WO2025164284A1 - 測定装置、及び半導体チップ - Google Patents
測定装置、及び半導体チップInfo
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- WO2025164284A1 WO2025164284A1 PCT/JP2025/000856 JP2025000856W WO2025164284A1 WO 2025164284 A1 WO2025164284 A1 WO 2025164284A1 JP 2025000856 W JP2025000856 W JP 2025000856W WO 2025164284 A1 WO2025164284 A1 WO 2025164284A1
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
- A61B5/0507—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves using microwaves or terahertz waves
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
- A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue
Definitions
- This disclosure relates to a measurement device and a semiconductor chip, and in particular to a measurement device and a semiconductor chip that can improve the accuracy of measurement results.
- a measuring device includes a transmitting circuit that transmits a high-frequency signal via a transmitting antenna, a receiving circuit that receives via a receiving antenna the high-frequency signal transmitted from the transmitting antenna and transmitted through or reflected by a specimen, a signal processing circuit connected to the transmitting circuit and receiving circuit and that analyzes the propagation characteristics of the high-frequency signal, and an impedance adjustment circuit connected to at least one of the transmitting antenna and the receiving antenna and that adjusts the impedance.
- a measuring device includes a transmitting circuit that transmits a high-frequency signal via a transmitting antenna, a receiving circuit that receives via a receiving antenna the high-frequency signal transmitted from the transmitting antenna and transmitted through or reflected by a specimen, and a signal processing circuit connected to the transmitting circuit and receiving circuit that analyzes the propagation characteristics of the high-frequency signal.
- the signal processing circuit determines whether the contact state between the specimen and the transmitting antenna and receiving antenna is appropriate for measuring the specimen based on the impedance of the specimen, and if it is determined that the contact state is appropriate for measuring the specimen, the measuring device performs measurement of the specimen.
- a semiconductor chip is a semiconductor chip that includes a directional coupler connected to a transmission circuit that transmits a high-frequency signal via a transmission antenna, and an impedance adjustment circuit that adjusts the impedance based on the impedance of a specimen that transmits or reflects the high-frequency signal transmitted from the transmission antenna.
- measuring device and semiconductor chip of one aspect of the present disclosure may be independent devices or may be internal blocks that make up a single device.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of an electronic device equipped with a measurement device to which the present disclosure is applied.
- 3 is a flowchart illustrating the flow of a measurement process executed by the electronic device of FIG. 2 .
- FIG. 10 is a diagram illustrating another example of the configuration of an electronic device equipped with a measuring device to which the present disclosure is applied.
- 5 is a flowchart illustrating the flow of a measurement process executed by the electronic device 1 of FIG. 4.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a method for removing noise components.
- FIG. 10 is a diagram illustrating another exemplary configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- FIG. 10 is a diagram illustrating another exemplary configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- FIG. 10 is a diagram illustrating another exemplary configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- FIG. 10 is a diagram illustrating another exemplary configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- FIG. 10 is a diagram illustrating another exemplary configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a path when calculating a reflection characteristic S11.
- ⁇ Device configuration> 1 is a diagram showing an example of the configuration of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- a VNA (Vector Network Analyzer) 11 is a measurement device that has an antenna for transmitting and receiving high-frequency signals and measures a specimen 10 as a measurement target.
- the VNA 11 is composed of a transmission circuit 21, a directional coupler 22, an impedance adjustment circuit 23, a transmission antenna 24, a reception antenna 25, an impedance adjustment circuit 26, a reception circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the transmission circuit 21 amplifies the generated high-frequency signal, sweeps the frequency, and outputs it to the directional coupler 22.
- the high-frequency signal can be a signal with a frequency corresponding to microwave or millimeter wave electromagnetic waves.
- the directional coupler 22 splits the high-frequency signal input from the transmission circuit 21 and outputs it to the transmission antenna 24 and the receiving circuit 27 as an incident signal that enters the specimen 10.
- the directional coupler 22 can also separate the reflected signal, which is the high-frequency signal reflected by the specimen 10 and input, and output it to the receiving circuit 27.
- the incident signal output from the directional coupler 22 is input to the transmitting antenna 24 via the impedance adjustment circuit 23 and radiated as an electromagnetic wave.
- the impedance adjustment circuit 23 adjusts the impedance on the transmitting side according to the impedance of the specimen 10.
- the impedance on the transmitting side is the impedance on the VNA 11 side, and can be, for example, the impedance of the output portion of the transmitting antenna 24 electrically connected to the impedance adjustment circuit 23.
- the receiving antenna 25 receives the high-frequency signal, which is an electromagnetic wave radiated from the transmitting antenna 24 and transmitted through or reflected by the specimen 10, and outputs the received high-frequency signal to the receiving circuit 27.
- the high-frequency signal output from the receiving antenna 25 is input to the receiving circuit 27 via the impedance adjustment circuit 26.
- the receiving circuit 27 performs necessary processing on the input high-frequency signal, such as amplification, frequency conversion, frequency selection, and AD (Analog to Digital) conversion, and outputs the signal to the signal processing circuit 28.
- the high-frequency signal input to the receiving circuit 27 includes the incident signal from the directional coupler 22, a transmitted signal which is a high-frequency signal that has passed through the specimen 10, and a reflected signal which is a high-frequency signal that has been reflected by the specimen 10.
- the impedance adjustment circuit 26 adjusts the impedance on the receiving side according to the impedance of the specimen 10.
- the impedance on the receiving side is the impedance on the VNA 11 side, and can be, for example, the impedance of the input part of the receiving antenna 25 that is electrically connected to the impedance adjustment circuit 26.
- the signal processing circuit 28 is electrically connected to the transmission circuit 21 and the reception circuit 27.
- the signal processing circuit 28 controls the transmission circuit 21 to transmit high-frequency signals.
- the signal processing circuit 28 also analyzes the propagation characteristics (transmission characteristics) of the high-frequency signals.
- the signal processing circuit 28 calculates the transmission characteristics and reflection characteristics as S parameters (Scattering Parameters) that indicate the high-frequency characteristics.
- S parameters Scattering Parameters
- the transmission antenna 24 receives reflections as Port 1 (Port 1), and the reflection characteristics S11 (b1/a1) can be calculated from the incident signal (a1) and the reflected signal (b1).
- the signal processing circuit 28 can also measure the impedance of the specimen 10. For example, S-parameters can be converted to impedance.
- the signal processing circuit 28 measures the propagation characteristics of the high-frequency signal and analyzes the contact state between the specimen 10 and the transmitting antenna 24 and receiving antenna 25. Based on the results of the contact state analysis, the signal processing circuit 28 controls the transmitting circuit 21 and receiving circuit 27 so that measurement of the specimen 10 is carried out at the optimal timing. Furthermore, based on the results of the contact state analysis, the signal processing circuit 28 controls at least one of the impedance adjustment circuits 23 and 26 to perform impedance matching with the specimen 10 on at least one of the transmitting and receiving sides.
- the VNA 11 can be mounted in an electronic device such as a wearable device.
- Fig. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a measurement device to which the present disclosure is applied.
- the electronic device 1 is configured with the VNA 11, a host 12, and a memory 13.
- parts corresponding to those in the VNA 11 in Fig. 1 are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted as appropriate.
- the host 12 is composed of a microcontroller (MCU: Micro Controller Unit) or the like. Of the various functions possessed by the electronic device 1, the host 12 controls at least the functions including the measurement function using the VNA 11.
- the memory 13 is composed of non-volatile memory such as NVRAM (Non-Volatile RAM). Information such as setting information is pre-recorded in the memory 13 as a database, and the host 12 can refer to the database recorded in the memory 13 as appropriate.
- the VNA 11 measures the specimen 10 under control of the host 12. That is, in the VNA 11, the signal processing circuit 28 starts a measurement sequence in response to a measurement request sent from the host 12. The signal processing circuit 28 then measures the propagation characteristics of the high-frequency signal to determine the contact state between the specimen 10 and the transmitting antenna 24 and receiving antenna 25, and ensures that the measurement is performed at a timing that optimizes the contact state with the specimen 10.
- electronic device 1 may include other components.
