(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、  ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、  ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出する際に、前記電磁波が、電界成分の方向が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度傾いている直線偏波であり、この直線偏波を前記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がある1個の検出器を用い、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とその方位で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波の反射係数との前記比を求めることを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法。
【請求項２】
自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、  ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、  ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出する際に、前記電磁波が円偏波であり、この円偏波を被測定試料に照射し、被測定試料を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がある１個の検出器を用い、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とその方位で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波の反射係数との前記比を求めることを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法。
【請求項３】
自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するに際に、前記電磁波が、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電磁波であり、この電磁波を被測定試料に照射し、被測定試料を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がある検出器を用い、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、これらの測定値から被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との前記比を求めることを特徴とする、ことを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法。
【請求項４】
被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある１個の検出器を用い、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に検出器を回転させる回転手段と、その方位とそのとき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ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置。
【請求項５】
被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある１個の検出器を用い、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に検出器を回転させる回転手段と、その方位とそのとき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ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置。
【請求項６】
被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある検出器と、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、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の交流成分との関係から、被測定試料によるＴＥ波の反射係数ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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誘電材料の形状や寸法等を設計するために必要な、各種誘電材料のミリ波帯における誘電率測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体のミリ波帯での誘電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誘電体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誘電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。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）や、反射率の角度依存または反射率の試料厚み依存または反射率の周波数依存から誘電率を導出する方法（電子情報通信学会論文誌 B-2、Vol.J80−B-2 No.10（1997年）p.906）等が提案されている。
【０００３】
このうち前者の固定入射角度での反射係数の振幅と位相を直接測定し、測定した反射係数から誘電率を導出する方法は、以下の原理に基づく方法である。
【０００４】
すなわち、平板上の試料に対して電磁波が、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。
Γ＝（Ｚin−１）／（Ｚin＋１）    ・・（１）式
ここで
Ｚin＝ＺC・（ＺL＋ＺCtanhγｄ）／（ＺL＋ＺCtanhγｄ）
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
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
被測定試料が非磁性体（μｒ＝１）の場合には、（２）式は次の（３）式のように簡単になる。
εｒ＝−（λ0・γ／２π）2                     ・・（３）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）式から誘電率を計算すれば良い。
【０００５】
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ことが問題である。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という問題を有している。
【０００６】
また、従来の自由空間法による２つめの方法である反射率の角度依存または反射率の試料厚み依存または反射率の周波数依存から誘電率を導出する方法は、裏面媒体（比誘電率εBｒ）の上に比誘電率εｒの被測定試料がある時の電磁波の反射係数Ｒが、（４）式の様に入射角度θ、試料厚みｄ、電磁波周波数ｆ［Ｈｚ］（または電磁波波長λ0＝ｃ／ｆ，ここでｃは真空中での光速）の関数として与えられることを利用する。
Ｒ＝Ｒ’｛１−exp(−j・2δ)｝／｛１−Ｒ’2exp(−j・2δ)｝  ・・（４）式
ここで、
δ＝２πｄ／｛λ0・（εｒ−sin2θ）1/2｝
Ｒ’は、
被測定試料に照射する電磁波がＴＭ波の場合、
Ｒ’＝｛εｒ・（εBｒ−sin2θ）1/2−εBｒ・（εｒ−sin2θ）1/2｝／｛εｒ・（εBｒ−sin2θ）1/2＋εBｒ・（εｒ−sin2θ）1/2｝
被測定試料に照射する電磁波がＴＥ波の場合、
Ｒ’＝｛（εBｒ−sin2θ）1/2−（εｒ−sin2θ）1/2｝／｛（εBｒ−sin2θ）1/2＋（εｒ−sin2θ）1/2｝
実際の測定では電磁波の入射角度θ、被測定試料の厚み、または被測定試料に照射する電磁波の周波数を変えて、それぞれの場合でのエネルギー反射率（＝｜Ｒ｜2）を測定し、これらの逆推定問題として被測定試料の比誘電率を導出する。但し、試料の厚みを変える場合には、厚みの異なる試料の比誘電率が同じであることが必要である。また、被測定試料に照射する電磁波の周波数を変える場合は、照射する電磁波周波数の範囲で被測定試料の比誘電率が一定であることが必要になる。
【０００７】
