JP6728112B2 - 誘電率測定システム、誘電率測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電率測定システム、誘電率測定装置および方法に関し、特に複数の周波数の電磁波を用いて被測定物の誘電率を測定する技術に関する。

近年、物品の製造メーカにおいては、製品検査の重要度が増している。特に、食品の製造メーカにおいては、加工食品への異物混入により、会社の信頼性低下や出荷停止など、業績を逼迫する状況になる場合も生じている。製品の出荷検査の段階で、製品への異物混入を検出して、異物が混入した製品の出荷を未然に防ぐことが望ましい。

食品における異物混入の検出においては、製造ライン上を流れる食品を短時間で、かつ高精度に検出することが重要である。既存の検出装置であるイメージング装置では、金属の検出は比較的短時間で精度良く行うことが可能であるが、昆虫や、有機物質など、製品の材料とは異なる食品材料の混入を高速かつ高精度で検出することが困難であった。

一方、被測定物である物体の比誘電率を求めることができれば、食品への異物の混入を検出することが可能になる。従来、厚みのある物体の比誘電率を測定する手法として、２周波連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。図１１は、従来の２周波ＣＷ方式による誘電率測定システムの概略を示す図である。誘電率測定システムは、送信機２００と、受信機３００とを有する。

従来の２周波ＣＷ方式では、まず、２つの異なる周波数ｆ₁とｆ₂の電磁波が空気のみを透過した場合の位相θ_{1_air}と位相θ_{2_air}を測定し、これらの位相差θ_air＝θ_{2_air}−θ_{1_air}を得る。次に、ｆ₁とｆ₂の電磁波が被測定物４００を透過した場合の位相θ_{1_sample}と位相θ_{2_sample}を測定し、これらの位相差θ_sample＝θ_{2_sample}−θ_{1_sample}を得る。位相差θ_airと位相差θ_sampleの差分は、式（１）で表される。この式（１）により、被測定物４００の比誘電率ε_rを算出することができる。式（１）において、Ｌは被測定物４００の厚さ、ｃは光速である。

図１２に示すように、受信機３００側で測定される電磁波の位相変化θは、電磁波の周波数ｆに比例して増加するが、従来の誘電率測定システムにおいては、０〜２πの範囲でしか位相を測定できないため、実際の位相変化量を算出することができない場合があった。

また、実際の測定環境においては、反射等による位相誤差が存在し、測定される誘電率には測定誤差が含まれる。誘電率の測定誤差は、２つの信号の周波数（以下、「２周波」という。）の間隔ｄｆ＝ｆ₂−ｆ₁に反比例することから、高精度な誘電率測定を行うためには、この２周波の間隔ｄｆをできるだけ拡げる必要がある。

しかし、２周波のみを含む電磁波を用いる場合、その２周波の間隔ｄｆ＝ｆ₂−ｆ₁は式（２）で制限されるため、間隔ｄｆには上限が存在する。式（２）に基づく２周波の間隔ｄｆの上限値を超える値を用いると、２周波間の位相差が２πを超えてしまうため、被測定物４００の比誘電率ε_rを測定することができなくなってしまう。式（２）において、ε_{eff_max}は、被測定物４００が取りうる最大の比誘電率ε_rである。

そこで、例えば、非特許文献２には、複数周波数の電磁波を用いて、被測定物４００の誘電率の測定精度を改善する技術が開示されている。図１３に示すように、従来の複数周波数の電磁波を用いた誘電率の測定誤差を低減する技術では、複数周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_m（ｍは３以上の整数である。）で位相サンプリングを行う。なお、複数周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mのそれぞれは互いに異なる値であり、周波数軸上で隣り合う２周波の間隔は、等間隔である。また、複数周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mにおいて、添字インデックスの値が大きくなるにしたがって信号の周波数が高くなる。

ここで、複数周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mにおいて、周波数軸上で隣り合う２周波の間隔を総称して、「周波数間隔ｆ_s」という。詳細には、周波数間隔ｆ_snは、周波数ｆ_nと周波数ｆ_n+1との間隔を示す（ｎは１以上で（ｍ−１）以下の整数である。）。また、各周波数間隔ｆ_sは、式（３）の条件を満たす。

位相サンプリング後は、周波数軸上で隣り合う各２周波間の位相差が負になった場合に、以降に続く位相に対して２πを加える位相接続を行う。周波数ｆ₁での位相と周波数ｆ_mでの接続された位相とを用いて、式（１）に基づいて、被測定物４００の比誘電率ε_rを算出する。

図１３において、実線の白抜きの点は、電磁波の各周波数ｆ_nにおいて検出された位相（位相変化）のサンプリング点を示している。また、点線の白抜きの点は、サンプリング点の位相が接続された位相を示している。

従来の、複数周波数の電磁波を用いて位相接続を行い、被測定物４００の比誘電率ε_rを算出する技術では、周波数の間隔ｄｆを拡げることができるため、比誘電率ε_rの測定精度を改善することが可能であった。

しかし、前述した従来の２周波ＣＷ法を用いて被測定物４００の誘電率を測定する技術、および従来の複数周波数を用いた被測定物４００の誘電率を測定する技術では、被測定物４００の誘電率を高速測定することが困難であった。

具体的には、従来の２周波ＣＷ法および複数周波数の電磁波を用いた被測定物４００の誘電率の測定技術では、どちらの方式もＶＮＡ（ベクトルネットワークアナライザ）を用いて、各周波数での位相情報を得てから各隣り合う２周波間の位相差を算出する。そのため、周波数掃引を行う必要があり、発振器で周波数を切り替えるときに長いセトリング時間が必要となる。そのため、上述した２つの従来の技術では、被測定物４００の誘電率の高速測定が困難であった。

そこで、周波数掃引の必要がなく、被測定物４００の誘電率の高速測定が可能な従来の技術として、２周波を有する電磁波を用いたセルフヘテロダインシステムが提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。図１４は、従来の２周波の電磁波を用いたセルフヘテロダインシステムである、誘電率測定システム１００の構成を示すブロック図である。従来の誘電率測定システム１００は、送信機２００と、受信機３００とを有し、送信機２００と受信機３００との間に設置された被測定物４００の比誘電率ε_rを測定する。

