取扱説明書
FS-Eband フリースペース法 測定装置

EM ラボ株式会社
2020 年 6 月 1 日

目次
第１章

製品概要.............................................................................................................3装置の外観と構造.............................................................................................................3製品仕様 ...........................................................................................................................4付属品 ...............................................................................................................................4構成部品一覧 ....................................................................................................................5設置 ..................................................................................................................................6
透過測定専用の設置 .....................................................................................................6
斜入射反射測定用の設置 ..............................................................................................7ミリ波モジュールの取り付け.......................................................................................8ミリ波モジュール使用時の偏波方向変更 ....................................................................9第２章

測定 ..................................................................................................................10

試料の準備 .....................................................................................................................10
加工サイズについて ...................................................................................................10サイズの計測について................................................................................................11
サンプルホルダーの選択と試料の固定方法 ..................................................................12透過用サンプルホルダー ............................................................................................12斜入射用サンプルホルダー ........................................................................................12透過 S パラメータ測定手順 ............................................................................................13測定条件の設定 ..........................................................................................................13
TRL 校正 ....................................................................................................................13
タイムドメインゲーティング機能の設定 ..................................................................14試料測定 .....................................................................................................................14
誘電率・透磁率測定手順：N1500A を使用...................................................................15
測定条件の設定 ..........................................................................................................15
TRL 校正 ....................................................................................................................17
タイムドメインゲーティング機能の設定 ..................................................................17
試料測定：S パラメータおよび誘電率・透磁率への変換..........................................17斜入射反射測定手順 .......................................................................................................19
測定条件の設定 ..........................................................................................................19
TRL 校正 ....................................................................................................................19
タイムドメインゲーティング機能の設定 ..................................................................20
試料測定 .....................................................................................................................20
第３章

メンテナンスと修理 ........................................................................................20

日々のクリーニング .......................................................................................................20
1修理 ................................................................................................................................20

初版：2020 年 6 月 1 日

2

第１章 製品概要
ここでは、製品の概要を説明します。
FS-Eband フリースペース法 測定治具は、ネットワーク・アナライザに接続して、各種材料の透過特性や反射特性を測定するために設計された治具です。アンテナの微動機構をそなえているため TRL 校正を用いた正確な測定が可能です。キーサイト・テクノロジー社製の材料測定スイート N1500A を使用して複素比誘電率・透磁率を測定できます。また、斜入射反射測定用に設定すれば、試料に斜めに電波をあてた時の反射特性も評価できます。
FS-Eband は、誘電体レンズアンテナを用いて測定信号を絞っているため試料サイズを小さく抑えることができます。またアンテナのサイドローブが極めて小さいため、電波暗室や電波吸収帯を使わなくても再現性の高い測定が可能です。
キーサイト N5252A ネットワーク・アナライザと一緒に使用する場合、ミリ波モジュールをアンテナに固定することで使い勝手が向上します。
装置の外観と構造
FS-Eband は一対の誘電体レンズアンテナ、サンプルホルダーおよびベースから構成されます。片方のアンテナには TRL 校正用の微動機構が付いています。また、測定周波数バンドに応じて、アンテナとネットワーク・アナライザを接続するためのアダプタが用意されています。以下は、N5252A ネットワーク・アナライザと組み合わせた構成です。

斜入射反射測定を行う場合は専用のベースを使用します。

3

製品仕様
周波数範囲：60 GHz – 90 GHz
誘電体レンズアンテナ：
・ 焦点距離：150 mm
・ 集光直径：3 波長（3 dB 幅）・ サイドローブ：-30 dB 以下
斜入射反射測定対応：
・ アンテナ設定角度：０度 – 90 度（分解能５度）
・ 斜入射反射特性測定可能範囲：アンテナ設定角度 30 度 – 60 度
・ サンプルホルダー設定角度：0 度 – 360 度（分解能 10 度）
付属品
透過測定用サンプルホルダー-補助ホルダー3 種（Φ50 mm、Φ40 mm、Φ30 mm）

