JP4698752B2 - 誘電率およびそれに関する共鳴の変化を利用した温度測定 - Google Patents

Description

（関連出願）
出願人は、２００６年４月１３日に「中心周波数ドリフトを介した温度測定」という名称で出願された米国特許仮出願第６０／７９１，８１０号の、米国特許法１１９条に基づく優先権を主張する。この特許仮出願により開示される発明内容はすべて本願中に参考として組み込まれる。

（技術分野）
本発明は温度測定に関し、詳しくは高温度環境内での温度測定装置の設計および使用に関する。

温度測定は通常、温度に比例する所定の量の変化を測定することにより行われる。工業環境ではほとんどの場合、これは熱電対で行われる。熱電対は、２つの異金属間の電圧差を利用し、その電圧を較正曲線により温度に対応させる。分光放射率を利用する測定技術もあれば、温度変化に応じた液体または金属の膨張を測定する標準温度計のような温度測定装置もある。

温度測定にとって最も熱い環境のいくつかは、ガスタービンエンジンより与えられる。ガス流路温度は２０００゜Ｆ（１０９３゜Ｃ）であり、ほとんどの金属の融点を超える。Ｇｅｉｓｈｅｉｍｅｒらによる特許文献１は、翼端部のクリアランスのようなガスタービンエンジン内の他の物理パラメータを測定するためのマイクロ波技術を開示する。

ガスタービンエンジン環境のような極限的な温度環境内で動作するアンテナは、所定タイプの能動冷却を利用するのが通常である。エンジンのタービン領域のほとんどすべての構成要素は、ガス流路温度が金属の融点よりも熱いのが通常であるから、所定タイプの能動冷却を含む。通常、冷却空気は、コンプレッサから取り出されてタービンケースの外部を通過し、および、翼自体を通過して与えられる。このため、準備状態の冷却空気源が利用可能でり、アンテナの取り付けは、アンテナを数千時間の間動作できるような温度に維持するべく冷却空気の一部を利用する設計とされるのが典型的である。

冷却空気の設計は、ガス流路温度、冷却空気温度、および圧力、ならびにガス流路からタービン壁への熱伝達速度に関して仮定をする熱モデルを作るか、または熱計算を行うことによってなされる。典型的な設計値は悪い場合のシナリオを表すので、プローブの動作温度を正確に決定することは難しい。

熱電対または他の温度測定装置をアンテナ内に埋め込むことは可能だが、さらに複雑となる。多くの場合、空間は貴重であり、かかる高温にある熱電対における信頼性の問題に対処するほかに別のワイヤを引き回すことは望ましくない。したがって、温度を測定する技術は、既存のアンテナ構造を利用して導き出すことが望ましい。

電磁エネルギーを送受信すべくアンテナが使用される。典型的には、周囲温度環境で使用され、携帯電話、グローバルポジショニング受信機、およびレーダシステムのような装置で使用される。マイクロストリップアンテナまたはパッチアンテナとして知られる一つの所定タイプのアンテナは、金属の幾何学パターンを誘電体基板上に形成することによって作られる。このような設計の多くは、回路基板製造によく見られるプリント回路基板エッチング工程によって構成される。設計の幾何形状は矩形または円形が典型的であるが、帯域幅や指向性を向上させる他の幾何形状も可能である。

アンテナ用の誘電体基板として使用される材料は多くの場合、ＦＲ４、またはアルミナ（ＣｏｏｒｓＡＤ−９９５等）のような他のセラミック材料等の回路基板材料である。誘電体材料はすべて、温度の関数として誘電率になんらかの変化を示す。パッチアンテナの中心周波数は、設計上の共鳴周波数に基づく。この共鳴周波数は、メタライゼーションの幾何形状および誘電率の関数である。ほとんどの誘電体材料は、誘電率の変化は温度の関数として非線形であり、誘電率の変化速度は温度上昇に従い増加する。

