JP2014011878A

JP2014011878A - レクテナ

Info

Publication number: JP2014011878A
Application number: JP2012146660A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Fujiwara; 栄一郎藤原; Masaru Aoki; 勝青木
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-20
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: US20140001876A1; JP5999693B2; US9837857B2

Abstract

【課題】送信機能を有すると共に、より小型化及び長寿命化が可能なレクテナを提供する。
【解決手段】電波を受信するアンテナ(10)と、アンテナが受信した電波を整流する整流回路(24)と、アンテナと整流回路とに接続される伝送路(22)と、アンテナが伝送路に接続されているアンテナ接続部(22a)と、整流回路が伝送線路に接続されている整流回路接続部(22b)との間の伝送路に一端が接続され、他端から入力される変調された信号波の電圧に応じて容量が変化する可変容量素子(34)を有する変調入力回路(29)と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、レクテナに係り、詳しくは電波を整流して電力に変換するレクテナに関するものである。

レクテナとは、アンテナで受信したマイクロ波を直流電流に変換して電力を得るものである。このようなレクテナは、人工衛星に搭載した太陽電池パネルで集光した太陽光により発電してマイクロ波で地上に送信し、地上で受信したマイクロ波を電力に変換する宇宙太陽光発電システムや、電気自動車や携帯端末等に給電するワイヤレス電源等、無線電力伝送への利用が期待されている。

近年では、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）チップの整流にレクテナが使用されている。これにより、ＲＦＩＤチップは電池を搭載せずに、アンテナで受信した搬送波の一部を整流して動作するために必要な電源を得ることができる。このようなＲＦＩＤチップの動作の一例を示す概略図を図４に示す。アンテナ１０２で受信した搬送波は伝送路１０４を流れ、スイッチ１０６が接続している端子に伝送される。スイッチ１０６には３つの接続端子があり、接続すると回路が開放する端子１０６ａ、抵抗１０８に接続している端子１０６ｂ、及び回路が短絡する端子１０６ｃを有している。

このような構成のＲＦＩＤチップは、スイッチ１０６を切り換えることでＲＦＩＤチップのメモリに書き込まれた情報を伝送することができる。図５（Ａ）に示すように、スイッチ１０６が端子１０６ａに接続してアンテナ１０２とは反対側の伝送路１０４端を開放すると、インピーダンスの不整合が起こり、伝送路１０４に入力された搬送波と同相で全反射を起こす。図５（Ｂ）のように、スイッチ１０６が端子１０６ｂと接続して、伝送路と同じインピーダンスの抵抗１０８で伝送路端が終端すると、搬送波の反射は起こらない。しかし、図５（Ｃ）に示すように、スイッチ１０６が端子１０６ｃに接続して伝送路端が短絡すると、インピーダンスの不整合が起こり、伝送路１０４に入力された搬送波の位相とは逆位相で全反射を起こす。このように、スイッチ１０６で伝送路端の開放及び短絡を切り換えることによって、ＲＦＩＤチップに記憶された情報の信号の位相を伝送路端で変調し、アンテナ１０２から当該情報を送信することができる（非特許文献１参照）。このような構成にすることで、ＲＦＩＤチップに電源は不要であり、またＲＦＩＤチップのメモリに記憶された情報を外部に送信するための送信器も不要なので、小型化やバッテリレス化が可能となる。

根日屋英之、植竹古都美、羽山雅英、「無電源反射型移動体無線識別システム」、電子情報通信学会東北支部学術講演会、２００２年６月、ｐ．１〜３

しかしながら、上記非特許文献１に開示された技術では、スイッチ１０６を切り換えるための物理的な空間が必要になり、さらに小型化するには限界がある。また、スイッチ１０６は機械的な駆動を伴うため、スイッチ１０６の劣化等により耐久性にも限界がある。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、送信機能を有すると共に、より小型化及び長寿命化が可能なレクテナを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１のレクテナは、電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した電波を整流する整流回路と、前記アンテナと前記整流回路とに接続される伝送路と、前記アンテナが前記伝送路に接続されているアンテナ接続部と、前記整流回路が前記伝送線路に接続されている整流回路接続部との間の前記伝送路に一端が接続され、他端から入力される変調された信号波の電圧に応じて容量が変化する可変容量素子を有する変調入力回路と、を備えることを特徴とする。