- electronic device 1 may be configured to include a CPU (Central Processing Unit), touch screen, speaker, operation buttons, a communication module, a microphone for calls, a vibrator for notifications, a rechargeable battery, etc.
- CPU Central Processing Unit
- touch screen touch screen
- speaker operation buttons
- communication module a microphone for calls
- vibrator for notifications
- rechargeable battery etc.
- Figure 3 is a flowchart illustrating the flow of the measurement process executed by the electronic device 1 of Figure 2.
- step S11 the host 12 sends a measurement request to the VNA 11 in response to, for example, an operation by a user of the electronic device 1.
- step S12 the VNA 11 starts a measurement sequence in response to the measurement request from the host 12.
- the signal processing circuit 28 measures the impedance of the specimen 10 by measuring the propagation characteristics of the high-frequency signal.
- the signal processing circuit 28 compares the measured impedance with information in a database.
- the database stores information indicating the impedance value (range) when the contact state between the specimen 10 and the transmitting antenna 24 and receiving antenna 25 is optimal, and the measured impedance value can be compared with the impedance value (range) stored in the database.
- the host 12 can reference the database recorded in memory 13 and supply the database information to the signal processing circuit 28.
- the signal processing circuit 28 can directly reference the database recorded in memory 13 to acquire the information, or store the information in a database recorded in memory built into the VNA 11 and acquire the information from the built-in memory.
- step S15 the signal processing circuit 28 determines whether the matching result indicates that it is within the appropriate range. If it is determined in step S15 that the matching result is not within the appropriate range, i.e., that it is outside the appropriate range, processing returns to step S11, and the above-described processing is repeated. On the other hand, if it is determined in step S15 that the matching result is within the appropriate range, processing proceeds to step S16.
- the optimal contact state is tight contact and the impedance value at that time is expressed as a value indicating a predetermined range (for example, a range of several hundred ohms, such as 100-200 ohms)
- the value indicating this predetermined range is stored as setting information in the database and is compared with the measured impedance value. In this case, if the measured impedance value is within this predetermined range, the comparison result is determined to be within an appropriate range.
- step S16 the signal processing circuit 28 controls the transmission circuit 21 and reception circuit 27 to start measuring the specimen 10.
- the VNA 11 determines whether the contact state between the specimen 10 and the transmission antenna 24 and reception antenna 25 is appropriate for measuring the specimen 10, and can perform measurement of the specimen 10 if it is determined that the contact state is appropriate for measuring the specimen 10. This allows measurement to be performed at the optimal timing for measuring the specimen 10, resulting in more accurate measurement results, thereby improving the accuracy of the measurement results.
- FIG. 4 is a diagram showing another example configuration of an electronic device equipped with a measurement device to which the present disclosure is applied.
- the electronic device 1 is composed of a VNA 11, a host 12, a memory 13, and a sensor 14.
- parts corresponding to those in the electronic device 1 in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted as appropriate.
- the host 12 is composed of a microcontroller or the like, and controls the various functions of the electronic device 1, including at least the measurement function of the VNA 11 and the sensing function of the sensor 14.
- the sensor 14 is composed of a sensor such as an IMU.
- an IMU is composed of an acceleration sensor that measures the acceleration of an object, and a gyro sensor that measures the angular velocity of the object, and the measurement results can be used to determine the object's operating state (posture and trajectory).
- the sensor 14 is not limited to an IMU, and any other sensor can be used as long as it is capable of detecting information needed to determine the operating state of the specimen 10.
- the sensor 14 performs sensing under control of the host 12.
- the sensor 14 outputs the detection information obtained by sensing to the host 12.
- the electronic device 1 is shown with a minimal configuration, and may also include components such as a CPU and a touch screen.
- Figure 5 is a flowchart illustrating the flow of the measurement process executed by the electronic device 1 of Figure 4.
- step S21 the host 12 generates a measurement request in response to, for example, an operation by a user using the electronic device 1.
- step S22 the host 12 determines whether the specimen 10 is sufficiently stationary based on the detection information from the sensor 14. For example, when measuring the blood glucose level of a user wearing the electronic device 1, the angular velocity information output from the gyro sensor installed as the sensor 14 can be used to recognize the operating state (moving, stationary, etc.) of the user (skin) as the specimen 10.
- a sufficiently stationary state includes not only a state in which the specimen 10 is completely stationary, but also a state in which there is no (little) effect on the measurement.
- the threshold used in the determination process of step S22 may be specified within a predetermined range, and by determining whether the angular velocity value is within the threshold range, it may be determined whether the operating state of the specimen 10 is in a sufficiently stationary state in which there is no effect on the measurement.
- step S22 If it is determined in step S22 that the specimen 10 is not in a sufficiently stationary state, the process returns to step S21, and the above-described process is repeated. On the other hand, if it is determined in step S22 that the specimen 10 is in a sufficiently stationary state, the host 12 sends the generated measurement request to the VNA 11, and the process proceeds to step S23. In step S23, the VNA 11 starts a measurement sequence in response to the measurement request from the host 12.
- steps S24 to S26 are executed.
- steps S24 to S26 the same processing as steps S13 to S15 in Figure 3 is executed. That is, the signal processing circuit 28 measures the impedance of the specimen 10 (S24), compares the measured impedance with information in the database (S25), and determines whether the measured impedance is within an appropriate range (S26).
- step S26 If it is determined in step S26 that the measured impedance is outside the appropriate range, processing returns to step S21, and the above-described processing is repeated. On the other hand, if it is determined in step S26 that the measured impedance is within the appropriate range, processing proceeds to step S27.
- step S27 the signal processing circuit 28 controls the transmission circuit 21 and the reception circuit 27 to start measuring the specimen 10.
- the VNA 11 determines the operating state of the specimen 10 before determining the state of contact with the specimen 10, and determines the state of contact with the specimen 10 when the operating state is appropriate for measuring the specimen 10 (sufficiently stationary), allowing the measurement to be performed at a timing that will yield the best measurement results. For example, if the specimen 10, such as a user's (skin) is moving, there is a risk that the impedance measurement will not be performed accurately. However, by determining the operating state of the specimen 10, it is possible to perform impedance measurement when the specimen 10 is sufficiently stationary. This allows impedance measurement to be performed on a specimen 10 that is sufficiently stationary, allowing the state of contact with the specimen 10 to be determined, making it possible to perform the measurement at a more optimal timing.
- the VNA 11 has an impedance adjustment function and can adjust the impedance of the VNA 11 according to the impedance of the specimen 10.
- the impedance on the VNA 11 side is matched with the impedance of the specimen 10 to optimize the contact state and obtain optimal measurement results.
- the impedance adjustment circuit 23 and signal processing circuit 28 adjust the impedance on the transmission side. That is, the signal processing circuit 28 measures the propagation characteristics of the high-frequency signal and measures the impedance of the specimen 10. The impedance adjustment circuit 23 adjusts the value of the impedance on the transmission side to match the measured impedance value.
- the impedance adjustment circuit 23 can internally adjust the value of the inherent impedance (transmitting-side impedance) at the output section of the VNA 11 according to the impedance value of the user's skin measured by the signal processing circuit 28.
- the impedance adjustment circuit 23 can be composed of elements such as resistive elements, capacitors, inductors, and switches that control these elements.
- the impedance adjustment circuit 23 can adjust the transmitting-side impedance value by changing the resistance of the resistive elements, the capacitance of the capacitors, the inductance of the inductors, etc. according to the measured impedance value.
- impedance adjustment on the receiving side is performed by the impedance adjustment circuit 26 and signal processing circuit 28. That is, the signal processing circuit 28 measures the propagation characteristics of the high-frequency signal and measures the impedance of the specimen 10. The impedance adjustment circuit 26 adjusts the impedance value on the receiving side to match the measured impedance value.
- the impedance adjustment circuit 26 can internally adjust the value of the inherent impedance (receiving-side impedance) at the input section of the VNA 11 according to the impedance value of the user's skin measured by the signal processing circuit 28.
- the impedance adjustment circuit 26 can be composed of elements such as resistors, capacitors, inductors, and switches that control these elements.
