特許 7471587 分割型直方体共振器およびそれを用いた誘電率の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-12

(45)【発行日】2024-04-22

(54)【発明の名称】分割型直方体共振器およびそれを用いた誘電率の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 22/00 20060101AFI20240415BHJP

   H01P 7/06 20060101ALI20240415BHJP

【ＦＩ】

G01N22/00 J

G01N22/00 Y

H01P7/06

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020088251

(22)【出願日】2020-05-20

(65)【公開番号】P2021181963

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-05-16

(73)【特許権者】

【識別番号】597123515

【氏名又は名称】ＥＭラボ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121946

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 泰広

(72)【発明者】

【氏名】柳本 吉之

【審査官】比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１５６５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２８４０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１５３８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２６９３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６２－１３４０５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ２２／００－Ｇ０１Ｎ２２／０４

Ｇ０１Ｒ２３／００－Ｇ０１Ｒ２３／２０

Ｈ０１Ｊ２３／００－Ｈ０１Ｊ２５／７８

Ｈ０１Ｐ １／００－Ｈ０１Ｐ １／２１９

Ｈ０１Ｐ ７／００－Ｈ０１Ｐ ７／１０

Ｈ０１Ｐ１１／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍ３）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長方形状の底面および前記長方形状の底面に対向する開口を有する直方体形状の第１の半空洞を有する第１の筐体と、
前記第１の半空洞と実質的に同一である第２の半空洞を有し、前記第１の半空洞の開口と前記第２の半空洞の開口とが対向するように、前記第１の筐体に対して配置される第２の筐体と、
前記第１の半空洞の底面から前記第１の半空洞に露出する第１のループアンテナと、
前記第２の半空洞の底面から前記第２の半空洞に露出する第２のループアンテナと、を備え、
前記長方形状の底面の縦の長さに対する横の長さの比が１．００５から１．２６であり、
前記第１の半空洞の前記底面から前記開口までの長さと前記第２の半空洞の前記底面から前記開口までの長さとの和は、前記底面の前記横の長さに対して１．０８以上であり、
前記第１のループアンテナおよび前記第２のループアンテナによって、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振を同時に励起する、
分割型直方体共振器。

【請求項2】

長方形状の底面および前記長方形状の底面に対向する開口を有する直方体形状の第１の半空洞を有する第１の筐体と、
前記第１の半空洞と実質的に同一である第２の半空洞を有し、前記第１の半空洞の開口と前記第２の半空洞の開口とが対向するように、前記第１の筐体に対して配置される第２の筐体と、
前記第１の半空洞の底面から前記第１の半空洞に露出する第１のループアンテナと、
前記第２の半空洞の底面から前記第２の半空洞に露出する第２のループアンテナと、を備え、
前記長方形状の底面の縦の長さに対する横の長さの比が１．００５から１．２６であり、
前記第１の半空洞の前記底面から前記開口までの長さと前記第２の半空洞の前記底面から前記開口までの長さとの和は、前記底面の前記横の長さに対して１．０８以上であり、
前記第１のループアンテナおよび前記第２のループアンテナのループ面と前記底面の縦方向とのなす角は約４５度である、
分割型直方体共振器。

【請求項3】

前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、点対称に配置される、
請求項２に記載の分割型直方体共振器。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれかに記載の分割型直方体共振器を用いて、試料の２方向の誘電率を同時に測定する誘電率の測定方法であって、
前記分割型直方体共振器に前記試料を挿入しない状態の第１の共振周波数特性を取得するステップと、
前記分割型直方体共振器に前記試料を挿入した状態の第２の共振周波数特性を取得するステップと、
前記第１及び第２の共振周波数特性から、前記試料の２方向の誘電率を算出するステップと、を備える、
誘電率の測定方法。

【請求項5】

前記第１の共振周波数特性および前記第２の共振周波数特性の各々は、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振特性を含む、
請求項４に記載の誘電率の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ミリ波帯における誘電体の複素誘電率の測定に適した分割型直方体共振器およびそれを用いた測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

第五世代通信網（５Ｇ）が提案されおり、それに向けた通信装置の開発が進んでいる。５Ｇにおける通信装置においても、現世代の第四世代通信網（４Ｇ）で使用されている通信装置と同じく、プリント基板、アンテナ、ケース、表示部などにはプラスチック、セラミック、ガラスなどの材料が使われる。しかし、５Ｇにおいては使用周波数としてミリ波帯（２８ＧＨｚ、４０ＧＨｚ）が提案されており、４Ｇの通信周波数である１～２ＧＨｚ帯に比べ１０倍以上周波数が高い。５Ｇで使用される通信装置の上記のような材料が５Ｇの周波数でも問題なく使用することができるのかを調査する必要がある。

