JP6052616B2 - Rectenna device and power receiving rectification method - Google Patents

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Description

本発明は、レクテナ装置及び受電整流方法に関する。   The present invention relates to a rectenna device and a power receiving rectification method.

マイクロ波による無線電力伝送に用いられるレクテナ（受電整流アンテナ；Ｒｅｃｔｅｎｎａ）装置は、１９６０年代に発明されて以来、様々な方式のものが開発され、提案されてきた。レクテナ装置は、整流回路部とアンテナ部とに別れる。公知のレクテナ整流回路は、基本となるシングルシャント整流回路と、それ以外の整流回路とに大別される。シングルシャント整流回路は、１つのダイオード、λｇ／４線路、及びキャパシタで構成された出力フィルタ、並びに入力低域通過フィルタで構成される。シングルシャント整流回路は、簡単な構成ながら、出力フィルタが高調波処理と平滑を同時に行うため、全波整流が可能であり、理論効率１００％を実現することができる。   Since the rectenna (recectenna) device used for wireless power transmission by microwaves was invented in the 1960s, various types of devices have been developed and proposed. The rectenna device is divided into a rectifier circuit portion and an antenna portion. Known rectenna rectifier circuits are broadly classified into basic single shunt rectifier circuits and other rectifier circuits. The single shunt rectifier circuit is composed of an output filter composed of one diode, a λg / 4 line and a capacitor, and an input low-pass filter. Although the single shunt rectifier circuit has a simple configuration, since the output filter performs harmonic processing and smoothing simultaneously, full-wave rectification is possible, and a theoretical efficiency of 100% can be realized.

この種のレクテナ装置として、本願と同一の出願人による例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１に開示された技術では、レクテナ装置の出力端での反射を抑制するための負荷共振回路として高周波処理スタブ(stub)と補償スタブとを備えることにより受電整流の高効率化を図っている。   As this type of rectenna device, for example, one disclosed in Patent Document 1 by the same applicant as the present application is known. In the technique disclosed in Patent Document 1, a high-frequency processing stub and a compensation stub are provided as a load resonance circuit for suppressing reflection at the output end of the rectenna device, thereby improving the efficiency of power reception rectification. ing.

図５は、従来技術による分布定数共振回路を用いたレクテナ装置１０の等価回路図である。レクテナ装置１０は、アンテナ１１０、整合回路１２０、整流回路１３０、負荷共振回路（Ｆ級負荷）１５０とからなる。負荷共振回路１５０は、伝送路１５１と、長方形の高周波処理スタブ１５２と、同じく長方形の補償スタブ１５３とを備える。これら伝送路１５１、高周波処理スタブ１５２、補償スタブ１５３は、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、コプレーナ線路等から構成される。なお、スタブとは、負荷による反射波を打ち消すように整合性を取るための構造である。   FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the rectenna device 10 using a distributed constant resonance circuit according to the prior art. The rectenna device 10 includes an antenna 110, a matching circuit 120, a rectifier circuit 130, and a load resonance circuit (class F load) 150. The load resonance circuit 150 includes a transmission line 151, a rectangular high-frequency processing stub 152, and a rectangular compensation stub 153. The transmission line 151, the high frequency processing stub 152, and the compensation stub 153 are composed of a microstrip line, a strip line, a coplanar line, and the like. The stub is a structure for ensuring consistency so as to cancel the reflected wave caused by the load.

特開２０１２−７５２２７号公報JP 2012-75227 A

ところで、電力と共に情報を伝送する無線電力伝送（電力と情報の融合）や、既存の放送波または通信波などから電磁波エネルギーを収穫（回収）して利用するエネルギーハーベスティング（Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）に有用な技術に対する要請が存在する。   By the way, it is useful for energy harvesting (energy harvesting) in which electromagnetic energy is harvested (recovered) from wireless power transmission (fusion of power and information) that transmits information together with power (existing power and information), or from existing broadcast waves or communication waves. There is a demand for technology.

しかしながら、上述の従来技術によれば、長方形の形状を有する高周波処理スタブ１５２及び補償スタブ１５３を用いているため、負荷共振回路１５０の共振周波数帯域が狭くなる。このため、複数の異なる周波数を用いて電力と情報を同時に送る無線電力伝送やエネルギーハーベスティングには適していない。   However, according to the above-described prior art, the resonance frequency band of the load resonance circuit 150 becomes narrow because the high-frequency processing stub 152 and the compensation stub 153 having a rectangular shape are used. For this reason, it is not suitable for wireless power transmission or energy harvesting in which power and information are simultaneously transmitted using a plurality of different frequencies.

