kept away from the holding housing 21A. do. Thereafter, when the holding housing 21B is brought closer to the holding housing 21A, the attractive force generated between the magnetic body 26 and the magnet 27 gradually increases, and the holding housing 21B naturally moves along the guide shaft 28. It is attracted to the body 21A. At this time, the sample holding plate 31 is sandwiched between the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B, and the sample 33 sandwiched between the sample holding plates 31 maintains high flatness. It is held by the sample holder 20 in the state of being held.
  • the sample holder 20 for holding the sample 33 whose dielectric properties are to be measured is arranged so as to face the holding housing 21A having the magnetic material 26 and the holding housing 21A. and a holding housing 21B having a magnet 27 .
  • the attractive force generated between the magnetic body 26 and the magnet 27 holds the sample 33 between the holding housings 21A and 21B.
  • the film-like or plate-like sample can be restrained from sagging or sagging when placed, and the small-sized sample holder 20 can be configured with a mechanically simple and simple configuration.
  • the structure for that will be large, and the Fabry-Perot resonator will be meaninglessly large.
  • a large structure not only deteriorates usability, but also becomes susceptible to thermal expansion and vibration, making it impossible to obtain stable resonance.
  • large and complex metal structures have features such as gaps, holes, protrusions, etc., all of which form some sort of "resonator".
  • a structure with complicated unevenness causes unnecessary resonance, leading to deterioration of the performance as a resonator.
  • the sample holder 20 has a gap G between the magnetic body 26 and the magnet 27 while holding the sample 33 .
  • the thickness of the sample 33 ranges from several ⁇ m to about 200 ⁇ m.
  • the sample 33 may not be held securely.
  • the sample is held with a constant force, so the reproducibility of measurement results is improved.
  • the holding housing 21A of the sample holder 20 has the recess 22 in which the sample 33 is placed.
  • the sample 33 can be securely held between the holding housing 21B and the projection 23 of the holding housing 21B.
  • the holding housing 21A of the sample holder 20 has the guide shaft 28, and the holding housing 21B is movable along the guide shaft 28.
  • the sample 33 can be reliably held between the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B.
  • the sample holder 20 holds the sample 33 via the sample holding plate 31. As a result, even a relatively thin and soft sample 33 can be easily attached to the sample holder 20 and can be held with high flatness.
  • the holding housing 21A of the sample holder 20 is fixed to the pedestal 36 of the position adjusting mechanism 35 that adjusts the position of the sample 33.
  • the sample 33 can be mounted by sliding the holding housing 21B along the guide shaft 28 while the holding housing 21A is fixed.
  • the sample holder 20 holds the sample 33 vertically.
  • the film-shaped sample 33 can be held in a state in which deflection due to its own weight is suppressed.
  • the Fabry-Perot resonator 100 includes the sample holder 20, and the first spherical reflector 11 and the second spherical reflector 12 arranged to face each other with the sample holder 20 interposed therebetween. Accordingly, the resonance characteristics of the sample 33 can be measured while the sample 33 is held with high flatness, and the dielectric characteristics of the sample 33 can be measured with high accuracy.
  • the sample holder 20 of Embodiment 1 In the sample holder 20 of Embodiment 1, four magnetic bodies 26 are arranged in the vicinity of four corners of the holding housing 21A, respectively, and four magnets are arranged at the positions of the holding housing 21B corresponding to the four magnetic bodies 26. 27 are arranged respectively, the number of magnetic bodies 26 and magnets 27 is not limited to four, and may be three or less or five or more as long as the sample 33 can be held.
  • the magnetic body 26 is arranged in the holding housing 21A and the magnet 27 is arranged in the holding housing 21B.
  • a magnet may be arranged in the housing 21A, and a magnetic body may be arranged in the holding housing 21B.
  • the magnetic material 26 may be used as a magnet, and magnets may be arranged in both the holding housing 21A and the holding housing 21B.
  • the two holding housings 21A and 21B are aligned using the two guide shafts 28 and the two bearing holes 29 corresponding to them.
  • the number of bearing holes 28 and corresponding bearing holes 29 is not limited to two, and may be one or three or more.