- the VNA 11 in FIG. 1 has an impedance adjustment function using impedance adjustment circuits 23 and 26, which allows it to adjust the impedance of at least one of the transmitting and receiving sides based on the measured impedance of the specimen 10.
- the VNA 11 is able to transmit the maximum amount of high-frequency signals (power) to the specimen 10 (by suppressing reflections and power losses that reduce measurement accuracy), thereby obtaining optimal measurement results.
- the VNA 11 is able to obtain more accurate measurement results, thereby improving the accuracy of the measurement results.
- impedance adjustment can also be performed in the electronic device 1 ( Figures 2 and 4) equipped with the VNA 11.
- the VNA 11 can perform impedance adjustment after starting a measurement sequence in response to a measurement request from the host 12.
- the VNA 11 can monitor noise in the surrounding environment and detect noise components present in the surrounding environment.
- the transmitting antenna 24 is Port 1 (Port 1) and the receiving antenna 25 is Port 2 (Port 2). Therefore, when measuring the transmission characteristic S21 that indicates the propagation characteristic from Port 1 to Port 2, it is possible to detect noise components in the surrounding environment by measuring the reflection characteristic S22 that indicates the propagation characteristic from Port 2 to Port 2.
- the receiving circuit 27 sweeps the frequency of the high-frequency signal that serves as the incident signal and outputs it via the receiving antenna 25, thereby receiving the high-frequency signal reflected by the specimen 10 and outputting it as a reflected signal.
- This allows the signal processing circuit 28 to calculate the reflection characteristic S22 (b2/a2) from the incident signal (a2) and the reflected signal (b2). In this way, the VNA 11 can grasp the surrounding environment by scanning using the receiving circuit, without using the transmitting circuit.
- the signal processing circuit 28 calculates the reflection characteristic S22 as a noise component of the surrounding environment, and by subtracting the value of the reflection characteristic S22 from the value of the transmission characteristic S21, it is possible to remove the noise component from the measurement value obtained by measuring the specimen 10.
- Figure 6 shows the waveforms of the transmission characteristic S21 and the reflection characteristic S22, with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing power. As shown in Figure 6, it is possible to remove the noise component by subtracting the value of the reflection characteristic S22 from the value of the transmission characteristic S21.
- the VNA 11 can detect noise components in the surrounding environment and remove them by subtracting them from the actual measured value (actual measurement value). For example, if sharp waveform noise such as interference waves is detected, it is possible to respond by not using the frequency band corresponding to the detected noise, or not using the signal corresponding to the detected noise in signal processing, but removing the noise components here is particularly effective against such noise.
- electronic device 1 ( Figures 2 and 4) equipped with VNA 11 can also detect noise in the surrounding environment and remove the noise components.
- the VNA 11 removes the high-frequency components of the delayed waves that become noise from the received high-frequency signal, and the resulting high-frequency signal components of the main waves can be used for signal processing. By performing signal processing using the signal from which the noise components have been removed, more accurate measurement results can be obtained.
- the high-frequency signal (electromagnetic wave) received by the receiving antenna 25 includes a high-frequency signal received via the desired high-frequency propagation path and a high-frequency signal received after reflection from the dense specimen tissue.
- the high-frequency signal received by the receiving antenna 25 is input to the receiving circuit 27.
- the receiving circuit 27 separates the high-frequency signal component of the main wave and the high-frequency component of the delayed wave from the input high-frequency signal. This makes it possible to remove the high-frequency component of the delayed wave, which becomes noise, from the input high-frequency signal and obtain the high-frequency signal component of the main wave.
- electromagnetic wave components reflected by dense specimen tissue have a long path length, and are therefore expected to arrive at the receiving antenna 25 with a time delay compared to the electromagnetic wave component that is the main wave.
- the receiving circuit 27 pre-sets the expected path length when passing through the desired high-frequency propagation path, so that the high-frequency signal (electromagnetic wave) is received only during the time it takes to pass through the set path length. This removes the high-frequency components of the delayed wave that have a long path length from the received high-frequency signal, making it possible to output a high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal component of the main wave.
- the signal processing circuit 28 can use the high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal component of the main wave for signal processing.
- the high-frequency components of the delayed wave that become noise can be similarly removed, and the resulting high-frequency components of the main wave can be used for signal processing. Furthermore, the process of removing the high-frequency components of the delayed wave that become noise and extracting the high-frequency components of the main wave can be performed by the signal processing circuit 28.
- ⁇ Other configuration examples> 7 to 11 are diagrams showing other configuration examples of an embodiment of a measurement device to which the present disclosure is applied.
- parts of the VNA 11 corresponding to those of the VNA 11 in Fig. 1 are assigned the same reference numerals, and their description will be omitted as appropriate.
- the VNA 11 is composed of a transmitting circuit 21, an impedance adjustment circuit 23, a transmitting antenna 24, a receiving antenna 25, an impedance adjustment circuit 26, a receiving circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the VNA 11 in Figure 7 does not have a directional coupler 22.
- the VNA 11 in Figure 7 can perform measurements at optimal timing ( Figures 2 and 3), measurements at optimal timing using sensor information ( Figures 4 and 5), impedance adjustment using the impedance adjustment circuits 23 and 26, noise detection in the surrounding environment ( Figure 6), and removal of noise delay waves.
- the VNA 11 is composed of a transmitting circuit 21, an impedance adjustment circuit 23, a transmitting antenna 24, a receiving antenna 25, a receiving circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the VNA 11 in Figure 8 does not have a directional coupler 22 or an impedance adjustment circuit 26.
- the VNA 11 in Figure 8 can perform measurements at optimal timing ( Figures 2 and 3), measurements at optimal timing using sensor information ( Figures 4 and 5), impedance adjustment using the impedance adjustment circuit 23, noise detection in the surrounding environment ( Figure 6), and removal of noise delay waves.
- the VNA 11 is composed of a transmitting circuit 21, a transmitting antenna 24, a receiving antenna 25, an impedance adjustment circuit 26, a receiving circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the VNA 11 in Figure 9 does not have a directional coupler 22 or an impedance adjustment circuit 23.
- the VNA 11 in Figure 9 can perform measurements at optimal timing ( Figures 2 and 3), measurements at optimal timing using sensor information ( Figures 4 and 5), impedance adjustment using the impedance adjustment circuit 26, noise detection in the surrounding environment ( Figure 6), and removal of noise delay waves.
- the VNA 11 is composed of a transmitting circuit 21, a transmitting antenna 24, a receiving antenna 25, a receiving circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the VNA 11 in Figure 10 does not have a directional coupler 22 and impedance adjustment circuits 23 and 26.
- the VNA 11 in Figure 10 can perform measurements at optimal timing ( Figures 2 and 3), perform measurements at optimal timing using sensor information ( Figures 4 and 5), detect noise in the surrounding environment ( Figure 6), and remove noise-delayed waves.
- the VNA 11 is composed of a transmitting circuit 21, a directional coupler 22, an impedance adjustment circuit 23, a transmitting antenna 24, a receiving antenna 25, an impedance adjustment circuit 26, a receiving circuit 27, and a signal processing circuit 28.
- the VNA 11 in Figure 11 has the directional coupler 22 and impedance adjustment circuit 23 configured as a single semiconductor chip 31.
- the directional coupler 22 can be configured as a resistance bridge circuit in which a first resistance element and the circuit under test connected in series are connected in parallel with a second resistance element and a third resistance element connected in series.
- the second resistance element and the third resistance element can also be configured as variable resistance elements whose resistance value can be changed, and the resistance value can be adjusted so that a balanced condition is established in the resistance bridge circuit.
- the directional coupler 22 may also be configured to include other elements, such as capacitors whose capacitance can be changed.
- the impedance adjustment circuit 23 is configured from elements such as resistance elements, capacitors, inductors, and switches that control these elements.
- the directional coupler 22 and the impedance adjustment circuit 23 may share at least some of the resistance elements, capacitors, and other elements.
- the VNA 11 in Figure 11 can perform measurements at optimal timing ( Figures 2 and 3), perform measurements at optimal timing using sensor information ( Figures 4 and 5), adjust impedance using the impedance adjustment circuit 23 and impedance adjustment circuit 26 on the semiconductor chip 31, detect noise in the surrounding environment ( Figure 6), and remove noise delay waves.