斜入射用サンプルホルダー
斜入射用位置決めピンΦ3 x 6 本
六角レンチ 2.5 mm、3.5 mm、4 mm、3/32
六角穴付きボルト：
レンズアンテナ固定用 (M3/L8 x 8 本)
サンプルホルダー固定用 (M5/L10 x 2 本)
斜入射用サンプルホルダーベース固定用 (M5/L10 x 1 本)
ミリ波モジュール固定用 （M4/L12 x 8 本）

4

構成部品一覧
FS-Eband の構成部品の一覧をその外観写真とともに以下に示します。（ミリ波モジュー
ルは FS-Eband には含まれません。
）
基本構成品：

斜入射反射測定構成用

5

設置
FS-Eband は平坦な板の上に設置する必要があります。光学定盤を使用すれば理想的です。
通常の作業台の上に設置する場合、荷重などによる天板の反りに注意する必要があります。
特に測定系の校正後、天板に体重をかけるとアンテナ位置がずれて測定誤差を生じる可能性があります。測定方法に応じた設置方法について以下に説明します。
透過測定専用の設置
透過測定専用のベースにアンテナを固定することで、アンテナ位置のずれを最小限に抑え、最も正確に透過 S パラメータを測定することができます。特に、誘電率・透磁率の測定においては、わずかな S パラメータの変化でも誘電率・透磁率に換算すると許容できない場合があるため、透過測定専用の設置を推奨します。
効率的な設置手順の一例を以下に示します。
1.

ベース上の位置決めピンに合わせてアンテナを固定します。微動装置のついたアンテナをマイクロメータ側に取り付けます。その際、マイクロメータの先端を傷つけないように注意してください。先端が押し込まれた状態で、養生テープなどで固定して作業すると安全です。

2.

アンテナをベースの底面から六角穴付きボルトを使って固定します。

3.

サンプルホルダーをホルダー用ベースに六角穴付ボルトを使って固定します。

4.

最後にネットワーク・アナライザを接続します。

6斜入射反射測定用の設置
斜入射反射測定においては、アンテナを試料に対して正確な角度で固定することが重要です。専用のベースにアンテナ軸固定板を位置決めピンで固定することにより再現性の良い斜入射反射測定を行えます。アンテナを正対させることにより透過 S パラメータを測定できますが、測定誤差を最小限に抑えたい場合は、透過測定専用の設置を推奨します。
効率的な設置手順の一例を以下に示します。
1.

サンプルホルダー用ベースを六角穴付きボルトで斜入射用ベースに固定し、さらに位置決めピンで角度を固定します。ホルダーが回転できるようボルトは緩く止めてください。

2.

斜入射用サンプルホルダーをホルダー用ベースに六角穴付ボルトを使って固定します。

3.

斜入射測定用ベースにアンテナ軸固定板を位置決めピンを使って固定します。最初に内側のピンを固定し、次に外側のピンを固定します。
（穴は５度おきにあいています。
）ピンが固定出来たら、軸固定版に沿ってアンテナを置きます。

7ミリ波モジュールの取り付け
Keysight N5252A アナライザと一緒に使用する場合は、ミリ波モジュールをアンテナに取り付けます。以下にその手順を示します。
1.

アンテナ上部にミリ波モジュールを仮止めします。4 本の M4/L12 ネジは、モジュールが前後に動くように、ゆるめておきます。

2.

図の、長い導波管をアンテナとモジュールの間に通し、まずモジュール側をしっかりとネジで固定します。

3.

長い導波管のアンテナ側を接続します。その際、モジュールを少しずつずらしながら導波管の位置を合わせると、導波管へのストレスを軽減できます。位置合わせができたら、ネジでしっかり固定します。

4.