アンテナの中心周波数は、アンテナが送信するエネルギー量を測定するネットワークアナライザまたは他の類似の測定装置を使用して測定される。典型的な測定方法は、アンテナの反射率を測定する。これは、信号をケーブルを通して送信することと、戻ってくるエネルギー量を測定することとからなる。エネルギーが戻らない場合は、そのほとんどがアンテナを通って出てから戻らないことが推測される。反射率は、アンテナが最も効率的に送信する周波数を決定するべく周波数範囲にわたって測定される。

ほとんどのアンテナ用途では、動作温度は十分に低いので、誘電率や温度の変化はアンテナの動作態様に対して著しい影響を与えるわけではない。しかしながら、ガスタービンエンジン内の端部クリアランスを測定する場合のような用途では、温度変化が十分に大きく、誘電率に著しい変化が見られる場合がある。

上述に鑑みれば、高温環境内に配置されたアンテナが直面する温度レベルを測定する行為には、従来技術に見られるものとは異なるアプローチが必要となることがわかる。したがって、上述の足りない点および不適切な点に取り組むという、これまで対処されなかった必要性がこの業界に存在する。
米国特許第６，４８９，９１７号明細書

本発明は、ネットワークアナライザのような所定のマイクロ波電子機器を使用してパッチアンテナのような共鳴装置の誘電率変化を認識することによって高温度環境内で温度を測定するための方法を実現する。本発明の技術は、典型的には、ハウジングまたはプローブアセンブリ内に配置されるのが典型的なアンテナ放射素子および誘電体基板を有するパッチアンテナまたはその他類似の誘電体系アンテナを使用して実現される。しかしながら、本発明の技術は、誘電体窓、導波管充填誘電体（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｆｉｌｌｅｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ）または他の類似構造のような誘電体材料を有する他のタイプの共鳴構造に関する動作まで拡張してもよい。誘電体材料は、本用途の動作環境に適合する任意の材料であってよく、セラミック系またはプラスチック系の誘電体材料でもよい。

高温度環境で動作するアンテナを含む温度測定シナリオでは、アンテナが、通常はマイクロ波ケーブルを介してマイクロ波電子機器に取り付けられる。マイクロ波電子機器は、複数の周波数で電磁信号をケーブルを通して送信すること、および、ケーブルを介して戻ってきたエネルギー量を測定することができる。典型的には、電子機器はアナログまたはデジタルの信号処理を装備する。この信号処理は、ケーブルを通して反射されてきたエネルギー量を記録すること、その反射エネルギーを送信されたエネルギー量と関連づけること、および、反射率を周波数の関数として示すグラフまたはレポートを作成することができる。電子機器は、典型的にはネットワークアナライザである。ネットワークアナライザは、エネルギーの最小量が電子機器まで戻るポイントを反射率グラフから算出し、動作周波数を特定することが十分可能な信号処理能力を備える。代表例では、電子機器は、アンテナの中心周波数を動作温度に対応させる較正曲線を格納することができる。次に、現行のアンテナ中心周波数から温度が計算されて、ディスプレイ、デジタルまたはアナログ技術を用いてユーザへ出力される。

代表的な温度測定工程は、高温度環境で動作するアンテナに対する温度を算出することを含む。アンテナの送信周波数は、電磁信号源を使用して掃引され、戻り信号の特性が、典型的にはネットワークアナライザの支援によって収集される。かかる特性には、アンテナから反射されて受信機または収集装置に受信された戻り信号から抽出された同相波形および直交波形が含まれる。その波形に対して、記録された電圧対周波数データを周波数領域から時間領域へ変換するべく複素逆フーリエ変換が行われる。サイドローブを低減するべく、記録されたデータに対して標準のフーリエ変換ウィンドウ処理を行ってもよい。フーリエ変換を適用した結果得られるデータは、反射信号に対応する反射の、振幅および位相対時間を表す。次に、注目のアンテナ反射（アンテナシステムのケーブル配線または接続に対応する反射よりもむしろアンテナに対応する反射である）が選択され、残りの反射が結果のデータから除外される。結果のデータはその後、時間領域から周波数領域へ変換され、アンテナの反射率Ｓ１１が得られる。反射率Ｓ１１が表す応答曲線の最小ポイントが、アンテナの中心周波数を突き止めるべく検出される。最終的に、検出された最小ポイントに対して較正マップまたは較正曲線が適用されて、アンテナの中心周波数に対応する温度が特定される。応答曲線、および応答曲線に対する較正マップの適用結果は、ディスプレイ、印刷レポート、または他のプレゼンテーション媒体によりユーザに提示することができる。