- the VNA 11 in Figure 11 may be configured without the impedance adjustment circuit 26 on the receiving side.
- the semiconductor chip 31 includes a directional coupler 22 and an impedance adjustment circuit 23.
- the directional coupler 22 is connected to a transmission circuit 21 that transmits high-frequency signals via a transmission antenna 24, and is configured as an example of a resistor bridge circuit.
- the impedance adjustment circuit 23 can adjust the impedance on the transmission side based on the impedance of the specimen 10, which transmits or reflects the high-frequency signal transmitted from the transmission antenna 24.
- the receiving circuit 27 of the VNA 11 in Figure 1 etc. for the sake of simplicity, the receiving circuit 27 is combined into one, but in reality, circuits for receiving the incident signal, transmitted signal, and reflected signal are provided separately. Also, in the VNA 11 in Figure 1 etc., the impedance adjustment function provided by the impedance adjustment circuit 23 may be provided as a function provided by the directional coupler 22.
- the VNA 11 installed in the electronic device 1 is not limited to the VNA 11 in Figure 1, and may be any of the VNAs 11 in Figures 7 to 11.
- the electronic device 1 may be configured as a smartwatch or the like.
- a smartwatch is a multi-functional, wristwatch-type wearable device equipped with a small touchscreen and a CPU.
- the main unit is worn on the user's wrist using a band.
- the smartwatch main unit is equipped with the VNA 11 (at least part of it), a host 12, etc.
- the transmitting antenna 24 and receiving antenna 25 of the VNA 11 are positioned along the inner surface of the band (the surface that comes into contact with the user's wrist).
- the VNA 11 can calculate S parameters by measuring the user's wrist (skin) as the sample 10. The calculated S parameters can also be used to calculate the user's blood glucose level.
- the transmitter circuit 21 and receiver circuit 27 perform frequency sweeping, but a fixed frequency may also be used. If the appropriate range differs for each specimen 10 in step S15 of FIG. 3 or step S26 of FIG. 5, setting information for each specimen 10 may be recorded in the database recorded in memory 13. In this case, the specimen 10 may be identified using detection information obtained by sensing with a sensor 14 such as an image sensor, and the setting information for the identified specimen 10 may be used.
- the VNA 11 is a measurement device that measures the specimen 10 as the measurement object, and may be configured as a VNA chip. The VNA chip does not need to include the transmitter antenna 24 and receiver antenna 25. If the specimen 10 as the measurement object is a human body, the antennas may be considered as electrodes.
- a transmitting circuit for transmitting a high frequency signal via a transmitting antenna; a receiving circuit that receives, via a receiving antenna, the high-frequency signal transmitted from the transmitting antenna and transmitted through or reflected by the specimen; a signal processing circuit connected to the transmitting circuit and the receiving circuit, for analyzing propagation characteristics of the high frequency signal; an impedance adjustment circuit connected to at least one of the transmitting antenna and the receiving antenna, and adjusting impedance.
- the signal processing circuit determines, based on the impedance of the specimen, whether or not a contact state between the specimen and the transmitting antenna and the receiving antenna is appropriate for measuring the specimen; The measuring device according to (1), wherein, when it is determined that the contact state is appropriate for measuring the sample, the measurement of the sample is carried out.
- the signal processing circuit determines whether the operating state of the specimen is appropriate for measuring the specimen based on the information detected by the sensor; The measuring device according to (2), wherein, when it is determined that the operating state is appropriate for measuring the sample, the measuring device performs the measurement of the sample.
- the impedance adjustment circuit adjusts the impedance of at least one of the transmitting side and the receiving side based on the impedance of the specimen.
- the receiving circuit receives a high-frequency signal that has been transmitted to the specimen and reflected therefrom; The measuring device according to any one of (1) to (4), wherein the signal processing circuit detects a noise component based on a propagation characteristic of the high-frequency signal.
- the signal processing circuit performs signal processing using a high-frequency signal obtained by removing high-frequency signal components reflected by the specimen from the received high-frequency signal.
- the measurement device according to any one of (1) to (6), further comprising a directional coupler connected to the transmission circuit and the impedance adjustment circuit connected to the transmission antenna.
- the measuring device according to (7), wherein the impedance adjustment circuit and the directional coupler are configured on a single semiconductor chip.
