ミリ波帯での誘電率測定
近年、ミリ波帯（30～300 GHz）を利用する通信技術やレーダー応用が急速に進展しています。これに伴い、材料の電気的特性、とくにDk/Dfの高精度な評価が求められています。そのような背景の中で注目されているのが、「共振器法」と呼ばれる測定手法です。
本記事の用語について
本記事では、複素比誘電率の実部（ε'）をDk、誘電正接（tanδ = ε'' / ε'）をDfと表記します。また、「誘電率」と記載されている場合、断りの無い限り「複素比誘電率」のことを指します。
共振器法とは：共振の変化から材料パラメータを読み解く
共振器法は、材料を共振器内部に挿入し、その共振特性の変化を解析することで、試料の電磁的特性を導出する方法です。主に次のような物理量の変化が評価対象となります：
- 共振周波数の変化：材料が持つ誘電率（Dk）に依存します。
- Q値（品質係数）の変化：材料の誘電損失（Df）に関連します。
この手法では、非常に高いQ値を持つ共振器を用いることで、微小な損失変化でも顕著な測定値の変化として観測できるため、極めて小さな損失を持つ材料でも正確に評価可能です。
代表的な装置と測定方法
共振器法の原理を応用した装置がいくつかあり、それを周波数に応じて使い分けます。以下に、弊社が提供する各種共振器と、要素技術を説明します。
空洞共振器（1-10GHz）
空洞共振器では共振器内に生じるTM010/020モード共振を用いて1 GHzから10 GHzの誘電率を測定します。 この共振では円筒の中心部が電界最大部にあたり、そこに棒状の試料を入れることにより試料に沿った直線の電束を使用して 誘電率を測定します。試料を切り出す方向を変えることで異方性を評価することが可能です。
スプリットシリンダ共振器（10-80GHz）
共振器を中央で分割（スプリット）して、板状の試料を挟んで測定する方法は、スプリットシリンダ共振器法として知られて います。空洞共振器と比べて高周波の特性に優れており80 GHzまでをカバーします。 空洞共振器の場合、試料内の電束の両端に生じる不完全さにより測定誤差を生じます。この影響は試料が小さくなる高周波でより顕著です。 スプリットシリンダではTE011モードの共振を使用しますが、電束が試料面内を循環するため 「端」による悪影響がなく高周波まで正確な測定が可能です。
ファブリペロー共振器（25-330GHz）
ファブリペロー共振器では開放型の共振器に生じる直線偏波のTEMモードを使用します。330 GHzというような高周波でも 実用的な大きさの治具で実現できることが第一のメリットです。（スプリットシリンダ共振器の延長線上でこの周波数を実現するためには直径1mmたらずの円筒共振器を精度よく作る必要があります。）誘電率測定に好適な共振が幅広い周波数範囲に複数生じることも重要な特徴です。これをうまく活用することで 一つの治具で誘電率の周波数特性を評価することが可能になります。また、直線偏波を使用していますので、試料を回転させることにより異方性が評価できます。
用途と応用例
共振器法は低誘電・低誘電正接の素材の測定が得意です。そのため、低誘電・低誘電正接な素材を必要としているアプリケーションへの応用を見据えた素材開発の際に、共振器法を応用した装置が用いられています。例えば、5G/6G用基板材料の開発、高周波パッケージ材料の選定、レーダー吸収体の評価など、幅広い市場で活用される素材を有効に測定可能です。
まとめ
本記事では、ミリ波帯での誘電率測定装置の幾つかに用いられる共振器法について解説しました。共振器法は、その高い感度と精度により、特に低損失材料の評価において非常に強力な手法です。今後、ミリ波帯以上の高周波領域へと広がるアプリケーションにおいて、共振器法による誘電率測定の重要性はさらに増していくことでしょう。
EMラボでは、高精度・高速・簡単操作の共振器を多数揃えています。各製品で測定結果の例を多数公開していますので、是非その実力をご覧ください。気になる製品についてはお問い合わせフォームからご連絡いただければ、担当エンジニアが折り返し連絡いたします。