(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
小さなサンプルの誘電特性を測定するためのループ結合型マイクロ波キャビティであって、
両端が閉じられた円筒形を有し、一端がロック孔を有する上端部となっているキャビティと、
上記ロック孔に挿入されて上記キャビティに結合されたループ結合器とを含み、
上記ループ結合器が、反射型ＳＭＡコネクタからなり、外部からのマイクロ波信号を受けるとともに上記キャビティから反射されてくるマイクロ波を受ける受信端と、上記ロック孔を通して上記キャビティの内壁に結合され、上記受信端によって外部から受けられたマイクロ波信号を伝搬し、このマイクロ波信号によって上記キャビティを励起する励起端とを有し、
上記励起端は、上記ＳＭＡコネクタのピンの先端部を曲げて形成されたループ結合端を有しており、
上記ロック孔は、上記ループ結合端が当該ロック孔を通って上記キャビティ内に入れるように形成されており、
上記ループ結合端が上記ロック孔に挿入された状態で、このロック孔と上記ループ結合端のピンとが４分の１波長変換器を形成し、
上記ループ結合端を形成するピンの先端が上記キャビティの内壁に結合されており、
上記小さなサンプルの誘電特性が、この小さなサンプルを上記キャビティに入れる前後における上記キャビティのＱ値および共鳴周波数の測定値の変化と、上記小さなサンプルおよびキャビティの体積とから導きだすことができる、
ループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項２】
上記小さなサンプルを挿入するために上記キャビティに連通した側面孔を上記キャビティが有する、請求項１に記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項３】
上記ＳＭＡコネクタがインピーダンス変換とループ結合との機能を果たす、請求項１または２に記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項４】
上記ループ結合型マイクロ波キャビティがＴＭ012モードである、請求項１ないし３のいずれかに記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項５】
上記キャビティが金属材料で構成される、請求項１ないし４のいずれかに記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項６】
上記金属材料が銅である、請求項５に記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項７】
上記ＳＭＡコネクタのピンおよびロック孔が同軸構造の上記４分の１波長変換器を形成していることを特徴とする請求項５または６記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項８】
上記小さなサンプルが誘電性材料で構成される、請求項１ないし７のいずれかに記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項９】
上記ロック孔がきのこ形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【請求項１０】
上記ＳＭＡコネクタを上記ロック孔に取り付けた状態で回転させることによって、上記ピンの先端が上記キャビティの内壁に接触して、上記励起端が上記キャビティの内壁に結合されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のループ結合型マイクロ波キャビティ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、２０００年１２月１４日に出願された台湾特許出願第８９１２６６８１号を参照により組み入れるものである。
本発明は一般にマイクロ波キャビティに関し、より具体的には様々な材料の誘電特性を測定する円筒状の共鳴キャビティに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波技術の応用が研究者や産業界の注目を集めてきたが、その応用の中には材料特性の測定、非破壊検査、通信、レーダー、医学、生物化学及び農学が含まれる。これらの関連の研究には材料の誘電特性を正確に知ることが必要なため、研究者達は誘電性材料の調査に取り組んできた。これがマイクロ波技術の発展を更に盛んにしている。
【０００３】
エレクトロニクス業界では、マイクロ波工学の発展により、初期の頃の衛星通信から携帯のパーソナル通信機器へと高周波通信技術がますます発達した。高周波回路の製造工程は、先ず回路基板にレイアウトを形成して、レイアウトが完成したら必要な回路素子を組み付けて回路全体を完成することである。回路基板は誘電性材料の一種であるから、電気特性は誘電性材料の個々のパラメータによって決まるということを理解することが重要である。そのため、回路設計を行おうとする者はその前に、回路基板の誘電特性をマスターしなければならない。従って、回路基板が期待通りの品質を持っていることを確認する上で、誘電率、損失正接及びＱ値等のパラメータが必須の情報となる。誘電性材料のパラメータの測定には、例えば導波管法、伝送法、マイクロストリップ線法、キャビティ摂動法（ＣＰＭ）及び準光学的共振器法等、様々な方法がある。これらの方法の内で、ＣＰＭと準光学的共振器法とが最も低い損失で損失正接を測定することができる。以下のパラグラフではＣＰＭについて説明する。