請求項２のレクテナでは、請求項１において、前記伝送路の長さは、前記アンテナで受信した電波の基本波の１／４であることを特徴とする。

請求項３のレクテナでは、請求項１または２において、前記可変容量素子は可変容量ダイオードであることを特徴とする。

請求項１のレクテナによれば、変調された信号波の電圧に応じて可変容量素子の容量が変化すると変調入力回路のインピーダンスが変化し、変調入力回路と伝送路との間でインピーダンスの不整合が生じるため、伝送路に入力される搬送波の反射が発生する。即ち、変調入力回路と伝送路との接続部で搬送波が変調されるので、変調入力回路に入力された種々の変調信号波を、変調された反射波にのせてアンテナから外部に送信することができる。

これにより、レクテナに送信器を設けなくても、変調入力回路に入力される変調された信号波をアンテナから外部に送信することができるので、レクテナをより小型化することができる。
また、アンテナから伝送路に搬送波が入力される限り変調入力回路と伝送路との接続部で反射が生じるので、搬送波の反射を起こすためのスイッチを設ける必要はなくなるためスイッチの劣化に伴う故障もなくなるので、簡易な構成で長寿命化が可能となる。
さらに、スイッチを設けるための物理的な空間は不要であり、スイッチを切り換えるための電力も不要となるので、レクテナのさらなる小型化や低消費電力化が可能となる。

請求項２のレクテナでは、伝送路の長さはアンテナで受信した電波の基本波の１／４であり、変調入力回路はその間に接続されている。即ち、伝送路と変調入力回路との接続部で発生する搬送波の反射は、伝送路のアンテナ接続端で搬送波によって打ち消されず、反射された反射波はアンテナを介して外部に送信することができる。従って、送信器や搬送波の反射を起こすためのスイッチを設ける必要はないので、レクテナをさらに小型化することができる。

請求項３のレクテナでは、可変容量素子は可変容量ダイオードであるので、変調入力回路から入力された変調された信号波の電圧に応じて可変容量ダイオードの容量が変化して変調入力回路のインピーダンスが変化する。そして、変調入力回路と伝送路との間でインピーダンスの不整合が生じて搬送波の反射が生じる。この発生した反射波に、変調された信号波をのせてアンテナから外部に送信することができるので、変調された信号波を外部に送信するための送信器は不要となり、レクテナをより小型化することができる。

また、可変容量ダイオードの容量変化により伝送路で搬送波の反射を起こすので、伝送路で搬送波の反射を起こすためのスイッチは不要となり、レクテナをさらに小型化することができる。また、スイッチが不要なことからスイッチの劣化に伴う故障はなくなるため、レクテナの長寿命化が可能となる。さらに、伝送路を伝搬する搬送波が変調入力回路に入力することを妨げるので、伝送路を伝搬する搬送波の損失を極力抑制することができ、効率よく電力を得ることができる。

本発明に係るレクテナを備える高周波回路の概略図である。図１に示すレクテナの回路図である。ストリップラインでの搬送波と反射波との一例を示す図である。ＲＦＩＤチップの動作の一例を示す図である。（Ａ）は図４における回路の開放状態を示す図、（Ｂ）は図４の回路で抵抗との接続状態を示す図、（Ｃ）は図４における回路の短絡状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るレクテナを備える高周波回路の概略図である。高周波回路１は、レクテナ２、電力分配器４、及び変調制御回路６を備えている。レクテナ２はアンテナ１０に接続され、アンテナ１０で受信したマイクロ波（以下、搬送波という）を整流して直流電流に変換し、電力分配器４に供給する。アンテナ１０で受信される搬送波の周波数帯は、例えば２．４５ＧＨｚ帯または５．８ＧＨｚ帯である。