即ち、上述した従来技術によるレクテナ装置１０は、分布定数線路（またはＬＣ回路）を用いた負荷共振回路１５０により無線電力伝送の高効率化を図っており、この高効率化のために負荷共振回路１５０は高いＱ値を必要とする。Ｑ値が高くなると、周波数帯域が狭くなり、この限られた周波数帯域以外では負荷共振回路１５０が共振回路として機能しなくなる。このため、情報と電力を融合させて伝送することや、エネルギーハーベスティングが困難になる。   In other words, the rectenna device 10 according to the above-described prior art achieves high efficiency of wireless power transmission by the load resonance circuit 150 using the distributed constant line (or LC circuit). 150 requires a high Q value. When the Q value increases, the frequency band becomes narrower, and the load resonance circuit 150 does not function as a resonance circuit outside this limited frequency band. For this reason, it becomes difficult to transmit information and electric power and to perform energy harvesting.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広帯域にわたる受電整流の高効率化を果たし、無線電力伝送における電力と情報の融合やエネルギーハーベスティングを実現することができるレクテナ装置及び受電整流方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a rectenna capable of achieving high efficiency of power receiving rectification over a wide band and realizing fusion of power and information and energy harvesting in wireless power transmission. An apparatus and a power receiving rectification method are provided.

上記課題を解決するために、本発明によるレクテナ装置は、電波を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部により受信された電波による無線周波数信号を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された無線周波数信号の周波数で共振して前記無線周波数信号の反射を抑制する負荷共振回路と、を備え、前記負荷共振回路は、前記整流回路により整流された無線周波数信号を負荷側に伝送するための伝送路と、前記伝送路の中途部に接続された扇形スタブと、を備えたことを特徴とするレクテナ装置の構成を有する。   In order to solve the above-described problems, a rectenna device according to the present invention includes an antenna unit that receives radio waves, a rectifier circuit that rectifies a radio frequency signal generated by the radio waves received by the antenna unit, and a radio that is rectified by the rectifier circuit. A load resonance circuit that resonates at the frequency of the frequency signal and suppresses reflection of the radio frequency signal, and the load resonance circuit transmits the radio frequency signal rectified by the rectification circuit to the load side. And a fan-shaped stub connected to a midway portion of the transmission path.

前記レクテナ装置において、例えば、前記扇形スタブは、前記無線周波数信号に含まれる偶数次高調波に対して短絡端となり、奇数次高調波に対して開放端となることを特徴とする。   In the rectenna device, for example, the fan-shaped stub is a short-circuited end for even-order harmonics included in the radio frequency signal and an open-end for odd-order harmonics.

前記レクテナ装置において、例えば、前記アンテナ部と前記整流回路との間に、前記アンテナ部により受信された電波による無線周波数信号の伝送経路のインピーダンスを前記負荷共振回路の設計インピーダンスと整合させるための整合回路を更に備えたことを特徴とする。   In the rectenna device, for example, between the antenna unit and the rectifier circuit, matching for matching the impedance of the transmission path of the radio frequency signal by the radio wave received by the antenna unit with the design impedance of the load resonance circuit A circuit is further provided.

上記課題を解決するために、本発明による受電整流方法は、電波を受信する第１段階と、前記受信された電波による無線周波数信号を整流する第２段階と、前記整流された無線周波数信号の周波数で共振して前記無線周波数信号の反射を抑制する第３段階と、を含み、前記第３段階では、前記整流された無線周波数信号を負荷に伝送するための伝送路の中途部に接続された扇形スタブを用いて、前記無線周波数信号の反射を抑制することを特徴とする受電整流方法の構成を有する。   In order to solve the above problems, a power receiving rectification method according to the present invention includes a first stage for receiving radio waves, a second stage for rectifying a radio frequency signal based on the received radio waves, and the rectified radio frequency signal. A third stage that resonates at a frequency and suppresses reflection of the radio frequency signal, wherein the third stage is connected to a middle portion of a transmission path for transmitting the rectified radio frequency signal to a load. In addition, the power receiving rectification method is characterized in that reflection of the radio frequency signal is suppressed using a fan-shaped stub.

この発明によれば、広帯域にわたって受電整流の高効率化を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to achieve high efficiency of power receiving rectification over a wide band.