仮止めしてあったモジュール固定用のネジをしっかり締めてモジュールを固定します。

8ミリ波モジュール使用時の偏波方向変更
斜入射反射測定においては、測定信号の偏波方向を変えて測定することがあります。FSEband の場合、基本設定では電界は鉛直方向です。90 度のツイスト導波管を取り付けることで電界を水平方向に変更できます。水平偏波に変更する手順を以下に示します。（元に戻す場合も以下の手順を参考にしてください。
）
1.

アンテナに接続されている長い導波管の 4 本の固定ネジを緩めます。さらに、ミリ波モジュールを固定している 4 本のネジを緩めて前後に移動できるようにします。モ
ジュールをゆっくり動かしながら、長い導波管の接続部を外します。

2.

最初に導波管、次に矩形円形変換器を取り外します。

3.

取り外した矩形円形変換器にツイスト導波管を接続してから、アンテナに取り付けます。矩形導波管の向きを長い導波管と合わせることに注意してください。
。

4.

ミリ波モジュールを支えながら、長い導波管をツイスト導波管と接続します。導波管のネジを固定し、最後に、ミリ波モジュールを固定する 4 本のネジをしっかり締めます。

9

第２章 測定
ここでは、FS-Eband とネットワーク・アナライザを用いた各種測定の基本的な手順を説明します。まず、全ての測定に共通する試料の準備と、試料をサンプルホルダーに固定する方法について説明します。つづいて、最も基本的な透過 S パラメータの測定方法と、S パラメータを用いた誘電率・透磁率測定方法について説明します。最後に、斜入射反射特性の測定方法について説明します。
材料測定用ソフトウェア（キーサイト N1500A）およびネットワーク・アナライザの操作の詳細については、それぞれのマニュアルなどを参照してください。
試料の準備
フリースペース法では平坦な板状の試料を用います。誘電率・透磁率の計算に試料の厚さを使用するので、正確に把握することが重要です。FS-Eband のサンプルホルダーはさまざまな形状の試料に対応できますが、正確な測定のためには、十分な大きさを持った平坦な試料を用意することが重要です。また、測定条件に応じて、適切な厚さの試料を用意することが推奨されます。
加工サイズについて正確な測定のためには、透過特性測定の場合、測定周波数における 6 波長以上のサイズが推奨されます。各周波数バンドにおける最小試料サイズの目安を以下の表に示します。なお、透過型のサンプルホルダーに収まるサンプルサイズは 80mm 角までです。
斜入射で測定する場合は、測定ビームが横に広がりますので、入射角に応じて横長の試料を用意する必要があります。例えば、入射角が 30 度であれば、横幅が 2 倍の試料が必要です。横長の試料用には、斜入射用サンプルホルダーが適しています。

10

試料の厚さの適正値は測定周波数と材料の特性に依存します。N1500A の[SampleThickness Suggestion]機能を使って以下のように適正値を求めることができます。
1. Sample Thickness Suggestion 画面を開きます。

2. 測定周波数、誘電率・透磁率の値を入力して、最適な厚さを計算します。

サイズの計測について誘電率・透磁率測定を行う際に N1500A に入力するための試料厚さを、事前に計測して記録しておくことを推奨します。入力値の誤差が、そのまま誘電率・透磁率測定の誤差になりますので、正確な計測が必要です。試料の加工状況やサイズにもよりますが、一般的には3 カ所程度をマイクロメータなどで計測して平均値を用いることを推奨します。

11サンプルホルダーの選択と試料の固定方法
サンプルホルダーは、透過用、斜入射用の２種類が用意されています。
透過用サンプルホルダー
試料をサンプルホルダー本体に入れて、試料押さえで固定します。小さい試料や薄膜など面がゆがみやすい試料の場合は、補助ホルダーに挟んでから、ホルダー本体に固定してください。その際、測定周波数における 6 波長分の試料面が確保されるようにしてください。

注記
ホルダーに直接試料を固定する場合と、補助ホルダーを使う場合で、試料の位置が補助ホルダーの厚み分異なりますが、測定値への影響は無視できます。
斜入射用サンプルホルダー
斜入射反射測定時に横長の試料面を確保できるように用意されたホルダーです。ホルダー本体に試料を入れて、押さえ板で固定します。

