内装用建材の複素比誘電率とその変動に関する検討
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概要
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Complex relative permittivity, which is one of the important electrical constants of materials for electromagnetic compatibility inside and/or around building, is estimated by iteration calculation using four measurements of the magnitude of reflection coefficient from Free Space Measurement System. The estimation conducts for 1.55GHz to 6.5GHz frequency range including wireless LAN frequency, and the complex relative permittivity of the 9 kinds of interior building materials, including plaster boards and fiber reinforced cement boards are presented. The results of the work have good agreement to the previous works. The variation for frequency and samples of the complex relative permittivity also conduct for these samples. It is very important to estimate electrical constant including complex relative permittivity accurately for the efficient discussion of electromagnetic compatibility inside and/or around building. Various methods have been reported for the determination of the complex relative permittivity of non-magnetic materials, such as Resonator Method, Waveguide Method and Free Space Method. However, few works conduct for building materials, especially interior building materials. So, we estimate the complex relative permittivity for interior building materials by using four measurements of the magnitude of the reflection coefficient from the Free Space Measurement System and iteration calculation. Fig.1 shows the outline of the measurement system. Before the estimation of the complex relative permittivity, we confirm the effectiveness of the measurement system by using acrylic plate (Fig.2). Four measurements are follows, backed by a metal plate from front side (front-short), samples only from front side (front-open), samples backed by a metal plate from back side (back-short), and samples only from back side (back-open). The calculation starts to put above four measurements data and the calculated reflection coefficient by initial guess complex relative permittivity into equation (9). The calculated reflection coefficient can be conducted by using equation (1) to (8) for open and short measurement. The iteration calculation perform to minimize the value of Δ|Γ| under the certain value of the standard deviation for the complex relative permittivity, and the target complex relative permittivity should be obtained when the value of Δ|Γ| achieve to minimum. The measurement of the reflection coefficient performs for 1GHz to 13.5GHz, 501 points, 25MHz steps, and the iteration calculation for 1.55GHz to 6.5GHz, 100 points, 50MHz steps in this work. Table 1 shows samples for the estimation (9 kinds of materials and 23 samples). These samples put into standard humidifier (temperature is 20℃ and humidity is 60%) in certain days to make samples homogeneous with respect to water content. Fig.3, Fig.4 and Fig.5 show the frequency distribution of the complex relative permittivity for Fiber Reinforced Cement Boards, Plaster Boards, Sound Absorbing Boards, and Woods. The real part of the complex relative permittivity decreases for the higher frequency for all samples, and the imaginary part of the complex relative permittivity for Fiber Reinforced Cement Boards increases for the higher frequency. These results have good agreement to the work done by Rhim for the measurement of mortal and concrete from 1GHz to 20GHz and Chiba for the simulation of the concrete. And the estimated complex relative permittivity for Plaster Boards are agree to the value presented by Hashimoto by using Free Space Transmission Method. Table 2 shows the maximum frequency variation of the complex relative permittivity (the ratio to the average value) for 1.55GHz to 6.5GHz. The variation increases for the lower density. The value of the frequency variation of Fiber Reinforced Cement Board Type I and II is about 5% for the real part of the complex relative permittivity and 6-10% for the imaginary part of the complex relative permittivity. Fig.6 shows the variation of the complex relative permittivity in the frequency for Fiber Reinforced Cement Board Type I (sample name are R42 to R46). The variation of the real part of the complex relative permittivity is within 0.5% and that of the imaginary part is within 2% for all frequency range. Same kinds of results are presented from the other samples. So these results conclude that the estimation for the variation of the samples can be performed by using an average value for the frequency. Table 3 shows the average and the standard deviation of the complex relative permittivity of Fiber Reinforced Cement Board Type I, II, IV and Plaster Board Type I for 1.55GHz to 6.5GHz. From the table, the variation of the samples are 2% for the real part of the complex relative permittivity and 8% for the imaginary part of the complex relative permittivity excluding Plaster Board Type I. The variation of the complex relative permittivity within the one sample by deferent setting for the measurement is also conducted by rounding the sample by 90 degrees with open and short measurement. The results of the variation are 0.7% for the real part of the complex relative permittivity and 4.3% for the imaginary part of the complex relative permittivity. Finally, the relationship between Δ|Γ| and the deviation of the complex relative permittivity is investigated for proper calculations. Fig.7 shows the characteristics of the calculated Δ|Γ| and Δε_γ'/ε_γave', for Fiber Reinforced Cement Board Type I, II, IV and Plaster Board Type I with the curve calculated by varying the average complex relative permittivity of Fiber Reinforced Cement Board Type I in the range of 0 to ±5%. All points are below the calculated curve, thus, for the proper calculation of the complex relative permittivity described here, the value of Δ|Γ| could be below 3, expecting 2.5% as the variation of the calculated complex relative permittivity, and 5 for the value of Δ|Γ| expects 5% for the variation of the complex relative permittivity.
- 社団法人日本建築学会の論文
- 2005-04-30
著者
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