送信機２００は、周波数ｆ₁の電磁波を生成する単周波発振器２０１ａと、周波数ｆ₂の電磁波を生成する単周波発振器２０１ｂとを有し、図１５Ａに示すように、周波数ｆ₁の電磁波と、周波数ｆ₂の電磁波が混合された２周波信号を生成する合波器２０２と、２周波信号を送信するアンテナ２０３とを備える。

受信機３００は、送信機２００から送信された２周波信号を受信するアンテナ３０１と、図１５Ｂに示すように、２周波間の位相差情報を持った周波数ｆ₂−ｆ₁のビート波（差周波信号）を得る自乗検波素子３０２と、フィルタ３０３と、アナログ信号のビート波をデジタル信号に変換するＡＤＣ３０４と、ビート波の位相を測定する位相測定部３０５と、ビート波の位相に基づいて被測定物４００の比誘電率ε_rを算出する比誘電率算出部３０７と、算出結果出力部３０８とを備える。

従来の誘電率測定システム１００で、被測定物４００の比誘電率ε_rを測定する場合においても、まず、被測定物４００の存在しない状態（空気のみが存在する状態）でのビート波の位相θ_airを測定し、さらに、被測定物４００が存在する状態でのビート波の位相θ_sampleを測定する。そして、式（１）に基づいて比誘電率ε_rを算出する。

しかし、従来の２周波信号を用いたセルフヘテロダインシステムである、誘電率測定システム１００では、比誘電率ε_rの高速測定は可能になるが、前述のとおり２周波の信号のみを利用しているため、２周波の間隔ｄｆには上限があり、測定精度の高精度化を図ることが困難であった。

そこで、従来の２周波の信号を用いたセルフヘテロダインシステムによる誘電率測定システム１００に、従来の複数周波数の信号を用いて位相接続を行う誘電率測定の技術を適用することが可能であれば、誘電率の測定精度を向上できると考えられる。図１６は、従来のセルフヘテロダインシステムにおいて、複数周波数の電磁波の信号を生成する構成を適用した誘電率測定システム１００ａの構成を示すブロック図である。

送信機２００は、図１７Ａに示すような複数周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの電磁波を生成する単周波発振器２０１ａ〜２０１ｎを備える。しかし、図１３で説明したように、従来の複数周波数の信号を用いた誘電率測定の技術では、周波数軸上で隣り合う各周波数の周波数間隔ｆ_sが等間隔である。そのため、受信機３００側では、図１７Ｂに示すように、１つのビート波しか生成されず、各隣り合う２周波間の位相情報を得ることができない。

そのため、複数の位相を位相接続して複数周波数の信号における間隔ｄｆを拡げることができず、比誘電率ε_rの測定精度を改善することができない。したがって、従来の誘電率測定システム１００ａにおいて、誘電率の測定の高速化と高精度化との両立は困難であった。

徐，他，"食品内異物の検出に向けた２周波ＣＷ方式によるＴＨｚ波帯誘電率イメージング"電子情報通信学会総合大会２０１６ Ｔ．Ｊｙｏ ｅｔ ａｌ．"ＴＨｚ Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−ｔｏｎｅ Ｕｎｗｒａｐｐｅｄ Ｐｈａｓｅ Ｓｌｏｐｅ ｍｅｔｈｏｄ"． ｉｎ： Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２０１６ ４１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ， Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ， ａｎｄ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅｓ （ＩＲＭＭＷ−ＴＨｚ），（Ｔ３Ａ．２）． 徐，他，"セルフヘテロダインによる位相差検出を用いたＴＨｚ波帯誘電率測定システムの高速化に関する検討"電子情報通信学会総合大会２０１７

本発明は、被測定物の誘電率をより高速かつ高精度で測定することができる誘電率測定システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る誘電率測定システムは、ｍ個の互いに異なる周波数の信号を生成する複数の単周波発振器と、前記単周波発振器によって生成された前記ｍ個（ｍは３以上の整数）の信号を足し合わせ、周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を合波する合波器と、前記合波器から出力された、合波された信号を送信する第１のアンテナと、を備え、前記単周波発振器は、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号の周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1（ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
を満たす、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を生成する、送信機と、前記合波された信号を受信する第２のアンテナと、前記第２のアンテナで受信した前記合波された信号を検波する自乗検波素子と、前記自乗検波素子から出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタと、前記フィルタから出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定部と、前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理部と、前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出部と、を備える受信機と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る誘電率測定システムにおいて、前記自乗検波素子は、前記被測定物が存在しない状態を透過した前記合波された信号と、前記被測定物が存在する状態を透過した前記合波された信号を検波し、前記フィルタは、前記被測定物が存在しない状態を透過した前記合波された信号に基づく第１の差周波信号と、前記被測定物が存在する状態を透過した前記合波された信号に基づく第２の差周波信号を出力し、前記位相測定部は、前記第１の差周波信号の第１の位相と、前記第２の差周波信号の第２の位相とを測定し、前記位相処理部は、前記第２の位相の位相接続を行い、前記比誘電率算出部は、前記第１の位相と、位相接続された前記第２の位相とに基づいて前記被測定物の前記比誘電率を算出してもよい。

また、本発明に係る誘電率測定システムにおいて、前記送信機が備える前記単周波発振器は、前記周波数ｆ₁の信号を生成する第１の単周波発振器と、周波数ｆ₂−ｆ₁、ｆ₃−ｆ₁、・・・、ｆ_m−ｆ₁の信号を生成する第２の単周波発振器と、を含み、前記合波器は、前記第２の単周波発振器によって生成された前記周波数ｆ₂−ｆ₁、ｆ₃−ｆ₁、・・・、ｆ_m−ｆ₁の信号を合波する第１の合波器と、前記第１の合波器によって合波された信号を中間周波信号とし、前記周波数ｆ₁の信号を局部発振信号として、単側波帯変調信号を出力する単側波帯ミキサと、をさらに備え、前記第１のアンテナは、前記単側波帯ミキサから出力された前記単側波帯変調信号を送信してもよい。