【０００４】
ＣＰＭの手順は、小さなサンプルをキャビティ内に挿入して摂動を生じさせ、キャビティの共鳴周波数とＱ値とを変更して、それらの変化量からサンプルの誘電特性を算出することを含む。ＣＰＭは高いＱ値を持つ誘電性材料の測定に特に適しているので、ほとんどの研究者が採用している。
図１は、ＣＰＭプロセス中でのキャビティと小さなサンプルとの横断面図である。図１から、小さなサンプル１３０をキャビティ１００内に挿入した後にキャビティが励起されることがわかる。小さなサンプル１３０の誘電特性は、サンプル１３０自体およびキャビティ１００の体積と、共鳴周波数およびＱ値の変化量とから算出できるが、これらの変化量はサンプル１３０を挿入する前と後との測定値を比較して導くことが出来る。
【０００５】
図２Ａにおいて、円筒状のキャビティの一端は上端２００ａ、また他端は下端２００ｂであり、両端を封止して上端２００ａと下端２００ｂとの間に閉じた空間を形成している。横断面の切断線２Ｂ−２Ｂで矢印の方向に切断し、図２Ｂに示すキャビティ２００の横断面図とした。
図２Ｂにおいて、ＣＰＭを行う前にキャビティ２００を励起して、キャビティ２００の共鳴周波数とＱ値とを測定しなければならない。次に小さなサンプル（図２Ｂには図示せず）を図１に示すようにキャビティ２００内に挿入する。サンプルの挿入後、キャビティ２００を再度励起して、変化した共鳴周波数とＱ値とを測定する。理論によれば、ＴＭ０１２モードにおけるキャビティの共鳴周波数は以下のようになる。
【０００６】
【数１】
0003604653.tif 000002
【０００７】
ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ
ａ＝キャビティの内壁の半径
ｌ＝キャビティの内壁の長さ
ａ＝１.８５ｃｍおよびｌ＝７.７ｃｍであれば、共鳴周波数はｆ012＝７．３３ＧＨｚとなる
小さなサンプルを挿入すると共鳴周波数とＱ値とが変化して、これらの変化値から小さなサンプルの誘電特性を導くことが出来る。ＣＰＭの必須条件として、キャビティのＱ値は小さなサンプルのＱ値よりも高くなければならず、さもないと測定精度が影響されることに注意することが重要である。
【０００８】
従来からＱ値の高いキャビティはＴＭ０１０モードであり、キャビティの励起には伝送方式が使用されている。この様な場合のＱ値は、キャビティ構造の制約により５０００未満に制限されている。すなわち、測定される誘電性材料のＱ値が５０００よりも高いと、得られる測定値は正確ではなく、ＣＰＭの実施が無意味になるということである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、  ＴＭ０１２モードのマイクロ波信号で励起されるループ結合のマイクロ波キャビティを提供し、Ｑ値の高い材料の誘電特性を測定するためのキャビティに高いＱ値を与えることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するために、本発明は新しいループ結合型マイクロ波キャビティを提供するが、その特徴を以下のパラグラフで説明する。
ループ結合型マイクロ波キャビティは、両端が閉じられた円筒形のキャビティとループ結合器とで構成される。キャビティを作製する工程では、銅製の柱状材料にドリルで中空部分を形成し、段付き基部を作製してこれを中空部分にきつく結合して、キャビティの本体を形成する。次にキャビティの頂部にドリルできのこ形のロック孔を開ける。ロック孔はループ結合器への結合に使用される。ループ結合器は受信端と励起端とを有し、そのうち受信端は外部回路に接続されてマイクロ波信号を受けるとともにキャビティから反射されてくるマイクロ波を受け、励起端はキャビティの内壁に結合されてキャビティを励起する。実際の用途では、長いピンを持つ反射型ＳＭＡコネクタをループ結合器として使用できる。結合部は受信端として使用でき、長いピンの先端は折り曲げて励起端を形成する。ＳＭＡコネクタの長いピンはロック孔を通ってキャビティ内に挿入され、長いピンの先端はキャビティの内壁に結合される。ここでＴＭ012モードのマイクロ波信号を供給してキャビティを励起できる。一方、長いピンおよびロック孔は、４分の１波長変換器と見なすことのできる同軸構造を形成する。従って、ＳＭＡコネクタはループ結合器として機能するだけでなく、変換器として機能してキャビティのＱ値を高くする。更に、キャビティの一方の側にドリルで穴を開けて、小さなサンプルをキャビティに挿入してＣＰＭを実行するための側面孔を形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の好適な、しかし限定を意図するものではない実施例の詳しい説明から明らかとなるであろう。以下の添付図面を参照して説明する。
