(57)【要約】【課題】高価な測定機器であるベクトルネットワークアナライザを必要とせず、金属平板による反射係数の振幅の基準の測定を不要として、安価にまた簡易に試料の透磁率を測定できる方法及び装置を提供する。【解決手段】透磁率測定方法は、自由空間法により被測定試料のミリ波帯における透磁率を測定する方法であって、２つ以上の異なる条件で被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射してＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、得られた反射係数比から被測定試料の透磁率を導出する。【選択図】　　　図１
2004077348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間法により被測定試料のミリ波帯における透磁率を測定する方法であって、２つ以上の異なる条件で被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射してＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、得られた２つ以上の反射係数比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項２】
２つ以上の異なる入射角度で被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする請求項１に記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項３】
２つ以上の異なる厚みの被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする請求項１に記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項４】
被測定試料の裏面媒体のみが異なる２つ以上の被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする請求項１に記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項５】
電磁波が照射される面と反対側の面とに金属層を貼り合せた被測定試料を用いて測定することを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項６】
前記電磁波が、その電界成分の方向を、入射波と反射波で構成する面である入射面に垂直な軸に対して、かつ入射波の進行方向と垂直な面内で、右回りまたは左回りに４５度傾けている直線偏波であり、該直線偏波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項７】
前記電磁波が円偏波であり、該円偏波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項８】
前記電磁波が、その電界成分と磁界成分の位相差を一定周波数ωで周期的に変化させる電磁波であり、該電磁波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、この検出器によって反射波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分とを測定し、この測定値から被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波帯における透磁率測定方法。
【請求項９】
被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の誘電率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波を直線偏波にする手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波軸に垂直な面内で検出器を回転させる回転手段と、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置。
【請求項１０】
被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波を円偏波にする手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波軸に垂直な面内で検出器を回転させる回転手段と、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置。