  • the guide shaft 28 is arranged in the holding housing 21A and the guide shaft 28 is inserted through the bearing hole 29 of the holding housing 21B. It is also possible to dispose the guide shaft in the housing 21A and insert the guide shaft through a bearing hole provided in the holding housing 21A.
  • Embodiment 1 shows an example in which the sample 33 is held in the sample holder 20 while being sandwiched between the sample holding plates 31 .
  • the sample 33 can be directly clamped and held by the sample holder 20 without using the sample holding plate 31 .
  • the sample 33 is sandwiched between the concave portion 22 of the holding housing 21A and the convex portion 23 of the holding housing 21B by the attractive force generated between the four magnetic bodies 26 and the four magnets 27, and is sufficiently It is held by the sample holder 20 with good flatness.
  • the sample holding plate 31 holding the sample 33 therebetween is arranged in the concave portion 22 of the holding housing 21A and sandwiched between the convex portion 23 of the holding housing 21B.
  • 33 has been described.
  • a convex portion is provided on the holding housing 21A
  • a concave portion corresponding to the convex portion is provided on the holding housing 21B
  • a sample holding plate 31 with a sample 33 sandwiched therebetween is arranged in the concave portion provided on the holding housing 21B. It is also possible to hold the sample 33 by sandwiching it between the projections provided on the .
  • the sample 33 may be held in the horizontal direction. That is, the Fabry-Perot resonator 100 can also be used in a state rotated by 90 degrees along the ZX plane. As described above, considering the deflection that occurs when the sample 33 is placed horizontally, the placement in the vertical direction is advantageous for the positional accuracy of the sample 33 . However, even when the sample 33 is held in the horizontal direction, depending on conditions such as the rigidity and thickness of the sample 33 and the size of the through hole 32 of the sample holding plate 31, if the deflection is relatively small, it may not be practical. With the sample holder 20 described in the first embodiment, bending and sagging of the sample 33 can be suppressed, and the sample 33 can be arranged with high precision.
