JPH0356866A - 誘電体材料定数の測定方法および測定装置 - Google Patents

誘電体材料定数の測定方法および測定装置

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JPH0356866A
JPH0356866A JP19206989A JP19206989A JPH0356866A JP H0356866 A JPH0356866 A JP H0356866A JP 19206989 A JP19206989 A JP 19206989A JP 19206989 A JP19206989 A JP 19206989A JP H0356866 A JPH0356866 A JP H0356866A
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容平 石川
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (ai産業上の利用分野 この発明は誘電体材料定数の測定方法および測定装置に
関し、特に誘電体試料の温度特性を測定するための方法
および装置に関する。
(b)従来の技術 誘電体試料をシールドケース内に配置して、TEOI,
,(一般的にはn−1)あるいはTEo1δモードの共
振周波数を測定し、ついで、このケースを恒温槽に入れ
て加熱し、熱的に平衡状態に近づけた後、再び共振周波
数を測定してその温度特性を測定する方法が知られてい
る。
ところが、恒温槽を用いる方法では装置が大型になるば
かりでなく、誘電体試料が所定の温度まで上昇して平衡
状態に達するまでに長時間を要してしまう。
そこで、本願出願人は特開昭62−211566号にて
、誘電体試料を直接高周波加熱することによって上記従
来の問題点を解消した、誘電体材料定数の測定方法およ
び測定装置について出厠している。
ここで上記出願の実施例について簡単に示す。
第3図は装置の概略図であり、同図において14は有底
円筒状のシールドケースであり、このシールドケース1
4の内部の略中央部に支持棒l8によって、中空筒状の
誘電体試料16が固定されている。また、シールドケー
ス14の側壁には対向する位置に入力用コネクタ30お
よび出力用コネクタ32が取り付けられ、それぞれに結
合ループなどの結合手段が設けられている。この入力用
コネクタ30および出力用コネクタ32間にネソトワー
クアナライザ34が接続されている。さらに、シールト
ケースl4の側壁にはもう1つのコネクタ36が取り付
けられ、このコネクタ36にも結合ループなどの結合手
段が設けられている。このコ不クタ36に加熱用高周波
注入装置38が接続されている。
このような測定装置において、加熱用高周波注入装置3
8が誘電体共振器12内に高周波電力を注入する。これ
により誘電体試料16が高周波加熱される。一方、不ソ
トワークアナライザ34はコネクタ30および32間に
結合された誘電体共振器12の共振周波数などを測定す
る。
このようにして誘電体試料16が所定温度であるときの
共振周波数を測定することによって誘電体試料の温度特
性を求めることができる。
(Cl発明が解決しようとする課題 ところが、前述した高周波加熱による誘電体材料定数の
測定方法および測定装置の例では、講電体共振器の共振
周波数を測定するために非常に高価なネットワークアナ
ライザを用いるため、測定装置全体が高価で大型になる
という問題があったこの発明の目的は、高価な一般のネ
ットワークアナライザを用いないで誘電体共振器の共振
周波数を測定できるようにして上記従来の問題点を解消
した、誘電体材料定数の測定方法および測定装置を提供
することにある。
f[1)課題を解決するための手段 この発明の誘電体材料定数の測定方法は、シールドケー
ス内に誘電体試料を配置するとともに、信号の人出力用
の複数の結合手段を設けて講電体共振器を構成し、 信号入力用結合手段と信号出力用結合手段間に増幅回路
を含む正帰還回路を接続して前記講電体共振器とともに
発振回路を構成し、 特定の結合手段に高周波電力を注入して前記誘電体試料
を加熱することによって前記発振回路の発振周波数の変
化を測定し、この発振周波数の変化から前記講電体試料
の所定の材料定数を求めることを特徴としている。
また、この発明の誘電体材籾定数の測定装置は、シール
ドケース内に誘電体試料が配置され、信号入出力用の複
数の結合手段が設けられた誘電体共振器と、 信号入力用結合手段と信号出力用結合手段間に接続され
て、誘電体共振器とともに発振回路を構戊する、増幅回
路を含む正帰還回路と、前記発振回路の発振周波数を測
定する周波数測定手段と、 特定の結合手段に高周波電力を注入して前記誘電体試料
を加熱する高周波電力注入手段と、からなり、前記語電
体試料が加熱される前後の発振周波数から誘雷体試料の
所定の材料定数を求めることを特徴としている。
tel作用 この発明の誘電体材料定数の測定方法および測定装置に
おいては、シールドケース内に誘電体試料が配置される
とともに、信号の入出力用の結合手段が複数個設けられ
て、先ず誘電体共振器が構成される。前記結合手段の信