【請求項１１】
被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波の電界成分と磁界成分の位相差を一定周波数ωで周期的に変化させる位相変調手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分とを測定する手段と、測定した電磁波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種磁性材料のミリ波帯における透磁率測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性材料のミリ波帯における透磁率を測定する方法の一つとして、自由空間法が知られている。この方法は、自由空間に設置された磁性材料である被測定試料に電波を照射し、この時の反射係数または透過係数から試料の透磁率を測定する方法であり、同軸・導波管法に比べて被測定試料の加工精度への要求度が小さいという利点がある。
【０００３】
この自由空間法には、固定入射角度での反射係数の振幅及び位相を直接測定する方法（「機能材料」Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１０（１９９８年）ｐ．４７）が提案されている。この方法は、以下の原理に基づく方法である。すなわち、平板上の試料（複素比透磁率μｒ、複素比誘電率εｒ）に対して電磁波が、例えば固定入射角度として０度で入射したときの反射係数Γは、規格化インピーダンスＺｉｎを用いると（１）式のように表される。
【０００４】
Γ＝（Ｚｉｎ−１）／（Ｚｉｎ＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・（１）式
ここでＺｉｎ＝ＺＣ・（ＺＬ＋ＺＣ・ｔａｎｈγｄ）／（ＺＬ＋ＺＣ・ｔａｎｈγｄ）
γ＝ｊ・（２π／λ０）・（εｒ・μｒ）１／２
ＺＬ：被測定試料背面の規格化入力インピーダンス
ＺＣ：被測定試料の特性インピーダンス
γ：被測定試料の伝搬定数
ｄ：被測定試料の厚さ
λ０：真空における電磁波の波長
【０００５】
被測定試料の複素比透磁率μｒ、複素比誘電率εｒは被測定試料の特性インピーダンスと伝搬定数を用いて（２）式の様に表される。
μｒ＝−ｊ・（λ０・γ・ＺＣ）／（２π）
εｒ＝−ｊ・（λ０・γ）／（２π・ＺＣ　）　　　　　　　　　　　　　・・（２）式
被測定試料が磁性体（μｒ≠１）の場合には、２つの異なる背面のインピーダンスでそれぞれの試料のインピーダンスを測定し、ここで得られる連立方程式から被測定試料の特性インピーダンスと伝搬定数を求め、（２）式から誘電率及び透磁率を計算すれば良い。
【０００６】
しかしながらこの方法では、反射係数の振幅と位相を同時に測定する必要がある。反射係数の振幅と位相を測定するにはベクトルネットワークアナライザ等の高価な測定機器が必要である。また、この方法では反射係数の絶対振幅を得る必要があり、そのために被測定試料と同一の面積の金属平板による反射係数を測定し、この金属平板での測定値を使って規格化する必要がある。このため、被測定試料と金属平板の面積の加工誤差による違いや測定時の設置位置のずれが測定誤差に影響を与える。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記実情に鑑みて為されたものであって、高価な測定機器であるベクトルネットワークアナライザを必要とせず、さらに、金属平板による反射係数の振幅の基準の測定を不要として、安価にまた簡易に試料の透磁率を測定できる方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は自由空間法により被測定試料のミリ波帯における透磁率を測定する方法であって、２つ以上の異なる条件で被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射してＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、得られた反射係数比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定方法である。
【０００９】
２つ以上の異なる入射角度で被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１０】