本発明の実施形態によるレクテナ装置の構成例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the structural example of the rectenna apparatus by embodiment of this invention. 本実施形態によるレクテナ装置の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果（Ｓ２１パラメータ）を示す図である。It is a figure which shows the simulation result (S21 parameter) for comparing and explaining the characteristic of the rectenna apparatus by this embodiment, and the characteristic by a prior art. 本実施形態によるレクテナ装置の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果（効率）を示す図である。It is a figure which shows the simulation result (efficiency) for comparing and explaining the characteristic of the rectenna apparatus by this embodiment, and the characteristic by a prior art. 本実施形態によるレクテナ装置の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果（周波数ごとにインピーダンス整合を取った場合の理想的な効率）を示す図である。It is a figure which shows the simulation result (ideal efficiency at the time of taking impedance matching for every frequency) for comparing and explaining the characteristic of the rectenna apparatus by this embodiment, and the characteristic by a prior art. 従来技術によるレクテナ装置の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of the rectenna apparatus by a prior art.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
[構成の説明]
図１は、本発明の実施形態によるレクテナ装置１００の構成例を示す等価回路図である。図１において、前述の図５に示す従来装置の構成要素に対応する部分には同一の符号を付している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Description of configuration]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of a rectenna device 100 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, parts corresponding to the components of the conventional apparatus shown in FIG.

レクテナ装置１００は、アンテナ部１１０と、整合回路１２０と、整流回路１３０と、負荷共振回路（Ｆ級負荷）１４０とからなる。アンテナ部１１０は、自由空間を伝搬して到来する電波を受信するためのものである。整合回路１２０は、アンテナ部１１０により受信された電波による無線周波数信号の伝送経路のインピーダンスを後段の負荷共振回路１４０の設計インピーダンス（例えば５０オーム）と整合させるためのものである。整合回路１２０は、後段の整流回路１３０を構成するダイオードの整流条件に合わせた高いインピーダンスを有する線路１２１と、この線路１２１のインダクタンス成分を整合するためのオープンスタブとして機能する線路１２２とを含む。ただし、この例に限定されず、受電整流の広帯域化を実現できることを限度として、整合回路１２０の構成は任意であり、整合回路１２０を省くことも可能である。整流回路１３０は、アンテナ部１１０により受信された電波による無線周波数信号を整流するためのものであり、ダイオード１３１，１３２から構成される。本実施形態では、電流容量を確保するために、２つのダイオード１３１，１３２を整合回路１２０の出力部と接地との間に並列接続している。ただし、この例に限定されず、整流回路１３０の構成は任意である。   The rectenna device 100 includes an antenna unit 110, a matching circuit 120, a rectifier circuit 130, and a load resonance circuit (class F load) 140. The antenna unit 110 is for receiving radio waves arriving after propagating in free space. The matching circuit 120 is for matching the impedance of the transmission path of the radio frequency signal by the radio wave received by the antenna unit 110 with the design impedance (for example, 50 ohms) of the subsequent load resonance circuit 140. The matching circuit 120 includes a line 121 having a high impedance according to the rectification condition of the diode constituting the rectifier circuit 130 in the subsequent stage, and a line 122 functioning as an open stub for matching the inductance component of the line 121. However, the present invention is not limited to this example, and the configuration of the matching circuit 120 is arbitrary and the matching circuit 120 can be omitted as long as the power receiving rectification can be widened. The rectifier circuit 130 is for rectifying a radio frequency signal by radio waves received by the antenna unit 110, and includes diodes 131 and 132. In the present embodiment, two diodes 131 and 132 are connected in parallel between the output part of the matching circuit 120 and the ground in order to ensure current capacity. However, the configuration of the rectifier circuit 130 is arbitrary without being limited to this example.