- a transmitting circuit for transmitting a high frequency signal via a transmitting antenna; a receiving circuit that receives, via a receiving antenna, the high-frequency signal transmitted from the transmitting antenna and transmitted through or reflected by the specimen; a signal processing circuit connected to the transmitting circuit and the receiving circuit, for analyzing propagation characteristics of the high-frequency signal; the signal processing circuit determines, based on the impedance of the specimen, whether or not a contact state between the specimen and the transmitting antenna and the receiving antenna is appropriate for measuring the specimen; If it is determined that the contact state is appropriate for measuring the sample, the measuring device performs measurement of the sample.
- the signal processing circuit determines whether the operating state of the specimen is appropriate for measuring the specimen based on the information detected by the sensor;
- (11) a directional coupler connected to a transmission circuit that transmits a high frequency signal via a transmission antenna; an impedance adjustment circuit that adjusts the impedance on the transmission side based on the impedance of a specimen that transmits or reflects the high-frequency signal transmitted from the transmitting antenna.
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Abstract
本開示は、測定結果の精度を向上させることができるようにする測定装置、及び半導体チップに関する。 送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、受信アンテナを介して、送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した高周波信号を受信する受信回路と、送信回路と受信回路に接続され、高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と、送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方に対して接続され、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路とを備える測定装置が提供される。例えば、本開示は、VNA等に適用することができる。
Description
本開示は、測定装置、及び半導体チップに関し、特に、測定結果の精度を向上させることができるようにした測定装置、及び半導体チップに関する。
近年、高周波信号を送受信するアンテナを有し、検体との反射特性や透過特性などの伝播特性を解析することで、非侵襲的な測定を行う測定装置が提案されている(例えば、特許文献1~3参照)。
この種の測定を行うに際しては、より精度の高い測定結果を得ることが求められる。
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、測定結果の精度を向上させることができるようにするものである。
本開示の一側面の測定装置は、送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの少なくとも一方に対して接続され、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路とを備える測定装置である。
本開示の一側面の測定装置は、送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する測定装置である。
本開示の一側面の半導体チップは、送信アンテナを介して高周波信号を送信する送信回路に接続される方向性結合器と、前記送信アンテナから送信された前記高周波信号を透過又は反射する検体のインピーダンスに基づいて、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路とを備える半導体チップである。
なお、本開示の一側面の測定装置、半導体チップは、独立した装置であってもよいし、1つの装置を構成している内部ブロックであってもよい。
<装置構成>
図1は、本開示を適用した測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。図1において、VNA(Vector Network Analyzer)11は、高周波信号を送受信するアンテナを有し、測定対象としての検体10を測定する測定装置である。VNA11は、送信回路21、方向性結合器22、インピーダンス調整回路23、送信アンテナ24、受信アンテナ25、インピーダンス調整回路26、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。
図1は、本開示を適用した測定装置の一実施の形態の構成例を示す図である。図1において、VNA(Vector Network Analyzer)11は、高周波信号を送受信するアンテナを有し、測定対象としての検体10を測定する測定装置である。VNA11は、送信回路21、方向性結合器22、インピーダンス調整回路23、送信アンテナ24、受信アンテナ25、インピーダンス調整回路26、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。
送信回路21は、生成した高周波信号を増幅し、周波数掃引して方向性結合器22に出力する。高周波信号は、マイクロ波やミリ波の電磁波に応じた周波数の信号を用いることができる。方向性結合器22は、送信回路21から入力される高周波信号を分配し、検体10に入射する入射信号として送信アンテナ24と受信回路27に出力する。また、方向性結合器22は、検体10で反射されて入力された高周波信号である反射信号を分離し、受信回路27に出力することができる。
方向性結合器22から出力される入射信号は、インピーダンス調整回路23を介して送信アンテナ24に入力され、電磁波として放射される。インピーダンス調整回路23は、検体10のインピーダンスに応じて、送信側のインピーダンスを調整する。送信側のインピーダンスは、VNA11側のインピーダンスであって、例えば、インピーダンス調整回路23と電気的に接続される送信アンテナ24の出力部分のインピーダンスとすることができる。
受信アンテナ25は、送信アンテナ24から放射された電磁波であって、検体10を透過又は反射した高周波信号を受信し、受信した高周波信号を受信回路27に出力する。受信アンテナ25から出力される高周波信号は、インピーダンス調整回路26を介して受信回路27に入力される。
受信回路27は、入力された高周波信号に対し、増幅、周波数変換、周波数選択、AD(Analog to Digital)変換等の必要な処理を行い、信号処理回路28に出力する。受信回路27に入力される高周波信号は、方向性結合器22からの入射信号、検体10を透過した高周波信号である透過信号、検体10で反射した高周波信号である反射信号を含む。インピーダンス調整回路26は、検体10のインピーダンスに応じて、受信側のインピーダンスを調整する。受信側のインピーダンスは、VNA11側のインピーダンスであって、例えば、インピーダンス調整回路26と電気的に接続される受信アンテナ25の入力部分のインピーダンスとすることができる。
信号処理回路28は、送信回路21と受信回路27に電気的に接続される。信号処理回路28は、送信回路21を制御して、高周波信号を送信する。また、信号処理回路28は、高周波信号の伝播特性(伝送特性)の解析を行う。信号処理回路28は、高周波の特性を示すSパラメータ(Scattering Parameter)として、透過特性や反射特性などを算出する。例えば、VNA11においては、送信アンテナ24がポート1(Port1)、受信アンテナ25がポート2(Port2)となるので、信号処理回路28は、入射信号(a1)と透過信号(b2)から、透過特性S21(b2/a1)を算出することができる。あるいは、図12に示したように、VNA11においては、送信アンテナ24がポート1(Port1)として反射を受信して、入射信号(a1)と反射信号(b1)から、反射特性S11(b1/a1)を算出することができる。また、信号処理回路28は、検体10のインピーダンスを測定することができる。例えば、Sパラメータはインピーダンスに変換可能である。
信号処理回路28は、高周波信号の伝播特性を測定して、検体10と、送信アンテナ24及び受信アンテナ25との接触状態を解析する。信号処理回路28は、接触状態の解析結果に基づいて、送信回路21と受信回路27を制御し、検体10の測定に最適なタイミングで測定が実施されるようにする。また、信号処理回路28は、接触状態の解析結果に基づいて、インピーダンス調整回路23及びインピーダンス調整回路26の少なくとも一方を制御し、送信側及び受信側の少なくとも一方について検体10とのインピーダンスマッチングを行う。
<最適なタイミングでの測定実施>
VNA11は、ウェアラブルデバイス等で構成される電子機器に搭載することができる。図2は、本開示を適用した測定装置を搭載した電子機器の構成例を示す図である。図2において、電子機器1は、VNA11、ホスト12、及びメモリ13から構成される。図2のVNA11において、図1のVNA11と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
VNA11は、ウェアラブルデバイス等で構成される電子機器に搭載することができる。図2は、本開示を適用した測定装置を搭載した電子機器の構成例を示す図である。図2において、電子機器1は、VNA11、ホスト12、及びメモリ13から構成される。図2のVNA11において、図1のVNA11と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
ホスト12は、マイクロコントローラ(MCU:Micro Controller Unit)等で構成される。ホスト12は、電子機器1が有する各種機能のうち、VNA11による測定機能を少なくとも含む機能を制御する。メモリ13は、NVRAM(Non-Volatile RAM)等の不揮発性メモリで構成される。メモリ13には、設定情報等の情報がデータベースとして予め記録されており、ホスト12は、メモリ13に記録されたデータベースを適宜参照することができる。