このように、この方法ではエネルギー反射率の測定だけで済むため、反射係数の振幅と位相を同時に測定するための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。しかしながら、精度の良い測定を行うために、被測定試料である誘電体の反射率の角度変化または試料厚み変化または周波数変化が大きいものである必要があるが、このためにはおおよその誘電率が予めわかっている必要があるという問題を有している。さらに、この方法では絶対反射率の測定が必要なために、前記の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と同様に、反射係数の絶対振幅を得るために試料と同じ大きさの金属平板を基準試料とする必要があり、この金属平板の大きさと設置位置を被測定試料と同一にしないと測定誤差が生じるという問題がある。
【０００８】
【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を測定を不要として、安価にまた簡易に試料の誘電率を測定できる方法及び装置を提供することを技術的課題とする。
【０００９】
【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。請求項１に係わる発明は、自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、  ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、  ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出する際に、前記電磁波が、電界成分の方向が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度傾いている直線偏波であり、この直線偏波を前記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がある1個の検出器を用い、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とその方位で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波の反射係数との前記比を求めることを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法である。
【００１０】
請求項２に係わる発明は、自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、  ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、  ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出する際に、前記電磁波が円偏波であり、この円偏波を被測定試料に照射し、被測定試料を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がある１個の検出器を用い、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とその方位で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波の反射係数との前記比を求めることを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法である。
【００１２】
請求項３に係わる発明は、自由空間法により誘電体からなる被測定試料のミリ波帯での誘電率を測定する方法において、被測定試料にミリ波帯にある電磁波を照射した時
ＴＭ波の反射係数ＲTMを、ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・ψTM）
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・ψTE）
として、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）を求め、この被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するに際に、前記電磁波が、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電磁波であり、この電磁波を被測定試料に照射し、被測定試料を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がある検出器を用い、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、これらの測定値から被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との前記比を求めることを特徴とする、ことを特徴とするミリ波帯での誘電率測定方法である。
【００１３】
請求項４に係わる発明は、被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある１個の検出器を用い、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に検出器を回転させる回転手段と、その方位とそのとき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ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置である。
【００１４】
請求項５に係わる発明は、被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある１個の検出器を用い、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に検出器を回転させる回転手段と、その方位とそのとき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ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置である。
【００１５】
請求項６に係わる発明は、被測定試料に照射したミリ波帯にある電磁波のＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を導出するミリ波帯での誘電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がある検出器と、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、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の交流成分との関係から、被測定試料によるＴＥ波の反射係数ＲTEとＴＭ波の反射係数ＲTMとの比
ＲTM／ＲTE＝｜ＲTM／ＲTE｜・exp｛ｊ・（ψTM-ψTE）｝
≡tanΨ・exp（ｊΔ）
（ここでtanΨがTE波とTM波の反射係数の絶対値の比を、ΔがTE波とTM波の反射係数の位相差を意味する）
を求め、さらに、被測定試料によるＴＥ波の反射係数とＴＭ波の反射係数との比から被測定試料の誘電率を計算する演算手段と有することを特徴とするミリ波帯誘電率測定装置である。
【００１６】
本発明による誘電率測定法に関し、その原理を説明する。
裏面媒体（比誘電率εBｒ）の上に比誘電率εｒの被測定試料がある時の電磁波の反射係数Ｒは次の（５）式で与えられる。
Ｒ＝Ｒ’｛１−exp(−j・2δ)｝／｛１−Ｒ’2exp(−j・2δ)｝  ・・（５）式
ここで、
δ＝２πｄ／｛λ0・（εｒ−sin2θ）1/2｝
Ｒ’は、
被測定試料に照射する電磁波がＴＭ波の場合、
Ｒ’＝｛εｒ・（εBｒ−sin2θ）1/2−εBｒ・（εｒ−sin2θ）1/2｝／｛εｒ・（εBｒ−sin2θ）1/2＋εBｒ・（εｒ−sin2θ）1/2｝
被測定試料に照射する電磁波がＴＥ波の場合、
Ｒ’＝｛（εBｒ−sin2θ）1/2−（εｒ−sin2θ）1/2｝／｛（εBｒ−sin2θ）1/2＋（εｒ−sin2θ）1/2｝
いま、ＴＭ波の反射係数ＲTMを、
ＲTM＝｜ＲTM｜・exp（ｊ・φTM）          ・・（６）式
ＴＥ波の反射係数ＲTEを、
ＲTE＝｜ＲTE｜・exp（ｊ・φTE）          ・・（７）式
として、これら反射係数の比を次の（８）式で定義する。
0003794848.tif 000002
このようにＴＭ波とＴＥ波の反射率の比を表わすΨとΔが分かれば、逆推定問題として被測定試料の誘電率を測定することができる。
本発明によれば、ネットワークアナライザーなどの高価な測定装置を用いずに、簡便な装置により、ミリ波帯での誘電率を精度よく測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ミリ波帯での誘電率を求めるための、ΨとΔを測定する方法として、以下の方法を採用した。
【第１の実施形態】
本発明の第１の実施の形態を図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。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°傾いている直線偏波８ａ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°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８ｂ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。
