JPH05505681A - マイクロ波放射を用いて物質の温度を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波放射を用いて物質の温度を測定する方法本発明は、与えられた物質あ るいは対象物の温度、並びに、マイクロ波周波数の反射係数を決定することに関 する。

対象物の温度を測定するために、この技術分野においては、対象物から放射され るマイクロ波周波数領域の熱雑音信号を検出し、検出された信号の強さと対象物 の温度との間に対応関係を設定するという測定プロセスを用いることが知られて いる。

ここでは、「対象物」という用語は、物質である対象物あるいは物質そのもの、 あるいは生きている組織さえも指すことができるように、極めて広い意味で使わ れている。実際、いかなる吸収体といえども、その温度に直接的に関係する熱雑 音信号を放射している。

そのような熱雑音信号は、非常に広い周波数領域に亘って放射されている。

温度測定を実行するために、赤外線領域において放射される信号を利用するとい う他のプロセスもまた知られている。しかし、検出される信号は主に測定される べき物体の表面によって放射されるものであり、それ故に、表面温度が測定され ているとは限らないという欠点がある。

他に知られている測定方法としては、熱電対を用いるものがあり、それは温度を 測定したい物体の内部に導入されることが必要である。

しかし、多くの場合、熱電対を物体中に侵入させることが、主要な欠点を示すこ ととなる。

そのような欠点を避けるためには、マイクロ波周波数領域、すなわち、およそ０ ．５〜２ＱＧｔｌｚの周波数領域において放射される熱雑音信号を利用すること が好適である。

この点に関して、アンテナにより放出されたマイクロ波放射が検出され、そして 、受は入れられた信号が当面の物体の温度を決定させるための信号処理手段へ供 給されるようになっているマイクロ波電波測定装置が知られている。

しかしながら、マイクロ波周波数の電波測定（ｒａｄ　１ｏｓｅ　ｔｐｙ）にお いて遭遇する主要な問題点の一つは、温度を知りたい物質に対してアンテナを整 合させる点に存在する。事実、使用されるアンテナは反射係数Ｒｏを有しており 、その結果、測定すべき対象物が一般的に種々の構造、サイズおよび特性を有し ていることから、アンテナは必ずしも完全に整合をとることはできない。

これらの状況の下では、アンテナの係数１Ｒｏｌ”が零ではないという事実によ って、対象物の温度を測定するに当って生ずる誤差は２つの関係を有することと なる。すなわち、一つは、対象物の放射度＝１−ｌＲｏｌ”が−樺なものではな いということであり、他方は、アンテナに反射係数があれば、信号処理手段の入 力部で放出されたノイズ（雑音）の一部がアンテナにより反射され、その手段に より増幅され、そして、その手段の出力部で測定された信号に不都合な影響を与 えるということである。

これらの種々の欠点を解消するために、温度を検出するための手段を本体中に導 入する必要がなく、物体の内部温度を測定させることができるようにするための 種々のプロセスが案出されている。

事実、フランス特許公報Ｆ　Ｒ−２，４９７，９４７には、Ｄｉｃｋｅ電波測定 器の原理を基にしたマイクロ波サーモグラフ装置およびプロセスが開示されてお り、そこではアンテナ、サーキュレータ、既知の特性を有する補助ノイズ発生源 、増幅／受信器および検出器が用いられている。更に、この文献によれば、サー キュレータが、測定用ライン（伝送線）を循環的にアンテナに接続するか、ある いは、その測定用ラインを短絡するかの２チヤンネルのマイクロ波周波数スイッ チに関連して使用されている。

こうして、このサーキュレータ−スイッチの組合せが、一方で、増幅器の入力部 で放出された信号を吸収されるようにし、他方で、アンテナに測定されるべき物 質の温度に実質的に等しい温度の負荷が供給されるようにする。この条件の下で は、係数ｌＲ’ｏ１”が零でない場合、測定されるべき物質により放出されるノ イズが減少すれば、その負荷によって放出されるノイズとアンテナにより反射さ れるノイズとによって補償される。

しかしながら、この文献Ｆ　Ｒ−２，４９７，９４７におけるプロセスと装置に は、サーキュレータを使用する必要があり、それはいくつかのケースにおいて不 利益をもたらすこととなる。実際面において、サーキュレータは一般的に周波数 領域によって決定され、かつ、そのサイズと価格を規制することのできないフェ ライト素子により形成されている。それ故、これは必然的に装置の価格およびサ イズに影響を与え、装置の単結晶集積回路化への可能性を排除することとなる。

同様なケースとして、フランス特許公報Ｆ　Ｒ−２，５６１，７６９号において は、低ノイズの受信装置におけるインピーダンス整合を制御するためのプロセス と、このプロセスを具現化するための小型化されたマイクロ波サーモメータが開 示されている。

そのような装置は、アンテナ、温度およびインピーダンスのｉ１節可能な標準的 ノイズ発生源、アンテナおよび標準的ノイズ発生源に結合されたスイッチング手 段、スイッチの後段に配設され、アンテナおよび標準的ノイズ発生源からの信号 間のレベル差に対応する振幅を有する信号を供給する増幅器、増幅器の入力部に 周期的に接続される制御可能な付加インピーダンス、および、アンテナと標準的 ノイズ発生源とにより示されるインピーダンス間の相違を分析し、それらのイン ピーダンスを整合させてアンテナかノイズ発生源のいずれかを１！節し、アンテ ナおよびノイズ発生源への付加インピーダンスにより及ぼされる影響を等化し、 そして、結果として、アンテナと標準的ノイズ発生源とにより示されるインピー ダンスを等化する手段とにより構成されている。