電子機器1において、VNA11は、ホスト12からの制御に従い、検体10の測定を行う。すなわち、VNA11において、信号処理回路28は、ホスト12から送信される測定リクエストに応じて測定シーケンスを開始する。そして、信号処理回路28は、高周波信号の伝播特性を測定して、検体10と、送信アンテナ24及び受信アンテナ25との接触状態を判定し、検体10との接触状態が測定に最適なタイミングで測定が実施されるようにする。
なお、図2においては、電子機器1における最小限の構成を示したが、電子機器1には他の構成要素が含まれても構わない。例えば、電子機器1は、CPU(Central Processing Unit)、タッチスクリーン、スピーカ、操作ボタン、通信モジュール、通話用マイク、通知用バイブレータ、充電池などを含んで構成されてもよい。
図3は、図2の電子機器1により実行される測定処理の流れを説明するフローチャートである。
ステップS11では、ホスト12が、例えば電子機器1を使用するユーザの操作などに応じて、測定リクエストをVNA11に送信する。ステップS12では、VNA11が、ホスト12からの測定リクエストに応じて、測定シーケンスを開始する。
ステップS13では、信号処理回路28が、高周波信号の伝播特性を測定することで、検体10のインピーダンスの測定を行う。ステップS14では、信号処理回路28が、測定したインピーダンスを、データベースの情報と照合する。例えば、データベースには、検体10と、送信アンテナ24及び受信アンテナ25との接触状態が最適になるときのインピーダンス値(の範囲)を示す情報が格納されており、測定したインピーダンスの値を、データベースに格納されたインピーダンス値(の範囲)と照合することができる。
なお、データベースの情報は、ホスト12がメモリ13に記録されたデータベースを参照して、信号処理回路28に供給することができる。あるいは、信号処理回路28が、メモリ13に記録されたデータベースを直接参照して情報を取得してもよいし、VNA11が内蔵するメモリに記録したデータベースに情報を格納して、内蔵メモリから情報を取得してもよい。
ステップS15では、信号処理回路28が、照合結果が適切な範囲内であることを示すか否かを判定する。ステップS15において、照合結果が適切な範囲内ではない、つまり、適切な範囲外であると判定された場合、処理はステップS11に戻り、上述した処理が繰り返される。一方で、ステップS15において、照合結果が適切な範囲内であると判定された場合、処理はステップS16に進められる。
例えば、電子機器1を使用するユーザの血液中のグルコース濃度(血糖値)を測定する場合に、送信アンテナ24及び受信アンテナ25が、検体10としてのユーザの肌に接触した状態で測定を行うときを想定する。このとき、最適な接触状態が密着状態であり、そのときのインピーダンス値が、所定範囲を示す値(例えば100~200Ω等の数百Ωの範囲)で表される場合、データベースには、当該所定範囲を示す値が設定情報として格納され、測定したインピーダンスの値と照合される。このとき、測定したインピーダンスの値が、当該所定範囲内である場合には、照合結果が適切な範囲内であると判定される。
ステップS16では、信号処理回路28が、送信回路21と受信回路27を制御し、検体10の測定を開始する。このように、VNA11では、検体10と、送信アンテナ24及び受信アンテナ25との接触状態が、検体10の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、接触状態が検体10の測定に適切な状態にあると判定された場合に、検体10の測定を実施することができる。これにより、検体10の測定に最適なタイミングで測定を実施して、より精度の高い測定結果が得られるため、測定結果の精度を向上させることができる。
<センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施>
VNA11を搭載した電子機器1は、IMU(Inertial Measurement Unit)等のセンサを有する場合、当該センサからの情報に基づいて、より最良な測定結果が得られるタイミングで測定を実施することができる。図4は、本開示を適用した測定装置を搭載した電子機器の他の構成例を示す図である。図4において、電子機器1は、VNA11、ホスト12、メモリ13、及びセンサ14から構成される。図4の電子機器1において、図2の電子機器1と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
VNA11を搭載した電子機器1は、IMU(Inertial Measurement Unit)等のセンサを有する場合、当該センサからの情報に基づいて、より最良な測定結果が得られるタイミングで測定を実施することができる。図4は、本開示を適用した測定装置を搭載した電子機器の他の構成例を示す図である。図4において、電子機器1は、VNA11、ホスト12、メモリ13、及びセンサ14から構成される。図4の電子機器1において、図2の電子機器1と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
ホスト12は、マイクロコントローラ等で構成され、電子機器1が有する各種機能のうち、VNA11による測定機能と、センサ14によるセンシング機能を少なくとも含む機能を制御する。
センサ14は、IMU等のセンサで構成される。例えば、IMUは、物体の加速度を計測する加速度センサと、物体の角速度等を計測するジャイロセンサなどから構成され、計測結果を用いて物体の動作状態(姿勢や軌跡)を把握することができる。なお、センサ14は、IMU等に限らず、検体10の動作状態を把握するための情報を検出可能なセンサであれば、他のセンサを用いても構わない。センサ14は、ホスト12からの制御に従い、センシングを行う。センサ14は、センシングで得られた検出情報をホスト12に出力する。
なお、図4においても、電子機器1は、最小限の構成を示しており、CPU、タッチスクリーンなどの構成要素を含んで構成されてもよい。
図5は、図4の電子機器1により実行される測定処理の流れを説明するフローチャートである。
ステップS21では、ホスト12が、例えば電子機器1を使用するユーザの操作などに応じて、測定リクエストを生成する。ステップS22では、ホスト12が、センサ14からの検出情報に基づいて、検体10が十分な静止状態であるか否かを判定する。例えば、電子機器1を身に着けているユーザの血糖値を測定する場合に、センサ14として搭載されたジャイロセンサから出力される角速度の情報を用いることで、検体10としてのユーザ(の肌)の動作状態(動作中や静止中など)を認識することができる。
より具体的には、角速度の値が、予め設定された閾値以下となるかを判定することで、ユーザ(の肌)が静止状態にあるか否かを判定することができる。当該閾値は、メモリ13に記録されたデータベースに格納することができる。ここで、十分な静止状態とは、検体10が完全に静止している状態は勿論、測定に影響が出ない(影響が少ない)ような状態も含む。例えば、ステップS22の判定処理で用いられる閾値は所定範囲で指定してもよく、角速度の値が、閾値の範囲内になるか否かを判定することで、検体10の動作状態が、測定に影響が出ない十分な静止状態であるか否かを判定してもよい。
ステップS22において、検体10が十分な静止状態ではないと判定された場合、処理はステップS21に戻り、上述した処理が繰り返される。一方で、ステップS22において、検体10が十分な静止状態であると判定された場合、ホスト12が、生成した測定リクエストをVNA11に送信して、処理はステップS23に進められる。ステップS23では、VNA11が、ホスト12からの測定リクエストに応じて、測定シーケンスを開始する。
測定シーケンスが開始すると、ステップS24~S26の処理が実行される。ステップS24~S26においては、図3のステップS13~S15と同様の処理が実行される。すなわち、信号処理回路28が、検体10のインピーダンスの測定を行い(S24)、測定したインピーダンスを、データベースの情報と照合する(S25)ことで、測定したインピーダンスが適切な範囲内であるか否かを判定する(S26)。
ステップS26において、測定したインピーダンスが適切な範囲外であると判定された場合、処理はステップS21に戻り、上述した処理が繰り返される。一方で、ステップS26において、測定したインピーダンスが適切な範囲内であると判定された場合、処理はステップS27に進められる。ステップS27では、信号処理回路28が、送信回路21と受信回路27を制御し、検体10の測定を開始する。
このように、VNA11では、検体10との接触状態の判定に先立って、検体10の動作状態を判定して動作状態が検体10の測定に適切な状態(十分な静止状態)にあるときに、検体10との接触状態の判定を実施するため、より最良の測定結果が得られるタイミングで測定を実施することができる。例えば、ユーザ(の肌)等の検体10が動いている状態であると、インピーダンス測定が正確に行われない恐れがあるが、検体10の動作状態を判定することで、検体10が十分に静止している状態でインピーダンス測定を行うことができる。これにより、十分な静止状態の検体10に対してインピーダンス測定を行って検体10との接触状態の判定を実施することができ、より最適なタイミングで測定を実施することが可能となる。
<インピーダンス調整>
VNA11は、インピーダンス調整機能を有し、検体10のインピーダンスに応じて、VNA11のインピーダンスを調整することができる。VNA11においては、VNA11側のインピーダンスを、検体10のインピーダンスとマッチングさせることで、最適な接触状態に最適化し、最適な測定結果を得ることができる。
VNA11は、インピーダンス調整機能を有し、検体10のインピーダンスに応じて、VNA11のインピーダンスを調整することができる。VNA11においては、VNA11側のインピーダンスを、検体10のインピーダンスとマッチングさせることで、最適な接触状態に最適化し、最適な測定結果を得ることができる。
図1のVNA11においては、インピーダンス調整回路23と信号処理回路28により、送信側のインピーダンス調整が行われる。すなわち、信号処理回路28は、高周波信号の伝播特性を測定して、検体10のインピーダンスを測定する。インピーダンス調整回路23は、測定されたインピーダンスの値にマッチングするように、送信側のインピーダンスの値を調整する。
例えば、検体10としてのユーザの肌に、VNA11の出力部(送信アンテナ24の出力部分)が接触したとき、インピーダンス調整回路23は、信号処理回路28により測定されたユーザの肌のインピーダンスの値に応じて、VNA11の出力部における固有のインピーダンス(送信側のインピーダンス)の値を内部的に調整することができる。インピーダンス調整回路23は、例えば、抵抗素子、キャパシタ、インダクタ、及びこれらの素子を制御するスイッチなどの素子から構成することできる。インピーダンス調整回路23は、測定されたインピーダンスの値に応じて、抵抗素子の抵抗、キャパシタの容量(キャパシタンス)、インダクタのインダクタンスなどを変更することで、送信側のインピーダンスの値を調整することができる。
また、図1のVNA11においては、インピーダンス調整回路26と信号処理回路28により、受信側のインピーダンス調整が行われる。すなわち、信号処理回路28は、高周波信号の伝播特性を測定して、検体10のインピーダンスを測定する。インピーダンス調整回路26は、測定されたインピーダンスの値にマッチングするように、受信側のインピーダンスの値を調整する。