キャビティの形状は矩形でも円筒形でも良いが、矩形のキャビティよりも円筒形のキャビティの方がＱ値が高いので、実際の応用では円筒形キャビティの方が好ましい。円筒形キャビティの中では、  ＴＭ０１ｎモード及びＴＥ０１ｎモードがよく用いられる。参考文献によれば、平たい円筒形キャビティ（２ａ／ｌ≧１、ａ＝キャビティの半径、ｌ＝キャビティの長さ）のＴＥ０１ｎモードはＴＭ０１ｎモードよりもはるかに高いＱ値を持ち、長い円筒形キャビティ（２ａ／ｌ≦１）のＴＥ０１ｎ及びＴＭ０１ｎモードは互いに近いＱ値を持つ。それゆえＣＰＭでは長い円筒形のキャビティがしばしば用いられる。キャビティの幾何学的構造に違いがなければＱ値が非常に高いことが理想的であるが、しかし基部とカプラーとを取り付けることにより形状は必然的に変化して、その結果Ｑ値が低下する。そのため高いＱ値が必要な場合は、当初のキャビティの構造を可能な限り維持しなければならない。
【００１２】
当初のキャビティの構造を可能な限り維持するために、本発明は反射型カプラーを使ってマイクロ波信号を供給するループ結合型マイクロ波キャビティを提供する。この反射型カプラーが従来の伝送型カプラーに対して持つ利点は、従来型が２つのカプラーを必要とするのに対して、これは１つのカプラーだけで動作が可能だと言うことである。それによって本発明は変更の必要性を最小限にする。図３は本発明の好適な実施例によるループ結合型マイクロ波キャビティを示す。ループ結合型マイクロ波キャビティ３００はキャビティ３１０とループ結合器３２０とで構成され、キャビティ３１０は小さなサンプル（図３には図示せず）をキャビティ３１０内に挿入するための側面孔３４０を有する。更にキャビティの上端３１０ａにはキャビティ３１０と結合するロック孔３３０があり、キャビティ３１０とループ結合器３２０とを結合する。キャビティ３１０を作製するプロセスでは、キャビティ３１０の本体として銅等の円筒形の金属材料を使用することができ、この材料にドリルで穴を開けてキャビティ３１０を形成する。次に同じ金属材料を使用してキャビティ３１０の下端３１０ｂとして段付き基部を作製し、これをはめ込むことにより下端３１０ｂとキャビティ３１０とを結合する。キャビティ３１０とキャビティの下端３１０ｂとの間をもっときつく結合するためには、ドリルで穴を開けてキャビティ３１０とキャビティの下端３１０ｂとの間の結合部にネジを切り、このネジを使ってきつく結合し、キャビティのＱ値を高くすることができる。以下、ループ結合器３２０及びこれとロック孔３３０との結合について説明する。
【００１３】
図４はキャビティの上端３１０ａの正面図である。図から分かるように、ロック孔３３０は上端３１０ａの上にあり、キャビティ３１０に結合されている。ロック孔３３０の構造は二重にドリルを掛けることにより得られる：まず円の中心に上端部３１０ａを貫通する大きな孔を開ける。次に円の中心のすぐ横の位置にこれも上端部３１０ａを貫通する小さな孔を開ける。２つの孔は部分的に重なり、図４に示すようなきのこ形のカギ穴形状となるように角を取る。
【００１４】
図５はループ結合器３２０の側面図である。一般にキャビティを励起するにはいくつかの方法がある。プローブ方式、ループ方式、絞り方式などである。高いＱ値を維持するためには、当初の構造を出来るだけ変化させない方式を選ばなければならない。そのため本発明では、キャビティの励起にはループ方式を選び、ループ結合器３２０にはＳＭＡコネクタを使用する。図５に示すように、ＳＭＡコネクタは同軸構造を有し、その長いピンはフッ素樹脂（テフロン：登録商標）３２５ａで覆われた軸である。一方の端は受信端３２１として使用でき、外部回路（図示せず）に接続してマイクロ波信号５００を受けることができる。コネクタの他端は励起端３２５として使用して、キャビティ３１０を励起するためのマイクロ波信号５００を印加する。長いピンの先端を曲げてループ結合端３２５ｂを構成することができる。フッ素樹脂３２５ａとロック孔３３０とが互いに密着できるように、フッ素樹脂３２５ａの一部を削って、フッ素樹脂３２５ａの外径をロック孔３３０の大きい方の孔の内径よりもごくわずかだけ小さくする。キャビティ３１０の内壁とループ結合器３２０との間の結合を行うために、励起端３２５をロック孔３３０内に挿入して、ループ結合端３２５ｂがロック孔３３０を通ってキャビティ３１０内に入れるようにする。フッ素樹脂３２５ａの外径とロック孔３３０の内径は、それらが互いに密着するように設計される。これにより、励起端３２５がロック孔３３０の中に装着されている限り、ループ結合器３２０はロック孔３３０内にしっかりと取り付けられる。次にループ結合器３２０を回転して、ループ結合端３２５ｂの先端をキャビティの上端３１０ａの内壁に接触させる。すなわち、励起端３２５がロック孔３３０を通してキャビティ３１０の内壁に結合され、それによりマイクロ波信号５００を受け取ったときにこれがキャビティ３１０の励起に利用されるようになる。キャビティ３１０の上端３１０ａでループ結合器３２０にネジを切り、もっと堅固な構造とすることが可能であるのは言うまでもない。