  • the first waveguide 41 and the second waveguide 42 are used for the signal injection section and the signal detection section, respectively.
  • Coaxial cables with loop antennas at their ends can also be used instead of the first waveguide 41 and the second waveguide 42, depending on the measurement frequency.
  • the open resonator of the present invention is suitable for measuring the dielectric properties of film-like or plate-like samples with higher accuracy.

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Abstract

フィルム状または板状の試料の誘電特性をより高精度に測定するための試料保持器およびそれを用いた開放形共振器を提供する。誘電特性を測定する試料を保持する試料保持器は、磁性体を有する第1の保持筐体と、第1の保持筐体に対向して配置され、その磁性体に対向する位置に磁石を有する第2の保持筐体と、を備える。試料保持器は、磁性体と磁石との間に生じる引力によって、第1の保持筐体と第2の保持筐体との間に試料を挟持する。

Description

試料保持器およびそれを用いた開放形共振器
 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、互いに対向して配置された2つの球面反射鏡の間にフィルム状または板状に加工した試料を挿入し、例えば、100GHz程度の周波数の入力信号を入力して共振測定を行って共振波形を取得し、その試料の誘電特性を測定する。共振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ファブリペロ共振器につないで、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(共振波形)を取得し、共振特性を測定する。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。
 ファブリペロ共振器では共振によって作られる定在波が存在し、定在波の腹の数が奇数となる周波数において、誘電特性の測定を行うことが通常である。測定試料は定在波全体の中心にある腹の中央に設置し、試料がない場合の共振特性と試料を設置した状態での共振特性との差分から誘電率を計算するため、試料位置が腹の中心からずれると、本来の共振特性の変化が生じず、誘電特性の測定に誤差が生じる。従来のファブリペロ共振器ではフィルム状の試料を水平の状態で保持している。貫通孔を有する試料台の上に試料を置き、その上に押えを置くことで試料を固定している。この方式は、任意の形状の試料を簡単に設置することができ、また、柔らかい試料でも設置することが容易であるので、従来のファブリペロ共振器に採用されている。この方式の採用は、従来必要とされていた入力信号の測定周波数が低く、波長が長い場合は、試料の設置位置精度に対する制約が緩いため、試料の設置位置精度よりも設置のしやすさが重視されことによる。
 ミリ波、サブミリ波においては、従来、用いられた周波数の信号に比べて大幅に波長が短くなり、ファブリペロ共振器を用いた誘電特性の測定において、試料の設置位置の精度への要求が厳しくなってきた。設置位置は、位置だけでなく、平面度が重要である。測定には自由空間の電磁波を用いるため、定在波の腹の位置は完全な平面であり、試料をその平面にたわみやずれなく平行に設置する必要がある。多くの場合、試料は樹脂フィルムであり、水平方向(重力方向と直角をなす方向)に置くと少しではあるが自重でのたわみが生じる。測定周波数がミリ波領域になると、この少しのたわみが波長に比べて無視できない大きさとなり、誤差が生じる。市場で要求される比誘電率の誤差の許容値は約1%であり、たわみによる比誘電率の測定誤差への寄与は0.1%程度に抑える必要がある。試料位置が位相換算で2度ずれると、比誘電率の測定誤差が約0.1%生じる。よって、試料位置は波長の1/180(=2/360)以内の精度で設置する必要がある。100GHzのミリ波の場合、これは17μm程度となり、小さなたわみも許容できなくなっている。
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)
 測定試料の設置時の位置精度を高めることにより、フィルム状または板状の試料の誘電特性をより高精度に測定することができる試料保持器およびそれを用いた開放形共振器を提供する。
 本開示の試料保持器は、誘電特性を測定する試料を保持する試料保持器であって、磁性体を有する第1の保持筐体と、前記第1の保持筐体に対向して配置され、前記磁性体に対向する位置に磁石を有する第2の保持筐体と、を備え、前記磁性体と前記磁石との間に生じる引力によって、前記第1の保持筐体と前記第2の保持筐体との間に前記試料を挟持する。また、本開示の開放形共振器は、前記試料保持器と、前記試料保持器を挟んで、互いに対向して配置される2つの球面反射鏡を、備える。