号入力部と信号出力部間に増幅回路を含む正帰還回路が
接続されて、前記講電体共振器とともに発振回路が構成
される。前記信号人力部および信号出力部の結合手段は
所定のモードに結合する手段が選ばれ、正帰還回路もそ
の所定のモードで発振するよう、ループ長が発振周波数
における波長の整数倍となるように選ばれる。したがっ
て、この正帰還回路によって誘電体共振器は所定モード
で共振する。周波数測定手段は前記発振回路の発振周波
数すなわち誘電体共振器の共振周波数を測定する。一方
、高周波電力注入手段は特定の結合手段に高周波電力を
注入する。これによって誘電体試料に高周波電磁界が印
加され、誘導加熱の原理で加熱される。このように誘電
体試料の加熱の前後における発振回路の発振周波数すな
わち誘電体共振器の共振周波数の変化から誘電体試料の
共振周波数の塩度係数などの所定の材料定数を求めるこ
とができる。
(f)実施例 第1図はこの発明に用いられる測定装置の構成図、第2
図(A),(B)は測定装置に用いられる誘電体共振器
の縦断面図である。第1図において12は誘電体共振器
であり、同図では、その概略横断面を示している。この
誘電体共振器工2は、例えばアルξニュームあるいはそ
の合金などの導電材料からなるシールドケースを含む。
このシールドケースは円筒状部50を側壁とし、下部に
底板51を取り付け、上部に蓋52を被せて構成してい
る。なお、このシールドケースはセラ多ソクのような誘
電体にシールド電極を形成したものを用いてもよい。
第2図(A),  (B)に示すように、シールドケー
ス内には低誘電率の誘電体例えばフォルステライトなど
からなる円筒状の支持台53によって中空円筒状の誘電
体試料16を!!置することによって、この誘電体試料
l6をシールドヶース内の略中央部に固定している。シ
ールドヶースの一部を構成する前記側壁50には第2図
(A)に示すように誘電体試料16の中央高さ位置2箇
所にコネクタ30および32を設けている。これらのコ
ネクタにはそれぞれ中心魂体とアース間に結合ルーブ3
0aおよび32aを設けている。また、第1図および第
2図(B)に示すように側壁50の他の位置には誘電体
試料16の中央高さと異なる高さにコネクタ36を設け
ている。このコネクタ36の中心導体とアース間に結合
ルーブ36aを設けている。さらに、側壁50の他の箇
所に誘電体試料の温度測定用窓54および真空排気用排
気孔55を設けている。真空排気装置49はシールドケ
ース内を真空にして、空気の対流および熱伝導による外
部への熱流出を防止し、また、側壁50と底板51から
なるシールドケースに対して蓋52を一定圧力で真空吸
着させるためのものである。
以上のように構成した誘電体共振器に次に述べる各種回
路装置を接続することによって測定装置を構成している
。方向性結合器40はコネクク32および同軸ケーブル
56からの信号を分配して周波数カウンタ43およびロ
ーバスフィルタ41へそれぞれ供給する。ローバスフィ
ルタ41は誘電体共振器12がTEo+δモードで発振
する周波数を濾波し、その他の高次のモードで発振する
周波数或分をカブトする。アンブ42はローパスフィル
タ41の出力信号を増幅して同軸ケーブル57、同軸コ
ネクタ30および結合ルーブ30aを介して誘電体共振
器12へ信号を加える。前記同軸ケーブル56.方向性
結合器40,  ローパスフィルタ41,アンプ42お
よび同軸ケーブル57は誘電体共振器12に対する正帰
還回路として作動させる。すなわちこの正帰還回路によ
る位相差がT E o lδモードの共振周波数におけ
る波長の整数倍となるように線路長を設定している。従
って誘電体共振器12と正帰還回路からなる発振回路は
誘電体共振器12の共振周波数で発振する。周波数カウ
ンタ43はこの発振回路の発振周波数を測定する。
温度センサ44は例えば放射温度計からなり、講電体共
振器の窓部54を通して誘電体試料l6の放射熱を測定
する。信号発生器46は制御装置45から与えられた特
定の周波数信号を発生する。ハイパワーアンブ47はそ
の信号を電力増幅する。Qe調整機構48は結合ループ
36aの外部Q (Qe)を調整するとともに、ハイパ
ワーアンブ47の出力をコネクタ36を介して誘電体共
振器12内へ注入する。このとき、結合ルーブ36aは
第2図(B)に示すように、誘電体試料の中央高さから
少しずれた位置に設けたため、TE.,。δモードの電
磁界に鈷合し、これにより誘電体試料l6が発熱する。
TEQI1+δモードは同図に示すように誘電体試料の
中央高さ位置で電磁界密度が略0であるため、第2図(
A)に示した周波数測定系の信号人出力用結合ループ3
0a,32aには結合しない。従って、前記発振回路に
は影響を与えない。
第1図に示した制御装置45はパーソナルコンピュータ
などから構成し、前記周波数カウンタ43および温度セ
ンサ44の測定結果をそれぞれ読み込み、上記信号発生
器46を制御する。
ところで、誘電体試料16を含む誘電体共振器12の無
負荷Q(Qo)は次式で与えられる。
1/ロo−(1/Qj+)   + (1/Qaz) 
 + (1/Qc  )ここでQdlは誘電体試料の誘