【0003】

周波数が高くなることで、材料特性として重要になるのが誘電率である。まず、本発明における「誘電率」という言葉を定義する。材料の誘電率は真空の誘電率に対する比で表現されることが多く、厳密にはそれを「比誘電率」と称すべきであるが、本発明では慣例に倣って上記「比誘電率」を「誘電率」と表現する。また、「誘電率」は複素数であり、以下の説明では、「複素誘電率の実数部」を単に「誘電率」と称し、「複素誘電率の実数部」に対する「複素誘電率の虚数部」の比率（複素誘電率の虚数部／複素誘電率の実数部）を「誘電正接」と称する場合がある。

【0004】

５Ｇでは前述のように使用周波数が４Ｇの１０倍以上高くなる。４Ｇにおいても、材料の誘電率を知ることは重要であり、誘電率の測定はなされていた。しかし、５Ｇにおいては、誘電率をミリ波の周波数帯で測定する必要が生じ、スプリットシリンダ共振器（円筒空洞共振器）などが活用され始めている。スプリットシリンダ共振器を使用して材料の誘電率を測定する場合は、材料を平面状（フィルム状、シート状、板状など）に加工して測定試料とするのが通常である。

【0005】

５Ｇ用の通信装置に用いられる上記のような材料には誘電率に異方性を持つものも多い。異方性のある材料を基材として使用した基板（フレクシブルプリント基板＝ＦＰＣ）上の回路パターン（電気線路）やアンテナは、配向方向に配置されたときと配向と垂直方向に配置されたときとで異なる振る舞いをすること、また、異方性のある材料をケースや表示部に用いたときに、電波の照射の方向や偏波の向きによって、電波の放射効率が異なり、均一で安定した電波の放射の妨げになることが懸念される。

【0006】

５Ｇにおいて、安定した高性能の通信装置を設計・製造するためには、単なる誘電率（一般的には「配向方向」と「配向と垂直方向」の平均値であることが多い）ではなく、配向方向の誘電率と配向と垂直方向の誘電率を分離して知る必要がある。４Ｇでも同様の問題はあったが、５Ｇになり、周波数が１０倍以上高まったことにより、この影響が大きくなることが懸念されている。

【0007】

５ＧのＦＰＣの基材に使われる材料として有力な液晶ポリマー（ＬＣＰ）は分子が細長い形状をしているため配向が強く、誘電率に大きな異方性が現れる。一般的には配向方向の誘電率が配向に垂直方向の誘電率より大きい値を示す。本発明ではフィルム等の平面状の材料における平面と平行な方向（以下、「面内方向」という）の誘電率を議論しており、平面に垂直な方向の誘電率は関知していない。

【0008】

スプリットシリンダ共振器などのように、共振器を２分割してその間に被測定試料を挟んで誘電率を測定する方法は、ミリ波帯において、手軽で正確で再現性の良い測定が可能であることから、５Ｇへの応用で使用が増える高周波誘電体素材の誘電率の測定に最も適していると期待されている。この方法は、円柱形状の空洞を底面に平行な面で等分に２分割した２つの半空洞を互いに対抗するように組み合わせて共振器を形成し、前記２つの半空洞の間にフィルム状もしくは薄い板状の被測定試料を挟むことで試料の誘電率を測定する方法である。

【0009】

測定にはネットワークアナライザを用いることが多い。ネットワークアナライザを共振器につないで、横軸を周波数、縦軸を透過信号強度（透過係数）としたグラフを得、共振特性を得る。ここで、「共振特性」とは共振の中心周波数とＱ値（本明細書では中心周波数と３ｄＢバンド幅の比を採用）のことである。試料があるときとないときの共振特性から試料の誘電率と誘電正接を計算またはシミュレーションで求めるのが一般的である。

【0010】

図１２は従来技術に係る円筒型のスプリットシリンダ共振器５０の模式図である。図１２では、２つの筐体にそれぞれ形成される円柱状の２つの半空洞５２，６２と、２つの半空洞５２，６２とに挟まれて配置される試料３０が示され、２つの筐体の形状は省略されている。このスプリットシリンダ共振器５０は、測定に使用する共振モードがＴＥ０１１モードであり、電界Ｅが同心円状に生じる。このため、図１２のように試料の面内方向をＸＹ平面と平行な方向に設定すると、試料の面内の電界強度はＸ方向とＹ方向が等しく配分され、測定される誘電率はＸ方向の誘電率とＹ方向の誘電率の平均値となる。