また、２つ以上の異なる厚みの被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１１】
また、被測定試料の裏面媒体のみが異なる２つ以上の被測定試料にミリ波帯の電磁波を照射し、得られたＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出することを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１２】
また、電磁波が照射される面と反対側の面とに金属層を貼り合せた被測定試料を用いて測定することを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１３】
また、前記電磁波が、その電界成分の方向を、入射波と反射波で構成する面である入射面に垂直な軸に対して、かつ入射波の進行方向と垂直な面内で、右回りまたは左回りに４５度傾けている直線偏波であり、該直線偏波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１４】
また、前記電磁波が円偏波であり、該円偏波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１５】
また、前記電磁波が、その電界成分と磁界成分の位相差を一定周波数ωで周期的に変化させる電磁波であり、該電磁波を被測定試料に照射し、被測定試料で反射した電磁波の強度を検出する検出器として、その検出感度に偏波依存性を有する検出器を用い、この検出器によって反射波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分とを測定し、この測定値から被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求めることを特徴とする前記のミリ波帯における透磁率測定方法は、本発明の好ましい態様である。
【００１６】
本発明により、被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の誘電率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波を直線偏波にする手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波軸に垂直な面内で検出器を回転させる回転手段と、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置が提供される。
【００１７】
また、本発明により、被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波を円偏波にする手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波軸に垂直な面内で検出器を回転させる回転手段と、反射した電磁波の進行方向に対して垂直な面内での検出器における偏波依存方向の方位と、その方位の時に検出される電磁波強度との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置が提供される。
【００１８】
また、本発明により、被測定試料に照射したミリ波帯の電磁波の、ＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を導出する透磁率測定装置であって、被測定試料に照射するミリ波帯の電磁波を発生する電磁波源と、電磁波の電界成分と磁界成分の位相差を一定周波数ωで周期的に変化させる位相変調手段と、被測定試料から反射した電磁波の強度を検出するための、検出感度に偏波依存性を有する検出器と、反射した電磁波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分とを測定する手段と、測定した電磁波の電磁波強度の直流成分と周波数ωの交流成分と周波数２ωの交流成分との関係から、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比を求め、さらに、被測定試料のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数の比から被測定試料の透磁率を計算する演算手段とを有することを特徴とするミリ波帯における透磁率測定装置が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明による透磁率測定法に関し、その原理を説明する。
【００２０】