12透過 S パラメータ測定手順
透過 S パラメータ測定はすべての測定の基本になりますので、他の測定をされる場合も、以下の内容を一通り確認してください。全体の流れはつぎのようになります。
1. 測定条件の設定
2. TRL 校正
3. タイムドメインゲーティング機能の設定
4. 試料測定
以下に、個々のステップについて、治具の操作方法を中心に説明します。アナライザ操作の詳細については、使用するアナライザのマニュアルを参照してください。
測定条件の設定
測定要求に応じてネットワーク・アナライザの測定条件を設定します。フリースペース法
における重要なパラメータの推奨設定を以下に示します。
・ Power Level：初期値
・ IF Bandwidth：10 kHz
・ Number of Points：8000 点以上
TRL 校正測定系の誤差要因をネットワーク・アナライザに装備されている TRL 校正で取り除きます。TRL 校正では、測定系を Thru（直結）、Reflect（反射）、および Line（線路）の 3 つの状態にして特性を評価し、その結果を元に誤差要因を取り除きます。
フリースペース法の場合、最初に、アンテナ微動機構を初期状態にしてから、Reflect、Line、Thru の順に実施すると効率的です。以下に、各ステップの設定方法を説明します。

微動機構の初期化
アンテナ微動機構のマイクロメータを操作して、上板と下板の面を目視で揃えます。次に、デジタルマイクロメータの[Origin]ボタンを長押しして表示値を 0 にします。この状態をアンテナ位置の初期状態とします。

13Reflect の設定
サンプルホルダーに SHORT（金属板）を固定します。必ず試料測定時と同じサンプルホルダーを使用してください。試料測定時に補助ホルダーを使用する場合は、SHORT を補助ホルダーに挟んでください。
SHORT を固定したら、微動機構を操作して、SHORT の厚さ分アンテナを遠ざけます。

Line の設定
サンプルホルダーから SHORT をはずします。補助ホルダーを使用する場合、SHORT だけをはずして、補助ホルダーはそのまま残してください。
微動機構を操作して測定周波数における 4 分の 1 波長分アンテナを遠ざけます。厳密に設定する必要はありません。以下の式を目安にしてください。(fmax, fmin は測定周波数範囲です。) たとえば 60 – 90 GHz の場合、1.02 mm になります。
1𝐿 = 3 × 108 ÷ √𝑓𝑚𝑎𝑥 × 𝑓𝑚𝑖𝑛 × 4 [m]Thru の設定
Line に続いて設定する場合、サンプルホルダーはそのままにして、微動機構を操作して初期状態（デジタルマイクロメータの表示値 0）に戻します。
タイムドメインゲーティング機能の設定
タイムドメインゲーティング機能を用いて測定系内の不要な多重反射の影響を取り除きます。推奨設定値は以下のとおりです。
・ Gate Center: 0 s
・ Gate Span: 1 ns
試料測定
サンプルホルダーに試料を取り付けて S パラメータを測定します。同じサンプルホルダーを使う測定であれば、TRL 校正を取りなおすことなく連続して試料を測定できます。

14

誘電率・透磁率測定手順：N1500A を使用
誘電率・透磁率は N1500A を使って透過 S パラメータの測定値から求めます。全体の流れはつぎのようになります。
1.

測定条件の設定

2.

TRL 校正3.

タイムドメインゲーティング機能の設定

4.