また、本発明に係る誘電率測定システムにおいて、前記受信機は、前記フィルタから出力された前記差周波信号について、前記差周波信号の周波数よりも低い周波数に変換する周波数変換器と、前記周波数変換器と前記位相測定部との間に接続され、前記差周波信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、をさらに備え、前記位相測定部は、前記周波数変換器によって前記低い周波数に変換された差周波信号の位相を測定してもよい。

また、本発明に係る誘電率測定システムにおいて、前記単周波発振器が生成する前記周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの前記信号は、周波数軸上で互いに隣り合う前記周波数間隔ｆ_sの値の差分値が一定であってもよい。

また、本発明に係る誘電率測定システムにおいて、前記差分値は、前記単周波発振器が有する最小の周波数分解能と同じ値であってもよい。

また、本発明に係る誘電率測定装置は、周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが、互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
を満たす、ｍ個（ｍは３以上の整数、ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号が合波された信号を受信する第２のアンテナと、前記第２のアンテナで受信した前記合波された信号を検波する自乗検波素子と、前記自乗検波素子から出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタと、前記フィルタから出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定部と、前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理部と、前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る誘電率測定方法は、ｍ個の互いに異なる周波数の信号を生成する複数単周波生成ステップと、前記複数単周波生成ステップで生成された前記ｍ個（ｍは３以上の整数）の信号を足し合わせ、周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を合波する合波ステップと、前記合波ステップで出力された合波された信号を送信する信号送信ステップと、を備え、前記複数単周波生成ステップは、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号の周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1（ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
を満たす、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を生成する、送信ステップと、前記合波された信号を受信する信号受信ステップと、受信した前記合波された信号を検波する自乗検波ステップと、前記自乗検波ステップで出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタリングステップと、前記フィルタリングステップで出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定ステップと、前記位相測定ステップで出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理ステップと、前記位相測定ステップで出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出ステップと、を備える受信ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、自乗検波素子が、複数周波数の信号が合波された信号を検波し、フィルタが合波された信号における複数の差周波信号を出力し、位相測定部が各差周波信号の位相を測定し、位相処理部が測定された位相を位相接続し、比誘電率算出部が位相接続された位相に基づいて、被測定物の比誘電率を算出する。したがって、被測定物の誘電率の測定をより高速かつ高精度に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システムの構成例を示すブロック図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る合波器の出力信号の一例を示す図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る自乗検波素子の出力信号の一例を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システムにおける動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システムの光学系の構成を説明する図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態において比較のための従来の誘電率測定システムを用いたシミュレーションを説明する図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システムにおけるシミュレーションを説明する図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システムにおけるシミュレーションを説明する別の図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る誘電率測定システムの構成例を示すブロック図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態に係る誘電率測定システムの構成例を示すブロック図である。 図１０は、本発明の第４の実施の形態において生成される複数周波数の信号を説明する図である。 図１１は、従来の誘電率測定システムの概要を示す図である。 図１２は、従来の、２周波を用いた誘電率測定を説明する図である。 図１３は、従来の、複数周波数を用いて位相接続を行う誘電率測定を説明する図である。 図１４は、従来の２周波を用いたセルフヘテロダインシステムによる誘電率測定システムの構成例を示すブロック図である。 図１５Ａは、図１４の従来の誘電率測定システムにおいて、送信機側で生成される信号を示す図である。 図１５Ｂは、図１４の従来の誘電率測定システムにおいて、受信機側で生成される信号を示す図である。 図１６は、従来のセルフヘテロダインシステムによる誘電率測定システムに複数周波数を用いた場合の構成を示すブロック図である。 図１７Ａは、図１６の誘電率測定システムにおける送信機側で生成される信号を示す図である。 図１７Ｂは、図１６の誘電率測定システムにおける受信機側で得られる信号を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図１０を参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システム１は、周波数軸上で隣り合う２つの周波数の周波数間隔ｆ_sのそれぞれが、互いに異なる値を有し、かつ周波数間隔ｆ_sのそれぞれが、隣り合う２つの周波数の位相差が２π以上変化しないための条件を満たす、複数の周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を生成する単周波発振器２１ａ〜２１ｎと、生成された複数の信号を合波する合波器２２と、合波された信号を送信するアンテナ２３とを有する送信機２と、合波された信号を受信するアンテナ３１と、受信信号を検波する自乗検波素子３２と、合波された信号の差周波信号を出力するフィルタ３３と、差周波信号の位相を測定する位相測定部３５と、測定された位相を位相接続する位相処理部３６と、位相接続された位相の情報に基づいて被測定物４の比誘電率ε_rを算出する比誘電率算出部３７とを有する受信機３とを備える。

［誘電率測定システムの構成］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る誘電率測定システム１の構成例を示すブロック図である。誘電率測定システム１は、送信機２と、受信機３とを備え、被測定物４の比誘電率ε_rを測定する。

送信機２は、複数の単周波発振器２１ａ〜２１ｎと、合波器２２と、アンテナ２３とを備える。送信機２側では、複数の周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号が生成されて合波される。

受信機３は、アンテナ３１と、自乗検波素子３２と、フィルタ３３と、ＡＤＣ３４と、位相測定部３５と、位相処理部３６と、比誘電率算出部３７と、算出結果出力部３８とを備える。受信機３側では、受信した信号のセルフヘテロダイン検波が行われ、複数のビート波を生成し、各ビート波の位相を位相接続して、被測定物４の比誘電率ε_rを算出する。以下において、「ビート波」を「差周波信号」という。

被測定物４は、厚さＬを有する物体であり、樹脂などの誘電体を用いてもよい。被測定物４はその材料に固有の比誘電率ε_rを有する。

次に、送信機２の各構成について説明する。
単周波発振器２１ａ〜２１ｎは、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などによって構成される発振器である。単周波発振器２１ａ〜２１ｎはそれぞれ互いに異なる所定の周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの（ｍは３以上の整数である。）信号を生成する。なお、生成される信号は電磁波であり、例えば、ＲＦ信号などの高周波信号が用いられる。