以下の図面および詳細な説明の説示に基づき、本発明に係る他のシステム、方法、特徴、および利点が当業者にとって明らかとなろう。かかる付加的なシステム、方法、特徴、および利点のすべては、本記載に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲により保護されるものとする。

本発明の多くの面が、以下の図面を参照して理解することができる。図面の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、むしろ本発明の実施例の原理を明確に説明することに重きが置かれている。また、図面において、参照番号はいくつかの図を通して対応する部材に付されている。

（実施例の詳細な説明）
本発明の実施例によって、高温度環境において、誘電体材料および放射素子を有するアンテナ、典型的にはパッチアンテナ、の誘電率の変化を測定することによって温度を測定する方法が与えられる。本開示の目的に対して、高温度環境は、６００°Ｆ（３１５．６°Ｃ）以上の温度を有する環境として定義される。

本発明の実施例を、図１−図５を参照して以下により詳細に記載する。図１−図５には本発明に係る実施例が示されている。図１ａは、本発明の一実施例に係る、厚膜または薄膜工程を使用して施されたメタライゼーションを備えるパッチアンテナの実施例の上面図である。図１ｂは、本発明の一実施例に係る、厚膜または薄膜工程を使用して施されたメタライゼーションを備えるパッチアンテナの実施例の側面図である。図２は、本発明の一実施例に係る、ケーブルおよびアンテナに取り付けられたデジタル信号処理を備えるマイクロ波電子機器を含む代表的な測定システムを示すシステムブロック図である。図３は、本発明の一実施例に係る典型的なパッチアンテナに対する典型的な反射率のプロットである。図４は、本発明の一実施例に係る、高温度環境内に配置されたアンテナに対して反射率すなわちＳ１１のプロットを算出することによって温度を測定する工程のフローチャート図である。図５は、本発明の一実施例に係る、ケーブル長を通しての反射と、アンテナ反射に基づくレンジゲートの適用とを示す代表的なグラフである。

本発明は、多くの異なる形態で具体化できるので、以下の実施例に限定されるものと解釈してはならない。むしろ、かかる実施例は、本開示が完全かつ完璧であって本発明の範囲が当業者に十分に伝わることを目的として与えられる。また、本明細書で与えられるすべての代表的な「例」は非制限的であり、とりわけ、本発明の実施例によってサポートされるものとする。

図１は、実施例に係るパッチアンテナ１００を示す。これは、誘電体基板１０２、高温度メタライゼーション１０１、およびマイクロ波ケーブルを配置するための給電孔１０３を含む。誘電体基板１０１は、典型的には、約９．７の室温誘電率を有する純アルミナセラミック９９．５％のＣｏｏｒｓＡＤ９９５のような高温度セラミック材料である。８００°Ｃの温度においては、誘電率は上昇して１１を超える場合がある。すなわち、典型的には、誘電体材料の誘電率は、温度の上昇に従って上昇する。パッチアンテナ１００は、高温度環境における温度測定をサポートするべく使用されるアンテナの代表例である。

