(57)【要約】【課題】波長に比べて十分に小さな寸法の被測定試料の誘電率などの材料特性を，広帯域の周波数について，機械的な加工精度の厳しい要求なしに，簡便に計測できる高周波材料定数測定システムを提供すること。【解決手段】自由空間において，送信アンテナにより発生した任意の周波数の既知の強度の放射電界中に被測定試料を設置し，その誘電分極により生じる散乱波電界を，遠方の既知の距離に設置した受信アンテナにより計測する。その散乱波による電界強度が，散乱体である被測定試料の誘電率と一意に定まる関係にあることを用いて，試料の高周波誘電率を推定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射電磁界の発生機構を持ち，発生した放射電磁界中に設置した被測定試料から散乱する散乱波電磁界を計測することにより被測定試料の材料定数を測定することを特徴とする高周波材料定数測定システム。
【請求項２】
放射電磁界発生機構において発生する電磁界の周波数および強度並びに偏波を可変できる機構を持つことを特徴とする請求項１に記載した高周波材料定数測定システム。
【請求項３】
請求項１に記載の高周波材料定数測定装置において被測定試料の複素誘電率を測定することを特徴とする高周波材料定数測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，高周波誘電率や高周波誘電損失などの高周波材料定数の測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子情報機器や移動通信機器などの高周波数化が進む電子機器装置では，基本的な部品材料であるコンデンサや配線基板等の性能評価が重要である。高周波信号に対する電気的性能に関わる材料定数の代表例としては誘電率および誘電損失，あるいは複素誘電率があり，これまでに様々な測定評価手法が発明されている。
【０００３】
従来のこれら材料特性の評価法の分類としては，平行金属板法，導波管法，共振器法，自由空間法に大別でき，それぞれの測定法上の特徴に合わせ，被評価対象物や評価項目により使い分けが行われている（非特許文献１参照）。すなわちこれらの方法には，測定可能な周波数範囲，測定試料の機械的加工に関する精度要求，得られる測定値の精度，などに関して長短およびトレードオフが存在している。
【０００４】
上記方式の中で，自由空間法は，測定可能な周波数範囲が広く，かつ被測定試料の加工精度への要求がそれほど厳しくないという特徴を持つが，放射電磁波を被測定試料に照射し被測定試料からの反射波や透過波の強度または偏波を計測するという原理上，測定波長に対して被測定試料の大きさが十分に大きい必要があった。
【０００５】
本発明は，被測定試料の形状精度要求が緩くまた幅広い周波数に対応できるといった特徴を有する上記自由空間法に分類されるものである。本発明の方法は，従来の他の自由空間法が被測定試料に関する反射波や透過波または偏波を用いるのに対し，被測定試料からの散乱波を計測して材料定数を推定するものである。散乱波を用いる方法では，被測定試料の寸法は測定波長（例えば周波数1GHzでは300mm）の1/10以下であれば良く，さらに，被測定試料の体積が正確に与えられれば被測定試料の形状効果は補正が可能であるという特徴を有する。さらに，液体の誘電率に関しても適切な容器に封入することで容易に測定可能であり，電子部品評価以外にも応用ができる。
【０００６】
本発明は，幅広い測定周波数に渡り，被測定試料に精密な機械加工を要求せず，簡便・迅速に誘電率の計測ができるシステムを提供するものである。
【０００７】
これまで，電波源から近傍から遠方に至る任意空間におけるノイズ計測を目的として，誘電体散乱プローブを用いた電界計測手法の開発が行われている（非特許文献２および非特許文献３参照）。この計測手法では，散乱体位置の電界強度と散乱体の誘電率，および散乱波電力の間に一意に定まる関係があることを利用している（駒木根隆士ほか，「誘電体散乱球を用いた電磁界計測手法」，電子情報通信学会技術研究報告，ｖｏｌ．ＥＭＣＪ２００７，ｎｏ．７７，ｐｐ．１３５−１３９，２００７年参照）。そこで，この電界計測とは逆に，既知の電界を未知の誘電率を持つ散乱体に印加したときの散乱波を計測すれば，前記関係から，誘電率を推定できることになる。上記関係の理論的な検討および散乱波電界計測実験結果から，誘電率推定の定量的な妥当性が明らかになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】橋本修著  「高周波領域における材料定数測定法」森北出版  ２００３年