裏面媒体（比誘電率εＢｒ、比透磁率μＢｒ）の上に比誘電率εｒ、比透磁率μｒの被測定試料がある時の電磁波の反射係数Ｒは、φを電磁波の入射角とする時、次の（５）式で与えられる。
Ｒ＝Ｒ’｛１−ｅｘｐ（−ｊ・２δ）｝／｛１＋Ｒ’・Ｒ０ｅｘｐ（−ｊ・２δ）｝
・・（５）式
ここで、δ＝２πｄ／｛λ０・（εｒ・μｒ−ｓｉｎ２φ）１／２｝
Ｒ’、Ｒ０は、被測定試料に照射する電磁波がＴＭ波の場合、
2004077348.tif 000003
【００２１】
被測定試料に照射する電磁波がＴＥ波の場合、
2004077348.tif 000004
【００２２】
いま、ＴＭ波の反射係数ＲＴＭを、
ＲＴＭ＝｜ＲＴＭ｜・ｅｘｐ（ｊ・ψＴＭ）　　　　　　　　　　　　　　　・・（６）式
ＴＥ波の反射係数ＲＴＥを、
ＲＴＥ＝｜ＲＴＥ｜・ｅｘｐ（ｊ・ψＴＥ）　　　　　　　　　・・（７）式
として、これら反射係数の比を次の（８）式で定義する。
2004077348.tif 000005
【００２３】
このようにΨとΔで表されるＴＭ波とＴＥ波の反射係数の比が２つの異なる条件で得られれば、逆推定問題として被測定試料の透磁率及び誘電率を測定することができる。すなわち、非磁性体の場合は比透磁率がμｒ＝１であるため、未知数は比誘電率εｒ（＝εｒ’＋ｊ・εｒ”）の実部εｒ’及び虚部εｒ”の２つである。１つの条件で得られるのは１組のΨとΔであるので、μｒ＝１の時には２つの未知数であるεｒ’及びεｒ”を決定することができる。しかしながら、磁性材料の場合にはμｒ≠１であるため、未知数は比誘電率εｒ（＝εｒ’＋ｊ・εｒ”）の実部εｒ’、虚部εｒ”、及び比透磁率μｒ（＝μｒ’＋ｊ・μｒ”）の実部μｒ’、虚部μｒ”の４つである。この場合には１つの条件で得られる１組のΨとΔではこれら４つの未知数を決定することはできないが、２つ以上の異なる条件でΨとΔを測定するれば、これら４つの未知数を決定することができる。
【００２４】
ミリ波帯における透磁率を求めるための、ΨとΔを測定する方法として、以下の方法を採用した。
【００２５】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態を図１を用いて説明する。図１は本実施形態の装置の概要を示しており、ミリ波帯にある電磁波（以後ミリ波と呼ぶ）を発振するミリ波源１、ミリ波を直線偏波にする偏波器２、被測定試料３、反射したミリ波を検出する検出器４、検出器をミリ波の軸上に回転させるモータ５、演算装置６に制御されながらモータを駆動するモータドライバー７、検出器４からの信号を増幅し演算装置に伝達するプリアンプ８から構成される。
【００２６】
この装置を用いた時の測定の原理について説明する。
今、入射波と反射波で構成する面である入射面に対して垂直な方向をｘ軸とする。そして被測定試料３に照射するミリ波として、電界ベクトルＥの方向が、進行方向に垂直な面内でｘ軸に対して右回りまたは左回りに４５度傾いている直線偏波９ａを用いる。（図１では偏波面がミリ波の進行方向に向かって右回りに４５度傾いている場合を示している。）被測定試料で反射したミリ波９ｂの電磁波エネルギーを測定する検出器４としては検出感度に偏波依存性をもっているものを使用する。
【００２７】
ＴＭ波の検出感度が最大となる時の、検出器４のｘ軸方向の回転方位を基準方位とし、この基準方位Ｓと反射ミリ波９ｂの進行方向に垂直な面内でのｘ軸とのなす角を検出器の方位角θとする。すなわちθが０度または１８０度の時にＴＭ波の検出感度が最大となり（この時、ＴＥ波の検出感度は無くなる）、またθが９０度または２７０度の時にＴＭ波の検出感度が無くなる（この時、ＴＥ波の検出感度は最大になる）。
【００２８】
すると、検出器４の方位角θと検出器４で検出される反射ミリ波９ｂの電磁波エネルギーＥとの関係は、先のΨ、Δを用いて次の（９）式で表すことができる。
Ｅ＝Ｅ０（１−ｃｏｓ２Ψ・ｃｏｓ２θ＋ｓｉｎ２θ・ｃｏｓΔ・ｓｉｎ２Ψ）
×｛１＋Σ［ａｎ・ｃｏｓ（ｎθ）＋ｂｎ・ｓｉｎ（ｎθ）］｝　　　　　　　　・・（９）式
（９）式における｛１＋Σ［ａｎ・ｃｏｓ（ｎθ）＋ｂｎ・ｓｉｎ（ｎθ）］｝は、反射ミリ波の軸、検出器の中心軸、検出器の回転中心軸の３つの軸間の軸ずれ及び検出器感度の検出器方位依存性を表した項である。
【００２９】
検出器の方位角θと反射ミリ波の電磁波エネルギーＥとの関係を測定することによりΨとΔを得る方法をより具体的に示す。
【００３０】
検出器の反射ミリ波軸上での１回転をｎ等分し、ｎ等分したそれぞれの方位角θｉで検出した反射ミリ波８ｂのエネルギーをＥｉとすると、Ψ及びΔは次式により計算できる。