電損失に関するQO,2は支持台53の読電損失に関す
るQ、Ocはシールドケースのジュール損に関するQで
ある?のような誘電体共振器12に対し、高周波電力を
注入する際、結合ループ36aの外部Q (Qe)を講
電体共振器12の無負荷Q(QO)に近似ないし一致さ
せると、注入される高周波電力の殆どが誘電体共振器■
2に吸収される。このとき、信号発生器46の出力する
信号の周波数を講電体共振器l2の共振周波数に一致さ
せることによって、誘電体共振器(結合ループ)からの
反射を最小にする。このことによって、誘電体共振器に
注入される高周波電力のうちQo/Q■の割合で誘電体
試料16が加熱され発熱する。このことにより誘電体試
料l6の温度が上昇する。
一般に誘電体試料の周波数の温度係数巻τ,は次式で与
えられる. τf =(1/f1)(f2 −fl)/(T2 −T
I)ここでT1は加熱前の温度、T2は加熱後の温度、
flは温度T1における共振周波数、f2は温度T2に
おける共振周波数である。
すなわち2点の温度について誘電体共振器の共振周波数
を゛測定することによって、誘電体試料の周波数の温度
係数を求めることができる。具体的には制′4B装置4
5は温度センサ44により加熱前の誘電体試料の温度T
1を測定するとともに周波数カウンタ43により、その
ときの共振周波数f1を読み込む.その後、信号発生器
46へ制御信号を発生して、TEo++。δモードの共
振周波数に等しい周波数の信号を発生させる。これによ
り誘電体試料16は高周波加熱される。温度センサ44
の測定値を基に、誘電体試料l6の温度が所定値T2に
達し平衡状態となったとき、周波数カウンタ43の測定
値f2を読み込む。なお、厳密には誘電体試料16の温
度上昇に伴い、誘電体共振器の共振周波数が変化するた
め、誘電体試料l6の加熱期間中にも制御装置45は周
波数カウンタ43の測定結果を読み込み、TE0,,,
δモードの共振周波数に等しい周波数の高周波電力を注
入するように信号発生器46を制御する。
上述の例では、誘電体試料16の周波数の温度係数を測
定したが、周波数の温度係数は誘電体試料の誘電率の温
度係数と誘電体試料の線膨張係数との間に一定の関係式
が戊り立つため、例えば講電体試料の線膨張係数を他の
測定手段により予め測定しておくことによって、周波数
の温度係数から誘電体試料の誘電率の温度係数を求める
こともできる。
Ig)発明の効果 この発明によれば、シールドケース内に誘電体試料を配
置してなる誘電体共振器に対して正帰還回路を接続して
発振回路を構成したことにより、この発振回路の発振周
波数を測定することによって誘電体共振器の共振周波数
を測定することが可能となる。このため、従来用いられ
ていた高価なネットワークアナライザが不要となり、測
定装置全体を小型且つ安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例を示す概略ブロノク図である
。第2図(A),  (B)は第l図に示した装置に用
いられる誘電体共振器の縦断面図であり、(A)は周波
数測定系におけるモード、(B)は加熱系におけるモー
ドをそれぞれ示している。第3図は従来の測定装置の概
略ブロック図である。 12 16 30 32 30 36 36 50 51 52 53 ー誘電体共振器、 一誘電体試料、 信号入力用コネクタ、 信号出力用コネクタ、 a,32a一結合ループ、 一高周波電力注入用コネクタ、 a一結合ループ、 側壁、 底板、 蓋、 一支持台。 第 2 図(A) 第 2 図 (B) 36a 第 3 図 734 ゝ38

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)シールドケース内に誘電体試料を配置するととも
    に、信号の入出力用の複数の結合手段を設けて誘電体共
    振器を構成し、 信号入力用結合手段と信号出力用結合手段間に増幅回路
    を含む正帰還回路を接続して前記誘電体共振器とともに
    発振回路を構成し、 特定の結合手段に高周波電力を注入して前記誘電体試料
    を加熱することによって前記発振回路の発振周波数の変
    化を測定し、この発振周波数の変化から前記誘電体試料
    の所定の材料定数を求めることを特徴とする誘電体材料
    定数の測定方法。
  2. (2)シールドケース内に誘電体試料が配置され、信号
    入出力用の複数の結合手段が設けられた誘電体共振器と
    、 信号入力用結合手段と信号出力用結合手段間に接続され
    て、誘電体共振器とともに発振回路を構成する、増幅回
    路を含む正帰還回路と、 前記発振回路の発振周波数を測定する周波数測定手段と
    、 特定の結合手段に高周波電力を注入して前記誘電体試料
    を加熱する高周波電力注入手段と、からなり、前記誘電
    体試料が加熱される前後の発振周波数から誘電体試料の
    所定の材料定数を求めることを特徴とする誘電体材料定
    数の測定装置。
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