試料測定：S パラメータおよび誘電率・透磁率への変換

以下に、個々のステップについて、N1500A の基本操作を中心に説明します。機能の詳細については N1500A のマニュアルを参照してください。
測定条件の設定
測定条件は、ネットワーク・アナライザ本体ではなく、N1500A のユーザーインターフェースから設定する必要があります。フリースペース法における重要なパラメータの推奨設定を以下に示します。
（透過 S パラメータ測定と同じです。）
・Power Level：初期値または最大値

・IF Bandwidth：10 kHz

・

Number of Points：8000 点以上

N1500A を使った基本的な設定方法を説明します。
[Define Measurement]機能を使って、測定条件を以下の手順で設定します。設定画面上、左側のタブから順次設定して行きます。
1. [Define Measurement]画面を開きます。

15

2. [Set Frequency]タブで、測定条件を設定します。
（周波数、出力パワー、IF バンド幅、測定点数）

3. [Measurement Model]タブで材料定数の計算モデルを選択します。

4. [Sample Holder]タブで試料の厚さを入力します。これで基本的な測定条件の設定は完了です。

16

TRL 校正
通常の透過 S パラメータと同じです。TRL 校正を参照してください。
注記
校正を行う際、周波数、出力パワー、IF バンド幅、測定点数を、アナライザ本体からの操作によって変更しないでください。校正時の設定と N1500A による測定時の設定に差異が生じて、校正が無効になります。
タイムドメインゲーティング機能の設定
タイムドメインゲーティング機能を用いて測定系内の不要な多重反射の影響を取り除きます。この操作は N1500A ではなく、アナライザ本体で行います。推奨設定値は以下のとおりです。
・ Gate Center: 0 s
・ Gate Span: 1 ns
試料測定：S パラメータおよび誘電率・透磁率への変換
サンプルホルダーに試料を取り付けて S パラメータを測定します。
試料が準備できたら、N1500A からトリガーをかけて（[Trigger Measurement]をクリック）S パラメータ測定を実行します。

17

測定が終了したら[Chart]をクリックし、続いて必要なパラメータをクリックして表示します。図は、誘電率ε’を表示するときの例です。

なお、測定結果は[Save ..]機能を使って保存できます。

18

斜入射反射測定手順
斜入射反射測定は、専用のベースにアンテナを固定することで、試料に対して斜めに測定ビームを照射して行います。斜入射時は試料面において測定ビームが横長になるため、専用のサンプルホルダーを用いて、横長の試料を測定します。測定時にアンテナを斜めに設定すること以外は、基本的に透過 S パラメータ測定と同じです。全体の流れはつぎのようになります。
1.

条測定条件の設定

2.

TRL 校正3.

タイムドメインゲーティング機能の設定

4.

試料測定

以下に、個々のステップについて、治具の操作方法を中心に説明します。
測定条件の設定
測定要求に応じてネットワーク・アナライザの測定条件を設定します。フリースペース法
における重要なパラメータの推奨設定を以下に示します。
・ Power Level：初期値または最大値
・ IF Bandwidth：10 kHz
・ Number of Points：8000 点以上
TRL 校正通常の透過 S パラメータと同じです。TRL 校正を参照してください。なお、TRL 校正時には２つのアンテナを正対させ、サンプルホルダーは測定ビームに垂直に設置することに注意してください。また SHORT 板はホルダーの中央部に挟んでください。

19タイムドメインゲーティング機能の設定
タイムドメインゲーティング機能を用いて測定系内の不要な多重反射の影響を取り除きます。推奨設定値は以下のとおりです。
・ Gate Center: 0 s
・ Gate Span: 1 ns
試料測定
サンプルホルダーに試料を取り付けて S パラメータを測定します。試料面での反射量を測定しますが、ネットワーク・アナライザ上の測定パラメータは透過（S21 および S12）です。
アンテナ角度の変更方法については斜入射反射測定用の設置を参照してください。TRL校正を取りなおすことなく連続して異なる角度設定で測定できます。ただし、電界の方向を変える場合には、接続用アダプタの向きを変えてから TRL 校正を取り直す必要があります。

第３章 メンテナンスと修理
ここでは日々のメンテナンスと異常が発生したときの対応について説明します。
日々のクリーニング
FS-Eband は基本的にメンテナンスフリーです。目立った汚れが付いた場合は、不織布に少量のアルコールを付けてクリーニングしてください。
修理
修理が必要な場合、弊社 Web サイトから直接お問い合わせください。
https://www.emlabs.jp

20