【００３１】
Ψ＝（１／２）・ｃｏｓ−１（−α）
Δ＝ｃｏｓ−１｛β／（１−α２）１／２｝　　・・（１０）式
ここで、α＝（ｃ３・ｄ２−ｄ３・ｃ２）／（ｃ１・ｄ２−ｄ１・ｃ２）
β＝（ｃ３・ｄ１−ｄ３・ｃ１）／（ｃ２・ｄ１−ｄ２・ｃ１）
ｃ１＝２＋ａ４−Ａ２・ａ２
ｃ２＝ｂ４−Ａ２・ｂ２
ｃ３＝２・Ａ２−２・ａ２
ｄ１＝ｂ４−Ｂ２・ａ２
ｄ２＝２−ａ４−Ｂ２・ｂ２
ｄ３＝２・Ｂ２−２・ｂ２
Ａｎ＝２｛ΣＥｉ・ｃｏｓ（ｎθｉ）｝／｛ΣＥｉ｝　　但しｎ＝０、１、．．．
Ｂｎ＝２｛ΣＥｉ・ｓｉｎ（ｎθｉ）｝／｛ΣＥｉ｝　　但しｎ＝１、２、．．．
【００３２】
演算装置６は、検出器４を反射ミリ波９ｂの軸対称に回転するためのモータドライバー７から検出器の方位角θと、プリアンプ８を介して検出器からの出力とを収集し、（１０）式に従ってΨ及びΔを計算する。さらに、演算装置６は、このようにして得られる２組以上のΨ及びΔから（８）式を満足する比測定試料の比誘電率及び比透磁率を計算して求めることができる。
【００３３】
ミリ波源１としては、誘電率測定を行う周波数のミリ波を発生するものであれば何でも良く、例えば、Ｇｕｎｎ発振器またはＧｕｎｎ発振器とマルチプライヤとの組み合わせを使用できる。または、マイクロ波発振器とマルチプライヤとの組み合わせを使用することもできる。また、直線偏波にする偏波器２として、例えば、偏波依存性をもつアンテナ、あるいは矩形導波管を例示できる。さらに、被測定試料に照射する電波の指向性を高めるためにピラミダルホーンアンテナを使用できる。
【００３４】
検出器４としては、誘電率測定を行う周波数のミリ波のエネルギーを検出できるものであれば良く、例えば、ショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードを用いたものやミキサーとショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードとを組み合わせたものが例示される。また、検出器４に偏波依存性を持たせる手段としては、例えば、偏波依存性をもつアンテナや矩形導波管を例示できる。また、検出器の感度を高めるために、検出器にピラミダルホーンアンテナ等のアンテナ１０を取り付けることが好ましい。
【００３５】
検出器４の方位角θとミリ波強度の関係を測定するために、検出器４を反射ミリ波の軸の回りに回転させる必要がある。この回転機構としては、回転ステージを用いることができる。特に、モーター駆動の回転ステージを用いることによって自動測定が可能になる。
【００３６】
この様に、第１の実施態様では反射ミリ波９ｂのエネルギーを測定するだけでΨ及びΔを測定できるため、反射係数の振幅と位相を同時に測定するために必要なベクトルネットワークアナライザ等の高価な測定機器が不要である。また、絶対反射率を測定する必要が無いため、被測定試料３と同じ面積の金属平板での反射係数を測定し、この金属平板での測定値を使って規格化する必要が無い。このため、被測定試料３と金属平板の加工誤差による面積の違いや測定時の設置位置のずれによる測定誤差の発生を無くすことができる。本実施の形態は、Δがπ／２または３π／４に近いときに精度が高くなる。
【００３７】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態を図２を用いて説明する。図２は本実施形態の装置の概要を示しており、ミリ波を発振するミリ波源１１、ミリ波を円偏波にする偏波器１２、アルミニウムなどの金属板で裏打ちした被測定試料１３、反射したミリ波を検出する検出器１４、検出器をミリ波の軸上に回転させるモータ１５、演算装置１６に制御されながらモータを駆動するモータドライバー１７、検出器１４からの信号を増幅し演算装置１６に伝達するプリアンプ１８から構成される。
【００３８】
この装置を用いた時の測定の原理について説明する。
今、被測定試料で反射したミリ波１９ｂのエネルギーを測定する検出器１４としては検出感度に偏波依存性をもっているものを使用する。ＴＭ波の検出感度が最大となる時の、検出器１４のｘ軸方向の回転方位を基準方位とし、この基準方位Ｓと反射ミリ波の進行方向に垂直な面内でのｘ軸とのなす角を検出器の方位角θとする。すなわちθが０度または１８０度の時にＴＭ波の検出感度が最大となり（この時、ＴＥ波の検出感度は無くなる）、またθが９０度または２７０度の時にＴＭ波の検出感度が無くなる（この時、ＴＥ波の検出感度は最大になる）。すると、検出器１４の方位角θと検出器１４で検出される反射ミリ波１９ｂのエネルギーＥとの関係は、先のΨ、Δを用いて次の（１１）式で表すことができる。