電力分配器４は、高周波回路１に接続されているセンサ１２と、電力分配器４に接続されている変調制御回路６とにレクテナ２から供給された電力を分配して、変調制御回路６及びセンサ１２が作動するための電力を供給する。センサ１２の種類として、例えば振動センサ、応答センサ、歪みセンサ等が挙げられるが、これらに限られず種々のセンサを利用可能である。

センサ１２からの測定情報の信号は変調制御回路６に入力される。変調制御回路６ではセンサ１２からの信号を所定の変調方式で変調し、変調した信号をレクテナ２に入力する。変調制御回路６では、例えばＰＳＫ（ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ）の位相偏移変調の変調方式で信号を変調するようにしてもよい。この変調制御回路６で信号の位相や振幅等を変更することで、後述するように種々の情報をアンテナ１０から外部に送信することができる。
レクテナ２に入力された変調された信号は、後述するように、アンテナ１０で受信した搬送波の反射波を利用してアンテナ１０から外部に送信される。

詳しくは、図２に示すレクテナ２の回路図に基づいてより詳細に説明する。アンテナ１０に接続するアンテナ端子２０は、線路２１を介してストリップライン（伝送路）２２の一側にあるアンテナ接続部２２ａに接続している。ストリップライン２２の他側には、ダイオード２４が整流回路接続部２２に接続している。ダイオード２４と出力端子２６との間には出力フィルタ２５が接続されている。

アンテナ１０で受信した搬送波は、ストリップライン２２を伝搬し、ダイオード２４に入力されて整流される。変換された直流電流は、出力フィルタ２５及び出力端子２６を介して電力分配器４に供給される。
出力フィルタ２５は、ダイオード２４に入力された搬送波が出力端子２６に接続される直流電流ライン（図示せず）に流入してしまうことを防ぐために設けられている。

ストリップライン２２の長さは、搬送波の基本波の波長をλとすると、λ／４である。このような長さにすることによって、アンテナ接続部２２ａから入力した搬送波が整流回路接続部２２ｂ側のストリップライン２２端で反射した反射波の位相は、アンテナ接続部２２ａ側のストリップライン２２端で、アンテナ１０から入力される搬送波の位相に対して１８０°反転する、つまり搬送波の位相と逆位相になるので、アンテナ接続部２２ａ側のストリップライン２２端において搬送波と反射波とが互いに打ち消しあう。従って、整流回路接続部２２ｂのストリップライン２２端で反射する反射波のアンテナ１０からの放射を抑制することができる。

一方、変調制御回路６から変調された信号波が、入力端子２８からレクテナ２内に入力される。入力端子２８には変調入力回路２９が接続されており、変調入力回路２９は、抵抗３０、コンデンサ３２、及び可変容量ダイオード（可変容量素子）３４から構成される。コンデンサ３２は抵抗３０と可変容量ダイオード３４との間に接地して接続されている。可変容量ダイオード３４はストリップライン２２に接続されており、詳しくはアンテナ接続部２２ａと整流回路接続部２２ｂとの間に接続されている。ストリップライン２２に可変容量ダイオード３４を接続することにより、ストリップライン２２から変調入力回路２９への搬送波の入力は妨げられるので、ストリップライン２２を伝搬する搬送波の損失を極力低減することができる。

変調制御回路６で変調されたセンサ１２からの信号波は、入力端子２８からレクテナ２内に入力される。変調された信号波は、抵抗３０、コンデンサ３２を介して可変容量ダイオード３４に入力される。可変容量ダイオード３４はストリップライン２２に接続されており、詳しくはアンテナ接続部２２ａと整流回路接続部２２ｂとの間の接続部２２ｃに接続されている。