当業者であればわかるように、マイクロストリップパッチアンテナ１００のサイズは、一定の送信周波数のもとでは、基板１０１に使用される材料の誘電率に反比例する。例えば、アンテナを約５．８ＧＨｚの中心周波数で設計すると、ＣｏｏｒｓＡＤ９９５材料を使用する場合、マイクロストリップパッチ１００は直径が約０．３５０インチ（８．８９０ｍｍ）となる。誘電体基板１０１として使用できる他の高温度材料には、チタニア、ジルコニア、および二酸化ケイ素が含まれるがこれらに制限されない。誘電体基板１０１としては、マイクロ波設計に適合する誘電率を有し、かかる用途で基板が生き残れる材料特性であれば、任意の材料が使用できる。例えば、ＣｏｏｒｓＡＤ９９５は、２０００°Ｆ（１０９３°Ｃ）を超える高温度用途で生き残る。

誘電体基板１０１として使用するべく、アルミナの調合にチタニアまたは酸化カルシウムの添加物を加える付加的なセラミックが利用可能であるが、これらの材料は、温度の関数としての誘電率変化を著しく低減するものとして知られている。本発明の実施例はこれらの材料を使用して、温度の関数としてのアンテナ中心周波数変化を最小化する。

高温度メタライゼーション１０１は、誘電体基板１０２に施される金属である。誘電体基板１０２は、腐食環境においても高生存率で非常な高温に耐えうるが、メタライゼーション１０１は長い間さらされると脆弱になり得る。材料には、白金−パラジウム−銀、レニウム、元素白金、および、インジウムスズ酸化物のような均一導電性セラミックが含まれる。メタライゼーション１０１の幾何形状は、任意の標準アンテナ設計に係るものでよい。現在のところ、実施例に係る設計には、円形経路、または円形経路の変形例が含まれる。これには、Ｕ字スロットパッチおよび直線スロットパッチが含まれる。所望の中心周波数および帯域幅を達成する任意の幾何形状を使用してメタライゼーションが実施できる。

アンテナ１００への給電は孔１０３を通して行われる。実施例に係る設計では、同軸ケーブルの中心導体が孔１０３を通して繰り出され、当業者に周知のように、ろう付け、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、または他の任意の金属対金属接合技術によってメタライゼーション１０１に接着される。アンテナは、同軸ケーブルではなくピンを使用して給電されてもよい。また、従来技術に見出されるパッチアンテナフィードに係る他の任意のタイプを収容するように再設計されてもよい。

実施例に係るパッチアンテナは、電磁信号を送受信をサポートするべく動作する一方で高温にさらされるが、図１に関して上述したような高温度材料の選択に基づいて、溶融、酸化、または化学腐食が回避される。典型的には、ろう付けまたは拡散接合のような高温接合技術が使用されてパッチアンテナの構成要素が接続される。

温度測定用途において実施例ではパッチアンテナが使用されるが、本発明者は、誘電体材料を用いた他の共鳴構造も、かかる用途に対して使用できることを認識している。例えば、かかる共鳴構造には、誘電体窓または導波管充填誘電体アンテナのような誘電体材料、および、誘電体材料が充填された他の任意の共鳴構造が含まれる。

図２は、高温度環境において動作するパッチアンテナの誘電率変化から温度を測定する、実施例に係る測定システムのブロック図を示す。実施例に係る測定システムは、パッチアンテナ１００を収容するプローブ本体２０１を含む。プローブ内部にはアンテナが配置される。プローブ本体２０１はアンテナ１００を収容し、典型的には、所望の取り付け場所の幾何形状に適合するように設計される。例えば、プローブ本体２０１は、特定用途を目的とした取り付けをサポートすべく必要な、スレッド、フランジ、カットアウト、または他の任意の機械的特徴を有する。プローブ本体２０１は、マイクロ波トランシーバ２０３、典型的にはネットワークアナライザ、によって具体化される電子機器に高温ケーブル２０２を介して接続される。