【００１５】
図６は、ループ結合型マイクロ波キャビティ３００を組み立てた後の横断面図である。ループ結合端３２５ｂは電流を利用してキャビティを励起してＴＭモード発振を実現しているので、ループ結合端３２５ｂはキャビティと結合しなければならない。図示のように、ループ結合器３２０はロック孔３３０内に挿入され、励起端３２５のループ結合端３２５ｂはキャビティ３１０の内壁に結合されている。ＣＰＭのプロセスにおいて、まず位置決めホルダー６１０をキャビティ３１０内に挿入してからキャビティ３１０を励起して、共鳴周波数とＱ値とを測定することが出来る。次のステップは、側面孔３４０から小さなサンプル１３０を挿入してこれを位置決めホルダー６１０の上に載置し、次にキャビティ３１０を再度励起して、共鳴周波数とＱ値とを測定する。小さなサンプル１３０の誘電特性は、サンプルの挿入前と後とに測定されるＱ値と共鳴周波数との変化量の比較と、サンプルとキャビティとの体積の計算値から導かれる。位置決めホルダー６１０の材料としては発泡フォーム材を使用できるが、それはこの材料の比誘電率（εｒ）が空気の誘電率（ε０）である１にほぼ等しく、従って測定に余り影響を与えないからである。
【００１６】
横断面図から、ＳＭＡコネクタの長いピンが軸であり、上端３１０ａが厚くなってその中に長いピンが挿入されており、長いピンとロック孔が同軸線を形成していることが分かる。この同軸構造により、４分の１波長（λ／４）変換器とループ結合器３２０との組み合わせが可能となる。これにより本発明のループ結合器３２０はループ結合と変換との両方の機能を持つことになる。図７はキャビティの上端３１０ａとループ結合器３２０との接続部の横断面図である。図７の例では、ループ結合端３２５ｂの屈曲部は２ｍｍであり、長いピンがキャビティ３１０に挿入される長さは１０ｍｍであり、長いピンの直径は１．５ｍｍである。従ってキャビティ３１０内部での長いピンの中心線に沿っての長さは１０．５ｍｍである。この長さが４分の１波長であるとすれば、周波数はＴＭ０１２モードで７．４ＧＨｚと計算される。受信端３２１側から見た励起端３２５は、４分の１波長同軸線と見なされる。共鳴周波数においては、インピーダンスは開放回路でありＱｅは無限大と見なされる。これによりキャビティは高いＱ値を維持する。実際にはネットワークアナライザＨＰ−８５１０を使用してループ結合型マイクロ波キャビティ３００の特性を測定し、帯域幅ＢＷ＝１００ｋＨｚでのＴＭ０１２モードの中心周波数ｆ０１２＝７．５４９ＧＨｚ（３ｄＢ）が得られたので、このキャビティのＴＭ０１２モードにおけるＱ値は次のように求められる。
【００１７】
Ｑ＝  ｆ０１２／ＢＷ≒７５０００
従来の構成では、  ＴＥ０１ｎモードでのキャビティのＱ値が５００００まで達したとしても、液体又は丸い形状の平たい固体サンプルの測定に制限される。またこの種のものは製造が非常に困難である。それに対して本発明は、従来の装置よりも明らかに改善されたループ結合型マイクロ波キャビティを提供する。
以上説明してきた本発明の好適な実施例には下記のような利点がある。
１．  製作しやすい単純な構造
２．  キャビティの構造を当初の形状に近い状態に維持するために、キャビティの励起に反射方式を採用する。
３．  ループ結合器を使用して変換とループ結合との両方の機能を行うことにより、高いＱ値を維持する。
４．  高いＱ値の誘電特性を測定するために、  ＴＭ０１２モードでのキャビティのＱ値は７５０００を超える高い値が可能。
【００１８】
マイクロ波信号を受けてキャビティを励起するためのカプラーとして、本発明ではＳＭＡコネクタを応用する点が重要である。
本発明を例示と好適な実施例とによって説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことを理解すべきである。反対に様々な変更や同様の構成及び手順を含むことが意図されており、従ってかかる全ての変更や同様の構成及び手順を含むように、添付の請求の範囲を最も広く解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例においてＣＰＭを実施するために小さなサンプルをキャビティ内に挿入したときのキャビティの横断面図である。
【図２】図２Ａは、従来の円筒状キャビティを示す。図２Ｂは、図２Ａに示した従来のキャビティの横断面図である。
【図３】本発明の好適な実施例によるループ結合型マイクロ波キャビティを示す。
【図４】図３に示したループ結合型マイクロ波キャビティの上端の正面図である。
【図５】図３に示したループ結合器の側面図である。
【図６】図３に示したループ結合型マイクロ波キャビティを組み立てた後の横断面図である。
【図７】図６に示したキャビティの上端とループ結合器との接続部の横断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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