(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の電気特性を測定するために用いられる導波装置であって、
導波空間を形成する金属壁面を有し、前記金属壁面は、側面、上面及び下面からなり、
前記側面の相対向する位置に、信号の入力コネクタ及び信号の出力コネクタが取り付けられており、
前記金属壁面のうち、前記入力コネクタ及び前記出力コネクタが取り付けられた前記側面を除く側面、前記上面、又は前記下面に、少なくとも一つの開口部を有し、前記開口部を除く全面が前記金属壁面によって閉じられており、
前記開口部は、前記試料を、前記導波空間内に導入し得る大きさを有し、電界最大領域から電界最大領域以外の領域にまたがって形成されており、
更に、
前記試料は、平板状であり、
前記開口部は、前記試料の長さ及び厚さに対応する長さ及び幅を有するスリット状に形成されている、
導波装置。
【請求項２】
請求項１に記載された導波装置であって、空胴共振器または導波管の何れかである導波装置。
【請求項３】
請求項２に記載された導波装置であって、
前記開口部は、前記開口部が形成される前と比較して、空胴共振器もしくは導波管の無負荷Ｑ値の低下率が３０％未満となるように形成されている
導波装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載された導波装置であって、ＴＭｌｍｎモードもしくはＴＥｌｍｎモードの共振モードを呈する導波装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れかに記載された導波装置であって、ＴＥｌ０ｎモードの共振モードを呈する導波装置。
【請求項６】
導波装置と、測定手段とを含む電気特性測定装置であって、
前記導波装置は、導波空間を形成する金属壁面が、側面、上面及び下面からなり、
前記側面の相対向する位置に、信号の入力コネクタ及び信号の出力コネクタが取り付けられており、
前記金属壁面のうち、前記入力コネクタ及び前記出力コネクタが取り付けられた前記側面を除く側面、前記上面、又は前記下面に、少なくとも一つの開口部を有し、前記開口部を除く全面が前記金属壁面によって閉じられており、
前記開口部は、前記試料を、前記導波空間内に導入し得る大きさを有し、電界最大領域から電界最大領域以外の領域にまたがって形成されており、
更に、
前記試料は、平板状であり、
前記開口部は、前記試料の長さ及び厚さに対応する長さ及び幅を有するスリット状に形成されており、
前記測定手段は、前記導波装置を励振すると共に、前記試料の挿入前後の特性変化の計算式に基づいて、前記導波装置の出力信号を解析し、
前記計算式は、前記試料に関する相関式を用いて得られたものであり、
前記相関式は、シュミレーションによって、電界最大領域から電界最大領域以外の領域にまたがって前記試料が挿入されたときの電磁界分布を求めて得られたものである、
電気特性測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載された電気特性測定装置であって、
前記測定手段は、周波数シンセサイザと、ネットワークアナライザと、演算処理装置とを含み、
前記周波数シンセサイザは、前記導波装置を励振し、
前記ネットワークアナライザは、前記導波装置から供給されるアナログデータをディジタルデータに変換して出力し、
前記演算処理装置は、前記計算式に基づいて、前記ネットワークアナライザから供給されるディジタルデータを処理する
電気特性測定装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載された電気特性測定装置であって、前記導波装置は、空胴共振器または導波管の何れかである電気特性測定装置。
【請求項９】
請求項６乃至８の何れかに記載された電気特性測定装置であって、前記導波装置は、共振モードがＴＭｌｍｎモードもしくはＴＥｌｍｎモードを呈する電気特性測定装置。
【請求項１０】
請求項６乃至８の何れかに記載された電気特性測定装置であって、前記導波装置は、共振モードがＴＥｌ０ｎモードを呈する電気特性測定装置。
【請求項１１】
試料の電気特性を測定する方法であって、
前記試料は、前記導波空間の電界最大領域から電界最大領域以外の領域にまたがる寸法を有し、
シュミレーションによって、電界最大領域から電界最大領域以外の領域にまたがって前記試料が挿入された時の電磁界分布を求め、前記試料に関する相関式を作成し、前記相関式を用いて前記試料の挿入前後の特性変化の計算式を作成し、