単周波発振器２１ａ〜２１ｎがそれぞれ生成する複数の信号は、周波数軸上で隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_sがすべて異なる値となる。具体的には、周波数ｆ₁と周波数ｆ₂の２周波の周波数間隔ｆ_s1＝ｆ₂−ｆ₁、周波数ｆ₂と周波数ｆ₃の２周波の周波数間隔ｆ_s2＝ｆ₃−ｆ₂、・・・、周波数間隔ｆ_sm-1＝ｆ_m−ｆ_m-1はすべて異なる値となる。以下において、周波数間隔ｆ_sの周波数を有する信号を差周波信号という。

さらに、単周波発振器２１ａ〜２１ｎがそれぞれ生成する複数の信号において、周波数軸上で隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_sは、それぞれ式（３）の条件を満たす。

合波器２２は、単周波発振器２１ａ〜２１ｎでそれぞれ生成された周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの複数の信号を合波して、出力する。

アンテナ２３は、合波器２２から出力された合波信号を受信機３に向けて送信する。

ここで、合波器２２から出力される信号の例を図２Ａに示す。図２Ａに示すように、単周波発振器２１ａで生成された周波数ｆ₁の信号と、単周波発振器２１ｂで生成された周波数ｆ₂の信号とは、周波数軸上において隣り合っている。また、周波数ｆ₂の信号と、単周波発振器２１ｂで生成された周波数ｆ₃の信号は、周波数軸上において隣り合っている。

また、周波数軸上で隣り合う周波数ｆ₁と周波数ｆ₂との周波数間隔ｆ_s1と、周波数軸上で隣り合う周波数ｆ₂と周波数ｆ₃との周波数間隔ｆ_s2は、互いに異なる。

次に、受信機３の各構成について説明する。
アンテナ３１は、送信機２が送信した複数の周波数の信号が合波された信号を受信する。

自乗検波素子３２は、ダイオードなどで構成され、出力信号が入力信号の値の二乗に比例する動作特性を有する検波器である。アンテナ３１で受信された合波された信号は自乗検波素子３２によって自乗検波され、復調される。自乗検波素子３２による自乗検波作用によって、セルフヘテロダイン方式に必要な差周波信号を生成することができる。自乗検波素子３２の出力信号は、図２Ｂに示すように、複数の周波数ｆ_s1、ｆ_s2の差周波信号を有する。

フィルタ３３は、所定の周波数の信号を遮断する通過帯域特性を有するバンドパスフィルタである。フィルタ３３は、自乗検波素子３２からの出力信号について所定の周波数帯域の信号を通過させる。具体的には、フィルタ３３によって、差周波信号以外の高周波信号を遮断することができる。

ＡＤＣ３４は、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器であり、フィルタ３３を通過したアナログ信号の差周波信号をデジタル信号に変換する。

位相測定部３５は、差周波信号それぞれの位相を測定する。より詳細には、位相測定部３５は、各差周波信号の周波数ｆ_sそれぞれにおける位相を測定する。また、位相測定部３５は、各差周波信号の強度を測定する。

位相処理部３６は、位相測定部３５によって測定された差周波信号の周波数ｆ_sの位相について位相接続を行う。より詳細には、位相処理部３６は、送信機２と受信機３との間に設置された被測定物４を透過した、複数の周波数の信号が合波された信号に基づく差周波信号の位相について、位相接続を行う。被測定物４が存在しない、空気などの背景物質のみが存在する状態で測定された差周波信号の位相については、位相接続は行われない。

ここで、位相処理部３６による位相接続について説明する。位相処理部３６は、周波数軸上で隣り合う２つの差周波信号の周波数ｆ_sn、ｆ_sn+1（ｎは１から（ｍ−２）の整数。）の位相θ_nと位相θ_n+1間の差分を算出する。算出した差分が負の場合には、位相処理部３６は、θ_n+1以降の位相変化θ_n+1，θ_n+2，・・・，θ_m-1の全てに２πを加算して更新する。差分が０以上の場合には、位相θ_n+1，θ_n+2，・・・，θ_m-1の全てに０を加算すればよい。すなわち、差分が０以上の場合には値の更新は不要である。

位相処理部３６は、上記のような更新ステップを、ｎ＝１からｎ＝ｍ−２まで繰り返す。ｎ＝ｍ−２までの更新ステップが完了した後の位相θ_n+1，θ_n+2，・・・，θ_m-1を、φ_n+1，φ_n+2，・・・，φ_m-1とする。このような更新ステップを行って、差周波信号の周波数に比例して位相の値が直線的に増加する特性にすることを、本発明では位相接続と呼ぶ。

次に、比誘電率算出部３７は、位相処理部３６によって位相接続された差周波信号の位相情報に基づいて、被測定物４の比誘電率ε_rを算出する。より詳細には、比誘電率算出部３７は、被測定物４が存在する状態で得られた差周波信号の位相を位相接続した位相の情報と、空気などの背景物質のみが存在する状態で得られた差周波信号の位相の情報とを用いる。そして、式（１）を用いて空気などの背景物質からの位相回転差から被測定物４の比誘電率ε_rを算出する。

算出結果出力部３８は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬなどのディスプレイを有し、比誘電率算出部３７によって算出された被測定物４の比誘電率ε_rなどを表示する。

［誘電率測定システムの動作］
次に、誘電率測定システム１の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。まず、単周波発振器２１ａ〜２１ｎはそれぞれ周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を生成する（ステップＳ１０１）。単周波発振器２１ａ〜２１ｎが生成する周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの各信号において、周波数軸上で隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_s1＝ｆ₂−ｆ₁，ｆ_s2＝ｆ₃−ｆ₂，・・・，ｆ_sm-1＝ｆ_m−ｆ_m-1の値は、それぞれ異なる。さらに、これらの周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの周波数間隔ｆ_s1，ｆ_s2，・・・，ｆ_sm-1は、それぞれ式（３）の条件を満たす。

