(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高さＬ１  、直径ａ１  を有する磁性材料から成る円柱体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟持した第１の共振器と、所定の高さＬ２  、外径ｂ１  、内径ｂ２  を有する、前記円柱体と同一の磁性材料から成る円筒体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟んで第２の共振器を形成し、前記第１の共振器および前記第２の共振器により生成されたＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ１  、ｆ２  を測定し、該共振周波数ｆ１  、ｆ２  から、磁性材料と空気の境界で成立する電磁界の境界条件に基づき、前記磁性材料の誘電率を算出することを特徴とする誘電率の測定方法。
【請求項２】
所定の高さＬ１  、直径ａ１  を有する磁性材料から成る円柱体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟持した第１の共振器と、所定の高さＬ２  、外径ｂ１  、内径ｂ２  を有する、前記円柱体と同一の磁性材料から成る円筒体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟んで第２の共振器を形成し、前記第１の共振器および前記第２の共振器により生成されたＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ１  、ｆ２  を測定し、該共振周波数ｆ１  、ｆ２  から、磁性材料と空気の境界で成立する電磁界の境界条件に基づき、前記磁性材料の透磁率を算出することを特徴とする透磁率の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波領域におけるアイソレータ等に用いられるフェライトなどの磁性材料の誘電率と透磁率を測定するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、移動体通信の普及により高周波回路で使用される、フェライト等の磁性材料から構成されるアイソレータ等が盛んに開発、製造されている。従って、磁性材料の高周波領域における誘電率と透磁率を高能率且つ高精度に測定する方法が求められている。
【０００３】
高周波における磁性材料の誘電率と透磁率を測定する標準的な方法としては、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ−Ｃ−２５６５）に定められている。図３は、このＪＩＳにより規格化されたマイクロ波における誘電率の測定方法を説明するためのもので、使用する空洞共振器３１と被測定試料３２と測定系との結合口３３を示している。この空洞共振器３１は、図３に示すように、金属から成る円筒形状の空洞共振器３１の中心部に、所定の直径ｘを有する棒状の被測定試料３２を配置された構造からなり、この空洞共振器３１により生成された共振周波数から誘電率を測定するものである。
【０００４】
このように上記の測定方法においては、被測定試料３２は、細い棒状体からなることが必要であり、例えば、８〜１２ＧＨｚの周波数で測定する場合、直径１．４ｍｍ、長さ１６．６２ｍｍ以上の棒状体からなることが必要である。さらに、このＪＩＳ規格によれば、共振周波数の測定中に、被測定試料３２の軸方向に通常４×１０５  Ａ／ｍ以上の外部静磁界を加える必要がある。
【０００５】
同様に、ＪＩＳ−Ｃ−２５６５に規定されたマイクロ波における透磁率の測定法でも、上記と同様に細い棒状体からなることが必要である。例えば、８〜１２ＧＨｚの周波数で測定する場合、直径１ｍｍ以下、長さ２２．９ｍｍ以上の棒状体からなることが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の測定方法によれば、誘電率、透磁率のいずれの測定においても、非常に細い棒状体の被測定試料を作製する必要があり、このような細い試料の作製は困難であった。また、被測定試料の形状における寸法誤差により誘電率と透磁率の測定精度が低くなるという問題があった。
【０００７】
さらに、共振周波数の測定中に、被測定試料の軸方向に外部静磁界を加える必要があるために、別途、磁界発生装置が必要であり、測定システムが全体として大がかりで高価なものになり、測定工程も複雑になるという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は上述の課題を解決し、作製が容易な形状の被測定試料を使用し、外部静磁界を印加することなく、フェライト等の磁性材料の高周波における誘電率と透磁率を容易に、且つ高精度に測定するための方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題に対して検討を重ねた結果、作製が容易な特定形状の２つの被測定試料を作製し、それぞれについて共振周波数を求め、得られた２つの共振周波数に基づき、誘電率と透磁率を算出することにより、上記の目的が達成されることを見いだした。
【００１０】
即ち、本発明の誘電率および透磁率の測定方法は、所定の高さＬ１  、直径ａ１  を有する磁性材料から成る円柱体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟持して第１の共振器を形成し、該第１の共振器により生成されたＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ１  を測定し、所定の高さＬ２  、外径ｂ１  、内径ｂ２  を有する、前記円柱体と同一材料からなる磁性材料から成る円筒体の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板で挟んで第２の共振器を形成し、該第２の共振器により生成されたＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ２  を測定し、前記共振周波数ｆ１  、ｆ２  に基づき、前記磁性材料の誘電率及び透磁率を算出することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の測定方法における測定システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。図１によれば、シンセサイズドスイーパー１から出力されたマイクロ波信号は、２つに分割され、一方は基準用としてネットワークアナライザー２に入力される。他方は、誘電率透磁率測定用共振器３に入力され、透過した信号がネットワークアナライザー２に入力されるように構成される。