文献Ｆ　Ｒ−２，５６１７６９におけるプロセスは、一つの基準ノイズ発生源を 用いることを意図して構成されており、そこでは、その電気的に調整可能な反射 係数が、測定されるべき対象物が存在するところに置かれるアンテナのものと率 において等しくされている。このために、増幅器入力により放出されるノイズが 、２つの反射係数間の等しさをチェックするために用いられ、そして、そのため に、可変の付加インピーダンスが用いられ、その値は電気的に制御され、かつ、 それは増幅器の入力部に配置される。

そのような技術によれば、サーキュレータの使用を省くことができる。しかし、 残念ながら、それはアンテナによって示される負荷が抵抗性のものである場合で あって、かつ、アンテナと増幅器との間に配置されているラインの長さが無視し うるちのである場合に限って、利用することができるものである。

従来の装置における不利益には、解決策を見い出すことができないといえる程の その他の制約が加えられる。特に、サーキュレータが用いられている場合、実用 されるフェライトのサイズが大きくなれば、動作周波数は低くなる。例えば、Ｉ 　ＧＨｚにおいては、サイズは禁止的に大きなものとなってしまう。更に、ゼロ メソッド（ｚｅｒ。

置６ｔｈｏｄ）により温度を決定すべく作動させると、一般的には補助の基準熱 源の温度と測定すべき物体の温度との間の差により構成される因数を零にしよう とすることが行われる。そこで、２７３＠Ｋ　（０°Ｃ）以下の温度をもつ物体 の温度を測定することは、緻密な事柄となり、種々のケースでそれが不利益とな る。

更にまた、測定装置においては、サーキュレータ素子を取り除くことが問題とな る。実際に、ある利得ｇをもつ増幅器の場合、それは、そのノイズファクタを特 徴づけるものとして、増幅器ノイズＴａとともに入力ノイズＴｅを必然的に呈示 することとなる。かくして、直結増幅回路においては、回路の入力部において負 荷が整合していない場合、入力ノイズＴｅおよび増幅器の出力ノイズＴａの間に 相互作用の可能性があることが考慮されなければならない。

不整合に基く測定誤差は、反射係数ＲＯに依存し、また、上記のノイズＴｅおよ びＴａにも依存することとなる。

この相互作用現象を解消するために、増幅器入力ラインに並列に非周期性の移相 器を用い、それは、例えば、無規則に−π／２゜＋π／２の位相を導入させて、 ノイズの秩序立った構造についてのいかなる可能性をも妨害するようにし、それ により、ＴｅとＴａ間のいかなる相互作用をも打消してしまうようにすることが 、この技術分野においては知られている。

しかしながら、そのような移相器は、検出されるノイズ信号の振幅を減じてしま い、また、電波測定器の単結晶ＩＣ化を不可能にするほどの大きな寸法のものと なる。

本発明の目的は、マイクロ波放射を用いて、物質あるいは与えられた対象物の温 度を測定するためのプロセスおよび装置を提供することであり、それにより、上 述した欠点を解消し、また、サーキュレータの使用を省くことができるようにす るとともに、精密な温度測定を可能とすることができる。

本発明の目的の一つは、単結晶集積回路技術を用いて設計することができ、かつ 、それにより小型化でき、低価格である電波測定用信号を測定するためのプロセ スおよび装置を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、アンテナが特に測定されるべき対象物に整合してい ない場合、あるいは、アンテナと増幅器との間に配置されたラインの長さが無視 しえない程である場合に利用することができる電波測定用信号を測定するための プロセスを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、入力において負荷が整合していない場合でも、増幅 器の入力ノイズと出力ノイズ間のいかなる相互作用の影響をも受けないようにす ることができる電波測定用信号を測定するためのプロセスおよび装置を提供する ことである。

本発明のもう一つの目的は、Ｄ　１ｃｋｅの電波測定器の原理を用いずに、等価 あるいはそれ以上の結果を得ることのできる電波測定用信号を測定するだめのプ ロセスを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、物質あるいは与えられた対象物のマイクロ波周波数 の反射係数を決定するために電波測定用信号の測定プロセスを応用することに関 している。

本発明の更に他の目的および利益は、図面を用いて行われ、本発明を制限する意 図ではない以下の記載の過程から明らかとなるであろう。

本発明によれば、マイクロ波放射を利用して与えられた物質あるいは対象物の温 度Ｔｘを測定するためのプロセスであって、それにより反射係数Ｒｏｘを有する アンテナによって放出されたマイクロ波放射が検出され、そして、受信された信 号が信号処理手段に供給されるようになっており、そして、それはアンテナと上 記手段との間に所定のインピーダンスのライン（伝送線）が挿入されているとい うことにより特徴づけられており、そのインピーダンスは上記手段の入力インピ ーダンスの関数であって、上記手段の相互作用ファクタが無視しうるちのとなる ように信号の波長に比べて極めて大きい長さしを有している。