マイクロ波トランシーバ２０３は、ケーブル２０２を通してアンテナ１００まで伝播するアンテナマイクロ波信号を生成し、かつ、反射信号を復調する電子機器を含む。好ましい実施例では、Ａｇｉｌｅｎｔ８７２２のようなネットワークアナライザが使用されるが、デジタルＩＱまたはスーパーヘテロダイン受信機のような典型的なゼロＩＦ受信機アーキテクチャまたは他の任意の標準マイクロ波受信機が使用されてもよい。トランシーバ２０３の受信要素に要求されるのは、直交測定ができるということである。これにより、受信機は、受信信号の振幅と位相との両方を測定できる。当業者にとって周知のように、受信信号の振幅と位相とを測定できる様々なマイクロ波受信機技術が存在し、そのすべてが使用できる。トランシーバ２０３はまた、送信周波数を大きな帯域幅、好ましくは５００ＭＨｚ以上、にわたって変化させることができる。

測定システムはまた、反射率（Ｓ１１とも称する）を算出するのに有用なアナログまたはデジタル信号処理２０４を含む。当業者に周知なように、Ｓ１１は、送信信号に対する受信信号の比である。これはまた、受信信号を送信信号で除算した比として説明することもできる。この信号処理機能は、Ａｇｉｌｅｎｔ８７２２のようなネットワークアナライザで最も良く具体化される。Ｓ１１は広い周波数範囲にわたり測定可能であり、Ｓ１１対周波数のプロットが生成されてディスプレイ画面上に表示またはレポートに提示される。典型的なパッチアンテナに対しては、エネルギーの最小量が反射されるポイントが、アンテナの中心周波数を表す。

信号処理２０４は、信号に対して時間ゲートを行うことができる。例えば、信号処理２０４は、高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズム内で具体化されるフーリエ変換、および他の簡易な数学演算を用いて逆フーリエ変換を行うことができる。信号処理を温度測定方法に適用することは、図４および図５においてさらに説明される。

信号処理２０４はまた、Ｓ１１振幅プロット上の最小ポイントを簡易な数学演算を用いて算出することができる。この演算がどのようにして行われるかについての実施例に係る方法は、Ｓ１１振幅値のすべてを信号プロセッサのメモリにアレイとして格納し、そのアレイの最小値を求めるループ（例えばＣにおけるＦＯＲループ）を行うことである。ループが各アレイ位置にわたってインデクスを付け、そのインデクスにおける現行Ｓ１１値とそれまでに見つけれらたグローバルミニマムとの比較が行われる。現行値がグローバルミニマムよりも小さければ、グローバルミニマムは新たな最小値に置換され、その値が生じるインデクスも同様に格納される。次に、グローバルミニマム値とその値が生じるインデクスとが見つかるまでアレイ全域にインデクスが付けられる。信号プロセッサは、各Ｓ１１値インデクスに対する周波数値のマッピングを格納する。このように、簡易なルックアップテーブルにより、インデクスを使用して最小Ｓ１１値が生じる周波数を見つけることができる。さらに、信号処理２０４は、アンテナの中心周波数を誘電率の温度に対応させる較正曲線を格納することもできる。較正曲線は、オーブン内にアンテナを配置して温度を上昇させる一方でそのオーブン内の温度とアンテナの中心周波数との両方をネットワークアナライザを使用して記録することによって生成することができる。較正曲線を生成するための実施例に係る工程は、まずオーブン内に熱電対を配置し、次にそのオーブン内にプローブを配置することである。プローブのリード線がオーブンのポートから出て、ネットワークアナライザへ取り付けられる。次に、データ収集システムがネットワークアナライザへ接続されて、時間の経過とともに最小Ｓ１１値が記録および格納される。ネットワークアナライザを外部コンピュータから制御して、最小Ｓ１１値を見つけるといった数学演算を実行する能力は、現在のネットワークアナライザの標準的な機能である。ネットワークアナライザをコンピュータから制御するべくＧＢＩＰまたはサポートされる他の通信プロトコルを使用することができる。コンピュータが時間の経過とともにネットワークアナライザからの最小Ｓ１１値および対応する周波数を記録している間、オーブンは、エンジンで予測される最大値まで昇温される。完了すると、温度対中心周波数がプロットされたＸ−Ｙグラフが生成され、そのプロットに対して曲線がフィッティングされる。線形補間、多項フィッティング、またはスプラインフィッティングのような任意の標準曲線フィッティング技術が使用されてよい。得られた曲線フィッティングは、較正となって中心周波数を温度に対応させるべく使用される。