単周波発振器２１ａ〜２１ｎは生成した信号を合波器２２に出力する。合波器２２は、周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mのｍ個の信号を合波して出力する（ステップＳ１０２）。アンテナ２３は、周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mが混合する信号を受信機３に向けて送信する（ステップＳ１０３）。

続いて、送信機２と受信機３の間に被測定物４が設置されていない状態で、受信機３のアンテナ３１は、送信機２から、複数の周波数の信号が合波された信号を受信する（ステップＳ１０４）。送信機２と受信機３の間に被測定物４が設置されていない状態とは、例えば、空気など既知の比誘電率を有する背景物質のみが存在する状態である。

次に、自乗検波素子３２は、被測定物４が設置されていない状態で受信した信号について自乗検波を行う（ステップＳ１０５）。より詳細には、自乗検波素子３２は、アンテナ３１で受信された周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号が合波された信号を自乗検波し、これらｍ個の周波数の信号の差周波信号（ｆ_{s1_air}，ｆ_{s2_air}，・・・，ｆ_{sm-1_air}）を含む信号を出力する。

その後、フィルタ３３は、自乗検波素子３２から出力された差周波信号を含む信号をフィルタリングする（ステップＳ１０６）。フィルタ３３によって、差周波信号以外の信号を遮断する。

次に、ＡＤＣ３４は、差周波信号（ｆ_{s1_air}，ｆ_{s2_air}，・・・，ｆ_{sm-1_air}）をアナログ信号からデジタル信号に変換する（ステップＳ１０７）。位相測定部３５は、デジタル信号に変換された差周波信号（ｆ_{s1_air}，ｆ_{s2_air}，・・・，ｆ_{sm-1_air}）の位相θ_{1_air}，θ_{2_air}，・・・，θ_{sm-1_air}を測定する（ステップＳ１０８）。なお、位相測定部３５は、差周波信号の信号強度についても測定する。測定された位相情報、信号強度および差周波信号の情報は記憶部（図示しない）において記憶される。

続いて、今度は、送信機２と受信機３との間に被測定物４を設置する。受信機３のアンテナ３１で、被測定物４を透過した、周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの合波信号を受信する（ステップＳ１０９）。次に、自乗検波素子３２は、被測定物４が存在する状態で、受信された信号を自乗検波する（ステップＳ１１０）。自乗検波素子３２から出力される差周波信号（ｆ_{s1_sample}，ｆ_{s2_sample}，・・・，ｆ_{sm-1_sample}）を含む出力信号は、フィルタ３３でフィルタリングされて、差周波信号のみが抽出される（ステップＳ１１１）。

次に、ＡＤＣ３４において、アナログ信号の差周波信号（ｆ_{s1_sample}，ｆ_{s2_sample}，・・・，ｆ_{sm-1_sample}）をデジタル信号に変換する（ステップＳ１１２）。位相測定部３５は、デジタル変換された差周波信号（ｆ_{s1_sample}，ｆ_{s2_sample}，・・・，ｆ_{sm-1_sample}）の位相θ_{1_sample}，θ_{2_sample}，・・・，θ_{m-1_sample}を測定する（ステップＳ１１３）。なお、位相測定部３５は、差周波信号の信号強度についても測定する。測定された位相情報、信号強度および差周波信号の情報は記憶部（図示しない）に記憶される。

次に、位相処理部３６は、ステップＳ１１３で測定された差周波信号（ｆ_{s1_sample}，ｆ_{s2_sample}，・・・，ｆ_{sm-1_sample}）の位相θ_{1_sample}，θ_{2_sample}，・・・，θ_{m-1_sample}の位相接続を行う（ステップＳ１１４）。位相処理部３６によって更新された位相情報（θ_{1_sample}，φ_{2_sample}，・・・，φ_{m-1_sample}）は記憶部（図示しない）に記憶される。

そして、比誘電率算出部３７は、ステップＳ１０８で測定された、被測定物４が存在しない状態で背景物質のみを透過した信号における差周波信号の位相θ_{1_air}，θ_{2_air}，・・・，θ_{sm-1_air}と、被測定物４を透過した信号の差周波信号の位相が位相接続された位相情報（θ_{1_sample}，φ_{2_sample}，・・・，φ_{m-1_sample}）とを用いて、式（１）より、被測定物４の比誘電率ε_rを算出する（ステップＳ１１５）。

最後に、算出結果出力部３８は、算出された被測定物４の比誘電率ε_rを出力して表示する（ステップＳ１１６）。

［誘電率測定シミュレーション］
次に、本実施の形態に係る誘電率測定システム１を用いた被測定物４の比誘電率ε_rの測定シミュレーションについて説明する。本実施の形態におけるシミュレーションでは、３つの周波数ｆ₁（３００ＧＨｚ）、ｆ₂（３１０ＧＨｚ）、ｆ₃（３１９．９ＧＨｚ）（以下、「３周波」という。）の信号（間隔ｄｆ＝１９．９ＧＨｚ）を用いて被測定物４の比誘電率ε_rを測定する。また、比較対象として、従来の誘電率測定システム１００を用いてｆ₁（３００ＧＨｚ）、ｆ₂（３１０ＧＨｚ）の２周波（間隔ｄｆ＝１０ＧＨｚ）の信号を用いて被測定物４の比誘電率ε_rを測定する。

次に、本実施の形態に係るシミュレーションにおける光学系の構成について、図４を参照して説明する。図４に示すように、被測定物４は、既知の比誘電率（ε_r＝５．５）を有し、厚さＬは１０ｍｍから２０ｍｍの範囲で値を振った一様な物体である。また、本シミュレーションでは、被測定物４内で発生する無限多重反射の影響を含み、誘電損失ｔａｎδは０である。背景物質には、空気（ε₀＝１）を用い、送信機２と受信機３との距離Ｌ₀は１００ｍｍとする。なお、この条件での２周波における間隔の最大値は１１ＧＨｚである。

まず、従来の誘電率測定システム１００において２周波の信号を用いた場合のシミュレーションについて説明する。図５は、従来の誘電率測定システム１００において送信機２００と受信機３００との間に被測定物４が存在しない場合の、送信機２００側と受信機３００側それぞれの時間領域および周波数領域の信号強度を示す図である。