更に、本発明の測定プロセスによれば、アンテナにより受信された信号は、その 長さＬのラインを通って上記処理手段にまで伝送される。その処理手段は、パワ ー利得Ｔｇ、入力ノイズ温度Ｔｅおよび出力ノイズ温度Ｔａを備えており、次の 出力電圧がその処理手段の出力に得られることとな４る。： Ｖｓ＝ｇｒ　（Ｔｘ　（１−ＩＲｏｘｌ”）＋Ｔｅ　ｌ　ＲＯＸＩ”　＋Ｔｅ） そして、全てのパラメータは上記手段の構造を循環的に変更することによって周 期的に計算されるようになっている。

この点に関して、本発明によるプロセスを具現化するために、測定装置は長さし の介挿ラインを有しており、それは信号処理手段の入力インピーダンスの関数で ある与えられたインピーダンスを持ち、その手段とアンテナとの間に配置されて おり、その長さしは処理される信号の波長に比べて極めて大きいものである。

更にまた、上記処理手段は、後段に二乗法則の検波器が設けられ、そして、前段 には、その手段の構造を循環的に変更するために適したマイクロ波周波数の多岐 スイッチが設けられている直結増幅型のマイクロ波周波数受信器により構成され ている。

本発明は、以下の記述によりより完全に理解することができ、その記述は、図面 による例示によって与えられるが本発明を制限するものではなく、その必要な一 部である図面を添付されている。添付の図面において、ニ 一回１は、与えられた物質あるいは対象物の温度を測定し、および／あるいは、 マイクロ波周波数の反射係数を決定するための装置の機能的な構成図である。

一回２は、決定された増幅器の通過帯域に関し、アンテナと増幅器入力との間の ラインの長さしの関数として、相互作用ファクタを表わす値をグラフの形で示し ている。

−図３は、２チヤンネルのスイッチの構造設計を概念的な構成図により示してい る。

一回４は、本発明により上記手段に導入される高インピーダンスのノイズ発生源 の第１の実施例を示している。

−図５は、本発明により上記に導入される高インピーダンスのノイズ発生源の第 ２の実施例を示している。

−図６は、基準負荷の温度を測定するための回路の実施例を概念的な構成図によ り示している。

一回７は、基準負荷の温度を測定するための回路の他の実施例を概念的な構成図 により示している。

本発明は、与えられた物質あるいは対象物の温度を測定するためのプロセスおよ び装置に関しており、同時に、与えられた物質あるいは対象物のマイクロ波周波 数の反射係数を決定するためにその測定プロセスを応用することに関している。

前述し光ように、用語の「対象物」あるいは「物質」は、測定されるべき物体で ある物質、特別な場合として多くの物質の対象物からなる物体、一般的な物質、 あるいは生きている組織をも言及しうるように、広く解釈されるべきものである 。

更に、ある温度Ｔｘに至っているいかなる物質も、マイクロ波頭域において、そ のパワーが温度および測定装置の通過帯域に比例することとなる電磁気的な放射 を放出するということも指摘されるべきことである。特に、アンテナにより検出 されるパワーは次の関係式により与えられる。： Ｐ＝ｋＴｘΔｆ（１ｔＲｏｘｌ”） ここで、ｋはポルツマン定数（１，３８ｘ　１０−”）、Ｔｘは測定されるべき 物質の温度、Δｆは通過帯域、ＩＲｏｘｌ”はアンテナの反射係数である。

直結増幅型の電波測定器（ｒａｄｉｏａ＋ｅｔｅｒ）が設置されている場合、換 言すれば、アンテナが増幅器−受信器Ａの入力に直接に結合されており、また、 サーキュレータ列が挿入されることなく二乗検波器りがその出力に結合されてい る場合は、検波器の出力における電圧Ｖｓは次の関係式で与えられる。： Ｖｓ＝ｇ７　（Ｔｘ　（１−１Ｒｏｘｌ”）＋Ｔｅ　１Ｒｏｘｌ”　＋Ｔｅ）こ こで、ｇは増幅器の利得に対応し、γは検波器の変換利得に対応し、Ｔｅは増幅 器の入力ノイズに対応し、Ｔａは増幅器のノイズファクタを特徴づける増幅器ノ イズに対応している。

しかしながら、この関係式Ｖｓは、電波測定器の入力における負荷が不整合の場 合に、増幅器の入力ノイズＴｅと出力ノイズＴａとの間の相互作用の可能性によ って引き起こされる電波測定誤差に対ノイズＴｅは増幅器の物理的な温度に関連 しており、また、ノイズＴａは増幅器によって入力ノイズにもたらされる低下の 現象に関連している。これが、ＴｅとＴａ間の相互作用と称されている。

かくして、サーキュレータが用いられない場合、増幅器によって引き起こされる 相互作用ノイズについて、周波数ｆにおける基本的な寄与量は、次の関係式によ り与えられることとなる。：ｄ　５ｃｏｒ　＝ｋ　（ｌ　Ｒｏｘｌ　”　Ｔｅ　 ＋Ｔａ＋２　１Ｒｏｘｌ”ＴｅＴａ−ｃｏｓ　φ）ｄｆここで、ｋはポルツマン 定数であり、 φは受信器の入力ノイズと出力ノイズ間の位相差であって、２π・ＬＯ・ｆ／Ｃ に等しく、 Ｃは光速であり、 Ｌｏは増幅器の固有の長さに対応している。