  本開示の試料保持器によれば、フィルム状または板状の試料の設置時のたわみやたるみを抑えることにより、試料の位置精度を高めることできるので、試料の誘電特性を高精度に測定することができる。
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の試料保持器の斜視図 実施の形態1に係るファブリペロ共振器の試料保持板への試料の取付を示す図 実施の形態1に係るファブリペロ共振器の試料保持器のZ方向から見た模式図 図4Aに示す4B-4B断面線による断面を示す説明図 図4Aに示す4C-4C断面線による断面を示す説明図
 (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の模式図である。図1に示すように、実施の形態1に係るファブリペロ共振器100は、固定台10、第1の球面反射鏡11、第2の球面反射鏡12、試料保持器20、位置調整機構35および覆い50を有する。ファブリペロ共振器100は、開放形共振器の一例である。以下の説明では、図1に示すXYZ直交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、第1の反射球面13を有する第1の球面反射鏡11と第2の反射球面14を有する第2の球面反射鏡12が、互いに対向して配置される。このとき、第1の反射球面13の中心と第2の反射球面14の中心とは、所定の球面間距離D0を有する。第1の反射球面13および第2の反射球面14の中心には、それぞれ第1の導波管41および第2の導波管42が配置され、第1の導波管41および第2の導波管42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第1の結合孔15および第2の結合孔16がそれぞれ形成されている。第1の球面反射鏡11の第1の導波管41は試料の誘電特性の測定のための入力信号が入力され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42は検出信号が出力される信号検出部である。
 図2は、試料保持器20の斜視図である。図2に示すように、試料保持器20は、互いに対向して配置される2つの保持筐体21A、21B、4つの磁性体26、4つの磁石27および2つのガイドシャフト28を有する。試料保持器は、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との間に配置される。試料保持器20は、誘電特性の測定の対象となる試料33(図3参照)を取り付ける試料取付機構である(詳細は後述する)。
 保持筐体21Aには、図2に示すように、凹部22と貫通孔24Aが設けられている。凹部22は、-X方向、±Y方向および-Z方向側に壁を有し、+X方向および+Z方向側が開放された形状である。凹部22には、2つの試料保持板31A、31B(総称して、試料保持板31という)の間に試料33を挟んで保持した試料保持板31が載置される。貫通孔24Aは、凹部22に形成され、Z方向に貫通する円形状の孔である。保持筐体21Aには、図2に示すように、4つの磁性体26および2つのガイドシャフト28が取り付けられている。4つの磁性体26は、凹部22の外側であって保持筐体21Aの4つの角の近傍に、保持筐体21Bに対向するように配置される。2つのガイドシャフト28は、凹部22の外側にY方向に並んで配置され、保持筐体21Bの側(+Z方向)に突出している。保持筐体21Aは第1の保持筐体の一例である。
 保持筐体21Bには、図2に示すように、凸部23、貫通孔24Bおよび2つの軸受け孔29が設けられている。凸部23は、保持筐体21Aの凹部22と対応する位置に設けられ、-Z方向に突出し、凹部22との間で試料保持板31を挟持する。貫通孔24Bは、凸部23に形成され、Z方向に貫通する円形状の孔であり、貫通孔24Aと実質的の同一の径を有する。2つの軸受け孔29には、保持筐体21Aの2つのガイドシャフト28が、それぞれ挿通される。保持筐体21Bには、図2に示すように、4つの磁石27が取り付けられている。4つの磁石27は、凸部23の外側であって保持筐体21Bの4つの角の近傍に、保持筐体21Aに取り付けられた4つの磁性体26にそれぞれ対向するように配置される。4つの磁石27が4つの磁性体26に近づくと、4つの磁性体26との間に生じる引力が大きくなり、保持筐体21Bは、ガイドシャフト28に沿って、保持筐体21Aに引き寄せられ、試料保持板31は、保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23との間で挟持される。保持筐体21Bは第2の保持筐体の一例である。
 位置調整機構35は、図1に示すように、台座36およびマイクロメータ37を有する。台座36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Z方向に可動(スライド)するように設置されている。作業者はマイクロメータ37を操作することにより台座36を可動させることができる。台座36には、試料保持器20の保持筐体21Aが固定されている。即ち、作業者は、マイクロメータ37を操作して台座36を介して台座36に固定された試料保持器20を可動させることにより、試料保持器20に取り付けられた試料33のZ方向の位置を調整することができる。