【0011】

高周波帯における誘電体の誘電率の異方性を分離して測定するには、図１３のような空洞共振器６０を用いる空洞共振器摂動法が提案されている。空洞共振器摂動法においては、試料３０を細長く加工して、空洞共振器６０の中央の試料挿入孔６１に差し込んで誘電率を測定する。このとき、電界Ｅは空洞共振器６０の底面に垂直に生じるので、細長い試料３０の長手方向に印加される。試料３０を配向方向に細長く加工したものと配向と垂直方向に細長く加工したものを別々に測定することで、試料３０の異方性が測定できる。

【0012】

空洞共振器摂動法以外にも、特許文献１、特許文献２、非特許文献１など誘電率の異方性を測定するさまざまな方式が提案されている。

【0013】

また、特許文献３には、円筒空洞共振器（スプリットシリンダ共振器）を用いて異方性のある試料の誘電率を測定する方法が提案されており、ミリ波の周波数帯における誘電率の測定に適している。この方法は、従来のＴＥ０１１モードではなくＴＥ１１１モードもしくはさらに高次のＴＥ１１ｎモードを用いることが特徴である。図１２のように試料の面内方向をＸＹ平面と平行な方向に設定すると、円筒型のスプリットシリンダ共振器のＴＥ１１１モードの共振は、Ｘ方向とＹ方向の共振が縮退した状態であるので、異方性のある試料を挿入すると縮退が解け、共振が２つに分離する。この方法はこれを利用して誘電率の異方性を測定する。

【0014】

図１３の空洞共振器摂動法は、平面状の試料３０を配向方向と配向と垂直方向にそれぞれ細長く加工する必要がある。これは手間がかかるだけでなく、加工精度が誘電率測定に影響するため、配向方向と配向と垂直方向の誘電率に差が出ても、それが異方性によるものなのか、加工精度によるものなのか判断が困難である。また、同じ平面状の材料内であっても試料をサンプリングする場所によるばらつきがあり、違う場所から切り取った２つの試料の特性の差がそもそも含まれているので、異方性がない材料でも両者に差が生じる可能性がある。さらに、５Ｇで使われる２８ＧＨｚや４０ＧＨｚの周波数で空洞共振器６０を作成すると、サイズが小さくなりすぎて測定試料の加工が現実的には困難になるという問題もある。

【0015】

また、特許文献１、特許文献２および非特許文献１に開示されている方法は低い周波数には適しているがミリ波帯の周波数で用いるにはサイズが小さくなりすぎて実用的ではなく、異なる用途のものであるといえる。

【0016】

また、特許文献３に提案されている方法は、以下の理由により、正確な測定が困難である。円筒空洞共振器における空洞の断面（径方向）を真円に加工することは現実的には不可能であり、計算上は縮退して一つの共振になるはずのＴＥ１１１モードの共振であるが、図１４（特許文献３の図５）のように、加工精度の問題で試料が挿入されていないときにも共振が２つに分離している。誘電率の測定には試料を入れないときの共振特性を正確に得る必要があるが、このような状態では試料の誘電率を正確に得られない。

【0017】

ＴＥ１１１モードの電界の方向は完全に一方向ではなく、上記特許文献３の図１１のように曲線を描いているので、Ｘ方向に電界を印加したときでもＹ方向の電界成分が存在する。これではＸ方向の誘電率とＹ方向の誘電率を完全に分離して測定することができない。異方性が弱い試料の場合は、共振がはっきりと２つに分離しないので、共振特性が正確に測定できず、測定精度が悪化する、もしくは測定できなくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【文献】特開２００６－２２６９６３号公報

【文献】特開昭６２－１９５５６８号公報

【文献】特開２００７－２４８０９７号公報

【非特許文献】

【0019】

【文献】永田紳一，「誘電率の異方性測定を利用した新しいオンライン繊維配向計の開発と実証実験－将来の繊維配向自動制御をめざして－」，紙パ技協誌，第５７巻第２号，５８頁から６４頁，２００３年２月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

以上のように、５Ｇにおいて平面状の試料の誘電率を配向方向と配向と垂直方向で分離して正確に測定する要求が高まっているが、ミリ波帯の周波数ではその要求を満たす装置や方法が存在していない。本発明の目的は、平面状の試料の誘電率を配向方向と配向と垂直方向で分離して測定することのできる共振器および誘電率の異方性を分離して測定する測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0021】