送信機２００からは、ｆ₁（３００ＧＨｚ）とｆ₂（３１０ＧＨｚ）の２周波の信号が生成および合波されてアンテナ２０３から受信機３００に送信される。空気での振幅減衰がない条件を仮定すると、受信信号は送信信号と等しくなる。

図５に示すように、受信機３００のアンテナ３０１で受信される、ｆ₁（３００ＧＨｚ）とｆ₂（３１０ＧＨｚ）の信号が合波された信号を、自乗検波素子３０２に入力して検波し、フィルタ３０３から２周波の差分であるｆ_s1（１０ＧＨｚ）の差周波信号を得る。この差周波信号は、ｆ₁（３００ＧＨｚ）とｆ₂（３１０ＧＨｚ）の信号の位相差情報を持っている。

自乗検波素子３０２から出力される、差周波信号を１０ＧＨｚ近辺の通過域を有するフィルタ３０３に通し、ＡＤＣ３０４でデジタル信号に変換する。そして、被測定物４が存在しない状態で、空気のみを透過した信号について、位相測定部３０５で位相θ_airを測定する。さらに、送信機２００と受信機３００との間に被測定物４を設置して、同様に、位相測定部３０５でθ_sampleを測定する。最後に、比誘電率算出部３０７において式（１）を用いて、比誘電率ε_rを算出する。

従来の誘電率測定システム１００において、周波数の間隔ｄｆが１０ＧＨｚの２周波信号を用いた場合に算出される、厚さＬが１５ｍｍの被測定物４の誘電率の値と、その理論値との誤差は、６．９６％である。

次に、本実施の形態に係る誘電率測定システム１において、非等間隔の３周波信号を用いた場合のシミュレーションについて説明する。図６は、誘電率測定システム１において送信機２と受信機３との間に被測定物４が存在しない（空気のみ存在する）場合の、送信機２側と受信機３側それぞれの時間領域および周波数領域の信号強度を示す図である。また、図７は、受信機３側の周波集領域の信号強度を拡大した図である。

図６に示すように、本シミュレーションでは、ｆ₁（３００ＧＨｚ）、ｆ₂（３１０ＧＨｚ）、ｆ₃（３１９．９ＧＨｚ）の３周波の信号を用いる。これらの信号において、周波数軸上で隣り合う２周波の間隔は、それぞれ１０ＧＨｚ（ｆ_s1＝ｆ₂−ｆ₁）と９．９ＧＨｚ（ｆ_s2＝ｆ₃−ｆ₂）である。

まず、被測定物４が存在しない状態で空気のみを透過した、３周波の信号が合波された信号を、受信機３のアンテナ３１で受信する。図６および図７に示すように、受信された信号を自乗検波素子３２に入力すると、周波数ｆ_{s1_air}（９．９ＧＨｚ）とｆ_{s2_air}（１０ＧＨｚ）の差周波信号を含む信号が出力される。これらの差周波信号を、１０ＧＨｚ近辺の通過域を有するフィルタ３３に通し、ＡＤＣ３４でデジタル信号に変換する。さらに、位相測定部３５で、差収波信号の位相θ_{1_air}と位相θ_{2_air}を測定する。

次に、送信機２と受信機３との間に被測定物４を設置して、同様に、差周波信号の位相θ_{1_sample}と位相θ_{2_sample}を測定する。続いて、位相処理部３６は、被測定物４を透過する信号の差収波信号の位相θ_{1_sample}と位相θ_{2_sample}について位相接続を行う。比誘電率算出部３７は、空気のみを透過する信号の差周波信号の位相θ_airおよび被測定物４を透過する信号の差周波信号の位相θ_sample（位相接続後の位相）を算出する。最後に、比誘電率算出部３７は、式（１）に位相θ_airおよび位相θ_sampleを代入して、被測定物４の比誘電率ε_rを算出する。

本実施の形態の誘電率測定システム１において、間隔ｄｆが１９ＧＨｚの３周波の信号を用いた場合に算出される、厚さＬが１５ｍｍの被測定物４における誘電率の値と理論値との誤差は、１．１８％である。前述したように、従来の誘電率測定システム１００で２周波の信号を用いて被測定物４の誘電率を算出した場合の誤差が６．９６％であることから、本実施の形態に係る誘電率測定システム１は、従来に比べてより高精度に被測定物４の誘電率の測定ができることがわかる。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、送信機２において、周波数軸上で隣り合う２周波の間隔ｆ_s1＝ｆ₂−ｆ₁，ｆ_s2＝ｆ₃−ｆ₂，・・・，ｆ_sm-1＝ｆ_m−ｆ_m-1が互いに異なり、かつ、周波数軸上で隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_sがそれぞれ式（３）の条件を満たす複数の周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を発生し、これら複数の周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を足し合わせて受信機３に送信する。

そして、受信機３においては、複数の周波数の信号が合波された信号を自乗検波素子３２の自乗検波作用によってセルフヘテロダイン検波することで、周波数軸上で隣り合う２周波間の周波数差に応じた複数のビート波である差周波信号（ｆ_s1、ｆ_s2、・・・、ｆ_sm-1）が生成される。

各差周波信号は、それぞれの２周波間の位相差情報を含んでいるため、各差周波信号の位相を測定して位相接続をすることで、周波数の間隔ｄｆを拡張することができる。したがって、被測定物４の誘電率の高速測定ができるセルフヘテロダイン方式の誘電率測定システム１において、複数周波数の信号を適用して、測定誤差を低減することができる。そのため、誘電率測定の高速化と高精度化を両立することができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は、第２の実施の形態に係る誘電率測定システム１ａの構成例を示すブロック図である。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の実施の形態では、送信機２が、複数の高周波信号を生成する単周波発振器２１ａ〜２１ｎを有する場合について説明した。これに対し、第２の実施の形態では、送信機２ａは、１つの高周波信号を生成する単周波発振器２１ａと、複数の単周波発振器２１ａが生成する信号よりも低周波の信号を生成する単周波発振器２１Ｂ、２１Ｃ、・・・、２１Ｎと、合波器２２と、単側波帯（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅｂａｎｄ）ミキサ２４と、アンテナ２３とを備える。