 覆い50は、透明のアクリル板からなる前板、背板および前板と背板とを接続する天板を有してコの字形状に形成されている。図1に示すように、誘電特性の測定時においては、覆い50の前板、背板および天板は、それぞれファブリペロ共振器100の前面側、背面側および上面側を覆う。また、試料取付時においては、覆い50は上方にスライドされてファブリペロ共振器100から外され、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(即ち、試料保持器20が配置される空間)が露出した状態となっている。
 図3は、ファブリペロ共振器100の試料保持板31への試料の取付を示す図である。2つの試料保持板31A、31Bは、円形状の貫通孔32A、32B(総称して、貫通孔32という)をそれぞれ有し、実質的に同一の形状を有する。2つの試料保持板31A、31Bの間に試料33を配置した状態で、2つの貫通孔32A、32Bが重なるように2つの試料保持板31A、31Bを重ね合わせることにより、試料33が試料保持板31に取り付けられる。この場合、貫通孔32から試料33が露出した状態となる。実施の形態1では、2つの試料保持板31A、31Bはアルミニウム製の板(アルミ板)である。2つの試料保持板31A、31Bとして他の非磁性の金属や樹脂の板を用いてもよい。
 次に、試料保持器20の詳細を説明する。図4Aは、試料33を保持した試料保持板31を挟持した状態における試料保持器20のZ方向から見た模式図であり、図4Bは、図4Aに示す4B-4B断面線による断面を示し、図4Cは、図4Aに示す4C-4C断面線による断面を示している。前述のように、4つの磁性体26と4つの磁石27との間に生じる引力によって、試料33を保持した試料保持板31は、保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23との間で挟持される(図4B参照)。この場合、図4Bに示すように、フィルム状の試料33は、XY平面に平行(即ち、垂直方向(重力方向と平行な方向))に、試料保持器20に保持される。また、試料保持板31が試料保持器20に挟持された状態で、貫通孔32A、32Bは貫通孔24A、24Bに対応した位置に配置される。実施の形態1では、貫通孔32A、32Bの径は貫通孔24A、24Bの径よりも小さい。貫通孔32A、32Bの径を貫通孔24A、24Bの径以下に設定することにより、試料33のたるみを抑えて保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23とにより確実に試料保持板31を挟持することができる。
 また、図4Cに示すように、試料33を保持した状態で、磁性体26と磁石27とは直接接触せず、間隙Gを有する。間隙Gを有することにより、直接接触している場合に比べて、試料保持板31を試料保持器20から取り外す際の保持筐体21Aから保持筐体21Bを遠ざける作業がしやすくなる。即ち、比較的容易に保持筐体21Aから保持筐体21Bを遠ざけることができるため、位置調整機構35等の他の構成要素に力が加わってそれらを動かしてしまうことを避けることができる。共振器本体が動くと、接続されている導波管やケーブルからの応力が変化し、対面している一対の球面反射鏡間の球面間距離D0が変化する。これにより、共振周波数が変化し、測定誤差となる。球面間距離D0の1μmの変化で、標準的な試料の場合、比誘電率で1%程度の誤差となる。実際、共振器本体の少しの動きでも数μmの変化が観測されているので、誤差としては数%程度になり、許容範囲外となる。磁性体26に直接接触してしまった磁石27を引きはがす際に共振器本体が動いてしまうかす危険を回避するためにも、磁石27が直接、磁性体26と接触しない構造としている。
 実施の形態1の試料保持器20では、磁性体26として、鉄製の皿ネジを用いている。これにより、容易に保持筐体21Aに磁性体26を取り付けることができる。また、磁性体26としてネジを用い、それを回転させることにより、磁性体26と磁石27との間隙Gを容易に調整することができる。
 実施の形態1のガイドシャフト28は、フッ素樹脂(PTFE:ポリテトラフルオロエチレン)製である。これにより、ガイドシャフト28と保持筐体21Bの軸受け孔29との間の摺動時の摩擦が小さくなり、磁石27の磁力を必要以上に大きくすることなく、保持筐体21Bを保持筐体21Aに引き寄せることができる。なお、ガイドシャフト28として、フッ素樹脂コーティングを施した金属製のシャフトを用いてもよいし、軸受け孔29にフッ素樹脂コーティングを施してもよい。
 (誘電特性の測定)
 ファブリペロ共振器100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100、ネットワークアナライザおよびコントローラ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、反射球面間の球面間距離D0を計算で求める。
 4)覆い50を外して試料33挟んだ試料保持板31を試料保持器20に装着した後、覆い50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37を操作して、試料33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33の位置を合わせる)。