負荷共振回路（Ｆ級負荷）１４０は、整流回路１３０により整流された無線周波数信号の周波数で共振して、この無線周波数信号の反射を抑制するものである。負荷共振回路（Ｆ級負荷）１４０は、伝送路１４１と、扇形状の高周波処理スタブ１４２と、扇形状の補償スタブ１４３とを備え、高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３は扇形スタブ１４０Ａを構成する。伝送路１４１は、整流回路１３０により整流された無線周波数信号を負荷側に伝送するためのものであり、基本周波数に対して４分の１波長（λ／４）の線路長を有している。高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３は、それぞれオープンスタブとして機能する。このうち、扇形スタブ１４０Ａは、無線周波数信号に含まれる偶数次高調波に対して短絡（インピーダンスがゼロ）となり、基本波と奇数次高調波に対して開放（インピーダンスが無限大）となるように構成される。本実施形態では、高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３は、各々、その要（かなめ）部から外縁に向けて幅が広がる扇形の形状を有し、それらの各要（かなめ）部は、伝送路１４１の中途部に、相互に近接するようにして接続されている。   The load resonance circuit (class F load) 140 resonates at the frequency of the radio frequency signal rectified by the rectifier circuit 130 and suppresses reflection of the radio frequency signal. The load resonance circuit (class F load) 140 includes a transmission line 141, a fan-shaped high-frequency processing stub 142, and a fan-shaped compensation stub 143. The high-frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 constitute a fan-shaped stub 140A. . The transmission line 141 is for transmitting the radio frequency signal rectified by the rectifier circuit 130 to the load side, and has a line length of a quarter wavelength (λ / 4) with respect to the fundamental frequency. . The high frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 each function as an open stub. Of these, the fan-shaped stub 140A is short-circuited (impedance is zero) with respect to the even-order harmonics included in the radio frequency signal, and is open (impedance is infinite) with respect to the fundamental and odd-order harmonics. Composed. In the present embodiment, each of the high-frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 has a fan-shaped shape whose width extends from the main (kamage) part toward the outer edge, and each of the main (kamage) parts has a transmission line. 141 are connected so as to be close to each other.

一例として、高周波処理スタブ１４２の半径方向の長さは、基本波の波長の４分の１であり、その扇形部分の開き角度は７０度である。また、補償スタブ１４３の半径方向の長さは、第２次高調波の波長の４分の１であり、その扇形部分の開き角度は４０度である。負荷共振回路１４０の共振周波数を広帯域化する観点からすれば、高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３の各扇形部分の開き角度は、約５度から約１７５度までの範囲内の値であることが望ましい。
なお、本実施形態では、高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３の各形状を扇形としたが、この例に限定されることなく、負荷共振回路１４０の共振周波数の広帯域化に寄与する限りにおいて、例えば三角形や台形など、任意の形状とすることができる。また、高周波処理スタブ１４２及び補償スタブ１４３の各形状を相互に異なる形状としてもよい。 As an example, the length of the high-frequency processing stub 142 in the radial direction is a quarter of the wavelength of the fundamental wave, and the opening angle of the fan-shaped portion is 70 degrees. Further, the length of the compensation stub 143 in the radial direction is a quarter of the wavelength of the second harmonic, and the opening angle of the fan-shaped portion is 40 degrees. From the viewpoint of widening the resonance frequency of the load resonance circuit 140, the opening angle of each fan-shaped portion of the high-frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 may be a value within a range from about 5 degrees to about 175 degrees. desirable.
In the present embodiment, each shape of the high-frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 is a fan shape. However, the present invention is not limited to this example. It can be any shape such as a triangle or trapezoid. In addition, the shapes of the high-frequency processing stub 142 and the compensation stub 143 may be different from each other.

[動作の説明]
次に、本実施形態によるレクテナ装置１００の動作を説明する。
アンテナ部１１０は自由空間を伝搬する電波を受信して無線周波数信号に変換する。整合回路１２０は、アンテナ部１１０により受信された無線周波数信号の伝送経路のインピーダンスを負荷共振回路１４０の設計インピーダンス（例えば５０オーム）に整合させる。これにより、後段の整流回路１３０の非線形整流動作に起因する相互変調等による無線周波数信号の波形歪等が抑制される。 [Description of operation]
Next, the operation of the rectenna device 100 according to the present embodiment will be described.
The antenna unit 110 receives radio waves propagating in free space and converts them into radio frequency signals. The matching circuit 120 matches the impedance of the transmission path of the radio frequency signal received by the antenna unit 110 with the design impedance (for example, 50 ohms) of the load resonance circuit 140. As a result, waveform distortion or the like of the radio frequency signal due to intermodulation or the like due to the non-linear rectification operation of the rectifier circuit 130 at the subsequent stage is suppressed.

整流回路１３０は、整合回路１２０を介してアンテナ部１１０から供給される無線周波数信号を脈流の高周波信号に整流して負荷共振回路１４０に供給する。整流回路１３０により整流された高週波信号（脈流）は、負荷共振回路１４０における伝送路１４１の入力端に入力される。伝送路１４１の入力端に入力された高周波信号は、この伝送路１４１を伝搬し、伝送路１４１の出力端に接続された端子Ｔを介して負荷（図示なし）に供給される。   The rectifier circuit 130 rectifies the radio frequency signal supplied from the antenna unit 110 via the matching circuit 120 into a pulsating high frequency signal and supplies the pulsating high frequency signal to the load resonance circuit 140. The high frequency signal (pulsating flow) rectified by the rectifier circuit 130 is input to the input end of the transmission line 141 in the load resonance circuit 140. The high frequency signal input to the input end of the transmission path 141 propagates through the transmission path 141 and is supplied to a load (not shown) via the terminal T connected to the output end of the transmission path 141.