したがって、相互作用ノイズの全寄与量は、増幅器の通過帯域内において上記関 係式を積分することにより得ることができ、それにより次の関係式が与えられる 。： ５ｃｏｒ　＝ｋ　・　（ｌ　ＲｏｘｌｔＴｅ＋Ｔａｃｏｓ（ｔｘ／　２　・（ｆ ｚ　＋　ｆ＋））　）Δｆｆ２およびｆｌは、それぞれ増幅器の高域および低域 のカットオフ周波数であり、 Δｆは増幅器の通過帯域ｆ、−ｆ、であり、Ｌは増幅器の入力とアンテナ間のラ インの長さである。

上記した作用から、本発明の特徴の一つは、アンテナと信号処理手段、特に増幅 器との間に所定のインピーダンスのラインが介挿されているという点にあり、そ のインピーダンスは、上記手段の相互作用ノイズファクタを無視しうるように信 号の波長よりも極めて大きい長さしを持っている増幅器の入力インピーダンスと して機能する。

上記した関係式５ｃｏｒにおいて、次の量はこうして得ることかでｃｏｓ（α／ 　２　・Ｃｆｚ　＋Ｌ））この量は、αが無限大となれば、零に集束する。この 条件は、Ｌが処理される信号の波長すなわちＣ／（ｆ２　ｆ＋）に比べて極めて 大きい場合に満足される。

図２のグラフは、この相互作用の影響、より正確に言えば、アンテナと増幅器入 力間の単位１での長さしに対する関数としての比Ｖｃｏｒ／Ｖｓを例示している 。

この比は、Ｌが波長に比べて極めて太き（なると零に集束していくことがわかる 。例えば、２〜４　Ｇｌ（ｚの通過帯域において動作する増幅器の場合、ｌ０Ｃ １１のオーダーの長さＬになってから結果が現れ始める。安全のためには、例え ば４０ＣＩ＋の長さのものが使用されることとなる。

更に、このラインＬのインピーダンスは、不整合を避けるために増幅器の入力イ ンピーダンスに実質的に一致されなければならない。

マイクロ波周波数において、通常用いられている増幅器は５０オームのオーダー の入力インピーダンスを有しており、これによりライン部材りとしては、５０オ ームの特性インピーダンスＺｃを有するものが、アンテナから増幅器へのエネル ギー伝達のために用いられている。

このケースでは、電波測定用信号が先に示した関係式により与えられるというこ とに留意する必要がある。すなわち、：Ｖｓ＝ｇ　ｒ　（Ｔｘ　（１−ｌ　Ｒｏ ｘｌ”）＋Ｔｅ　ｌ　Ｒｏｘｌ寡＋Ｔａ〕かくして、本発明による測定プロセス のもう一つの特徴によれば、アンテナにより受信された信号が、上記の長さしの ラインを経て、信号処理手段の入力に送られ、上記の電圧Ｖｓがその出力に得ら れる。そして、全てのパラメータがその手段の構造を循環的に変更することによ り周期的に計算される。

図１は、一実施例として、本発明によるプロセスを具現化したものとして、与え られた＠ｌＪ質あるいは対象物の温度を測定するための装置を概念図により示し ている。

この概念図は、その温度を決定すべき対象物２から放出される信号を受信し、上 に定義したような長さしを有する介挿ライン４を経て処理手段３に結合するため のアンテナ１が示されている。

より正確には、処理手段３は、直結増幅型マイクロ波周波数受信器１５．！−１ その後段の二乗検波器６および前段のマイクロ波周波数マルチチャンネルスイッ チ８により構成されている。

既に述べたように、マイクロ波周波数受信器１５は、マイクロ波周波数の通過帯 域、大きな利得ｇおよび低ノイズファクタを有する増幅器Ａにより構成すること ができる。

更に、従来の増幅器が不要なため、この増幅器は単結晶集積回路技術を用いて製 造することができる。

変換利得Ｔを存する二乗検波器６については、集積化が容易なショットキー検波 用ダイオードにより形成されるのが好適である。

このケースにおいては、本発明によれば、温度Ｔｘの値を決定するためにめられ る関係式は次のものである。：ＶＳ＝ｇＴ（Ｔｘ（ｌ　ＩＲｏｘｌＱ＋Ｔｅ１Ｒ ｏｘｌ”＋−Ｔａ）ここで、決定されるべきパラメータはｇγ、　Ｔｅ、Ｔａ、 　ｌ　Ｒｏｘｌ　ｔおよびＴｘである。

こうして、５個の未知数を有する関係式が得られ、そして、本発明によるプロセ スにおいては、未知数と同じ個数の関係式を得るために必要な回数はど、信号処 理手段の構造が変更されることとなる。

に、更に選択的かつ循環的に、高インピーダンス（Ｚ）Ｚｃ）のノイズ発生源Δ Ｔいの影響の下に置かれ、次のように出力電圧ＶＳを与える関係が変化される。

： Ｖｓ＝ｇｒ　（Ｔｘ　（１−ｌ　Ｒｏｘｌ”）＋Ｔｅ　ｌ　Ｒｏｘｊ”ｆＴｅ＋ ΔＴｍ　（１＋　ｌ　Ｒｏｗ　Ｉ”））本発明による装置、より詳細に言えば、 図１に示すように、上記処理手段３は、更に、補助的なノイズΔＴｌｌを再送人 するためのもので、その手段の入力、より正確には増幅器５の出力に配設された ノイズ発生源９を有している。