温度測定の出力をユーザ２０５に提示することができる。典型的な出力には、画面ディスプレイもしくはレポート、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、ＭＯＤＢＵＳ、もしくは類似の他のデジタルプロトコルを介した他のデータ収集装置へのデジタル出力、または、温度に比例する電圧もしくは温度に比例する電流のようなアナログ出力が含まれる。

図３は、実施例に係るＳ１１プロット３００を示す反射率プロットである。曲線３０２は、アンテナ１００のような典型的なパッチアンテナに対する周波数対周波数の関数として描かれている。Ｓ１１プロット３００は、アンテナ中心周波数３０１におけるプロットの特徴的な落ち込みを示す。誘電体窓、誘電体充填導波管、および他の誘電体充填構造のような他の共鳴誘電体構造も同様のＳ１１プロットを有する。高温度環境においてアンテナが加熱されると、ほとんどの誘電体材料に対して誘電率は上昇する。ＣｏｏｒｓＡＤ−９９５のようなアルミナセラミックでは、温度上昇の結果、誘電率は９．７から１１まで上昇しうる。誘電率の値が増すと、電磁波が圧縮されてパッチアンテナは電気的に見て大きくなる。アンテナ共鳴への影響は、パッチアンテナの共鳴周波数を低下させるというものである。温度が上昇し、かつ、アンテナ共鳴周波数が低下すると、Ｓ１１プロットは、低いアンテナ中心周波数３０３を伴う曲線３０４に示すように変化する。パッチアンテナの動作環境において温度が上昇し続けると、曲線３０４は低い周波数側へ移動し続ける。

上述に鑑みると、アンテナの共鳴周波数の変化は、そのアンテナの誘電体材料が温度上昇を受けていることに対応することがわかる。すなわち、アンテナの共鳴周波数変化と、アンテナの動作環境の温度変化との間には関連性がある。

図４は、アンテナの動作環境の温度を算出するための、実施例に係る工程４００のフローチャート図を示す。第１ステップ４０５は、ネットワークアナライザのような電子機器を使用してアンテナの送信周波数を掃引し、その後、結果として得られた戻り信号の同相波形および直交波形のデータを記録することを含む。同相波形および直交波形は、戻り信号から振幅および位相が抽出できる限りにおいて、周知のコヒーレントトランシーバ法を使用して生成してもよい。次に４１０に示すように、記録されたデータに対して複素逆フーリエ変換が行われ、電圧対周波数データが周波数領域から時間領域に変換される。サイドローブを低減するべく、記録されたデータに対して標準のフーリエ変換ウィンドウ処理を行ってもよい。好ましい実施例においては、このデータに対してカイザー（Ｋａｉｓｅｒ）ウィンドウを適用してもよい。フーリエ変換を適用して得られたデータは、システムの様々な反射についての振幅及び位相対時間を表す。ステップ４１０の演算は図５に関連して以下に詳細に説明する。

データが時間領域にある場合、次のステップ４２０は、注目のアンテナ反射を選択して、他の反射を「ゼロにする」ことである。次に、結果のデータは、ステップ４２５を介して周波数領域に変換し戻され、（他のすべての反射が除去されて）アンテナに対する反射率Ｓ１１が結果として得られる。開示に係る「時間ゲート」の適用により、所望のアンテナ応答を著しく歪めて誤りの結果を与えるような、反射率測定にシステムおよびケーブル内のすべての反射が取り込まれることが防止される。

ステップ４３０における次のタスクは、Ｓ１１応答の最小ポイントを検出することである。これは、反射率Ｓ１１の最小値を見つけて検出された最小値に対応する周波数に注目するアレイサーチによって行うことができる。最終ステップ４３５は、温度に対する中心周波数の較正マップを適用することを含む。較正曲線またはマップは、オーブン内の注目のアンテナに対するアンテナ中心周波数を測定することによって作成される。これは、上述したように、上昇温度をアンテナに適用することに基づく。

