財団法人 青森県工業会 若手研究助成報告会 マイクロ波帯における 液体の複素誘電率測定に関する研究 八戸工業大学工学部電子知能システム学科 柴田幸司.5.6 @ 八戸パークホテル
液体の複素誘電率の測定ための各種手法 円筒空洞共振器法 H. Kwbt H.Tpo Y.Kobsh IEICE trs. Electro. E87-C o.5 pp.5 694-699 4-5 同軸管法 K. Shbt K. T O. Hshmoto d K. Wd IEICE Trs. Electro. Vol. E87-C o.5 pp.689-693 4-5. 同軸プローブ法 J. R. Mosg d J. C. Ebesso IEEE Trs. o Istru. d Mes. vol. IM-3 o. pp. 46-5 98-3. 円筒空洞反射法 串崎 チャカロタイ 陳 澤谷 鈴木 信学技報 vol.8 o.3 EMCJ8-37 pp.67-7 8-7.
終端開放遮断円筒導波管反射法による複素誘電率の提案. 終端が開放された同軸線路先端の円筒空洞部に液体ファントム材料充填時の Re 点における入力インピーダンスを測定. 解析モデルにて計算される理論値との比較より複素誘電率を推定 このモデルに終端を PMC としてモード整合法を適用 ニュートン法による逆問題として複素誘電率を推定 m j k ra r l b q q q この測定系で =4.mm b=.3mm d=5.mm ε ra =.5 周波数はそれぞれ円筒空洞共振器で測定した値を使用
試料挿入用治具 ここに少量の液体試料を注入 カットオフ領域なので電磁波は穴から漏れない Telo Mesuremet Jg Mterl llg spce Screw Ceter coductor 本手法 終端開放遮断円筒導波管反射法 従来無い新しい手法
モード整合法による入力アドミッタンスの計算 q ra r m b l k j q q J b J k / d k th / / q q q A 4 b Z Z b k J b J k / d k th / ra q r q / / A q J b J k / d k th q / / q N b J b N J q q q q 級数展開された同軸 円筒導波管部の複数モードの電磁界に接線成分の連続条件 ガレルキン法と解析的な積分 ベッセル関数の直交性 を適用 TM モードで展開
5MHz における試料挿入部長の影響 水道水を仮定時 ε r =78.-j8. =.5GHz PMC Iput Impedce [Ω] 5 5 PEC Imgr Prt PMC Rel Prt PEC 3 4 5 d [mm] 低い周波数の 5MHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良い
.4986GHz における試料挿入部長の影響 水道水を仮定時 ε r =78.-j8. =.4986GHz 高い周波数の.498GHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良い
終端開放遮断円筒導波管反射波法による R+jX の測定結果 測定回数 RΩ jxω 水道水.4986GHz 回目 3.67-9.5 回目 3.73-3.9 3 回目 3.7-3. 4 回目 3.68-8.8 5 回目 3.63-9.4 測定回数 RΩ jxω 回目 49. -74.6 メタノール.534GHz 回目 49.8-69.5 3 回目 49. -73. 4 回目 46. -75. 5 回目 48. -74.
終端開放遮断円筒導波管反射波法による R+jX の測定結果 測定回数 RΩ jxω 回目 69.3-59.33 エタノール.5395GHz 回目 76.53-55.73 3 回目 7.43-49.3 4 回目 6.9-5.9 5 回目 65.48-6.47 測定回数 RΩ jxω 回目 39.8-37. IPA.545GHz 回目 34.39-336.7 3 回目 38.6-36. 4 回目 35.9-367. 5 回目 3.63-34.78
入力インピーダンス測定結果から複素誘電率の推定 水道水.4986GHz 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目 73.5-j8.87 7.5-j.5 回目 73.3-j8.37 73.-j7.9 3 回目 73.-j8.69 7.5-j7.5 4 回目 73.3-j8.9 7.-j6.5 5 回目 73.4-j8.63 7.5-j9. 測定平均 73.34±.-j8.64±.7 7.3±.9-j8.8±.5 メタノール.534GHz 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目.87-j3.6.-j3.5 回目.73-j3.63.9-j3. 3 回目.97-j3.44 9.7-j9.5 4 回目.9 j.7 7.5 j. 5 回目.55-j3.3.5-j.5 測定平均.8±.6-j3.6±.37.3±.8-j.±.6