このノイズ発生源は、関係式の体系を解いていくことをより容易にするための有 益な要素である。

この点に関して、上記スイッチ８は、図１に示すように、有益なものとすべく、 少なくとも４つのマイクロ波周波数のチャンネルを有し、それらは、次のものに 結合されている。ニー既知の特性をもち、温度Ｔ、の負荷１０、−中継ライン４ に同様な、短絡されている長さしのライン、−アンテナ１に結合され、長さしの 中継ライン４、−既知の特性をもち、温度Ｔｚのもう一つの負荷１２、−上記の ノイズ発生源９ΔＴＩ０ このスイッチの４つの異なったチャンネルは、丸付きの数字１゜２．３および４ により、図中に示されている。丸付きの数字５は、上記ノイズ発生源ΔＴｍを作 動あるいは不作動にする制御器、特に論理制御器５に対応している。

更に、上記マイクロ波周波数のスイッチ８およびこの制御器５に循環的に指令を 出すために、本発明による装置は計算および同期ユニット】３を有しており、上 記スイッチ８と上記制御器５を協働させて、少なくとも測定されるべき物体の温 度Ｔ、を決定するように、スイッチの各状態に対して定義される関係式の体系に ついて数学的にリアルタイムの解を得ることができるようにされている。

より詳しくは、本発明の測定プロセスによれば、上記処理手段の入力、より正確 には、増幅器−受信器１５の入力は、循環的に次のものに結合される。ニ 一スイツチのチャンネル１を使用することにより、温度Ｔ、の負荷１Ｏ１ 一スィッチのチャンネル１を使い、かつ、制御器５を経て上記発生源ΔＴ、を供 給することにより、温度Ｔ１の負荷１０およびノイズ発生源９．ΔＴ、、 一スィッチをチャンネル２に設定し、ライン１１を経て接地、−スイッチをチャ ンネル３に設定することにより、ライン４を経てアンテナ１、 一スイツチをチャンネル３に設定することにより、かつ、制御器５を経て発生源 ΔＴ、を供給することにより、ライン４を経てアンテナ１、および上記補助的ノ イズ発生源９、−スイッチをチャンネル４に設定することにより、温度Ｔ２の負 荷１２゜ このようにして、各サイクルにおいて、次のような関係式の体系が得られる。： Ｖ、＝ｒｇ　（’ｒ＋　＋Ｔａ） Ｖ＋ｓ＝Ｔ　ｇ　（Ｔｌ　＋　７　ａ＋ΔＴ、〕Ｖｚ　＝　ｒ　ｇ　（Ｔ　ｅ　 ＋’ｒ　ａ　）Ｖｚ＝ｒｇ（（１１Ｒｏｘｌ”）Ｔｘ＋１Ｒｏｘｌ”Ｔｅ＋Ｔａ ）Ｖｓｓ＝ｒｇ（（１１Ｒｏｘｌ”）Ｔｘ＋１Ｒｏｘｌ”Ｔｅ＋Ｔａ＋（１＋１ Ｒｏｘｌ”ΔＴ３〕 Ｖ４　＝　ｒ　ｇ　（Ｔｚ　＋　Ｔ　ａ　）この体系は、６つの式と６つの未知 数を有しており、マイクロプロセッサおよびその周囲のアナログ入出力インター フェース（アナログ−ディジタル／ディジタル−アナログ変換器）、理論入力お よび出力ボード（ＰＩＡ）やディスプレイ手段により構成されている計算ユニッ ト１３のような通常の計算手段を用いて処理することができる。

そこで、ユニット１３は、それらの６つのパラメータを決定し、そして、特に、 温度の値Ｔ、およびアンテナの反射係数ＩＲｏ　ｌ”の表示を行う。更に、必要 ならば、増幅器の特性に関するパラメータγｇ、ＴｅおよびＴａ、ΔＴ、が表示 される。

結論的には、種々のパラメータは次の関係式から得ることができより運営される 。ニ ー論理ボードの初期化、 一マイクロ波周波数スイッチの４つのチャンネルの動作および例えばｎ＝１００ の“ｎ”サンプルに按分された無線測定信号の取り込み、 一制御器５による上記ノイズ発生源ΔＴ、の作動あるいは作動停止、 一パラメータＴｘ、ＩＲｏｘｌ”　、Ｔｅ、Ｔａ、γｇ、ΔＴｓ　の計算、 −“ｎ”サンプル値のパラメータの平均化、−結果の表示、 一初期化へのリターン。

負荷１０および１２の構造に関しては、そのインピーダンスが増幅器人力インピ ーダンスに整合するような負荷、そこで当面のケースにおいては、５０オームの インピーダンスをもち、それぞれが予め設定された既知の温度Ｔ１および／ある いはＴ２に設定されている負荷が用いられる。