図５は、実施例に係る反射対時間プロットを示す。これは、実施例に係る工程４００のステップ４１０で生成される。プロット５００は、システム５０１および５０５の２つの反射を示す。第１の反射５０５は、同軸ケーブルのマイクロ波コネクタ、ケーブルのよじれ、またはアンテナシステムの他の部分によって生成された信号反射である可能性が高い。アンテナシステムのケーブル長およびコネクタ数に応じて複数の反射が生じる場合がある。プロット５００では、反射５０１がアンテナによって生成された反射である。この反射は、注目の反射を選択することによってレンジゲートがかけられている。ここで、反射５０１は境界線５０２および５０３によってマークされている。かかる帯域の外部にある任意の反射は、データがフーリエ変換を介して時間領域から周波数領域へ変換される前にゼロに設定される。なお、プロット５００は、複合集合データ（ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｅｔ ｏｆ ｄａｔａ）の振幅のみを示す。しかしながら当業者に周知のように、フーリエ変換を行う場合には、位相データも変換に含まれる必要がある。

本発明の一実施例に係る、厚膜または薄膜工程を使用して施されたメタライゼーションを備えるパッチアンテナの実施例の上面図である。 本発明の一実施例に係る、厚膜または薄膜工程を使用して施されたメタライゼーションを備えるパッチアンテナの実施例の側面図である。 本発明の一実施例に係る、ケーブルおよびアンテナに取り付けられたデジタル信号処理を備えるマイクロ波電子機器を含む代表的な測定システムを示すシステムブロック図である。 本発明の一実施例に係る典型的なパッチアンテナに対する典型的な反射率のプロットである。 本発明の一実施例に係る、高温度環境内に配置されたアンテナに対して反射率すなわちＳ１１のプロットを算出することによって温度を測定する工程のフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る、ケーブル長を通しての反射と、アンテナ反射に基づくレンジゲートの適用とを示す代表的なグラフである。

Claims (18)