単周波発振器２１Ｂ、２１Ｃ、・・・、２１Ｎは、周波数ｆ₂，ｆ₃，・・・，ｆ_mのそれぞれから周波数ｆ₁を減算した周波数の信号を生成する。図８に示すように、本実施の形態においては、低周波信号を生成する２つの単周波発振器２１Ｂ、２１Ｃを有する場合について説明する。単周波発振器２１Ｂは、周波数ｆ₂−ｆ₁（１０ＧＨｚ）の信号を生成し、単周波発振器２１Ｃは、周波数ｆ₃−ｆ₂（１９．９ＧＨｚ）の信号を生成して、合波器２２に出力する。

合波器２２において、周波数ｆ₂−ｆ₁の信号と、周波数ｆ₃−ｆ₁の信号とが合波された信号は、中間周波信号（以下、「ＩＦ信号」という。）として、ＳＳＢミキサ２４に入力される。ＩＦ信号は、周波数ｆ_ifの信号である。また、単周波発振器２１ａから出力された周波数ｆ₁の高周波信号は、ローカル信号（以下、「ＬＯ信号」という。）として、ＳＳＢミキサ２４に入力される。ＬＯ信号は、周波数ｆ_lo＝ｆ₁の信号である。

ＳＳＢミキサ２４は、ＩＦ信号とＬＯ信号とを混合する。ＳＳＢミキサ２４は、ｆ_lo、ｆ_lo＋ｆ_ifの周波数の信号を通過させ、ｆ_lo−ｆ_ifの周波数の信号を遮断する通過帯域特性を有するミキサである。ＳＳＢミキサ２４は、周波数ｆ_loとｆ_lo＋ｆ_ifが混ざった信号を出力する。アンテナ２３は、ミキサ２４から出力された信号を受信機３に向けて送信する。なお、受信機３については、第１の実施の形態と同じ構成を採用する。

上記のような構成を有する送信機２ａを用いることによって、誘電率測定システム１ａにおける高周波発振器の数を減らすことができる。そのため、誘電率測定システム１ａの構造をより簡易にすることが可能となる。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図９は、第３の実施の形態に係る誘電率測定システム１ｂの構成例を示すブロック図である。なお、以下の説明では、上述した第１および第２の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１および第２の実施の形態では、受信機３において、フィルタ３３を通過した差周波信号が、ＡＤＣ３４に出力される場合について説明した。これに対し、第３の実施の形態では、フィルタ３３とＡＤＣ３４との間に周波数変換器３９をさらに備える。

周波数変換器３９は、フィルタ３３を通過した差周波信号と、単周波発振器（図示しない）から出力されたＬＯ信号とを混合することにより、差周波信号の周波数を変換（ダウンコンバート）する。周波数変換器３９によるダウンコンバートによって、差周波信号の周波数は、それぞれｆ’_s1＝ｆ_s1−ｆ_lo、およびｆ’_s2＝ｆ_s2−ｆ_loの周波数に変換される。具体的には、図９に示すように、１０ＧＨｚの差周波信号は、０．２ＧＨｚにダウンコンバートされ、９．９ＧＨｚの差周波信号は、０．１ＧＨｚにダウンコンバートされる。

周波数変換器３９でダウンコンバートされた各差周波信号は、ＡＤＣ３４に入力されてアナログからデジタルの信号に変換される。これにより、ＡＤＣ３４において要求される最低サンプリングレートを０．４ＧＨｚまで下げることができる。

以上説明したように、第３の実施の形態によれば、差周波信号をダウンコンバートする周波数変換器３９をフィルタ３３とＡＤＣ３４との間に設置するため、第１および第２の実施の形態よりも低速のＡＤＣを採用することができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１０は、第４の実施の形態に係る周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を示す図である。なお、以下の説明では、上述した第１から第３の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１および第３の実施の形態では、単周波発振器２１ａ〜２１ｎのそれぞれが生成する周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号は、隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_sn+1−ｆ_snがそれぞれ異なり、かつ、各周波数間隔ｆ_sの値が式（３）の条件を満たす場合について説明した。これに対して、第４の実施の形態では、単周波発振器２１ａ〜２１ｎがそれぞれ生成する周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号は、さらに、図１０に示すように、周波数軸上で隣り合う周波数間隔ｆ_sn、ｆ_sn+1の差分Δｆ_s(n+1)n（Δｆ_s(n+1)n＝ｆ_sn+1−ｆ_sn）が一定値となる信号である。

このように、周波数軸上で隣り合う周波数間隔ｆ_sどうしの差分Δｆ_s(n+1)nが一定値であると、受信機３側の自乗検波素子３２から出力される差周波信号の差分が一定となり、ＡＤＣ３４、位相測定部３５や位相処理部３６での処理がより容易となる。

＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。第４の実施の形態では、単周波発振器２１ａ〜２１ｎがそれぞれ生成する周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号は、周波数軸上で隣り合う２周波の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_sn+1−ｆ_snがそれぞれ異なり、各周波数間隔ｆ_sの値が式（３）の条件を満たし、かつ、周波数軸上で隣り合う周波数間隔ｆ_sn、ｆ_sn+1の差分Δｆ_s(n+1)nが一定値である場合について説明した。

これに対し、第５の実施の形態では、さらに、一定値である周波数軸上で隣り合う周波数間隔ｆ_sn、ｆ_sn+1の差分Δｆ_s(n+1)nの値が、単周波発振器２１ａ〜２１ｎが有する最小の周波数分解能と同じ値となるようにする。

単周波発振器２１ａ〜２１ｎにおいて、周波数軸上で隣り合う周波数間隔ｆ_sn、ｆ_sn+1の差分Δｆ_s(n+1)nの一定値が、単周波発振器２１ａ〜２１ｎが有する最小の周波数分解能と同じ値となるような周波数ｆ₁，ｆ₂，・・・，ｆ_mの信号を生成することで、例えば、受信機３側のＡＤＣ３４において、より狭い帯域幅を用いることができる。したがって、誘電率測定システム１をより簡易に構成することが可能となる。