例えば、検体10としてのユーザの肌に、VNA11の入力部(受信アンテナ25の入力部分)が接触したとき、インピーダンス調整回路26は、信号処理回路28により測定されたユーザの肌のインピーダンスの値に応じて、VNA11の入力部における固有のインピーダンス(受信側のインピーダンス)の値を内部的に調整することができる。インピーダンス調整回路26は、インピーダンス調整回路23と同様に、抵抗素子、キャパシタ、インダクタ、及びこれらの素子を制御するスイッチなどの素子から構成することできる。
このように、図1のVNA11においては、インピーダンス調整回路23とインピーダンス調整回路26によるインピーダンス調整機能を有することで、測定された検体10のインピーダンスに基づき、送信側及び受信側の少なくとも一方のインピーダンスを調整することができる。このようなインピーダンスマッチングが行われることで、VNA11は、検体10に対して高周波信号(電力)を最大限伝達することが可能となるため(測定の精度を低下させる反射や電力損失を抑制できるため)、最適な測定結果を得ることができる。結果として、VNA11では、より精度の高い測定結果が得られるため、測定結果の精度を向上させることができる。
なお、VNA11を搭載した電子機器1(図2,図4)においても同様に、インピーダンス調整を実施することができる。例えば、電子機器1において、VNA11は、ホスト12からの測定リクエストに応じて測定シーケンスを開始した後に、インピーダンス調整を実施することができる。
<周囲環境のノイズ検知>
VNA11は、周囲環境のノイズをモニタして、周囲環境に存在するノイズ成分の検知を行うことができる。例えば、VNA11においては、送信アンテナ24がポート1(Port1)、受信アンテナ25がポート2(Port2)となるので、ポート1からポート2への伝播特性を示す透過特性S21を測定する際に、ポート2からのポート2への伝播特性を示す反射特性S22を測定することで、周囲環境のノイズ成分を検知することが可能となる。
VNA11は、周囲環境のノイズをモニタして、周囲環境に存在するノイズ成分の検知を行うことができる。例えば、VNA11においては、送信アンテナ24がポート1(Port1)、受信アンテナ25がポート2(Port2)となるので、ポート1からポート2への伝播特性を示す透過特性S21を測定する際に、ポート2からのポート2への伝播特性を示す反射特性S22を測定することで、周囲環境のノイズ成分を検知することが可能となる。
VNA11においては、受信回路27が、受信アンテナ25を介して、入射信号となる高周波信号を周波数掃引して出力することで、検体10により反射された高周波信号を受信して反射信号として出力する。これにより、信号処理回路28は、入射信号(a2)と反射信号(b2)から、反射特性S22(b2/a2)を算出することができる。このように、VNA11では、送信側の回路を用いずに、受信側の回路を用いたスキャンにより周囲環境を把握することができる。
また、信号処理回路28は、検体10の測定を実施して透過特性S21を算出する際に、周囲環境のノイズ成分として反射特性S22を算出し、透過特性S21の値から反射特性S22の値を減じることで、検体10の測定で得られた測定値からノイズ成分を除去することができる。例えば、図6は、横軸を周波数、縦軸を電力として、透過特性S21の波形と、反射特性S22の波形を示している。図6に示すように、透過特性S21の値から、反射特性S22の値を減じることで、ノイズ成分を除去することができる。
このように、VNA11では、周囲環境のノイズ成分を検知して、実際の測定値(実測値)との差分によりノイズ成分の除去することができる。例えば、妨害波などの飛び込み系の鋭い波形のノイズが検知された場合、検知されたノイズに応じた周波数帯を使用しないか、検知されたノイズに応じた信号を信号処理では使用しないなどの対応が想定されるが、ここでのノイズ成分の除去は、このようなノイズに対して特に有効である。
なお、VNA11を搭載した電子機器1(図2,図4)においても同様に、周囲環境のノイズを検知して、ノイズ成分を除去することができる。
<ノイズ遅延波の除去>
VNA11は、受信した高周波信号から、ノイズとなる遅延波の高周波成分を除去し、その結果得られる主波の高周波信号成分を信号処理に用いることができる。ノイズ成分を除去した信号を用いた信号処理を行うことで、より精度の高い測定結果を得ることができる。
VNA11は、受信した高周波信号から、ノイズとなる遅延波の高周波成分を除去し、その結果得られる主波の高周波信号成分を信号処理に用いることができる。ノイズ成分を除去した信号を用いた信号処理を行うことで、より精度の高い測定結果を得ることができる。
例えば、VNA11において、検体10を測定する場合に、受信アンテナ25により受信される高周波信号(電磁波)には、所望の高周波伝播経路を経由して受信した高周波信号と、密度の高い検体組織で反射した後に受信した高周波信号とが含まれる。受信回路27には、受信アンテナ25により受信された高周波信号が入力される。受信回路27は、入力される高周波信号から、主波の高周波信号成分と遅延波の高周波成分とを分離する。これにより、入力された高周波信号から、ノイズとなる遅延波の高周波成分を除去し、主波の高周波信号成分を得ることができる。
より具体的には、例えば、密度の高い検体組織で反射した電磁波の成分(深く浸透して固い組織で反射した電磁波の成分)は、長い経路長となるので、主波となる電磁波の成分と比べて、受信アンテナ25に到達するまでに時間的に遅れることが想定される。受信回路27では、所望の高周波伝播経路を経由したときの経路長を想定して予め設定しておくことで、設定された経路長の通過時間のみ高周波信号(電磁波)が受信されるようにする。これにより、受信した高周波信号から、長い経路長となる遅延波の高周波成分が除去され、主波の高周波信号成分に応じた高周波信号を出力することができる。信号処理回路28は、主波の高周波信号成分に応じた高周波信号を信号処理に用いることができる。
なお、VNA11を搭載した電子機器1(図2,図4)においても同様に、ノイズとなる遅延波の高周波成分を除去して、その結果得られる主波の高周波成分を信号処理に用いることができる。また、ノイズとなる遅延波の高周波成分を除去して主波の高周波成分を取り出す処理は、信号処理回路28で行われてもよい。
<他の構成例>
図7~図11は、本開示を適用した測定装置の一実施の形態の他の構成例を示す図である。図7~図11において、VNA11には、図1のVNA11と対応する部分に同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図7~図11は、本開示を適用した測定装置の一実施の形態の他の構成例を示す図である。図7~図11において、VNA11には、図1のVNA11と対応する部分に同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図7において、VNA11は、送信回路21、インピーダンス調整回路23、送信アンテナ24、受信アンテナ25、インピーダンス調整回路26、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。図7のVNA11は、図1のVNA11と比べて、方向性結合器22を設けていない構成となる。図7のVNA11は、図1のVNA11と同様に、最適なタイミングでの測定実施(図2,図3)、センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施(図4,図5)、インピーダンス調整回路23,26によるインピーダンス調整、周囲環境のノイズ検知(図6)、ノイズ遅延波の除去を実施することができる。
図8において、VNA11は、送信回路21、インピーダンス調整回路23、送信アンテナ24、受信アンテナ25、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。図8のVNA11は、図1のVNA11と比べて、方向性結合器22とインピーダンス調整回路26を設けていない構成となる。図8のVNA11は、図1のVNA11と同様に、最適なタイミングでの測定実施(図2,図3)、センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施(図4,図5)、インピーダンス調整回路23によるインピーダンス調整、周囲環境のノイズ検知(図6)、ノイズ遅延波の除去を実施することができる。
図9において、VNA11は、送信回路21、送信アンテナ24、受信アンテナ25、インピーダンス調整回路26、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。図9のVNA11は、図1のVNA11と比べて、方向性結合器22とインピーダンス調整回路23を設けていない構成となる。図9のVNA11は、図1のVNA11と同様に、最適なタイミングでの測定実施(図2,図3)、センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施(図4,図5)、インピーダンス調整回路26によるインピーダンス調整、周囲環境のノイズ検知(図6)、ノイズ遅延波の除去を実施することができる。
図10において、VNA11は、送信回路21、送信アンテナ24、受信アンテナ25、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。図10のVNA11は、図1のVNA11と比べて、方向性結合器22とインピーダンス調整回路23,26を設けていない構成となる。図10のVNA11は、図1のVNA11と同様に、最適なタイミングでの測定実施(図2,図3)、センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施(図4,図5)、周囲環境のノイズ検知(図6)、ノイズ遅延波の除去を実施することができる。
図11において、VNA11は、送信回路21、方向性結合器22、インピーダンス調整回路23、送信アンテナ24、受信アンテナ25、インピーダンス調整回路26、受信回路27、及び信号処理回路28から構成される。図11のVNA11は、図1のVNA11と比べて、方向性結合器22とインピーダンス調整回路23は、1つの半導体チップ31として構成される。
例えば、方向性結合器22は、2つのポート(Port1, Port2)間の検体10を被測定対象回路としたとき、直列に接続された第1抵抗素子及び被測定対象回路と、直列に接続された第2抵抗素子及び第3抵抗素子とが並列接続された抵抗ブリッジ回路で構成することができる。また、第2抵抗素子及び第3抵抗素子を、抵抗値が変更可能な可変抵抗素子で構成して、その抵抗値は、抵抗ブリッジ回路において平衡条件が成り立つように調整することができる。なお、方向性結合器22は、容量を変更可能なキャパシタ等の他の素子を含んで構成されてもよい。インピーダンス調整回路23は、例えば、抵抗素子、キャパシタ、インダクタ、及びこれらの素子を制御するスイッチなどの素子から構成される。方向性結合器22とインピーダンス調整回路23では、抵抗素子やキャパシタ等の素子の少なくとも一部が共通に用いられてもよい。
図11のVNA11は、図1のVNA11と同様に、最適なタイミングでの測定実施(図2,図3)、センサ情報を利用した最適なタイミングでの測定実施(図4,図5)、半導体チップ31のインピーダンス調整回路23と、インピーダンス調整回路26によるインピーダンス調整、周囲環境のノイズ検知(図6)、ノイズ遅延波の除去を実施することができる。なお、図11のVNA11においては、受信側のインピーダンス調整回路26を設けない構成としても構わない。
このように、図11において、半導体チップ31は、方向性結合器22とインピーダンス調整回路23を備える。方向性結合器22は、送信アンテナ24を介して高周波信号を送信する送信回路21に接続され、抵抗ブリッジ回路を一例として構成される。インピーダンス調整回路23は、送信アンテナ24から送信された高周波信号を透過又は反射する検体10のインピーダンスに基づいて、送信側のインピーダンスを調整することができる。