入力インピーダンス測定結果から複素誘電率の推定 エタノール.5395GHz 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目 6.-j6.55 6.-j4.9 回目 5.99-j6.87 6.5-j6.7 3 回目 6.-j6.74 8.5-j7. 4 回目 6.47-j7.5 7.5-j7. 5 回目 6.38-j6.74 7.5-j5.8 測定平均 6.7±.3-j6.8±.6 7.±.-j6.3±. IPA.545GHz 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目 3.6-j.85 3.59-j.4 回目 3.-j.99 3.65-j3.5 3 回目 3.4-j.94 3.95-j3.5 4 回目 3.7-j.9 3.95-j3. 5 回目 3.4-j3.6 3.85-j.9 測定平均 3.±.38-j.97±.9 3.8±.-j3.6±.5
水道水の複素誘電率の周波数依存性 Comple Permttvt 8 6 4 Rel Prt Cvt Resotor Method Imgr Prt.5..5..5 3. Frequec [GHz] 水道水 実部 79.7~7.9
4 メタノールの複素誘電率の周波数依存性 35 3 Rel Prt Comple Permttvt 5 5 Imgr Prt Cvt Resotor Method 5.5..5..5 3. Frequec [GHz] メタノール 実部 3.8~8.3
エタノールの複素誘電率の周波数依存性 5 Comple Permttvt 5 5 Rel Prt Imgr Prt Cvt Resotor Method.5..5..5 3. Frequec [GHz] エタノール 実部 9.9~5.6
IPA の複素誘電率の周波数依存性 8 Comple Permttvt 6 4 Rel Prt Imgr Prt Cvt Resotor Method.5..5..5 3. Frequec [GHz] IPA 実部.~.8
他手法との比較 共振器法同軸プローブ法本手法 連続周波数 測定簡便性 少量の液体 測定精度 厳密解 静電界近似 厳密解 絶対測定 水を基準とした相対測定 Aglet の場合 本手法は簡易な治具により少量の液体を高精度に測定可能 他大学マイクロ波研究者からも高い評価 国家標準化 Jpese Idustrl Stdrd への登録 を視野に Ntol Isttute o Stdrds d TechologNIST との連携
まとめ 測定試料 終端開放遮断円筒導波管反射波法 円筒空洞共振器法 水道水.4986GHz 73.34±.-j8.64±.7 73.±.9-j8.8±.5 メタノール.534GHz.8±.6-j3.6±.37.3±.8-j.±.6 エタノール.5395GHz 6.7±.3-j6.8±.6 7.±.-j6.3±. IPA.545GHz 3.±.38-j.97±.9 3.8±.-j3.6±.5 ヘプタン酸.4±.-j.±.4.9±.95-j.3±. ヘプタン酸 + エタノール.86±.37-j.43±. 3.44±.7-j.3±.6 測定時のパラメータ 室温 回目 4.6 回目.8 3 回目 3.5 今回提案した終端開放遮断円筒導波管反射法 OE-CWR 法と円筒空洞共振器による結果を比較 測定の平均結果がすべての試料にて良好に一致 本手法の有効性を確認 値を比較してみると 円筒空洞共振器による測定結果はその測定の複雑さからか若干値にばらつきが出ているが 終端開放遮断円筒導波管反射法は 5 回の測定結果にまとまりが見られ より精度の高い測定方法であることがわかる
本研究に関する外部発表. 柴田幸司 神宏卓 八戸工大 終端開放遮断円筒導波管反射法による液体の複素誘電率測定に関する一検討平成 年電気学会全国大会 9 年 3 月.. 柴田幸司 神宏卓 八戸工大 増田陽一郎 元 八戸工大 終端開放遮断円筒導波管反射法による液体の複素誘電率測定に関する基礎検討電子情報通信学会技術報告 vol. 9 o. 5 MW9-4 pp. 7-9 年 4 月. 3. 下野立 柴田幸司 八戸工大 終端開放遮断円筒導波管反射法による液体の複素誘電率測定に関する一検討平成 年度電気関係学会東北支部連合大会 9 年 8 月. 4. 柴田幸司 上山淳 八戸工大 終端開放同軸線路反射法による液体の複素誘電率測定に関する基礎検討電子情報通信学会技術報告 vol. 9 o. 4 MW9-6 pp. 75-8 9 年 月. 5. 柴田幸司 下野立 八戸工大 終端開放遮断導波管を装荷した矩形導波管を用いた反射法による液体の複素誘電率測定に関する基礎検討電子情報通信学会技術報告 vol. 9 o. 34 MW9-43 pp. -6 9 年 月. 6. 下野立 柴田幸司 八戸工大 終端開放遮断円筒導波管反射法による水道水の複素誘電率の周波数特性に関する一検討電子情報通信学会総合大会 年 3 月. 7.Kouj Shbt Mesuremet o Comple Permttvt or Lqud Mterls Usg the Ope-eded Cut-o Wvegude Relecto Method IEICE Trs. Electrocs 英文フルペーパー条件付採録