1. 高温度環境における温度を算出する方法であって、
   前記高温度環境で動作して異なる動作温度に対して異なる中心周波数の範囲を有するアンテナの送信周波数範囲を備える電磁信号を出力するべく電磁信号源を使用するステップと、
   前記送信周波数範囲内の、前記アンテナの反射特性を表す戻り信号を受信器にて受信するステップと、
   前記戻り信号から周波数掃引により抽出された同相波形および直交波形に信号処理要素を使用して周波数時間変換を生成して、前記戻り信号に対応する反射に対して時間領域の振幅特性および位相特性を表す結果データを生成するステップと、
   前記アンテナの前記中心周波数に対応する反射を含む前記結果データに前記信号処理要素を使用して時間周波数変換を与えることによって、前記アンテナの反射率のための応答曲線を生成するステップと、
   前記アンテナに対する前記中心周波数を検出するべく前記信号処理要素を使用して前記応答曲線の最小ポイントを特定するステップと、
   前記アンテナの前記中心周波数に対応する温度を特定するべく前記最小ポイントに較正マップを前記信号処理要素を介して適用するステップと、
   前記アンテナの前記中心周波数に対応する前記温度を前記高温度環境の温度として表す表示を与えるステップと
   を含む方法。
2. 前記アンテナは、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体材料が充填された共鳴構造を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記反射率が前記アンテナに対応することを保証するべく、前記高温度環境にある前記アンテナ以外の物体に対応する反射特性を表す所定の結果データを、前記結果データに前記時間周波数変換を適用する前に除去するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記所定の結果データを除去するステップは、前記信号処理要素を使用して前記結果データに対して時間ゲートを適用することにより、前記物体に対応する前記反射特性をゼロにすることを達成する、請求項３に記載の方法。
5. 前記アンテナは、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体基板を含むパッチアンテナを含む、請求項１に記載の方法。
6. プローブ体が前記パッチアンテナを収容し、前記高温度環境内での動作を目的として取り付けられる、請求項５に記載の方法。
7. 高温度環境における温度を算出する方法であって、
   前記高温度環境で動作するアンテナに接続されたネットワークアナライザを使用して、前記アンテナに対応する反射率のための応答曲線を生成するステップと、
   前記アンテナに対する共鳴周波数を検出するべく前記応答曲線の最小ポイントを特定するステップと、
   前記アンテナの前記共鳴周波数に対応する温度を特定するべく前記最小ポイントに較正マップを適用するステップと、
   前記アンテナの前記共鳴周波数に対応する前記温度を前記高温度環境の温度として与えるステップと
   を含み、
   前記応答曲線を生成するステップは、前記高温度環境から反射される戻り信号から周波数掃引により抽出されて前記アンテナの反射特性により特徴付けられる同相波形および直交波形の周波数時間変換を達成して前記戻り信号に対応する反射に対して時間領域の振幅特性および位相特性を表す結果データを生成することと、前記アンテナの共鳴周波数に対応する反射を含む前記結果データに対して時間周波数変換を適用して前記応答曲線を生成することとにより行われる方法。
8. 前記アンテナは、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体材料が充填された共鳴構造を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記反射率が前記アンテナに対応することを保証するべく、前記高温度環境にある前記アンテナ以外の物体に対応する反射特性を表す所定の結果データを、前記結果データに前記時間周波数変換を適用する前に除去するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記所定の結果データを除去するステップは、前記ネットワークアナライザを使用して前記結果データに対して時間ゲートを適用することにより、前記物体に対応する前記反射特性をゼロにすることを達成する、請求項９に記載の方法。
11. 前記アンテナは、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体基板を含むパッチアンテナを含む、請求項７に記載の方法。
12. プローブ体が前記パッチアンテナを収容し、前記高温度環境内での動作を目的として取り付けられる、請求項１１に記載の方法。
13. 高温度環境における温度を算出するシステムであって、
    前記高温度環境で動作する共鳴構造を含むプローブ体に対応する反射率のための応答曲線を生成するネットワークアナライザと、
    前記共鳴構造に対する共鳴周波数を検出するべく前記応答曲線に対する最小ポイントを特定する、前記ネットワークアナライザに接続されたコンピュータと
    を含み、
    前記コンピュータはさらに、前記共鳴構造の共鳴周波数に対応する温度を特定するべく前記最小ポイントに較正マップを適用する動作を行い、
    前記コンピュータは、前記共鳴構造の前記共鳴周波数に対応する前記温度を前記高温度環境の温度として与え、
    前記ネットワークアナライザは、前記高温度環境から反射される戻り信号から周波数掃引により抽出されて前記共鳴構造の反射特性により特徴付けられる同相波形および直交波形の周波数時間変換を達成して前記戻り信号に対応する反射に対して時間領域の振幅特性および位相特性を表す結果データを生成することと、前記共鳴構造の共鳴周波数に対応する反射を含む前記結果データに対して時間周波数変換を適用して前記応答曲線を生成することとにより行われる信号処理ロジックを含むシステム。
14. 前記共鳴構造は、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体材料が充填されたアンテナを含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記コンピュータは、前記高温度環境にある前記共鳴構造以外の物体に対応する反射特性を表す所定の結果データを、前記応答曲線を生成する前に除去する動作をさらに行う、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記コンピュータは、前記結果データに対して時間ゲートを適用することにより前記物体に対応する前記反射特性をゼロにすることを達成することによって前記所定の結果データを除去する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記共鳴構造は、前記高温度環境での温度増加に伴い誘電率が増加する誘電体基板を含むパッチアンテナを含む、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記プローブ体は前記パッチアンテナを収容し、前記高温度環境内での動作を目的として取り付けられる、請求項１７に記載のシステム。

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