前記試料を、導波装置の開口部を通して、導波空間内に挿入し、前記導波装置を励振し、
前記計算式に基づいて、前記導波装置の出力信号を処理して、前記試料の電気特性を測定する
電気特性測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載された電気特性測定方法であって、前記導波装置は、空胴共振器または導波管の何れかである電気特性測定方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載された電気特性測定方法であって、前記導波装置は、ＴＭｌｍｎモードもしくはＴＥｌｍｎモードの共振モードを呈する電気特性測定方法。
【請求項１４】
請求項１１又は１２に記載された電気特性測定方法であって、前記導波装置は、ＴＥｌ０ｎモードの共振モードを呈する電気特性測定方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４の何れかに記載された電気特性測定方法であって、前記試料の誘電特性を測定する電気特性測定方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至１４の何れかに記載された電気特性測定方法であって、前記試料の磁気特性を測定する電気特性測定方法。
【請求項１７】
請求項１１乃至１６の何れかに記載された電気特性測定方法であって、前記試料は、誘電体材料、絶縁材料または磁性材料から選択された少なくとも一種の材料でなる電気特性測定方法。
【請求項１８】
請求項１１乃至１７の何れかに記載された電気特性測定方法であって、前記試料は、ポリマー材料、セラミック材料またはこれらの複合材料から選択された少なくとも一種の材料でなる電気特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、試料の電気特性を測定するために用いられる導波装置、この導波装置を用いた電気特性測定装置及び電気特性測定方法に関する。本発明の好ましい適用例は、フィルタ、電圧制御発振器、共振器等に広く用いられている誘電体基板、絶縁体基板、またはポリマー基板等基板材料の誘電特性、特に高周波領域における誘電特性測定である。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＨＦ帯からマイクロ波帯、ミリ波帯にわたる移動体通信の発展には各種通信デバイスの小形化が大きく寄与している。通信デバイスを小型化する技術としては、材料の高比誘電率化やデバイスの積層化等が利用される。例えば、フィルタやデュプレクサ、電圧制御発振器、カップラ、バルンでは多層基板材料を使用して薄型化を実現しており、ストリップライン共振器やコプレーナガイドでは高比誘電率の基板材料を用いて薄型化を図っている。
【０００３】
かかる基板材料を用いた各種装置において、所定の特性を確保するために、高周波誘電特性等の特性を測定しなければならない。その手段として、例えば特公平4-13881号公報は、基板材料と同一の粉体を用い、成形、焼成及び加工の必要な工程を経ることにより、円柱状試料を作製し、この試料の上下を金属板で挟んで、試料の高周波誘電特性を測定する手法を開示している。この評価手法は、両端短絡形誘電体共振器法と称されている。
【０００４】
別の手段として、IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol.IM-38 1989は、基板にライン電極とアース電極を印刷して、ストリップラインを形成する半波長共振器法について述べている。
【０００５】
更に別の技術として、Inst. Electron. Inf. & Commn. Eng. Trans. Electron. E77-C 1994は、基板から棒状試料を切り出し、切り出された棒状試料を空胴共振器の電界最大部分に挿入する摂動法について述べている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の両端短絡形誘電体共振器法を運用した場合、実際に用いられる基板とは別に、円柱状の試料を作製する手間がかかる。しかも、測定に供される試料が、実際に用いられる基板材料とは、別のプロセスを経て作製されるので、両者の電気特性が同一でない可能性が高いという問題点もあった。
【０００７】
さらに、誘電特性について周波数依存性を測定する場合には、所望する周波数に応じて円柱の寸法を大きく変化させた試料を多数作製する必要があるという問題点もあった。