Ｅ＝Ｅ０（１−ｃｏｓ２Ψ・ｃｏｓ２θ±ｓｉｎ２θ・ｓｉｎΔ・ｓｉｎ２Ψ）
×｛１＋Σ［ａｎ・ｃｏｓ（ｎθ）＋ｂｎ・ｓｉｎ（ｎθ）］｝　　　　　　　　・・（１１）式
【００３９】
ここで、±の意味は以下の通り。
「＋」の場合は照射するミリ波が右回り円偏波の場合、「−」の場合は照射するミリ波が左回り円偏波の場合、（１１）式において、｛１＋Σ［ａｎ・ｃｏｓ（ｎθ）＋ｂｎ・ｓｉｎ（ｎθ）］｝は、反射ミリ波の軸と検出器の中心軸と検出器の回転中心軸との軸ずれ及び検出器感度の検出器方位依存性を表した項である。よって、検出器１４の方位θと反射ミリ波１９ｂのエネルギーＥを測定することによりΨとΔを得ることができ、さらに、２組以上のΨとΔから被測定試料の誘電率及び透磁率を導出することができる。
【００４０】
検出器１４の方位角θと反射ミリ波１９ｂのエネルギーＥを測定することによりΨとΔを得る方法をより具体的に示す。
【００４１】
検出器１４の反射ミリ波軸上での１回転をｎ等分し、ｎ等分したそれぞれの方位角θｉで検出した反射ミリ波１９ｂのエネルギーをＥｉとすると、Ψ及びΔは次式により計算できる。
Ψ＝（１／２）・ｃｏｓ−１（−α）
Δ＝ｓｉｎ−１｛±β／（１−α２）１／２｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・（１２）式
ここで、±の意味は次の通り。「＋」の場合は照射するミリ波が右回り円偏波の場合、「−」の場合は照射するミリ波が左回り円偏波の場合、
【００４２】
また、
α＝（ｃ３・ｄ２−ｄ３・ｃ２）／（ｃ１・ｄ２−ｄ１・ｃ２）
β＝（ｃ３・ｄ１−ｄ３・ｃ１）／（ｃ２・ｄ１−ｄ２・ｃ１）
ｃ１＝２＋ａ４−Ａ２・ａ２
ｃ２＝ｂ４−Ａ２・ｂ２
ｃ３＝２・Ａ２−２・ａ２
ｄ１＝ｂ４−Ｂ２・ａ２
ｄ２＝２−ａ４−Ｂ２・ｂ２
ｄ３＝２・Ｂ２−２・ｂ２
Ａｎ＝２｛ΣＥｉ・ｃｏｓ（ｎθｉ）｝／｛ΣＥｉ｝　　但しｎ＝０、１、．．．
Ｂｎ＝２｛ΣＥｉ・ｓｉｎ（ｎθｉ）｝／｛ΣＥｉ｝　　但しｎ＝１、２、．．．
【００４３】
演算装置１６は、検出器１４を反射ミリ波１９ｂの軸対称に回転するためのモータドライバー１７から検出器の方位角θと、プリアンプ１８を介して検出器からの出力とを収集し、（１２）式に従ってΨ及びΔを計算する。さらに、演算装置１６は、この２組以上のΨ及びΔから（８）式を満足する比測定試料の比誘電率及び比透磁率を計算して求めることができる。
【００４４】
本実施の形態では、被測定試料に照射するミリ波として円偏波１８ａを用いる。円偏波を発生させる手段としては、直線偏波を発生させるミリ波源１１とπ／４の位相差発生器１２とを組み合わせたものが例示できる。被測定試料１３で反射したミリ波１９ｂのエネルギーを測定する検出器１４としては第１の実施の形態と同様に検出感度に偏波依存性をもっているものを使用する。
【００４５】
この様に、第２の実施形態では反射ミリ波のエネルギーを測定するだけでΨ及びΔを測定できるため、反射係数の振幅と位相を同時に測定するために必要なベクトルネットワークアナライザ等の高価な測定機器が不要である。また、絶対反射率を測定する必要が無いため、被測定試料と同じ面積の金属平板での反射係数を測定し、この金属平板での測定値を使って規格化する必要が無い。このため、被測定試料と金属平板の面積の違いや測定時の設置位置のずれによる測定誤差の発生を無くすことができる。また、検出器の感度を高めるために、検出器にピラミダルホーンアンテナなどのアンテナ２０を取り付けることが好ましい。本実施の形態はΔが０またはπに近いときに精度が高くなる。
【００４６】
第３の実施形態
図３は第３の実施形態を示す図であり、アルミニウムなどの金属板で裏打ちした被測定試料２３に照射するミリ波２８ａとして、電界成分と磁界成分の位相差が一定周波数ωで周期的に変化するミリ波を用いる。ミリ波の電界成分と磁界成分の位相差が一定周波数ωで周期的に変化させる手段としては、フェーズシフター２２を用いることができる。直線偏波のミリ波を発生することのできるミリ波源２１とフェーズシフター２２との組み合わせにより電界成分と磁界成分の位相差が一定周波数ωで周期的に変化するミリ波を発生させることができる。
【００４７】
被測定試料２３で反射したミリ波２８ｂのエネルギーを測定する検出器２４は、第１または第２の実施形態と同様に検出感度に偏波依存性をもっているものを使用する。ＴＭ波の検出感度が最大となる時の、検出器２４のｘ軸方向の回転方位を基準方位とし、この基準方位Ｓとｘ軸とのなす角を検出器の方位角θとする。すなわちθが０度または１８０度の時にＴＭ波の検出感度が最大となり（この時、ＴＥ波の検出感度は無くなる）、またθが９０度または２７０度の時にＴＭ波の検出感度が無くなる（この時、ＴＥ波の検出感度は最大になる）。本実施形態の場合には検出器２４の方位角は４５度に固定される。