 6)試料33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33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33の厚さt、球面間距離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33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4)においては、例えば、図2に示すように、保持筐体21Aから保持筐体21Bを遠ざけた状態で、試料33を挟んだ試料保持板31を保持筐体21Aの凹部に載置する。その後、保持筐体21Bを保持筐体21Aに近づけると、徐々に磁性体26と磁石27との間に生じる引力が大きくなり、保持筐体21Bは、ガイドシャフト28に沿って、自然と保持筐体21Aに引き寄せられる。このとき、試料保持板31は、保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23との間で挟持され、試料保持板31に挟まれている試料33は、高い平面度を保った状態で試料保持器20に保持される。
 (効果等)
 前述の通り、誘電特性を測定する試料33を保持する試料保持器20は、磁性体26を有する保持筐体21Aと、保持筐体21Aに対向して配置され、磁性体26に対向する位置に磁石27を有する保持筐体21Bと、を備える。磁性体26と磁石27との間に生じる引力によって、保持筐体21Aと保持筐体21Bとの間に試料33を挟持する。これにより、機械的に単純かつ簡素な構成でフィルム状または板状の試料の設置時のたわみやたるみを抑えることができるとともに、小型の試料保持器20を構成することができる。
 例えば、バネやレバーを使って測定試料を保持しようとすると、そのための構造体が大きくなり、ファブリペロ共振器が無意味に大きくなってしまう。大きな構造体は、使い勝手が悪化するだけでなく、熱膨張や振動の影響を受けやすくなり、安定した共振が得られない。また、大きく複雑な金属の構造体は隙間、穴、突起などの形状を有しており、これらの形状はすべて何らかの「共振器」を形成する。複雑な凹凸のある構造は不要共振を生じさせ、共振器としての性能劣化につながる。さらに、レバーを用いた機構では、レバーを締める瞬間に加わる力により共振器本体が動いてしまう危険があり、共振器本体が動いた場合の誘電特性の測定に与える影響は前述のとおりである。また、ネジを用いて試料を挟んだ保持筐体を手作業で締め付ける構造では、まず、作業性が悪い。さらに、ネジの締め圧が各所で同一にならないことで、試料に不均一な圧力がかかり、試料の保持状態の形状に歪が生じる。この歪は、誘電特性の測定値に誤差を生じさせる。
 前述の通り、試料保持器20は、試料33を保持した状態で、磁性体26と磁石27との間に間隙Gを有する。これにより、様々な厚みを有する試料33に対応することができる。試料33の厚みには、数μmから200μm程度の範囲がある。特に、厚みの薄い試料33の場合、磁石27と磁性体26が直接に接触すると、試料33を確実に挟持できない可能性がある。また、同じ試料を再度装着した場合にも一定の力で試料を押さえるため、測定結果の再現性が高まる。
 前述の通り、試料保持器20の保持筐体21Aは、試料33が配置される凹部22を有する。これにより、保持筐体21Bの凸部23との間で確実に試料33を挟持することができる。
 前述の通り、試料保持器20の保持筐体21Aはガイドシャフト28を有し、保持筐体21Bはガイドシャフト28に沿って可動する。これにより、保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23との間に確実に試料33を挟持することができる。
 前述の通り、試料保持器20は、試料保持板31を介して試料33を保持する。これにより、比較的薄く、柔らかい試料33であっても、試料保持器20への装着が容易となるとともに、高い平面度を保って保持することができる。
 前述の通り、試料保持器20の保持筐体21Aは、試料33の位置を調整する位置調整機構35の台座36に固定される。これにより、保持筐体21Aが固定された状態で、保持筐体21Bをガイドシャフト28に沿ってスライドさせて、試料33を装着することができる。
 前述の通り、試料保持器20は、試料33を垂直方向に保持する。これにより、フィルム状の試料33の自重によるたわみを抑えた状態で、試料33を保持することができる。
 前述の通り、ファブリペロ共振器100は、試料保持器20と、試料保持器20を挟んで、互いに対向して配置される第1の球面反射鏡11および第2の球面反射鏡12を、備える。これにより、試料33が高い平面度を保って保持されている状態で、試料33の共振特性を測定することができ、試料33の誘電特性を高い精度で測定することができる。
 (他の実施の形態)
 実施の形態1の試料保持器20では、保持筐体21Aの4つの角の近傍に4つの磁性体26をそれぞれ配置し、4つの磁性体26に対応する保持筐体21Bの位置に4つの磁石27をそれぞれ配置したが、磁性体26および磁石27の数は4つに限られず、試料33を保持することが可能であれば、3つ以下でも5つ以上でもよい。