ニュートン法による複素誘電率の収束状況 入力インピーダンスの測定値を 3.6-j8.5 と仮定 反復回数複素誘電率. -j..463 -j.96-3 4.576 -j.79-3 8.683 -j5.338-4 5.8384 -j.9 5 8.487 -j.7494 6 46.696 -j.53 7 63.697 -j5.58 8 7.3858 -j7.9846 9 73.675 -j8.85 73.766 -j8.846 73.763 -j8.846 =4.mm b=.3mm d=5.mm ε ra =.5 終端条件 :PMC =.4986GHz 初期値を -j とした場合も 回程度の反復にて値が収束
5MHz における試料挿入部長の影響 5 メタノールを仮定時 ε r =3.-j4.4 =.5GHz Iput Impedce [Ω] 4 3 PEC PMC PMC Imgr Prt Rel Prt PEC 3 4 5 d [mm] 5MHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良い
5MHz における試料挿入部長の影響 6 エタノールを仮定時 ε r =.-j9.6 =.5GHz Iput Impedce [Ω] 5 4 3 PEC PMC PMC Imgr Prt Rel Prt PEC 3 4 5 d [mm] 5MHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良いことが分かった
.534GHz における試料挿入部長の影響 メタノールを仮定時 ε r =3.-j4.4 =.534GHz.534GHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良い
.5395GHz における試料挿入部長の影響 エタノールを仮定時 ε r =.-j9.6 =.5395GHz.534GHz でも試料挿入部の長さは 3mm 以上あれば良いことが分かった
試料挿入部長の影響について Frequec :.4986GHz d 寸法 [mm] Z PMC [Ω] Z PEC [Ω] 3 3.489 j 8.773 3.48 j 8.667 4 3.486 j 8.76 3.485 j 8.74 5 3.486 j 8.7 3.486 j 8.79 本手法は液体挿入時に終端開放にて複素誘電率を推定 複素比誘電率は 73.3-j8.46 固定として解析時の終端が PMC および PEC の場合における試料挿入長 d を変化時の入力インピーダンスの変動を検討 d 寸法や終端条件を変化させても Z にほとんど変化は無い 本手法により高損失な液体は先端が開放状態でも複素誘電率の推定が可能であることを確認
終端開放遮断円筒導波管反射波法による R+jX の測定結果 測定回数 RΩ jxω ヘプタン酸 回目 5.5-5 回目 3.64-36 3 回目 98. -49 測定回数 RΩ jxω ヘプタン酸 + エタ ノールの混合溶液 回目 6.5-555.6 回目 6.98-549.86 3 回目 8.6-59.68
測定結果から複素誘電率の推定 ヘプタン酸.549GHz 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目.7-j..35-j. 回目.53-j..45-j.4 3 回目.65-j..4-j. 測定平均.9±.95-j.3±..4±.-j.±.4 ヘプタン酸 + エタノールの混合溶液 測定回数 終端開放遮断円筒導波管反射法 円筒空洞共振器法 回目 3.4-j.95 3.5-j.5 回目 4.-j.4.68-j.3 3 回目 3.7-j.55.84-j.44 測定平均 3.44±.7-j.3±.6.86±.37-j.43±.
考察 今回 6 種類の試料を測定し それぞれ誘電率が大きく異なることを確認特にエタノール IPA メタノールは同じ種類 アルコール でも相関が見られず 測定試料 分子量 密度 水 8.58.9974 H O 7.63-j7.79 化学式複素誘電率 終端開放遮断円筒導波管反射法 メタノール 3.64.795 CH 4 O.4-j3.5 エタノール 46.7.789 C H 6 O 6.54-j7.33 IPA 6..7884 C 3 H 8 O 3.-j3.8 ヘプタン酸 3.8.9.4-j. Rel Prt 分子量が大きく化学式が複雑なものであるほど複素誘電率の実部が小さくなっていることがわかる しかし虚部は分子量 密度ともに規則性は見られない Moleculr weght
次元ニュートン法による複素誘電率の推定 図 ニュートン法の概要図 ニュートン法の一例 ' ' ' '