以上、本発明の誘電率測定システム、誘電率測定装置および方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

本実施の形態で説明した比誘電率算出部３７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。コンピュータのＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

１、１ａ、１ｂ…誘電率測定システム、２、２ａ…送信機、３、３ａ…受信機、４…被測定物、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｎ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｎ…単周波発振器、２２…合波器、２３、３１…アンテナ、２４…単側波帯ミキサ、３２…自乗検波素子、３４…ＡＤＣ、３５…位相測定部、３６…位相処理部、３７…比誘電率算出部、３８…算出結果出力部、３９…周波数変換器。

Claims (8)

1. ｍ個の互いに異なる周波数の信号を生成する複数の単周波発振器と、
   前記単周波発振器によって生成された前記ｍ個（ｍは３以上の整数）の信号を足し合わせ、周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を合波する合波器と、
   前記合波器から出力された、合波された信号を送信する第１のアンテナと、
   を備え、
   前記単周波発振器は、
   前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号の周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1（ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
   を満たす、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を生成する、
   送信機と、
   前記合波された信号を受信する第２のアンテナと、
   前記第２のアンテナで受信した前記合波された信号を検波する自乗検波素子と、
   前記自乗検波素子から出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタと、
   前記フィルタから出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定部と、
   前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理部と、
   前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出部と、
   を備える受信機と、
   を備えることを特徴とする誘電率測定システム。
2. 前記自乗検波素子は、前記被測定物が存在しない状態を透過した前記合波された信号と、前記被測定物が存在する状態を透過した前記合波された信号を検波し、
   前記フィルタは、前記被測定物が存在しない状態を透過した前記合波された信号に基づく第１の差周波信号と、前記被測定物が存在する状態を透過した前記合波された信号に基づく第２の差周波信号を出力し、
   前記位相測定部は、前記第１の差周波信号の第１の位相と、前記第２の差周波信号の第２の位相とを測定し、
   前記位相処理部は、前記第２の位相の位相接続を行い、
   前記比誘電率算出部は、前記第１の位相と、位相接続された前記第２の位相とに基づいて前記被測定物の前記比誘電率を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘電率測定システム。
3. 前記送信機が備える前記単周波発振器は、
   前記周波数ｆ₁の信号を生成する第１の単周波発振器と、
   周波数ｆ₂−ｆ₁、ｆ₃−ｆ₁、・・・、ｆ_m−ｆ₁の信号を生成する第２の単周波発振器と、を含み、
   前記合波器は、
   前記第２の単周波発振器によって生成された前記周波数ｆ₂−ｆ₁、ｆ₃−ｆ₁、・・・、ｆ_m−ｆ₁の信号を合波する第１の合波器と、
   前記第１の合波器によって合波された信号を中間周波信号とし、前記周波数ｆ₁の信号を局部発振信号として、単側波帯変調信号を出力する単側波帯ミキサと、
   をさらに備え、
   前記第１のアンテナは、前記単側波帯ミキサから出力された前記単側波帯変調信号を送信することを特徴とする
   請求項１又は請求項２に記載の誘電率測定システム。
4. 前記受信機は、
   前記フィルタから出力された前記差周波信号について、前記差周波信号の周波数よりも低い周波数に変換する周波数変換器と、
   前記周波数変換器と前記位相測定部との間に接続され、前記差周波信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
   をさらに備え、
   前記位相測定部は、前記周波数変換器によって前記低い周波数に変換された差周波信号の位相を測定することを特徴とする
   請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の誘電率測定システム。
5. 前記単周波発振器が生成する前記周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの前記信号は、周波数軸上で互いに隣り合う前記周波数間隔ｆ_sの値の差分値が一定であることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の誘電率測定システム。
6. 前記差分値は、前記単周波発振器が有する最小の周波数分解能と同じ値であることを特徴とする請求項５に記載の誘電率測定システム。
7. 周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが、互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
   を満たす、ｍ個（ｍは３以上の整数、ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号が合波された信号を受信する第２のアンテナと、
   前記第２のアンテナで受信した前記合波された信号を検波する自乗検波素子と、
   前記自乗検波素子から出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタと、
   前記フィルタから出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定部と、
   前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理部と、
   前記位相測定部から出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出部と、
   を備えることを特徴とする誘電率測定装置。
8. ｍ個の互いに異なる周波数の信号を生成する複数単周波生成ステップと、
   前記複数単周波生成ステップで生成された前記ｍ個（ｍは３以上の整数）の信号を足し合わせ、周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を合波する合波ステップと、
   前記合波ステップで出力された合波された信号を送信する信号送信ステップと、
   を備え、
   前記複数単周波生成ステップは、
   前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号の周波数軸上で隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n、ｆ_n+1（ｎは１から（ｍ−１）の整数、ただし、ｆ_n＜ｆ_n+1）の周波数間隔ｆ_s＝ｆ_n+1−ｆ_nが互いに異なり、かつ、被測定物の取り得る最大比誘電率をε_{eff_max}、前記被測定物の厚さをＬ、光速をｃとしたとき、
   を満たす、前記ｍ個の周波数ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_mの信号を生成する、
   送信ステップと、
   前記合波された信号を受信する信号受信ステップと、
   受信した前記合波された信号を検波する自乗検波ステップと、
   前記自乗検波ステップで出力される信号から前記隣り合う２つの信号の周波数ｆ_n+1、ｆ_nの差ｆ_n+1−ｆ_nの周波数の差周波信号を出力するフィルタリングステップと、
   前記フィルタリングステップで出力された前記差周波信号の位相を測定する位相測定ステップと、
   前記位相測定ステップで出力された前記差周波信号の位相を位相接続する位相処理ステップと、
   前記位相測定ステップで出力された前記差周波信号の位相の情報に基づいて前記被測定物の比誘電率を算出する比誘電率算出ステップと、
   を備える受信ステップと、
   を備えることを特徴とする誘電率測定方法。