 実施の形態1の試料保持器20では、保持筐体21Aに磁性体26を配置し、保持筐体21Bに磁石27を配置する構成を説明したが、磁性体26と磁石27を入れ替えて、保持筐体21Aに磁石を配置し、保持筐体21Bに磁性体を配置してもよい。また、磁石は磁性体の一種であるので、磁性体26を磁石として、保持筐体21Aと保持筐体21Bの両方に磁石を配置してもよい。
 実施の形態1の試料保持器20では、2つのガイドシャフト28とそれらに対応する2つの軸受け孔29とにより、2つの保持筐体21A、21Bの位置合わせを行う例を示したが、ガイドシャフト28とそれに対応する軸受け孔29の数は2つに限られず、1つでも3つ以上でもよい。また、実施の形態1の試料保持器20では、保持筐体21Aにガイドシャフト28を配置し、保持筐体21Bの軸受け孔29にガイドシャフト28を挿通する例を示したが、保持筐体21Bにガイドシャフトを配置し、保持筐体21Aに設けられた軸受け孔にガイドシャフトを挿通するように構成することもできる。
 実施の形態1では、試料33を試料保持板31に挟んだ状態で試料保持器20に保持する例を示した。試料33の自立性、厚みによっては、試料保持板31を用いることなく、試料33を直接、試料保持器20に挟持し保持することも可能である。この場合も、試料33は、4つの磁性体26と4つの磁石27との間に生じる引力によって、保持筐体21Aの凹部22と保持筐体21Bの凸部23との間で挟持され、十分な平面度を有して、試料保持器20に保持される。
 実施の形態1の試料保持器20では、試料33を挟んだ試料保持板31を保持筐体21Aの凹部22に配置し、保持筐体21Bの凸部23との間で挟持することにより、試料33を保持する例を説明した。保持筐体21Aに凸部を設け、その凸部に対応した凹部を保持筐体21Bに設け、保持筐体21Bに設けた凹部に試料33を挟んだ試料保持板31を配置し保持筐体21Bに設けた凸部との間で挟持することにより、試料33を保持することも可能である。
 実施の形態1では、試料保持器20により試料33が垂直方向に保持される例を説明したが、試料33は水平方向に保持されてもよい。即ち、ファブリペロ共振器100をZX平面に沿って90度回転させた状態で使用することもできる。前述のように、試料33を水平方向に配置した場合に生じるたわみを考慮すると、試料33の位置精度に対しては垂直方向の配置が有利である。しかしながら、試料33が水平方向に保持される場合であっても、試料33の剛性、厚み、試料保持板31の貫通孔32の大きさ等の条件によって、たわみが比較的小さい場合は、実施の形態1で説明した試料保持器20によって、試料33のたわみやたるみを抑えて、試料33を高精度に配置することができる。
 実施の形態1のファブリペロ共振器100では、信号注入部および信号検出部に第1の導波管41および第2の導波管42をそれぞれ用いた。測定周波数に応じて、第1の導波管41および第2の導波管42に代えて、先端にループアンテナを有する同軸ケーブルを用いることもできる。
 本発明の開放形共振器は、フィルム状または板状の試料の誘電特性をより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
13 第1の反射球面
14 第2の反射球面
15 第1の結合孔
16 第2の結合孔
20 試料保持器
21A、21B 保持筐体
22 凹部
23 凸部
24A、24B 貫通孔
26 磁性体
27 磁石
28 ガイドシャフト
29 軸受け孔
31、31A、31B 試料保持板
32、32A、32B 貫通孔
33 試料
35 位置調整機構
36 台座
37 マイクロメータ
41 第1の導波管
42 第2の導波管
50 覆い
100 ファブリペロ共振器
D0 球面間距離
G 間隙

Claims (8)

  1.  誘電特性を測定する試料を保持する試料保持器であって、
     磁性体を有する第1の保持筐体と、
     前記第1の保持筐体に対向して配置され、前記磁性体に対向する位置に磁石を有する第2の保持筐体と、を備え、
     前記磁性体と前記磁石との間に生じる引力によって、前記第1の保持筐体と前記第2の保持筐体との間に前記試料を挟持する、
    試料保持器。
  2.  前記試料を保持した状態で、前記磁性体と前記磁石との間に間隙を有する、請求項1に記載の試料保持器。
  3.  前記第1の保持筐体または前記第2の保持筐体は、前記試料を配置する凹部を有する、請求項1または2に記載の試料保持器。
  4.  前記第1の保持筐体および前記第2の保持筐体うちの一方の保持筐体はガイドシャフトを有し、
     前記一方の保持筐体と異なる他方の保持筐体は前記ガイドシャフトに沿って可動する、
    請求項1または2に記載の試料保持器。
  5.  前記試料を、試料保持板を介して保持する、請求項1または2に記載の試料保持器。
  6.  前記第1の保持筐体または前記第2の保持筐体は、前記試料の位置を調整する位置調整機構の台座に固定される、請求項1または2に記載の試料保持器。
  7.  前記試料を垂直方向に保持する、請求項1または2に記載の試料保持器。
  8.  請求項1または2に記載の試料保持器と、
     前記試料保持器を挟んで、互いに対向して配置される2つの球面反射鏡を、備える、
    開放形共振器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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