【０００８】
一方、半波長共振器法では基板試料の測定をすることは可能であるが、電極印刷や端子コネクタ接続の手間がかかり、迅速な測定が難しい。また、電極長さを精度良く作製できない場合には、比誘電率算出に大きな影響が発生し、電極幅や電極導電率を制御できない場合には、誘電正接算出に大きな誤差が生ずる。
【０００９】
摂動法では挿入する試料の体積が空胴共振器の体積よりも極めて小さい場合のみ、その測定原理が成立する。したがって、棒状試料への切削加工が必ず必要となり、迅速な測定が難しい。また、測定試料を精度良く加工できない場合には、誘電特性算出に大きな誤差が発生する。
【００１０】
本発明の課題は、使用形態の試料の電気特性を容易、かつ、迅速に測定することができる新規な電気特性測定用導波装置、この導波装置を用いた電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供することにある。
【００１１】
本発明のもう一つの課題は、使用形態の試料の電気特性を、高精度で測定するのに適した導波装置、この導波装置を用いた電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、  本発明においては、試料の電気特性を測定するための導波装置が用意される。この導波装置は、導波空間を形成する金属壁面に、少なくとも一つの開口部を有しており、前記開口部は使用形態を有する前記試料を、前記導波空間内に導入し得る大きさを有する。
【００１３】
本発明に係る電気特性測定装置は、上述した導波装置と、測定手段とを含む。前記測定手段は、前記導波装置を励振すると共に、前記導波装置の出力信号を解析する。
【００１４】
本発明に係る電気特性測定方法は、試料として、使用形態を有する試料を用いる。この試料を、導波装置の開口部を通して、導波空間内に挿入する。そして、前記導波装置を励振すると共に、前記導波装置の出力信号を処理して、前記試料の電気特性を測定する。
【００１５】
本発明に係る電気特性測定方法において用いられる導波装置は、導波空間を形成する金属壁面に、少なくとも一つの開口部を有しており、開口部は、使用形態を有する試料を、導波空間内に導入し得る大きさを有する。
【００１６】
従って、試料の電気特性を測定するに当たり、使用形態を保った試料を用い、その試料を導波装置の導波空間内に直接に挿入できる。使用形態とは異なる特殊な試料を用意する必要は、全くない。このため、試料の電気特性を、容易、かつ、迅速に測定することができる。
【００１７】
また、使用形態を保った試料を、そのまま測定作業に持ち込むことができるので、試料の電気特性を高精度で測定し得る。
【００１８】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照して、更に詳しく説明する。但し、本発明の技術的範囲がこれらの図示実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る導波装置の斜視図、図２は図１のＡ２ーＡ２線を通る拡大断面図である。本発明に係る導波装置１は、試料２の電気特性を測定するために用いられる。試料２は、誘電特性を測定するために準備されたもの、或は、磁性特性を測定するために準備されたものの何れであってもよい。試料２は、誘電体材料、絶縁材料または磁性材料から選択された少なくとも一種の材料でなる。より具体的には、ポリマー材料、セラミック材料またはこれらの複合材料から選択された少なくとも一種の材料でなる。更に、試料２は、例えば任意の形状を有する平板状の基板であってもよいし、基板とは異なる形状を有していてもよい。
【００２０】
導波装置１は、導波空間１１を形成する金属壁面１２に、少なくとも一つの開口部１３を有する。開口部１３は、使用形態を有する試料２を、導波空間１１の内部に導入し得る大きさを有する。従って、開口部１３は試料の大きさまたは形状に応じて形成される。実施例において、対向する２つの側面に、入力側のコネクタ１４及び出力側のコネクタ１５が取り付けられている。開口部１３はコネクタ１４からコネクタ１５の方向に向かうごとく、スリット状に形成されている。スリット状に形成された開口部１３は、基板状の試料２に適している。
【００２１】
試料２が誘電体基板であって、その誘電特性を測定しようとする場合、開口部１３は、それを形成する前と比較して、空胴共振器もしくは導波管の無負荷Ｑ値が３０％以上低下しないように形成することが好ましい。