【非特許文献２】Ａ．Ｌ．Ｃｕｌｌｅｎ  ａｎｄ  Ｊ．Ｃ．Ｐａｒｒ，  “Ａ  ＮＥＷ  ＰＥＲＴＵＲＢＡＴＩＯＮ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＦＩＥＬＤＳ  ＩＮ  ＦＲＥＥ  ＳＰＡＣＥ，”  Ｐｒｏｃ．  Ｉｎｓｔ．  Ｅｌｃｔ．  Ｅｎｇ．，  ｐｔ．  ３，  ｖｏｌ．  Ｂ，  １０２，  ｐｐ．  ８３６−８４４，  １９５５年
【非特許文献３】Ｊ．  Ｈ．  ＲＩＣＨＭＯＮＤ，  “Ａ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ，”  ＩＲＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｈｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  ｖｏｌ．  ＭＴＴ−３，  ｎｏ．  １３−５，  ｐｐ．  １３−１５，  １９５５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は電子部品材料や化学材料の高周波における誘電率などの基本的な材料定数の測定法に関するものである。  上述したように，材料定数の測定法の一つである，幅広い測定周波数に対応でき，被測定試料の加工精度および寸法に対する要求が比較的緩やかな自由空間法は，波長に比べて十分大きな寸法の被測定試料が必要であった。
【００１０】
この発明の目的は，幅広い測定周波数に対応でき，被測定試料の加工精度および寸法への厳しい要求がなく，かつ測定波長に比べて十分に小さな被測定試料により迅速に高周波誘電率等を評価できる高周波材料定数測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するためにこの発明では，任意の周波数の高周波放射電磁界の発生機構と，前記発生機構により発生した放射電磁界中に設置する被測定試料から散乱する散乱波電磁界を計測するために設置される電磁界受信機構，および前記受信機構から出力される散乱波受信電圧から材料定数を算出する解析処理部（例えば，高周波増幅器および帯域濾波器に接続されたスペクトラムアナライザ）とを備えることを特徴とする高周波材料定数測定システムが提供される。
【００１２】
前記放射電磁界発生機構において発生する電磁界の周波数および強度並びに偏波を可変できる機構を持つことにより，広帯域の周波数に対応でき，また被測定試料の大きさ由来の感度補償および材料定数の異方性を考慮した測定が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば，放射電磁界の発生機構から発生した放射電磁界中に設置した被測定試料から散乱する散乱波電磁界を計測することにより測定波長に比べて十分に小さい寸法の被測定試料について，高周波材料定数を測定することができる。
【００１４】
この発明の高周波材料定数測定装置において，放射電磁界発生機構は発生する電磁界の周波数および強度並びに偏波を可変できる機構を持つことで広帯域な周波数および被測定試料の異方性など幅広い測定条件に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】高周波材料特性測定システムの実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】高周波材料特性測定システムの実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る高周波材料定数測定システムは，被測定試料を電波暗室内あるいは内部反射を生じないよう電波吸収体等を内部に設置するなどした自由空間とみなせる筐体中に置き，これに被測定試料の設置位置の電界強度が既知である任意の周波数の放射電界を送信アンテナにより印加する。
【００１７】
放射電界中に置かれた被測定試料はその誘電率等の材料定数に応じた分極を生じ，この分極が印加電界偏波方向に交番して発生することにより被測定試料から散乱電磁界が再放射される。
【００１８】
再放射された散乱電磁波は，被測定試料との距離が当該周波数において遠方界となる既知の距離に設置された受信アンテナにより受信される。
【００１９】