第１の態様の分割型直方体共振器は、長方形状の底面および前記長方形状の底面に対向する開口を有する直方体形状の第１の半空洞を有する第１の筐体と、前記第１の半空洞と実質的に同一である第２の半空洞を有し、前記第１の半空洞の開口と前記第２の半空洞の開口とが対向するように、前記第１の筐体に対して配置される第２の筐体と、前記第１の半空洞の底面から前記第１の半空洞に露出する第１のループアンテナと、前記第２の半空洞の底面から前記第２の半空洞に露出する第２のループアンテナと、を備える。前記長方形状の底面の縦の長さに対する横の長さの比が１．００５から１．２６である。

【0022】

第２の態様の分割型直方体共振器は、第１の態様の分割型直方体共振器と同様の構成を備え、前記第１のループアンテナおよび前記第２のループアンテナのループ面と前記底面の縦方向とのなす角は約４５度である。

【0023】

本開示の誘電率の測定方法は、第１または第２の態様の分割型直方体共振器を用いて、試料の２方向の誘電率を同時に測定する誘電率の測定方法であって、前記分割型直方体共振器に前記試料を挿入しない状態の第１の共振周波数特性を取得するステップと、前記分割型直方体共振器に前記試料を挿入した状態の第２の共振周波数特性を取得するステップと、前記第１及び第２の共振周波数特性から、前記試料の２方向の誘電率を算出するステップと、を備える。

【発明の効果】

【0024】

本発明の分割型直方体共振器によれば、ＴＥ０１１モードの共振とＴＥ１０１モードの共振の２つの共振が所望の測定周波数近傍にあり、ＴＥ０１１モードの共振は試料に対してＸ方向の電界を印加し、ＴＥ１０１モードの共振は試料に対してＹ方向の電界を印加する。これにより、ＴＥ０１１モードの共振は試料のＸ方向の誘電率に応じた変化をし、ＴＥ１０１モードの共振は試料のＹ方向の誘電率に応じた変化をする。
試料を挿入しない状態でＴＥ０１１モードの共振の共振特性とＴＥ１０１モードの共振の共振特性をそれぞれ測定し、試料を挿入した状態で同じく２つの共振の共振特性を測定し、所定の計算もしくはシミュレーションにてＸ方向とＹ方向の誘電率を独立に正確に測定することができる。

【0025】

これらの測定はネットワークアナライザの１回の掃引で行えるため、測定が簡便になる。また、試料の測定する箇所が同一であるので、試料のサンプリングの箇所によるばらつきの影響を受けずに正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】実施の形態１に係る分割型直方体共振器の模式図（斜視図）

【図2】図１の２－２線を含むＸＺ面に平行な面による分割型直方体共振器の断面を示す模式図

【図3】実施の形態１に係る分割型直方体共振器の第１の筐体を示す正面図

【図4】実施の形態１に係る分割型直方体共振器のループアンテナを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側面図

【図5】実施の形態１に係る分割型直方体共振器の各モードによる共振周波数の計算値を示す表

【図6】実施の形態１に係る分割型直方体共振器で測定したＬＣＰフィルム（配向方向がＸ軸方向の場合）の共振周波数特性を示すグラフ

【図7】実施の形態１に係る分割型直方体共振器で測定したＬＣＰフィルム（配向方向がＹ軸方向の場合）の共振周波数特性を示すグラフ

【図8】図６および図７から算出したＬＣＰフィルムの誘電率を示す表

【図9】実施の形態１に係る分割型直方体共振器で測定したＰＩフィルム（Ｖ方向）の共振周波数特性を示すグラフ

【図10】実施の形態１に係る分割型直方体共振器で測定したＰＩフィルム（Ｈ方向）の共振周波数特性を示すグラフ

【図11】図９および図１０ら算出したＰＩフィルムの誘電率を示す表

【図12】従来技術に係るスプリットシリンダ共振器を示す図

【図13】従来技術に係る空洞共振器摂動法を示す図

【図14】従来技術に係るスプリットシリンダ共振器による共振周波数特性（ＴＥ１１１モード）を示す図

【発明を実施するための形態】

【0027】

（実施の形態１）
図１は、分割型直方体共振器の模式図（斜視図）であり、図２は、図１の２－２線を含むＸＺ面に平行な面による分割型直方体共振器の断面を示す模式図であり、図３は、分割型直方体共振器の第１の筐体を＋Ｚ方向から見た正面図である。後の説明のために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標系を定義する。分割型直方体共振器１０は、図１～３に示すように、半空洞１２を有する筐体１１と、半空洞２２を有する筐体２１と、２つのループアンテナ１３，２３を有する。分割型直方体共振器１０では、２つの筐体１１，２１にそれぞれ有する直方体形状の２つの半空洞１２，２２が共振器として機能するため、図１では、筐体１１，２１に形成されている半空洞１２，２２が示され、筐体１１，２１の外形は省略されている。

