(57)【要約】【課題】  電磁気特性の温度依存性が測定可能であり、且つ、いかなる厚さや比誘電率の測定検体であっても、測定可能である電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。【解決手段】  円筒状導体と短絡板を有する円筒空胴共振器より構成される電磁気特性測定治具で、前記円筒空胴共振器の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられた電磁気特性測定治具。前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、前記信号の周波数に対する出力信号の大きさを測定することにより得られる、共振周波数とＱ値とから、電磁気特性を得る電磁気特性の測定方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状導体と短絡板を有する円筒空胴共振器より構成される電磁気特性測定治具であって、前記円筒空胴共振器の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられたことを特徴とする電磁気特性測定治具。
【請求項２】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）の電磁界強度の値が最小値を示す、少なくとも一つの位置に設けられたものである、請求項１に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項３】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記円筒状導体の内壁面円周上の全部又は一部に設けられたものである、請求項１又は２に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項４】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記短絡板の内壁上の一部に任意の形状で設けられたものである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項５】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、その断面構造が凸状である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項６】
前記電磁気測定治具は、前記円筒状導体に、測定検体の保持部を有するものである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項７】
前記測定検体の保持部は、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）が最大値を示す位置に設けられたものである、請求項６に記載の電磁気特性測定治具。
【請求項８】
前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、測定検体の電磁気特性を測定する方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、前記信号の周波数に対する出力信号の大きさを測定することにより得られる、共振周波数とＱ値とから、電磁気特性を得ることを特徴とする電磁気特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁気特性の測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロ波及びミリ波帯の電磁気特性の測定法には、円筒空胴共振器ＴＥ01Pモードを用いる方法がある。この方法で測定に用いるＴＥ01Pモードは、ＴＭ11Pモードと縮退するという特徴を持つ。したがって、空胴共振器の表面抵抗を測定するために、ＴＥ01PモードとＴＭ11Pモードを分離する必要がある。従来、ＴＥ01PモードとＴＭ11Pモードの分離には、空胴共振器に誘電体を装荷する方法（例えば、非特許文献１参照。）や、空胴共振器に溝を設ける方法（例えば、非特許文献２参照。）が提案されている。
【０００３】
しかしながら、空胴共振器に誘電体を装荷する方法では、測定検体の厚さが薄いときや誘電率が１に近い時、ＴＥ01Pモードのシフトは小さく、ＴＭ11Pモードの影響を受けるため測定ができない。その上、空胴共振器に誘電体を装荷するための接着剤を使用するので、接着剤の耐熱温度の範囲外で測定する場合は、誘電体が脱落するため、電磁気特性の温度依存性の測定ができない。
また、空胴共振器に溝を設ける方法では、ＴＭ11Pモードが、ＴＥ01Pモードの低周波側にシフトするため、被測定検体の厚さや比誘電率によっては、被測定検体の電磁気特性によりシフトしたＴＥ01PモードがＴＭ11Pモードの影響を受け、測定ができないという問題があった。
【０００４】
【非特許文献１】ＪＩＳ−Ｒ１６４１、２００２年