【００２２】
導波装置１は空胴共振器もしくは導波管を含む。導波装置の金属壁面１２は、例えば銅や銀、アルミニウムあるいは合金等の導電材料で構成される。金属壁面１２の内面または外面には、金属メッキが施されていてもよい。
【００２３】
導波装置１を構成する空胴共振器もしくは導波管としては、共振モードが、TMlmnモードまたはTElmnモードを呈するもの、好ましくは矩形TEl0nモードを呈するタイプのものが適している。
【００２４】
本発明においては、種々の形状及び構造の導波装置１を用いることができる。その例を、図３〜図５に示す。図３に示す実施例では、側面板を構成する金属壁面１２に開口部１３を設けてある。この構造の場合、試料（図示しない）は、入力側コネクタ１４から出力側コネクタ１５に向かう方向に対して、側方から直交する方向に差し込まれる。
【００２５】
図４の実施例では、対向する両側面板を構成する金属壁面121、122に、開口部131、132をそれぞれ設けてある。試料は開口部131ー132の間にまたがるように挿入される。
【００２６】
図５の実施例では、導波装置１は、短筒状に形成されており、軸方向の一端面に備えられた金属壁面１２に、開口部１３が設けられている。図５の実施例は円形TMlmnモード及びTElmnモードの共振モードを得る場合に適している。
【００２７】
次に、上述した導波装置１を含む電気特性測定装置は、図６に図示されている。  図示するように、本発明に係る電気特性測定装置は、導波装置１と、測定手段３とを含む。導波装置１は、図１〜図５を参照して詳述したように、導波空間１１を形成する金属壁面１２に、少なくとも一つの開口部１３を有する。開口部１３は、使用形態を有する試料２を、導波空間１１の内部に導入し得る大きさを有している。
【００２８】
測定手段３は、導波装置１を励振すると共に、導波装置１の出力信号を解析する。測定手段３の具体的構成例として、図６に示す実施例では、周波数シンセサイザ３１と、ネットワークアナライザ３２と、演算処理装置３３とを含んでいる。測定手段の全体がコンピュータによって構成されていてもよいし、或は、演算処理装置３３だけがコンピュータによって構成されてもよい。
【００２９】
周波数シンセイザ３１は、空胴共振器または導波管で構成される導波装置１に入力する各種信号を発生させる。ネットワークアナライザ３２は、導波装置１から供給されたアナログデータをディジタル処理する。演算処理装置３３は、ネットワークアナライザ３２から供給されるディジタルデータを取り込み、電気特性測定及び出力のための処理を行なう。演算処理装置３３は省略することが可能である。この場合は、ネットワークアナライザ３２によって得られたデータを手動で計算し、誘電特性等を算出することになる。ネットワークアナライザ３２は同等の機能を有するマイクロ波レシーバ等でも構成することもできる。また、ネットワークアナライザ３２が周波数シンセサイザ３１と同等の機能を有している場合は、周波数シンセサイザ３１を省略することができる。
【００３０】
次に、本発明に係る電気特性測定方法について、図６に示す電気特性測定装置を用いた場合を例にとって説明する。説明の具体化のために、試料２として、誘電体基板を用い、その誘電特性、例えば比誘電率及び誘電正接を測定する場合について説明する。磁性特性を測定する場合も、誘電特性測定において教示される下記内容に従い、当業者に知られた技術的配慮の下で、同様に適用が可能である。
【００３１】
本発明に係る電気特性測定方法には、摂動原理が適用できない。その理由は、摂動法においては、空胴共振器もしくは導波管内の電界最大の領域に限定して、棒状試料を挿入して誘電体特性を測定することが前提であるのに、本発明においては、誘電体特性を測定する場合も、使用形態の試料２を用いることが前提であり、開口部１３から導波空間１１内に挿入された試料が、空胴共振器もしくは導波管の電界最大領域以外にも存在するからである。
【００３２】
そこで、測定を行う前に、試料２の挿入された時の導波装置１の電磁界分布を、シュミレーションによって求めることにより、事前に試料２の試料形状、試料厚み、挿入位置等と誘電特性との相関式を作成しておく。電磁界分布のシュミレーションは、例えば、FDTD(Finite Difference Time Domain)法やGPOF(Generalized Pencil of Function)法、有限要素法等を適用することによって、実行できる。
【００３３】