なお、図1等のVNA11の受信回路27では、説明の簡略化のため、受信回路27を1つにまとめているが、実際には、入射信号、透過信号、反射信号を受信する回路がそれぞれ設けられる。また、図1等のVNA11においては、インピーダンス調整回路23によるインピーダンス調整機能が、方向性結合器22による機能として提供されてもよい。
電子機器1(図2,図4)に搭載されるVNA11は、図1のVNA11に限らず、図7~図11のいずれかのVNA11を搭載してもよい。例えば、電子機器1は、スマートウォッチ等で構成される。スマートウォッチは、小型のタッチスクリーンとCPUを搭載した、多機能な腕時計型のウェアラブルデバイスである。電子機器1がスマートウォッチである場合、バンドにより本体をユーザの手首に装着する。スマートウォッチの本体には、VNA11(の少なくとも一部)、ホスト12等が搭載される。また、VNA11の送信アンテナ24と受信アンテナ25が、バンドの内側の面(ユーザの手首に接触する側の面)に沿った位置に配置される。このとき、VNA11は、ユーザの手首(の肌)を検体10として測定を行うことで、Sパラメータを算出することができる。また、算出されたSパラメータを用いて、ユーザの血糖値を算出することできる。
なお、上述した説明では、送信回路21、受信回路27が周波数掃引を行う場合を示したが、固定周波数を用いてもよい。図3のステップS15又は図5のステップS26において検体10ごとに適切な範囲が異なる場合、メモリ13に記録されるデータベースには、検体10ごとに設定情報を記録してもよい。このとき、画像センサ等のセンサ14によるセンシングで得られた検出情報を用いて検体10を特定し、特定された検体10の設定情報が用いられてもよい。なお、VNA11は、測定対象としての検体10を測定する測定装置であって、VNAチップとして構成されてもよい。VNAチップには、送信アンテナ24と受信アンテナ25を含めなくてもよい。測定対象としての検体10が人体である場合、アンテナを電極として捉えてもよい。
なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
また、本開示は、以下のような構成をとることができる。
(1)
送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの少なくとも一方に対して接続され、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える測定装置。
(2)
前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(1)に記載の測定装置。
(3)
前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(2)に記載の測定装置。
(4)
前記インピーダンス調整回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、送信側及び受信側の少なくとも一方のインピーダンスを調整する
(1)~(3)のいずれかに記載の測定装置。
(5)
前記受信回路は、前記検体に送信して反射された高周波信号を受信し、
前記信号処理回路は、当該高周波信号の伝播特性に基づいて、ノイズ成分を検知する
(1)~(4)のいずれかに記載の測定装置。
(6)
前記信号処理回路は、受信された前記高周波信号から、前記検体で反射された高周波信号成分を除去することで得られた高周波信号を用いて、信号処理を行う
(1)~(5)のいずれかに記載の測定装置。
(7)
前記送信回路と、前記送信アンテナに接続された前記インピーダンス調整回路とに接続される方向性結合器をさらに備える
(1)~(6)のいずれかに記載の測定装置。
(8)
前記インピーダンス調整回路と前記方向性結合器は、1つの半導体チップで構成される
(7)に記載の測定装置。
(9)
送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
測定装置。
(10)
前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(9)に記載の測定装置。
(11)
送信アンテナを介して高周波信号を送信する送信回路に接続される方向性結合器と、
前記送信アンテナから送信された前記高周波信号を透過又は反射する検体のインピーダンスに基づいて、送信側のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える半導体チップ。
送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの少なくとも一方に対して接続され、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える測定装置。
(2)
前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(1)に記載の測定装置。
(3)
前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(2)に記載の測定装置。
(4)
前記インピーダンス調整回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、送信側及び受信側の少なくとも一方のインピーダンスを調整する
(1)~(3)のいずれかに記載の測定装置。
(5)
前記受信回路は、前記検体に送信して反射された高周波信号を受信し、
前記信号処理回路は、当該高周波信号の伝播特性に基づいて、ノイズ成分を検知する
(1)~(4)のいずれかに記載の測定装置。
(6)
前記信号処理回路は、受信された前記高周波信号から、前記検体で反射された高周波信号成分を除去することで得られた高周波信号を用いて、信号処理を行う
(1)~(5)のいずれかに記載の測定装置。
(7)
前記送信回路と、前記送信アンテナに接続された前記インピーダンス調整回路とに接続される方向性結合器をさらに備える
(1)~(6)のいずれかに記載の測定装置。
(8)
前記インピーダンス調整回路と前記方向性結合器は、1つの半導体チップで構成される
(7)に記載の測定装置。
(9)
送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
測定装置。
(10)
前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
(9)に記載の測定装置。
(11)
送信アンテナを介して高周波信号を送信する送信回路に接続される方向性結合器と、
前記送信アンテナから送信された前記高周波信号を透過又は反射する検体のインピーダンスに基づいて、送信側のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える半導体チップ。
1 電子機器, 11 VNA, 12 ホスト, 13 メモリ, 14 センサ, 21 送信回路, 22 方向性結合器, 23 インピーダンス調整回路, 24 送信アンテナ, 25 受信アンテナ, 26 インピーダンス調整回路, 27 受信回路, 28 信号処理回路, 31 半導体チップ
Claims (11)
- 送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの少なくとも一方に対して接続され、インピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える測定装置。 - 前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
請求項1に記載の測定装置。 - 前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
請求項2に記載の測定装置。 - 前記インピーダンス調整回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、送信側及び受信側の少なくとも一方のインピーダンスを調整する
請求項1に記載の測定装置。 - 前記受信回路は、前記検体に送信して反射された高周波信号を受信し、
前記信号処理回路は、当該高周波信号の伝播特性に基づいて、ノイズ成分を検知する
請求項1に記載の測定装置。 - 前記信号処理回路は、受信された前記高周波信号から、前記検体で反射された高周波信号成分を除去することで得られた高周波信号を用いて、信号処理を行う
請求項1に記載の測定装置。 - 前記送信回路と、前記送信アンテナに接続された前記インピーダンス調整回路とに接続される方向性結合器をさらに備える
請求項1に記載の測定装置。 - 前記インピーダンス調整回路と前記方向性結合器は、1つの半導体チップで構成される
請求項7に記載の測定装置。 - 送信アンテナを介して、高周波信号を送信する送信回路と、
受信アンテナを介して、前記送信アンテナから送信されて検体を透過又は反射した前記高周波信号を受信する受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路に接続され、前記高周波信号の伝播特性の解析を行う信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、前記検体のインピーダンスに基づいて、前記検体と前記送信アンテナ及び前記受信アンテナとの接触状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記接触状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
測定装置。 - 前記信号処理回路は、センサにより検出された情報に基づいて、前記検体の動作状態が、前記検体の測定に適切な状態にあるか否かを判定し、
前記動作状態が前記検体の測定に適切な状態にあると判定された場合、前記検体の測定を実施する
請求項9に記載の測定装置。 - 送信アンテナを介して高周波信号を送信する送信回路に接続される方向性結合器と、
前記送信アンテナから送信された前記高周波信号を透過又は反射する検体のインピーダンスに基づいて、送信側のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路と
を備える半導体チップ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024013121 | 2024-01-31 | ||
| JP2024-013121 | 2024-01-31 |
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|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2025/000856 Pending WO2025164284A1 (ja) | 2024-01-31 | 2025-01-14 | 測定装置、及び半導体チップ |
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|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2006312010A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-11-16 | Hitachi Ltd | センサノードの制御装置、生体情報の測定方法及びプログラム |
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2025
- 2025-01-14 WO PCT/JP2025/000856 patent/WO2025164284A1/ja active Pending
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