【非特許文献２】馬、田中、小林  著、信学技報ＳＣＥ，ＭＷ２００１−７，ｐ３９−４４、２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、円筒空胴共振器による電磁気特性の測定において、電磁気特性の温度依存性が測定可能であり、且つ、いかなる厚さや比誘電率の測定検体であっても、測定可能である電磁気特性の測定冶具及びその測定法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、円筒空胴共振器による電磁気特性の測定において、前記円筒状導体及び／又は短絡板の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離するための機能構造を設けることにより、ＴＭ11PモードをＴＥ01Pモードより高周波側にシフトさせて、ＴＭ11Pモードの影響を低減し、いかなる厚さ及び比誘電率を有する測定検体であっても、ＴＥ01Pモードを用いて、該測定検体の電磁気特性が測定可能であることを見出し、更に検討することにより、本発明を完成するに至った。
【０００７】
本発明は、下記電磁気特性測定治具および電磁気特性の測定方法により達成される。
（１）  円筒状導体と短絡板を有する円筒空胴共振器より構成される電磁気特性測定治具であって、前記円筒空胴共振器の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられたことを特徴とする電磁気特性測定治具。
（２）  前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）の電磁界強度の値が最小値を示す、少なくとも一つの位置に設けられたものである第（１）項に記載の電磁気特性測定治具。
（３）  前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記円筒状導体の内壁面円周上の全部又は一部に設けられたものである第（１）項又は第（２）項に記載の電磁気特性測定治具。
（４）  前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記短絡板の内壁上の一部に任意の形状で設けられたものである第（１）項乃至第（３）項のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
（５）  前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、その断面構造が凸状である第（１）項乃至第（４）項のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
（６）  前記電磁気測定治具は、前記円筒状導体に、測定検体の保持部を有するものである第（１）項乃至第（５）項のいずれか１項に記載の電磁気特性測定治具。
（７）  前記測定検体の保持部は、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）が最大値を示す位置に設けられたものである第（６）項に記載の電磁気特性測定治具。
（８）  前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、測定検体の電磁気特性を測定する方法であって、前記電磁気特性測定治具に、一定の大きさの信号を与え、前記信号の周波数に対する出力信号の大きさを測定することにより得られる、共振周波数とＱ値とから、電磁気特性を得ることを特徴とする電磁気特性の測定方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マイクロ波及びミリ波帯において、いかなる厚さ及び比誘電率を有する測定検体についても、電磁気特性の測定が可能となる。特に、従来の方法では測定ができない厚みの薄い測定検体や、低誘電率の測定検体の測定に向いている。また、従来の方法では誘電体の装荷のできない温度範囲での測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、円筒状導体と短絡板を有する円筒空胴共振器より構成される電磁気特性測定治具であって、前記円筒空胴共振器の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられたことを特徴とする電磁気特性測定治具である。
【００１０】
本発明におけるＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能とは、電磁気特性を測定する際に、ＴＥ01Pモードと、ＴＭ11Pモードとの縮退（重なり）をなくすため、ＴＥ01Pモード曲線をシフトさせるものであり、本発明においては、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能を発現させる構造を、前記円筒状導体及び／又は短絡板の内壁面上に設けることにより、ＴＥ01Pモード曲線を高周波側にシフトさせることでき、これにより、ＴＭ11Pモード曲線の減退（重なり）による測定への影響を低減できるものであり、測定検体の厚みや誘電特性の値に影響されずに、電磁気特性を測定できる。
【００１１】