マイクロ波周波数のスイッチ８には、４チヤンネルのＭＥＳ　ＦＥＴ素子の組合 せを用いるのが有効である。

−例として、図３はそのようなＭＥＳ　ＦＥＴの組合せにより、高絶縁性の２チ ャンネルマイクロ波周波数スイッチを形成したものが示されている。

そこでは、４個のＭＥＳ　ＦＥＴ素子１４が直列に配設されており、それらのゲ ートは計算および同期ユニット１３によりＧ、およびＧｔを通してそれぞれ２個 づつ制御されるようになっている。

点ＥＳ、およびＥＳ、の間に、２つのチャンネルが形成され、Ｅはスイッチの共 通点である。

このような技術は、当業者に既知の範囲内のものであり、４チヤンネルスイツチ の製作に応用することができる。

最後に、図４および図５は、ノイズ発生源９として設計された２つの実施例を示 している。

図４は、ショットキー接合に逆バイアスを与えてアバランシ（なだれ）状態を生 じさせたＭＥＳ　ＦＥＴ　１９により形成された補助ノイズ発生源９を示してい る。そのようにして得られたアバランシノイズは電流ｌ１１８により制御されて いる。

他方、図５は、上記手段の入力に配置され、その入力インピーダンスに比べて大 きいオーム値を有する抵抗１７Ｒｐに直列に配置されたアバランシダイオード１ ６を用いる場合を示している。

この回路もまた、当業者に既知の範囲内のものである。しかし、念頭に置くべき 基本的な標準としては、増幅器入力インピーダンスに比べて高いインピーダンス を有するノイズ発生源を製作し、回路の不整合を避けることがある。

アンテナについては、測定用セル、アプリケータあるいはダイポール等のマイク ロ波周波数の放射を検出できる装置であればいかなるものをも用いることができ る。

負荷ｌＯあるいは１２の温度値Ｔ、あるいはＴｔを決定するために、図６および 図７に示すような種々の方法を用いることができる。

図６においては、負荷ＩＯあるいは１２を構成するものとして、既知の温度係数 を有するＡｓＧａブレーナ抵抗がホイートストンブリッジ２３中に設けられてお り、そのブリッジは、例えば、ＤＣあるいはＡＣ電源２２の供給を受け、かつ、 インダタタンスーキャバシタンスＴ型濾波器２０．２１を経て供給される温度Ｔ 、あるいはＴ２に比例した信号を２５に出力する。

図７においては、既知の温度係数をもつニッケルークロム（ＮｉＣｒ）あるいは ニッケル化タンタル（ＮｉＴａ）の抵抗膜２４が、ポリミド（ｐｏ　１ｙｉ＊　 ｔ　ｄｅ）部材２６により絶縁された負荷１０あるいは１２を構成するＡｓＧａ ブレーナ抵抗の上に被着される。これらのＮｉＣｒあるいはＮｉＴａ抵抗２４は 、例えば先述したように、ホイートストンプリンジ２３のような測定用ブリッジ 中に設けられる。

このケースの場合、以上の説明はマイクロ波周波数スイッチ８に損失がないとし て行われた。しかし、そのようなスイッチは、必然的にある抵抗を有しており、 それはスイッチのチャンネルのうちの一つの伝送形態である「ａ」によって特性 づけられる。

こうして、温度ノイズパワーの一部はそのスイッチにより減衰され、設けられる スイッチは温度Ｔｃｏ−まで移行させる減衰器に等価であるとみなされる。かく して、出力電圧ＶＳの一般的な関係式は、次のように表わされる。： Ｖｓ＝ｇ　ｒ　（（１−ａ（１−１Ｒｏｘｌ”）−ｌ　Ｒｏｘｌ”　ａ”　）Ｔ ｃａｌｌ＋ａ”　ｌ　Ｒｏｘｌ”　Ｔｅ＋ａ　（１−ｌ　Ｒｏｘｌ”）Ｔｘ＋Ｔ ａ＋ΔＴ＊　（１＋ａｚ　ＩＲｏｘｌ”　））装置の単結晶集積化のために、ス イッチ８が直近に配置されるならば、Ｔｃｏ−はＴ、の値となると仮定できるこ とに留意すべきである。

温度Ｔ２に設定される他方の負荷１２については、当業者によく知られている技 術であるヒートシンク手段により、それは他の部分から熱的に絶縁されている。

こうして、新しい未知数ｒａ、が導入され、それは新しい補助的な関係式を決定 するために有効である。このことは、上述のようにスイッチにより可能となり、 例えば次のような付加ステップにより実現される。

一スィッチをチャンネル２に設定し、制御器５を経て上記発生源Ｔ、を供給する 。

こうして、次の関係式が得られる。： Ｖｚｓ＝ｇ７　（（１−ａ”　）Ｔｃｏｓ　＋ａ”　Ｔｅ＋Ｔａ＋　（１＋ａ” 　）ΔＴ、） そして、Ｔｃｏ−＝Ｔ＋　とすれば、関係式は次のようになる。

Ｖｚｓ＝ｇ　ｒ　Ｃ（１−ａ”　）Ｔ、＋ａ”　Ｔｅ十Ｔａ＋（１＋ａ２）ΔＴ 、） それにもかかわらず、もしスイッチにおける損失を無視しなければ、上式に合致 した計算により種々の変数を決定する関係式を得ることができる。すなわち、Ｔ ｃｏｗ　＝　Ｔ　＋を固定化すれば、次の各式となる。