導波装置１としては、大きさ109×54.4×103mm、共振周波数1.995GHzの矩形TE101モード空胴共振器もしくは導波管を用いた。試料２として、長さ1〜109mm、幅1〜54.4mm、厚み10μm〜10mm、比誘電率1〜200、誘電正接0.1〜0.0001を有する直方体の誘電体基板を用いた。
【００３４】
上述した誘電体基板でなる試料２を、導波装置１の開口部１３から導波空間１１の内部に挿入した場合の空胴共振器もしくは導波管の共振周波数及び無負荷Ｑ値の変化量について、計算式を作成する。
【００３５】
実際の測定に当たっては、図６で既に説明したように、上記空胴共振器もしくは導波管でなる導波装置１の入力コネクタ１４に、周波数シンセサイザ３１から各種信号を入力して、導波装置１を励振する。
【００３６】
そして、導波装置１の出力側のコネクタ１５を通して、導波装置１の出力信号をネットワークアナライザ３２へ供給する。ネットワークアナライザ３２からの出力データをコンピュータでなる演算処理装置３３に取り込み、試料２を挿入しない状態の共振周波数と無負荷Ｑ値とを決定する。
【００３７】
次に、図７に示すように、誘電体基板でなる試料２を導波装置１の開口部１３に向かって挿入する。試料２は、図８に示すように、導波装置１の導波空間１１内にセットされる。そして、試料２を挿入した空胴共振器もしくは導波管の共振周波数と無負荷Ｑ値とを決定する。
【００３８】
最後に、コンピュータでなる演算処理装置３３内に取り込まれている前述の計算式に基づき、これらの共振周波数と無負荷Ｑ値、基板材料の試料長さと試料幅、試料厚みを利用して、挿入された基板材料の比誘電率と誘電正接を算出する。
【００３９】
上述した誘電特性測定装置および測定方法に用いられる空胴共振器もしくは導波管に挿入される試料２は、加工を一切行わない非破壊の状態で用いることができる。但し、必要に応じて簡単な厚み加工、表面加工、切削加工等を施してもよい。
【００４０】
図示は省略したが、図１〜図５に示した導波装置１を用いた場合も、上述した測定手順に従って、試料の電気特性を測定できる。適用される試料２の形状は任意であり、多角形状、円形状、楕円形状または段付形状等、幅広く選択できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。
（ａ）使用形態の試料の電気特性を容易、かつ、迅速に測定し得る新規な導波装置、この導波装置を用いた電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供できる。
（ｂ）使用形態の試料の電気特性を、高精度で測定するのに適した導波装置、この導波装置を用いた電気特性測定装置及び電気特性測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る導波装置の斜視図である。
【図２】図１のＡ２ーＡ２線に沿った断面図である。
【図３】本発明に係る導波装置の別の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る導波装置の更に別の実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る導波装置の更に別の実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る電気特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る電気特性測定方法の一つのステップを示す図である。
【図８】本発明に係る電気特性測定方法の一つのステップを示す図である。
【符号の説明】
１              導波装置
１１            導波空間
１２            金属壁面
１３            開口部
２              試料
３              測定手段
３１            周波数シンセサイザ
３２            ネットワークアナライザ
３３            演算処理装置
【図１】
0003794437.tif 000002
【図２】
0003794437.tif 000003
【図３】
0003794437.tif 000004
【図４】
0003794437.tif 000005
【図５】
0003794437.tif 000006
【図６】
0003794437.tif 000007
【図７】
0003794437.tif 000008
【図８】
0003794437.tif 000009