本発明の電磁気特性測定治具は、少なくとも円筒状導体及び短絡板を有する円筒空胴共振器より構成されるものであり、前記円筒状導体及び／又は短絡板の内壁面上に、ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられているものである。
【００１２】
前記円筒状導体は、円筒の両端、即ち、円筒の円周に対して垂直方向の両端、が短絡板により短絡された構造を有し、又円筒状導体内部の所定の位置に、前記測定検体を保持し、前記測定検体により、２つの空胴を有する構造を構成できるものであれば良く、例えば、前記円筒状導体が１つで構成される場合は、円筒の両端が短絡板により短絡された構造を有し、測定検体は、前記円筒状導体の所定の位置に保持され、前記測定検体により短絡された、２つの空胴を有する構造であることが挙げられる。また、前記円筒状導体が２つで構成される場合は、円筒の一端が短絡板により短絡され、他端が開放された構造を有し、該円筒状導体の一対を用いて、前記筒状導体の開放部同士を前記測定検体に合わせて保持して、前記測定検体により遮断された、２つの空胴を有する構造であることが挙げられる。さらに、前記測定検体を保持する位置を調整するために、両端が開放された円筒状導体を、前記一端が開放された円筒状導体と組み合わせて用いても良い。
【００１３】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられる位置としては、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）の電磁界強度の値が最小値を示す、少なくとも一つの位置に設けられることが好ましく、例えば、ｐが１である場合、一つ又は二つの位置に設けることが好ましく、ｐが２である場合、一つ、二つ又は三つの位置に設けることが好ましい。
ここで、測定検体を保持する位置としては、前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造が設けられる位置以外のいずれの位置でもよいが、測定検体の電磁気特性により適宜位置を調整することが好ましく、前記ＴＥ01Pモードの電磁界強度の値が、最も大きな値を示す位置であることが好ましい。
【００１４】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造は、前記円筒空胴共振器の内壁面上の所定の位置に、全部又は一部に設けられることが好ましく、全部である場合は、例えば、リング状に全部であって良く、一部である場合は、例えば、前記リング状構造に欠損部を有した構造又は突起部が配列されていても良い。これらの機能構造は、前記円筒空胴共振器において、前記円筒状導体に設けられる場合、その内壁面円周上に、前記短絡板に設けられる場合は、内壁面に設けられるが、前記短絡板上に設けられることが好ましく、前記短絡板上の一部に設けられることがより好ましい。
【００１５】
前記ＴＥ01Pモード（ｐは任意の整数）とＴＭ11Pモードとを分離する機能構造の形状としては、前記内壁面上により突出した形状を有していれば良く、その断面構造が凸状であることが好ましい。前記凸部の形状としては、その断面形状が、例えば、三角形及び四角形などの多角形状、半円状（ドーム状）、円状及び楕円状などであって良いが、四角形が好ましい。
【００１６】
本発明における測定治具について、図面を用いて、更に詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明の測定治具に関する一例を簡略化して示す模式図であり、前記ＴＥ01PモードとＴＭ11Pモードとを分離する機能構造として、断面形状が四角形で、円筒状導体及び短絡板にリング状に形成された場合の例を説明する。
本発明の電磁気特性測定治具として、第一の例（図１）は、一つの空胴共振器（円筒状導体１及び短絡板０）及び前記空胴共振器（短絡板上、円筒状導体との接点部円周上）の内壁面上に備えられたリング状の凸部２より構成され、測定検体３は共振器の内部に装着され、前記測定検体により遮断された、２つの空胴を有する構造となっている。なお、前記凸部は、ＴＥ01Pモードの電磁界強度が最小の値を示す位置に２箇所備えられ、測定検体は、ＴＥ01Pモードが最大の位置に配置された例である。
【００１７】
リング状凸部の短絡板よりの高さ（図１において左右方向の厚み）としては、共振器（円筒）の長さ（図１において左右方向の長さ）の１／２００以上、１／１０以下が好ましく、１／８０以上、１／４０以下がより好ましい。リング状凸部の幅（上記凸部高さの直角方向の厚み、図１において上下方向の厚み）は、共振器（円筒）直径（図１において上下方向の長さ）の１／１００以上、１／５以下が好ましく、１／５０以上、１／２５以下がより好ましい。これらの寸法は、前記ＴＥ01PモードとＴＭ11Pモードとの分離状態により、適宜調整される。
測定検体３の位置は、共振器（円筒）の長さ（図１において左右方向の長さ）の中央部にあるが、測定検体の電磁気特性により適宜位置を調整することが好ましい。
【００１８】