Ｖ＋　＝ｇｒ　（（１−ａ）ＴＩ　＋ａＴ、＋Ｔａ）Ｌｓ＝ｇ　ｒ　（（１ａ） ＴＩ　＋ａＴｌ　＋Ｔａ＋ΔＴ８〕Ｖｚ　＝ｇｒ　Ｃ（１−ａ”　）Ｔ、＋ａ” 　Ｔｅ＋Ｔａ：ＩＶｓ　＝ｇｒ　（（１−ａ　（１−Ｉ　Ｒｏ　ｌ”）−ａ”　 ｌ　Ｒｏ　ｌ”　）Ｔ＋＋ａ”　］ＩＲｏ！”　Ｔｅ＋　（１−ｌ　Ｒｏ　ｌ” ）ａＴｘ＋Ｔａ）Ｖ＊ｓ＝ｇＴ　（（１−ａ　（１−ｌ　Ｒｏ　Ｉ”）−ａ”　 ＩＲｏ　ｌ”　）Ｔ。

＋ａ”　ｌ　Ｒｏ　ｌ”　Ｔｅ＋　（１−ｌ　Ｒｏ　ｌ”）ａＴｘ＋Ｔａ＋ΔＴ ｚ　（１＋ａ”　ｌ　Ｒｏ　ｌ”　）　１ｖ４＝ｇｒ　（（１−ａ）ＴＩ　＋ａ ＴＺ　＋Ｔａ〕用も強調すべきであり、それは与えられた物質あるいは対象物の マイクロ波周波数の反射係数を決定するための応用である。

そして、この手法を用いて、与えられた物質の例えば水分量、構造等の誘電的あ るいは物理的な特性を決定することも可能である。

当業者が容易に想いつく本発明のその他の実施例は、本発明の技術的範囲から離 れない範囲で設計自在であることは言うまでもない。

ＦＩＧ、２ 要約書 本発明は、マイクロ波放射を用いて、物質あるいは対象物の温度Ｔｘを測定する 方法および装置、並びに、物質あるいは対象物の超高周波周波数の反射係数を決 定するためにその方法を応用することに関する。本方法によれば、アンテナ（１ ）により放出されたマイクロ波放射が捕捉され、受信された信号が信号処理手段 （３）に送られる。加えて、アンテナ（１）とその手段（３）との間に、所定の インピーダンスのライン（４）が介挿され、そのインピーダンスはその手段（３ ）の入力インピーダンスの関数であり、かつ、それは処理される信号の波長より 著しく大きい長さしを有し、その手段（３）の相互作用ファクタが無視しうる程 度のものである。更に、出力電圧は、その処理手段（３）の構造を循環的に変更 することにより全てのパラメータを計算しうるように処理される。