可変容量ダイオード３４に変調された信号波が入力されると、変調された信号波の電圧に応じて可変容量ダイオード３４の容量が変化するため、変調入力回路２９のインピーダンスが変化し、ストリップライン２２と変調入力回路２９との間でインピーダンスの不整合が生じる。これにより、アンテナ接続部２２ａからストリップライン２２に入力された搬送波の反射が接続部２２ｃ端で発生する。即ち、ストリップライン２２の接続部２２ｃ端で搬送波が位相変調（ＰＳＫ）し、アンテナ１０から外部への送信が可能となる。

詳しくは、図３に基づいて説明する。図３に示すように、接続部２２ｃ端で発生する反射波は位相変調しているため、当該反射波の位相は、アンテナ接続部２２ａ端において搬送波の位相に対して逆位相とはならず、反射波は搬送波で打ち消されない。従って、当該反射波は線路２１を通ってアンテナ１０から外部へ送信される。この反射波に、入力端子２８から入力されたセンサ１２からの変調された信号波をのせて、センサ１２の情報をアンテナ１０を介して外部へ送信することができる。これにより、センサ１２からの信号波をアンテナ１０を介して外部に送信するための送信器は不要となるので、レクテナ２をより小型化することができる。また、可変容量ダイオード３４の容量変化を利用して搬送波の反射を起こすので、搬送波の反射を起こすためのスイッチを設ける必要もなく、レクテナ２をさらに小型化することができる。

このように、本実施形態では、ストリップライン２２のアンテナ接続部２２ａと整流回路接続部２２ｂとの間に、可変容量ダイオード３４を接続する。
これにより、可変容量ダイオード３４に変調された信号波が入力されると、当該信号波の電圧に応じて可変容量ダイオード３４の容量が変化し、ストリップ線路２２でインピーダンスの不整合が生じて搬送波の反射が発生する。即ち、搬送波が変調してアンテナ１０から外部へ送出される。この反射波に変調された信号波を乗せて、センサ１２からの情報をアンテナ１０を介して外部に送出することができる。
従って、レクテナ２に、センサ１２からの信号波をアンテナ１０から外部に送信するための送信器は不要となり、レクテナ２をより小型化することができる。

また、レクテナ２の回路で、アンテナ１０からの搬送波の入力がある限り、ストリップライン２２で反射波を生成するので、機械的なスイッチは不要であり、簡易な構成で長寿命化が可能となる。
さらに、上述したように機械的なスイッチを設ける必要はないことから、レクテナ２のさらなる小型化が可能である。また、スイッチを切り換えるための電力も不要となるので、低消費電力化を実現することができる。

そして、ストリップライン２２の長さが搬送波の基本波の波長のλ／４なので、アンテナ１０からストリップライン２２に搬送波が入力されている限り、可変容量ダイオード３４が接続されている接続部２２ｃで搬送波の反射を発生させることができる。従って、センサ１２からの情報を反射波にのせてアンテナ１０から外部へ送信することができる。また、上述した効果と同様の効果を得ることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では可変容量ダイオード３４を用いて変調入力回路２９のインピーダンスを変化させているが、変調入力回路２９のインピーダンスを変化させることができる素子であればこれに限られない。

１高周波回路
２整流回路
１０アンテナ
１２センサ
２２ストリップライン
２４ダイオード
３４可変容量ダイオード

Claims

電波を受信するアンテナと、
前記アンテナが受信した電波を整流する整流回路と、
前記アンテナと前記整流回路とに接続される伝送路と、
前記アンテナが前記伝送路に接続されているアンテナ接続部と、前記整流回路が前記伝送線路に接続されている整流回路接続部との間の前記伝送路に一端が接続され、他端から入力される変調された信号波の電圧に応じて容量が変化する可変容量素子を有する変調入力回路と、
を備えることを特徴とするレクテナ。
前記伝送路の長さは、前記アンテナで受信した電波の基本波の１／４であることを特徴とする請求項１に記載のレクテナ。
前記可変容量素子は可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載のレクテナ。