本発明の電磁気特性測定治具は、非破壊で測定する場合、空胴共振器（円筒状導体１及び短絡板０）に、測定検体挿入部４が備え付けられていても良く、そのような例として、第二の例（図２）を挙げることができる。この場合、空胴共振器（円筒状導体）を二つに分割した構成、即ち、円筒の一端が短絡板により短絡され、他端が開放された構造を有する円筒状導体を、二つ用意し、二つの円筒状導体の開放部の間に、測定検体３を挟んで構成することにより、前記空胴共振器が前記測定検体により遮断された、２つの空胴を有する構造となるものが挙げられる。空胴共振器（円筒状導体）を二つに分割した構成である場合、測定検体の挟持位置は、組み合わせて用いる二つの円筒状導体のそれぞれの長さを調整することにより、適宜決定できる。
【００１９】
この時、測定検体挿入部４の厚みは、測定検体の厚さと同じにすることが好ましく、円筒の長さは測定検体挿入部４の厚みの分を調整することが好ましい。分割した空胴共振器で測定検体を挟むとき、挟む圧力は１０ｈＰａ〜１０ＭＰａが好ましく、１００ｈＰａ〜１ＭＰａがより好ましい。また、分割した空胴共振器には、スライドやノックピンなどを設置し、分割した空胴共振器と測定検体の、それぞれの相対位置がずれないようにすることが好ましい。
【００２０】
ここで、測定検体が、粉体、反りやしわになるなど自立性に乏しいフィルムなどである場合、前記測定検体を、二つの支持誘電体により挟持することにより、測定することができる。前記支持誘電体としては、誘電体により構成され、誘電体の性質を示すものであれば、その材質は限定されないが、誘電体は、１０-3以下０以上の誘電正接を有するものが好ましく、１０-4以下０以上のものがより好ましい。
【００２１】
上記第二の例において、測定検体が柔らかく挟むことが困難な場合は、測定検体挿入部の大きさをスペーサー５などで固定し、測定することができる（図３）。
前記スペーサーの材質としては、絶縁体や金属などを用いることができ、前記スペーサーの形状としては、測定検体を保持できるものであれば良い。また、その大きさは、測定検体の厚さに、１〜５００μｍ加えた大きさにすることが好ましく、１０〜２００μｍ加えた大きさにすることがより好ましい。
スペーサーを備える位置は、前記空胴共振器において二つの円筒状導体により測定検体が挟持される位置で、前記スペーサーが前記円筒状導体内壁面に突出しない位置であれば良く、例えば、前記挟持部において測定検体の外側が好ましい。スペーサーを備えることにより、導体挟持部は開放部ができていても良い。
【００２２】
本発明に用いる空胴共振器（円筒状導体１及び短絡板０）は、金属、特に導電率が高い金属、を用いることが好ましい。導電率が高い金属としては、例えば、銀、銅及び金などが挙げられる。なお、空胴共振器に金属を用いることができない場合、空胴共振器の表面に、前述の金属をメッキすることにより、金属を用いた空胴共振器と同じ効果を得ることができる。
【００２３】
上記空胴共振器（円筒状導体及び短絡板）の寸法は、測定する周波数によって決定される。その際、予めモードチャートなどを参照することにより、測定に利用するモードが、他の測定に利用しないモードの影響を受けないことを確認するのが良い。
【００２４】
本発明においては、電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、マイクロ波及びミリ波帯における空胴共振器の共振特性を測定することにより、電磁気特性を測定することができる。
【００２５】
本発明において、前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、測定検体の電磁気特性を測定する場合の測定システムとしては、例えば、本発明の電磁気特性測定治具とネットワークアナライザなどを接続したものが挙げられる。
ネットワークアナライザによる測定は、被測定物（前記電磁気特性測定治具）とネットワークアナライザの端子（ポート）とを接続し、前記ネットワークアナライザから入射される電力に対する前記電磁気特性測定治具からの反射電力と透過電力を測定して行うことができる。
図４を用いて説明すると、二つのポートを前記電磁気特性測定治具に接続し、ポート１から電力を入射し、ポート１で反射電力を、ポート２で透過電力を測定することができる。
前記電磁気特性測定治具とネットワークアナライザ（図４においては、ベクトルネットワークアナライザ）との接続部には、ケーブル（伝送路）とコネクタ（結合部）が設置され接続される。なお、伝送路には、導波管や同軸線路などを用いることができ、結合部にはプローブ結合やループ結合やホール結合などを用いることができる。
【００２６】
本発明の電磁気特性の測定方法としては、前記電磁気特性測定治具を備えた測定システムを用いて、上記電磁気特性測定治具に、測定検体を装着し、空胴共振器に、一定の大きさの信号（一定の電力）を与え、周波数に対する出力信号の大きさを測定し、空胴共振器の共振周波数（以下fと略記）と、無負荷Ｑ値（以下Ｑ0と略記）から、電磁界計算を用いて測定検体の電磁気特性を測定することができる。電磁界計算の方法としては、例えば、代数を用いた厳密な方法、電磁界シミュレータ等を用いた数値計算、摂動法などが挙げられる。
【００２７】