【００１２】
次に、本発明の誘電率と透磁率の測定方法とその原理について図２を用いて説明する。本発明の測定方法によれば、いずれも同じ被測定試料となるフェライト等の磁性材料によって、図２（ａ）に示されるように、磁界が円柱体の中に集中することにより相対的に透磁率に対する共振周波数の依存性が大きくなる、ＴＥ０１１  モード円柱共振器４と、図２（ｂ）に示されるように、磁界の一部が中空円筒体の中空部に分布することにより、相対的に透磁率に対する共振周波数の依存性が小さくなる、ＴＥ０１１  モード中空円筒共振器５を作製する。
【００１３】
図２（ａ）の円柱共振器４は、所定の高さＬ１  、直径ａ１  を有する磁性材料から成る円柱体６の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板７、８で挟持した構造からなる。一方、図２（ｂ）の中空円筒共振器５は、所定の高さＬ２  、外径ｂ１  、内径ｂ２  を有する円筒体９の上下端面を、所定の大きさを有する２枚の導体板１０、１１で挟持した構造からなる。
【００１４】
本発明によれば、上記の円柱共振器４を用いて、ＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ１  を測定する。また、同様に上記中空円筒共振器５を用いて、ＴＥ０１１  モードの共振波形から共振周波数ｆ２  を測定する。
【００１５】
この時、共振周波数ｆ１  とｆ２  が近似するように、円柱共振器４における円柱体６の高さＬ１  、直径ａ１  、中空円筒共振器５における中空円筒体９の高さＬ２  、外径ｂ１  、内径ｂ２  の寸法を設計することが望ましい。
【００１６】
このようにして、測定された２つの共振器による共振周波数ｆ１  とｆ２  から、以下のようにして誘電率と透磁率を計算する。
計算にあたっては、磁性体と空気または真空の境界で成立する電磁界の境界条件より導かれる下記数１、数２の式（１）乃至（８）に基づき算出する。
【００１７】
まず、測定された共振周波数ｆ１  を下記数１の式（２）（３）へ代入し、さらに式（２）（３）のｑ，ｐを式（１）に代入する。次に、測定された共振周波数ｆ２  を下記数２の式（６）（７）（８）式へ代入し、さらに式（６）（７）のｓ、ｔを式（４）へ代入し、式（７）（８）のｔ、ｕを式（５）へ代入する。
【００１８】
最後に、式（１）（４）（５）を誘電率ε、透磁率μ、Ｄを未知パラメータとする連立方程式として解き、最終的に誘電率εおよび透磁率μを算出することができる。
【００１９】
尚、数１及び数２中、μは磁性材料の透磁率、μ０  は真空の透磁率、εは磁性材料の誘電率、ε０  は真空の誘電率、ω１  とω２  は共振角周波数であって、ω１  ＝２πｆ１  、ω２  ＝２πｆ２  である。Ｊ０  、Ｋ０  、Ｉ０  、Ｎ０  はそれぞれ０次の第１種ベッセル関数、第２種変形ベッセル関数、第１種変形ベッセル関数、第２種ベッセル関数であって、Ｊ０’、Ｋ０’、Ｉ０’、Ｎ０’はそれらの微分関数である。また、共振周波数ｆ１  、ｆ２  は、近接しているので、ｆ１  〜ｆ２  の周波数における誘電率と透磁率は周波数に依存しないものと仮定する。
【００２０】
【数１】
0003580695.tif 000002
【００２１】
【数２】
0003580695.tif 000003
【００２２】
【実施例】
次に、ＹＩＧフェライトからなる磁性材料の誘電率と透磁率の測定結果の一例を表１に示す。尚、表１において、比誘電率ε’は被測定試料の誘電率εを真空の誘電率ε０  で除したパラメータ、比透磁率μ’は被測定試料の透磁率μを真空の透磁率μ０  で除したパラメータである。また、比誘電率ε’、比透磁率μ’の測定誤差は共振周波数の測定誤差より求めた。
【００２３】
【表１】
0003580695.tif 000004
【００２４】
表１の結果から明らかなように、１ＧＨｚ以上のマイクロ波においては、比透磁率μ’が１となる理論に合致しており、また、比誘電率ε’は、ＹＩＧフェライトのマイクロ波用の一般的比誘電率１５（「４．磁性材料セラミクス」  桜井良文ら編集、昭和６１年１１月３０日発行、オーム社）とよく一致していることがわかる。また、本発明の測定方法によれば、比誘電率ε’、比透磁率μ’の測定相対誤差は１％以下となり、高精度な測定結果を得ることができた。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の比誘電率、比透磁率の測定方法によれば、円柱と中空円筒形状の試料を用いるので、試料作製が容易であり、寸法誤差による測定精度の低下も起こりにくい。また、外部静磁界を印加する必要がないので、測定システムが構築しやすく、測定工程も単純になり、結果として、フェライト等の磁性材料の高周波における誘電率と透磁率を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における磁性材料の誘電率と透磁率の測定システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明において用いられる共振器の構造を示す図である。
【図３】ＪＩＳ規格に規定された磁性材料の誘電率の測定方法で用いられる共振器の構造を示す図である。
【符号の説明】
１  シンセサイズドスイーパー
２  ネットワークアナライザー
３  共振器
４  円柱共振器
５  中空円筒共振器
６  円柱体
７，８，１０，１１  導体板
９  中空円筒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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