【0028】

２つの筐体１１，２１にそれぞれ形成される半空洞１２，２２は、実質的に同一の直方体形状を有し、それぞれ長方形状の底面と底面に対抗する開口とを有する。底面は、ＸＹ面に平行であり、縦（Ｘ方向の辺）の長さがａ、横（Ｙ方向の辺）の長さがｂの長方形状である。筐体１１，２１の素材としては銅を用いる。

【0029】

ループアンテナ１３，２３は、それぞれ、同軸ケーブル１４，２４の先端部に設けられ、半空洞１２，２２のそれぞれの底面から半空洞１２，２２の内部に露出して配置される。半空洞１２，２２のそれぞれの底面の中心には、同軸ケーブル１４，２４を挿入する挿入孔が設けられている。

【0030】

図４は、実施の形態１に係る分割型直方体共振器のループアンテナを示す（Ａ）正面図、（Ｂ）側面図である。ループアンテナ１３，２３は、図４に示すように、それぞれ、同軸ケーブル１４，２４の先端部において中心部から端部にかけてループを描くように形成される。ループアンテナ１３，２３のループにより形成される面を「ループ面」と定義する。実施の形態１に係る分割型直方体共振器１０のループアンテナ１３，２３は、それぞれのループ面が、図４に示すように、Ｘ方向となす角θが４５度となるように、筐体１１，２１に取り付けられる。図４では、角θが４５度である例を示しているが、角θは４５度、１３５度、２２５度、３１５度のいずれでもよい。即ち、ループアンテナ１３，２３のそれぞれの「ループ面」は、半空洞の底面の縦方向（Ｘ方向）または横方向（Ｙ方向）対して４５度の角度を有すればよい。実施の形態１では、ループアンテナ１３，２３の２つの「ループ面」が同一平面上にあり、ループアンテナ１３，２３が互いに点対称となる位置（ループアンテナ１３のループ面の角θが４５度の場合、ループアンテナ２３のループ面の角θが２２５度）に配置されている。これは、ループアンテナ１３，２３が有限のサイズを持つことによる理想の共振からの乖離を最小にするためである。

【0031】

分割型直方体共振器１０は、図１に示すように、２つの筐体１１，２１のそれぞれの半空洞１２，２２の開口が対向するように配置されることにより、構成される。試料３０の誘電率を測定する場合には、図１に示すように、２つの筐体１１，２１の隙間に試料３０を挟んだ状態で共振特性が測定される。

【0032】

試料３０を挿入しない状態では、半空洞１２，２２が１つの直方体形状の空洞（「直方体空洞」と称する）を形成する。共振器として機能する空洞は、Ｘ方向の辺の長さがａ、Ｙ方向の辺の長さがｂ、Ｚ方向の辺の長さがｃの直方体である。即ち、半空洞１２，２２の長さ（Ｚ方向の辺の長さ）は、図２に示すように、ｃ／２である。本実施の形態においては、５Ｇで使用される周波数である２８ＧＨｚを測定周波数とするために、空洞の形状（形状１）を、ａ＝７．１ｍｍ、ｂ＝７．３ｍｍ、ｃ＝８ｍｍとした。このとき、ＴＥ０１１モードの共振の共振周波数の計算値は約２７．７９８３ＧＨｚ、ＴＥ１０１モードの共振の共振周波数は約２８．２２８３ＧＨｚである。また、それ以外の共振モードも存在するが、ｃ＞ｂとしたことで、図５のように他のモードの共振周波数（計算値）がＴＥ０１１０モードとＴＥ１０１モードの共振周波数よりも高くなり、測定に影響を与えない。