さらに、摂動法で計算する場合の例を挙げて説明する。この場合の摂動法とは、空胴共振器の一部に異なった複素誘電率εrや複素透磁率μrの微小体が存在している時の共振周波数やＱ0の変化を求める時に用いる手法である。この例は通常よく使われる一次近似の摂動法であり、微小体が存在している時の測定検体外の電磁界は、測定検体の存在していない場合の電磁界と同じと考える。
【００２８】
【数１】
2008039703.tif 000003
ここで
f0：被測定検体が存在しない時の共振周波数
f：被測定検体が存在するときの共振周波数
E0：被測定検体が存在しない時の共振器内の電界
H0：被測定検体が存在しない時の共振器内の磁界
E：被測定検体が存在する時の共振器内の電界（ E0；摂動法より）
H：被測定検体が存在する時の共振器内の磁界（ H0；摂動法より）
Je：電流源
Jm：磁流源
χe：電界係数(=εr−１)
χm：磁界係数(=μr−１)
V：共振器の体積
ΔV：被測定検体の体積
である。
したがって、電界係数や磁界係数が測定することができ、本発明における被測定検体の電磁気特性である、誘電特性及び透磁特性を算出することができる。
【００２９】
前記測定方法により誘電特性及び透磁特性の温度依存性を測定する場合は、温度調節可能な測定室や温度調節槽などに、前記電磁気特性測定治具を配置し、上記方法により電磁気特性をすることができる。
【００３０】
本発明によれば、プラスチック、セラミックス、紙など固体の絶縁物などの電磁気特性及びその温度依存性を測定することができる。
測定検体の厚みとしては、例えば、１μｍ以上２ｍｍ以下のものを測定することができるが、さらに厚くても測定することができ、この範囲に限定されない。また、測定可能な比誘電率の範囲としては、例えば、１．０１以上１００以下が好ましいが、この範囲に限定されない。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００３２】
測定装置について、図４を用いて説明すると、上記空胴共振器１２（本発明の電磁気特性測定治具）と、ベクトルネットワークアナライザ１１の入出力ポート、ポート１およびポート２とを、接続して電力（入射電力）を投入し、前記空胴共振器１２における反射電力および透過電力の比を、ベクトルネットワークアナライザにより測定した。
【００３３】
［電磁気特性の温度依存性測定の例］
（実施例１）
厚さが１０μｍである市販のポリイミドフィルムの測定
長さ３０ｍｍ及び内径４２ｍｍの円筒状導体と、短絡板と、前記短絡板内面上の前記円筒状導体との接点部に高さ０．５ｍｍ及び幅０．５ｍｍのリング状凸部を有する円筒空胴共振器を用い、測定検体のポリイミドフィルムは図２にあるように空胴共振器の円筒状導体を二つに分割し、その間に挟んで測定した。測定においては、空胴共振器を恒温槽に入れ、温度を−３０℃→２３℃→８５℃→１２０℃と変化させ、それぞれの温度において、この空胴共振器とベクトルネットワークアナライザ（アジレントテクノロジー（株）製８５１０Ｃ、以下ＶＮＡと略記）を、コネクタを介して、ループアンテナにより磁界励振し、透過電力比を計測し、摂動法にて電磁気特性を計算した。なお、測定検体のポリイミドフィルムは、ＪＩＳ−Ｒ１６４１法によれば、２３℃において１０ＧＨｚで比誘電率３．７６であった。
【００３４】
【表１】
2008039703.tif 000004
【００３５】
［測定検体挿入部を固定した場合の例］
（実施例２）
厚さが１ｍｍである市販の発砲ポリスチレンの測定
長さ３０ｍｍ及び内径４２ｍｍの円筒状導体と、短絡板と、前記短絡板内面上の前記円筒状導体との接点部に高さ０．５ｍｍ及び幅０．５ｍｍのリング状凸部を有する円筒空胴共振器を用い、測定検体の発砲ポリスチレンは空胴共振器の円筒状導体を二つに分割し、測定検体挿入部を１．２ｍｍ厚みのスペーサーにより測定検体を固定して測定した。測定においては、この空胴共振器とＶＮＡを、コネクタを介して、ループアンテナにより磁界結合し、透過電力比を計測した。その際、図３にあるように空胴共振器円筒状導体の中央部を切断し、測定検体の挿入部（４）とし、スペーサーには１．２ｍｍ厚の絶縁板を用いた。なお、測定検体の発砲ポリスチレンは、ＪＩＳ−Ｒ１６４１法によれば、１０ＧＨｚで比誘電率１．０３であった。
【００３６】
【表２】
2008039703.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を説明するための、測定検体を装着した測定治具の例を示す断面図である。
【図２】本発明における、測定検体の挿入部を用いた場合の例を説明するための断面図である。
【図３】本発明における、測定検体の挿入部を固定した場合の例を説明するための断面図である。
【図４】本発明の測定装置のセットアップの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
０：短絡板
１：円筒状導体
２：リング状凸部
３：測定検体
４：測定検体挿入部
５：スペーサー
１１：ベクトルネットワークアナライザ
１２：空胴共振器
【図１】
2008039703.tif 000006
【図２】
2008039703.tif 000007
【図３】
2008039703.tif 000008
【図４】
2008039703.tif 000009