【００４８】
今、被測定試料２３に照射するミリ波の電界成分と磁界成分の位相差δを（１３）式のように一定周波数ωで周期的に変化させるとする。
δ＝δ０・ｓｉｎωｔ　　　　　　　　　　　　　・・（１３）式
【００４９】
すると方位角４５度の検出器２４で検出されるミリ波エネルギーの直流成分ＥＤＣと周波数ωの交流成分Ｅωと周波数２ωの交流成分Ｅ２ωは次の（１４）式のように表される。
【数１】
2004077348.tif 000006
【００５０】
ここで、Ｃは比例定数、Ｊ０は０次のベッセル関数、Ｊ１は１次のベッセル関数、Ｊ２は２次のベッセル関数、特に、δ０＝２．４０５の時にはＪ０（δ０）≒０となるので、この時、Ψ及びΔは次式（１５）により計算できる。
【数２】
2004077348.tif 000007
【００５１】
検出器でミリ波エネルギーの直流成分ＥＤＣを得るにはプリアンプ２８を介して得られる検出器２４の出力信号を、ローパスフィルター３１を通過させれば良い。周波数ωの交流成分Ｅωと周波数２ωの交流成分Ｅ２ωはそれぞれバンドパスフィルター３２、３３で得ることができる。またバンドパスフィルターのかわりにロックインアンプを用いてもよい。演算装置２６ではミリ波エネルギーの直流成分ＥＤＣと周波数ωの交流成分Ｅωと周波数２ωの交流成分Ｅ２ωのそれぞれに比例する信号を入力し、その得られた入力信号を使って（１５）式に従ってΨ及びΔを計算する。さらに、演算装置２６ではこのようにして得られる２組以上のΨ及びΔから（８）式を満足する被測定試料の比誘電率及び比透磁率を計算する。
【００５２】
この様に、第３の実施形態では反射ミリ波のエネルギーを測定するだけでΨ及びΔを測定できるため、反射係数の振幅と位相を同時に測定するために必要なネットワークアナライザ等の高価な測定機器が不要である。また、絶対反射率を測定する必要が無いため、被測定試料と同じ面積の金属平板での反射係数を測定し、この金属平板での測定値を使って規格化する必要が無い。このため、被測定試料と金属平板の面積の違いや測定時の設置位置のずれがによる測定誤差の発生を無くすことができる。またこの方法では、検出器を回転させる必要がないので、モータなどの回転駆動機構が不要となり、装置が簡便なものになる。
【００５３】
また、被測定試料に２３に照射するミリ波２８ａの指向性を高めるためにアンテナ２５を設けることがのぞましい。そして検出器４Ｃの感度を高めるために、検出器２４にアンテナ３０を取り付けることが好ましい。
【００５４】
以上説明したようなミリ波帯における透磁率測定方法及び装置は、レーダ装置などのミリ波を利用したシステムで使用する各種材料の形状や寸法等を設計するために応用可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のミリ波帯における透磁率測定方法及び装置により、高価な測定機器であるベクトルネットワークアナライザを必要とせずにミリ波帯の透磁率測定が可能になる。さらに、金属平板による反射係数の振幅の基準を測定せずに、試料の透磁率測定が可能になる。このことはミリ波帯用材料の開発や素子の設計に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる測定装置を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる測定装置を示した図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係わる測定装置を示した図である。
【符号の説明】
１，１１，２１　ミリ波源
２，１２　偏波器
３，１３，２３　被測定試料
４，１４，２４　検出器
５，１５　モータ
６，１６，２６　演算装置
７，１７　モータドライバー
８，１８，２８　プリアンプ
９ａ　直線偏波
９ｂ，１９ｂ　反射ミリ波
１０，２０，２５，３０　アンテナ
１２　位相差発生器
１８ａ　円偏波
２２　フェーズシフター
２８ａ　ミリ波
２８ｂ　反射ミリ波
３１　ローパスフィルター
３２，３３　バンドパスフィルター
Ｓ　基準方位
θ　方位角
【図１】
2004077348.tif 000008
【図２】
2004077348.tif 000009
【図３】
2004077348.tif 000010