【0033】

電界Ｅは、図１に示すように、ＴＥ０１１モードの共振においてはＸ方向にのみ印加され、ＴＥ１０１モードの共振においてはＹ方向にのみ印加される。

【0034】

信号は、図２のように半空洞１２，２２の底面の中央付近にそれぞれ取り付けたループアンテナ１３，２３で励起する。ＴＥ０１１モードの共振において磁場はＹＺ面に平行に励起されるため、ループアンテナの開口の向きをＹ方向に向け（ループ面はＸＺ面に平行）、Ｙ方向に磁場を励起する必要がある。同様に、ＴＥ１０１モードの共振において磁場はＸＺ面に平行に励起されるため、ループアンテナの開口の向きをＸ方向に向け（ループ面はＹＺ面に平行）、Ｘ方向に磁場を励起する必要がある。この２つの要求は相反するため、本実施の形態では、図３、図４のように、ループアンテナ１３，２３の開口の向きをそれらの中間的な方向、即ちＸ方向とＹ方向に対して４５度の角度（ループ面がＸＺ面とＹＺ面に対して４５度の角度）をなす方向に設定する。これにより、ＴＥ０１１モードの共振とＴＥ１０１モードの共振が同程度の強度に励起され、測定の際に共振ピークが見つけやすく、また、一方のピークがもう一方のピークに強い影響を与えることがなく、２つの共振を良好に測定することができる。

【0035】

ＴＥ０１１モードの共振は試料のＸ方向の誘電率の影響を受け、低い周波数に移動する。同様に、ＴＥ１０１モードの共振の共振周波数は試料のＹ方向の誘電率の影響を受け、低い周波数に移動する。ＴＥ０１１モードの共振とＴＥ１０１モードの共振とにおける共振周波数の移動量は試料に異方性がある場合、異なった値となる。それぞれの共振モードの共振周波数が異なることで、試料のない状態でのそれぞれの共振特性が正確に測定でき、また、試料を入れて共振周波数を測定したときにも、２つの共振がはっきりと分離するので、試料のＸ方向の誘電率とＹ方向の誘電率を正確に分離して測定できる。

【0036】

図６、図７、図９および図１０は、試料３０を挿入しないときと挿入したときのＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードとの共振特性を示しており、各図の破線は試料３０を挿入しないときの共振特性である。試料３０を挿入しないときのＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードとの共振周波数の実測値は、それぞれＦｔｅ０１１＝２７．７８８ＧＨｚ、Ｆｔｅ１０１＝２８．２１６ＧＨｚであった。計算値との差は切削加工による誤差と半空洞の角に形成されるＲ加工（Ｒ＝０．５ｍｍ）とによる影響が出たためである。

【0037】

図６の実線は、試料として異方性が強いＬＣＰ（厚み６４μｍ）のフィルムを分割型直方体共振器１０に挿入したときの共振特性である。挿入の方向はＬＣＰの配向が共振器のＸ方向に平行になるようにしている。このとき、ＴＥ０１１モードおよびＴＥ１０１モードの共振周波数は、それぞれＦｔｅ０１１＝２６．９９５ＧＨｚ、Ｆｔｅ１０１＝２７．６７６ＧＨｚであり、ＴＥ０１１モードの共振は大きく低周波側に移動するのに比べＴＥ１０１モードの共振は低周波側に移動するもののＴＥ０１１モードの共振ほどの移動量ではない。

【0038】

次に、ＬＣＰフィルムを９０度回転させ、配向の向きをＹ方向に平行にして同様の測定をした結果を図７の実線に示す。この時、ＴＥ０１１モードおよびＴＥ１０１モードの共振周波数は、それぞれＦｔｅ０１１＝２７．２７６ＧＨｚ、Ｆｔｅ１０１＝２７．４４４ＧＨｚであり、ＴＥ０１１モードの共振の移動が小さく、ＴＥ１０１モードの共振の移動が大きくなっている。

【0039】

それぞれの場合における共振特性から、ＬＣＰフィルムの配向方向の誘電率および誘電正接と配向と垂直方向の誘電率および誘電正接を計算したものが図８である。配向方向の誘電率および誘電正接と、配向と垂直方向の誘電率および誘電正接との間には大きな隔たりがあることが確認できた。また、異なる共振モードによる測定値であるにもかかわらず、配向方向と配向と垂直方向の誘電率と誘電正接はほぼ同じ値が得られている。

【0040】

比較のために、異方性がほとんどないといわれるポリイミド（ＰＩ）フィルムで同様の測定を行った。異方性のないポリイミドフィルムは配向方向が決定できないので、適当に選んだ方向を縦（Ｖ）方向、Ｖ方向に対して９０度回転した方向を横（Ｈ）方向と定義した。図９の実線は、ポリイミドフィルムを縦方向に挿入したときの共振特性である。このとき、ＴＥ０１１モードおよびＴＥ１０１モードの共振周波数は、それぞれＦｔｅ０１１＝２７．３３０ＧＨｚ、Ｆｔｅ１０１＝２７．７５３ＧＨｚであり、ＴＥ０１１モードの共振およびＴＥ１０１モードの共振における共振周波数の移動量およびＱ値の変化はほぼ等しい。