受信された散乱波による電界成分は，送信アンテナからの直接波成分の重畳の影響を排除するため，被測定試料を置いた場合の受信電界の自乗値から置かない場合の受信電界の自乗値を減じた値の平方根を得るなどして求まる。
【００２０】
求まった散乱波受信電界強度値は，被測定試料の寸法が照射電磁波長に比べて十分に小さい場合，誘電分極効果項と波長関連項と試料形状項と試料位置の電界強度値および試料から受信アンテナまでの距離の逆数の積と等しく，この関係から誘電分極効果項の値が分かり，さらに誘電率と誘電分極項の関係式から誘電率が求まる。
【００２１】
このように，本発明を適用すれば，被測定試料からの散乱波による電界強度を測定することで，試料の誘電率を計測することが可能となる。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明システムの一実施例の配置図であって，１は測定場である電波暗室，２は送信用アンテナ，３は受信用アンテナ，４は被測定試料，５は被測定試料支持体，６は信号解析装置，７は高周波信号発生器，８は電波吸収体である。
【００２３】
電波暗室１内において被測定試料４として半径４０ｍｍの非導電性容器に封入した純水の誘電率を測定した結果について説明する。電波暗室１は金属性の床面以外の壁および天井の五面に電波吸収体が設置されているＣＩＳＰＲ国際標準の３ｍ法電波暗室であり，これに床面に据え置き型電波吸収体を敷設して自由空間を模擬した。
【００２４】
送信アンテナ２および受信アンテナ３として二分の一波長ダイポールアンテナを用い，送信アンテナ２には周波数１ＧＨｚの正弦波信号を高周波信号発生器７から印加した。受信アンテナ３は，送信アンテナ２から直接的に伝わる電磁波成分が小さくなるようにダイポールアンテナの指向性の極小方向を向けるとともに電波吸収体８により送受信アンテナ間の電磁遮蔽を行い，送信および受信アンテナの素子中心を１．５ｍの間隔として設置した。
【００２５】
送信アンテナ２および受信アンテナ３の中心線上の，アンテナ素子中心から３．１ｍの距離の位置の送信アンテナから放射される電磁波２’による電界強度が，０．００９５Ｖ／ｍとなるように高周波数信号発生器７の出力を調整した。この地点に球の中心がくるように半径４０ｍｍのアルミナ球の被測定試料４を試料支持体５を介して置いた。
【００２６】
被測定試料４を置いた場合の信号解析装置６による測定電圧値Ｅ１および置かない場合の測定電圧値Ｅ２から，（Ｅ１×Ｅ１−Ｅ２×Ｅ２）の平方根を求めることで，試料支持体５等の影響を排除して被測定試料４により再放射される散乱電磁波４’のみによる受信アンテナ３の位置の電界強度Ｅｒとして８１マイクロＶ／ｍを得た。
【００２７】
散乱波による電界強度と誘電率の関係式（駒木根隆士，「誘電体散乱球を用いた電磁界計測手法」，電子情報通信学会技術研究報告，ｖｏｌ．ＥＭＣＪ２００７，ｎｏ．７７，ｐｐ．１３５−１３９，２００７年参照）から，距離３．１ｍ，波長０．３ｍ，被測定試料の半径４０ｍｍ，試料位置の電界強度０．００９５Ｖ／ｍ，散乱波の電界強度８１マイクロV／ｍを用いて，被測定試料の誘電率は，真空の誘電率に対する比率である比誘電率として約７０と計算により推定された。
【００２８】
本発明による半径４０ｍｍの非伝導性容器中の純水の周波数１GHｚにおける比誘電率７０は，水の標準的な比誘電率の値８０と１０％程度の差で一致している。
【００２９】
図２の実施例は、小型の電波暗箱内に設置した広帯域送信アンテナ９と広帯域受信アンテナ１０によって被測定試料１１から再放射する散乱電磁波１１’を検出して材料定数を推定するものである。広帯域送信アンテナ９から発生する電磁波は直接広帯域受信アンテナ１０に達しない構造となっており，散乱電磁波１１’のみを広帯域受信アンテナ１０で受信することができる。この構造によれば，小型の装置により測定が可能であり，測定の利便性向上に役立つ。
【符号の説明】
【００３０】
１  電波暗室
２  送信アンテナ
２’  送信アンテナから放射される電磁波
３  受信アンテナ
４  被測定試料
４’  被測定試料から再放射される散乱電磁波
５  被測定試料支持体
６  信号解析装置
７  高周波信号発生器
８  電波吸収体
９  広帯域送信アンテナ
１０  広帯域受信アンテナ
１１  被測定試料
１１’  被測定試料から再放射する散乱電磁波
１２  電波暗箱
【図１】
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【図２】
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