【００１８】
今、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と反射波ミリ波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ψとする。すなわちψが０°または１８０°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ψが９０°または２７０°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）。
【００１９】
すると、検出器４の方位角ψ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・cos２ψ＋sin２ψ・cosΔ・sin２Ψ）×｛１＋Σ［ａn・cos(ｎψ)＋ｂn・sin(ｎψ)］｝    ・・（９）式
（９）式における｛１＋Σ［ａn・cos(ｎψ)＋ｂn・sin(ｎψ)］｝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。
【００２０】
図２は被測定資料として厚さが５ｍｍの紙フェノール基板をアルミニウム板（図示せず）で裏打ちしたものを用い、紙フェノール基板に６０ＧＨｚのミリ波を入射角度＝６０°で入射して、その反射波の電磁波エネルギーＥと検出器方位角ψとの関係を測定した例である。
この測定結果より、ΨとΔを得ることができ、さらに、このΨとΔから被測定試料３の誘電率を導出することができる。
【００２１】
検出器の方位角ψ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。
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ψｉ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。
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＝２ΣＥｉ・cos（ｎψｉ）／ΣＥｉ
但し、ｎ＝０、１、．．．．
Ｂn＝２ΣＥｉ・sin（ｎψｉ）／ΣＥｉ
但し、ｎ＝１、２、．．．．
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ψ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およびΔを計算して、本実施の形態で用いた被測定資料でΨは７２．５１１°、Δは８２．４３７°を得た。さらに、演算装置６は、このΨおよびΔから（８）式を満足する比測定試料の比誘電率（εｒ＝３．７６＋０．１８ｊ）を求めることができた。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
検出器４の方位角ψ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。
【００２５】
この様に、この方法では反射ミリ波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。
【００２６】
【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。
【００２７】
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ψとする。すなわちψが０°または１８０°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ψが９０°または２７０°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ψと検出器１４で検出される反射ミリ波１８ｂ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・cos2ψ±sin2ψ・sinΔ・sin2Ψ）×｛１＋Σ［ａn・cos(ｎψ)＋ｂn・sin(ｎψ)］｝    ・・（１１）式
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(ｎψ)＋ｂn・sin(ｎψ)］｝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ψ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、このΨとΔから被測定試料の誘電率を導出することができる。
【００２８】
検出器１４の方位角ψ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。
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ψｉ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
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＝２ΣＥｉ・cos（ｎψｉ）／ΣＥｉ
但し、ｎ＝０、１、．．．．
Ｂn＝２ΣＥｉ・sin（ｎψｉ）／ΣＥｉ
但し、ｎ＝１、２、．．．．
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ψ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およびΔを計算する。さらに、演算装置１６は、このΨおよびΔから（８）式を満足する比測定試料の比誘電率を計算して求めることができる。
【００２９】
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１８ｂ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。
【００３０】
この様に、この方法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、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。
【００３１】
【第３の実施形態】
図４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。
【００３２】
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ｘ軸とのなす角を検出器の方位角ψとする。すなわちψが０°または１８０°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ψが９０°または２７０°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）。
本実施例の場合には検出器２４の方位角は４５°に固定される。
【００３３】
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
すると方位角４５°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。
ＥDC＝Ｃ・２｛１＋tan2Ψ＋（tan2Ψ−１）Ｊ0（δ0）｝
Ｅω＝Ｃ・８tanΨ・sinΔ・Ｊ1（δ0）
Ｅ2ω＝Ｃ・４（tan2Ψ−１）Ｊ2（δ0）        ・・（１４）
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。
0003794848.tif 000003
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ΨおよびΔから（８）式を満足する比測定試料の比誘電率を計算する。
【００３４】
この様に、この方法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。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によるミリ波帯での誘電率測定方法及び装置により、高価な測定機器であるネットワークアナライザを必要とせずにミリ波帯の誘電率測定が可能になった。さらに、本発明よるミリ波帯での誘電率測定方法及び装置により、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誘電率測定が可能になった。このことはミリ波帯の誘電材料の開発や誘電素子の設計に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係わる測定装置を示した図である。
【図２】第１の実施の形態における測定例である検出器方位角と電磁波エネルギーの関係を示した図である。
【図３】第２の実施の形態に係わる測定装置を示した図である。
【図４】第３の実施の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
１０、２０、２５、３０  ・・・・アンテナ
２２                    ・・・・フェーズシフタ
【図１】
0003794848.tif 000004
【図２】
0003794848.tif 000005
【図３】
0003794848.tif 000006
【図４】
0003794848.tif 000007