【0041】

同様に、ポリイミドフィルムを横方向に挿入して測定をしたときの共振特性が図１０の実線である。この時も、ＴＥ０１１モードおよびＴＥ１０１モードの共振周波数は、それぞれＦｔｅ０１１＝２７．３２６ＧＨｚ、Ｆｔｅ１０１＝２７．７５４ＧＨｚであり、ＴＥ０１１モードの共振およびＴＥ１０１モードの共振における共振周波数の移動量およびＱ値の変化はほとんど変わらない。

【0042】

これらの測定データから、ポリイミドフィルムの縦方向の誘電率および誘電正接を求めた結果が図１１である。縦方向、横方向の誘電率と誘電正接には有意な差が見られないことがわかる。

【0043】

本実施の形態の直方体形状の空洞を有する分割型直方体共振器１０で、異方性の強いＬＣＰフィルムにおいては、測定の電界の方向によって得られる誘電率が大きく異なり、異方性がほとんどないＰＩフィルムにおいては、測定の電界の方向にかかわらず得られる誘電率の値がほぼ等しいことが確認できた。

【0044】

分割型直方体共振器１０は、長方形状の底面とその底面に対向する開口を有する直方体形状の半空洞１２を有する筐体１１と、半空洞１２と実質的に同一である半空洞２２を有し、半空洞１２の開口と半空洞２２の開口とが対向するように、筐体１１に対して配置される筐体２１と、半空洞１２の底面から半空洞１２に露出する第１のループアンテナ１３と、半空洞２２の底面から半空洞２２に露出する第２のループアンテナ２３と、を備える。第１のループアンテナ１３および第２のループアンテナ２３のループ面は底面の縦方向に対して約４５度の角度を有する。また、第１のループアンテナ１３のループ面と第２のループアンテナ２３のループ面とは実質的に同一平面上に位置する。このように、２つのループアンテナ１３，２３をＸ軸とＹ軸に対して約４５度の角度を持つように配置することにより、異方性を持つ誘電体の複素誘電率の測定において、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの両方の共振をバランスよく励起し、１つの分割型直方体共振器で２軸方向の誘電率を１回の掃引で同時に測定することができる。

【0045】

また、分割型直方体共振器１０を用いる誘電率の測定方法によって、異方性を有する試料３０の２方向の誘電率を同時に測定することができる。この測定方法は、分割型直方体共振器１０に試料３０を挿入しない状態の第１の共振周波数特性を取得するステップと、分割型直方体共振器１０に試料３０を挿入した状態の第２の共振周波数特性を取得するステップと、第１及び第２の共振周波数特性から、試料３０の誘電率を算出するステップと、を備える。第１の共振周波数特性および第２の共振周波数特性の各々は、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振特性を含む。

【0046】

（他の実施の形態）
異方性を有する誘電体の誘電率を正確に測定するには、ＴＥ０１１モードの共振周波数とＴＥ１０１モードの共振周波数との差を十分大きくし、試料を挿入しないときのそれぞれの共振特性が正確に求められ、かつ、異方性のある試料の挿入により２つの共振が重ならないようにする必要がある。実施の形態１において、直方体空洞の形状をａ＝７．１ｍｍ、ｂ＝７．３ｍｍ、ｃ＝８．０ｍｍとし（形状１）、試料を挿入しない状態で両者の共振周波数の差は４２８ＭＨｚであったが、試料であるＬＣＰフィルムの挿入によって図７に示すように、両者の共振周波数の差が１６８ＭＨｚ（配向方向がＹ方向の場合）まで小さくなった。試料の挿入によって共振周波数が移動し、移動後のＴＥ０１１モードの共振とＴＥ１０１モードの共振が重なってしまうと、共振特性の測定ができなくなる。また、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードとの共振が入れ替わることもありうるが、そのときは、どの共振がどちらなのかわからなくなる。実施の形態１の分割型直方体共振器１０で、試料の異方性がもっと強かったり、試料が厚かったりする場合にも同様のことは起こりうる。

【0047】

試料の異方性による誘電率の差をΔε、試料の厚さをｔとし、この場合のＴＥ０１１モードの共振が移動するときの中心周波数の移動量をΔＦ０１１とし、ＴＥ１０１モードの共振が移動するときの中心周波数の移動量をΔＦ１０１とする。ΔＦ０１１とΔＦ１０１の差をΔＦとすると、ΔＦはΔε×ｔにほぼ比例する。