国際調査報告 ｅｌｌ−酢−Ｉ　Ａｔｅ−−ＩＩ＠、　ＰＣＴ／　Ｆ　Ｒ９２／　０００８０国 際調査報告 ＦＲ９２０００Ｂ０ Ｓ＾　５６６４６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロ波周波数の放射を利用して、与えられた物質あるいは対象物の温度 Ｔｘを測定するプロセスであって、それによって、 反射係数｜Ｒｏｘ｜２をもつアンテナ（１）により放出されたマイクロ波放射を 検出し、 受信された信号が信号処理手段（３）に伝送され、上記手段（３）の入力インピ ーダンスの関数であるところの所定のインピーダンスを有し、かつ、処理される 信号の波長に比べて極めて大きく、そのため、上記手段（３）の相互作用ファク タが無視しうるものであるような長さＬを有するライン（４）が上記アンテナ（ １）と上記手段（３）との間に介挿され′ていることにより特徴づけられるプロ セス。 ２．請求項１に基づく測定プロセスであって、アンテナ（１）により受信された 信号が、上記長さＬのライン（４）を通って、パワー利得γｇ、入力ノイズ温度 Ｔｅおよび出力ノイズ温度Ｔａを有する上記処理手段（３）の入力に伝送され、 それにより、上記手段の出力に次式の出力電圧：Ｖｓ＝ｇγ〔Ｔｘ（１−｜Ｒｏ ｘ｜２）＋Ｔｅ｜Ｒｏｘ｜２＋Ｔａ〕が得られ、そして、全てのパラメータが、 上記手段（３）の構造を循環的に変更することにより、周期的に計算されること により特徴づけられるプロセス。 ３．請求項２に基づくプロセスであって、上記処理手段（３）が、更に、選択的 かつ循環的に高インピーダンスのノイズムＴＢの発生源（９）の影響を受けるよ うにされ、そして、次のような電圧： Ｖｓ＝ｇγ〔Ｔｘ（１−｜Ｒｏｘ｜２）＋Ｔｅ｜Ｒｏｘ｜２＋Ｔａ＋ΔＴＢ（１ ＋｜Ｒｏｘ｜２）〕 が上記手段（３）の出力に得られることにより特徴づけられるプロセス。 ４．請求項３に基づくプロセスであって、上記処理手段（３）の入力が循環的に 次のもの：−既知の特性および温度Ｔ１を有する負荷（１０）、−上記負荷（１ ０）およびノイズムＴＢの発生源（９）、−長さＬを有するライン（１１）を経 て接地、−上記長さＬを有する介挿ライン（４）を経て上記アンテナ、−上記ラ イン（４）を経てアンテナ（１）および上記ノイズΔＴＢの発生源（９）、 −既知の特性および温度Ｔ２を有する負荷（１２）、に結合されることにより特 徴づけられるプロセス。 ５．請求項４に基づくプロセスであって、各サイクルにおいてそれぞれ得られる 関係式：Ｖ１＝γｇ〔Ｔ１＋Ｔ２〕 Ｖ１５＝γｇ〔Ｔ１＋Ｔａ＋ΔＴＢ〕 Ｖ２＝γｇ〔Ｔｅ＋Ｔａ〕 Ｖ３＝γｇ〔（１−｜Ｒｏｘ｜２）Ｔｘ＋｜Ｒｏｘ｜２Ｔｅ＋Ｔａ〕ｖ３５＝γ ｇ〔（１−｜Ｒｏｘ｜２）Ｔｘ＋｜Ｒｏｘ｜２Ｔｅ＋Ｔａ＋（１＋｜Ｒｏｘ｜２ ΔＴＢ）〕 Ｖ４＝γｇ〔Ｔ２＋Ｔ１〕 の体系を解くことにより、少なくとも温度Ｔ１が計算されることにより特徴づけ られるプロセス。 ６．マイクロ波放射を利用して、与えられた物質あるいは対象物の温度Ｔ１を測 定するための請求項１に基づくプロセスを具現化することのできる装置であって 、 放射された信号を受信するためのアンテナ（１）と、信号を処理するための手段 （３）とを微え、更に、長さＬをもち、上記手段（３）の入力インピーダンスの 関数である所定のインピーダンスをもち、アンテナ（１）と上記手段（３）との 間に配置され、かつ、該長さＬは処理される信号の波長と比べて極めて大きいも のである介挿ライン（４）を備えていることにより特徴づけられる装置。 ７．請求項６に基づく装置であって、 上記処理手段（３）が、直結増幅型マイクロ波周波数受信器（１５）と、その後 段の二乗法則検波器（６）と、前段のマイクロ波周波数のマルチチャンネルスイ ッチ（８）とにより構成されていることにより特徴づけられる装置。 ８．請求項６に基づく装置であって、 上記処理手段（３）が、更に、その入力に配置されており、補助的なノイズΔＴ Ｂを再送入するために適しているノイズ発生源（９）を有していることにより特 徴づけられる装置。 ９．請求項８に基づく装置であって、 上記スイッチ（８）が、 −既知の特性および温度Ｔ１を有する負荷（１０）、−接地に結合された長さＬ を有するライン（１１）、−アンテナに結合された長さＬを有する上記介挿ライ ン（４）、−既知の特性および温度Ｔ２を有する他の負荷（１２）、−制御器（ ５）により作動あるいは作動停止される上記ノイズΔＴＢの発生源（９）、 に結合される４つのヤイクロ波周波数チャンネルを有していることにより特徴づ けられる装置。 １０．請求項９に基づく装置であって、一方で、上記マイクロ波周波数のスイッ チ（８）および循環的に動作される上記制御器（５）を作動させ、他方で、少な くとも測定されるべき物体の温度Ｔ１を決定するために、スイッチ（８）の各状 態により定義される関係式の体系についてリアルタイムの数学的解を求めさせる 計算および周期ユニット（１３）を備えることにより特徴づけられる装置。 １１．請求項７に基づく装置であって、上記受信器（１５）がマイクロ波周波数 の通過帯域、大きい利得ｇおよび低ノイズファクタを有する単結晶集積回路化さ れた増幅器から構成されていることにより特徴づけられる装置。 １２．請求項７に基づく装置であって、二乗法則検波器（６）がショットキー検 波器から構成されていることにより特徴づけられる装置。 １３．請求項８に基づく装置であって、補助的なノイズ発生源（９）が逆バイア スされてアバランシ状態とされたＭＥＳＦＥＴ素子（１９）から構成されている ことにより特徴づけられる装置。 １４．請求項８に基づく装置であって、補助的なノイズ発生源（９）が上記手段 （３）の入力に配設されており、その手段（３）の入力インピーダンスと比べて 大きいオーム値を有する抵抗Ｒｐ（１７）に直列に配設されたアバランシダイオ ード（１６）から構成されていることにより特徴づけられる装置。 １５．請求項７に基づく装置であって、上記スイッチ（８）が４チャンネルルＭ ＥＳＦＥＴ素子（１４）の組合せから構成されていることにより特徴づけられる 装置。 １６．請求項６に基づく装置であって、ラインＬが５０オームのインピーダンス および２乃至４ＧＨ２の周波数通過帯域に対して少なくとも１０ｃｍの長さを有 するように選定されていることにより特徴づけられる装置。 １７．請求項９に基づく装置であって、上記負荷（１０，１２）が５０オームの インピーダンスを有し、かつ、予め定められた既知の温度Ｔ１，Ｔ２に設定され ていることにより特徴づけられる装置。 １８．与えられた物質あるいは対象物のマイクロ波周波数の反射係数を決定する ために、請求項１乃至５のうちのいずれかに基づく測定プロセスを応用すること 。