【0048】

実施の形態１では、試料を入れないときの両共振モードの共振周波数の差は４２８ＭＨｚであった。異方性による誘電率の差が約１．１７で厚さが６４μｍのＬＣＰフィルムにより、両共振モードの共振周波数の差が１６８ＭＨｚ（配向方向がＹ方向の場合）まで縮まった。この場合のΔＦ０１１は５１２ＭＨｚ、ΔＦ１０１は７７２ＭＨｚ、ΔＦは２６０ＭＨｚである。

【0049】

実施の形態１で用いたＬＣＰフィルムよりも厚く、異方性の強い試料を測定するならば、例えば、直方体空洞の形状をａ＝６．２ｍｍ、ｂ＝７．８ｍｍ、ｃ＝８．５ｍｍにする（形状２）と、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振周波数（計算値）はそれぞれ、２６．０８ＧＨｚ、２９．９３ＧＨｚと４ＧＨｚ近く分離することになり、より異方性の強い、もしくは、より厚みのある試料の測定が可能となる。一方で、共振周波数が２８ＧＨｚから離れるにつれて、２８ＧＨｚ付近で使用される材料としての特性が反映される状態での測定からのずれが大きくなり、市場における実使用状態での特性との差が大きくなる可能性がある。また、配向と同じ向きの誘電率を測定するときの周波数と配向と垂直方向の誘電率を測定するときの周波数が大きく異なることになる。

【0050】

逆に、直方体空洞の形状をａ＝７．１８ｍｍ、ｂ＝７．２２ｍｍ、ｃ＝８ｍｍとする（形状３）と、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振周波数（計算値）はそれぞれ、２７．９６７ＧＨｚ、２８．０５３ＧＨｚとなり、２８ＧＨｚ付近で使用される材料としての特性が反映される状態での測定として十分であるといえる。しかし、２つの共振周波数の差が８６ＭＨｚしかなく、小さな異方性のある試料でも２つの共振が重なってしまって誘電率の測定できなくなる可能性が大きい。実用的には限界であると考えられる。

【0051】

以上の考察から、本実施例に対して、直方体空洞の形状を規定するａ、ｂ、ｃの選択に前後の幅が想定できることがわかる。ｃはｂよりも１０％程度大きい値（ｃ／ｂが１．０８以上、より好ましくは１．０９以上）であれば、不要モードであるＴＥ１１０モードの共振周波数は測定に影響を与えない。ｃを不要に大きくすると共振器のサイズが不要に大きくなるので、ｃはｂより１０％大きい程度に留める（ｃ／ｂが１．１５以下、より好ましくは１．１１以下）のが実用的である。重要なのはａとｂの比率であるが、実施の形態１の場合（形状１）、ａとｂの比率はａ：ｂ＝７．１：７．３と約３％の差を持たせた。上記考察においては、最小の場合（形状３）、ａとｂの比率はａ：ｂ＝７．１８：７．２２と考えられ約０．５％の差となる。逆に最大の場合（形状２）、ａとｂの比率はａ：ｂ＝６．２：７．８で約２６％の差となる。

【0052】

上記のように、分割型直方体共振器１０は、直方体をＸＹ面に平行な面で２分割して形成される２つの半空洞１２，２２を対面させて組み合わせることにより構成される空洞を有する。直方体形状の空洞の縦（Ｘ方向の辺）の長さをａ、横（Ｙ方向の辺）の長さをｂとすると、長さｂは、長さａの１００．５％から１２６％である。これにより、ＴＥ０１１モードとＴＥ１０１モードの共振周波数との差を十分確保しつつ、５Ｇでの周波数帯域である２８ＧＨｚという実使用に近い状態での誘電率の測定が可能となる。

【0053】

また、空洞の長さ（Ｚ方向の辺の長さ）ｃ（２つの半空洞１２，２２の和）は、長さｂの１０８％（より好ましくは、１０９％）以上である。これにより、ＴＥ０１１０モードとＴＥ０１０１モードに対するこれら以外の共振モードによる影響を抑えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明の分割型直方体共振器は、ミリ波帯における誘電体の複素誘電率の測定に適している。

【符号の説明】

【0055】

１０ 分割型直方体共振器
１１，２１ 筐体
１２，２２，５２，６２ 半空洞
１３，２３ ループアンテナ
１４，２４ 同軸ケーブル
３０ 試料
５０ スプリットシリンダ共振器
６０ 空洞共振器
６１ 試料挿入孔
Ｅ 電界

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】