本実施形態では、高周波処理スタブ１４２は、基本周波数に対して４分の１波長（λ／４）の線路長を有する線路からなる伝送路１４１との組み合わせにより、基本周波数と第３次高調波に対して２分の１波長（λ／２）の倍数のスタブ長となる。このため、高周波処理スタブ１４２は、基本周波数と第３次高調波（奇数次高調波）に対してインピーダンスが無限大、すなわち開放となる。また、補償スタブ１４３は、同じく伝送路１４１との組み合わせにより、第２次高調波（偶数次高調波）に対して４分の３波長（３λ／４）のスタブ長となる。このため、補償スタブ１４３は、第２次高調波に対してインピーダンスがゼロ、すなわち短絡となる。これにより、扇形スタブ１４０Ａは、整流回路１３０におけるダイオード効率が最大となる整流条件を満たす線路長となる。   In the present embodiment, the high frequency processing stub 142 is combined with the transmission line 141 composed of a line having a line length of a quarter wavelength (λ / 4) with respect to the fundamental frequency, and thereby the fundamental frequency and the third harmonic. The stub length is a multiple of a half wavelength (λ / 2). For this reason, the high frequency processing stub 142 has an infinite impedance with respect to the fundamental frequency and the third harmonic (odd harmonic), that is, becomes open. Also, the compensation stub 143 has a stub length of three quarter wavelengths (3λ / 4) with respect to the second harmonic (even harmonic) by the combination with the transmission line 141. For this reason, the compensation stub 143 has zero impedance with respect to the second harmonic, that is, a short circuit. Thereby, the fan-shaped stub 140A has a line length that satisfies the rectification condition that maximizes the diode efficiency in the rectifier circuit 130.

ここで、伝送路１４１の入力端に入力された高週波信号（脈流）が伝送路１４１を伝搬する過程で、その高調波は、伝送路１４１の中途部に設けられた扇形スタブ１４０Ａに入射され、拡散しながら扇形スタブ１４０Ａの半径方向に伝搬する。このとき、扇形スタブ１４０Ａに入射された高調波が伝搬する伝搬経路の長さは一定ではなく、長さの異なる複数の伝搬経路が発生し得る。このため、扇形スタブ１４０Ａは、扇形スタブ１４０Ａに入射された高調波に対し、複数の異なる線路長を有するスタブとして機能する。   Here, in the process in which the high-frequency signal (pulsating flow) input to the input end of the transmission line 141 propagates through the transmission line 141, the harmonics are incident on the sector stub 140 </ b> A provided in the middle of the transmission line 141. Then, it propagates in the radial direction of the fan-shaped stub 140A while diffusing. At this time, the length of the propagation path through which the harmonics incident on the sector stub 140A propagate is not constant, and a plurality of propagation paths having different lengths may be generated. For this reason, the sector stub 140A functions as a stub having a plurality of different line lengths with respect to the harmonics incident on the sector stub 140A.

このように扇形スタブ１４０Ａが複数の異なる線路長を有するスタブとして機能することにより、負荷共振回路１４０の共振帯域が拡大される。このことは、負荷共振回路１４０が、複数の異なる無線周波数信号に対して共振状態になり得ることを意味する。従って、本実施形態によれば、広帯域にわたって受電整流の高効率化を実現することができ、無線電力伝送における電力と情報の融合やエネルギーハーベスティングを実現することが可能になる。   Thus, the sector stub 140A functions as a stub having a plurality of different line lengths, so that the resonance band of the load resonance circuit 140 is expanded. This means that the load resonant circuit 140 can be in a resonant state for a plurality of different radio frequency signals. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to achieve high efficiency of power reception rectification over a wide band, and it is possible to realize fusion of power and information and energy harvesting in wireless power transmission.

本実施形態では、Ｆ級レクテナ装置にアンテナの広帯域化手法を適用し、扇形スタブ１４０Ａを用いたことにより、広帯域化を実現するが、負荷共振回路１４０の共振特性を示すＱ値が低下する傾向を示す場合がある。しかしながら、本実施形態では、仮に負荷共振回路１４０のＱ値が低下したとしても、整合回路１２０等により、共振特性の周波数偏移の許容値やダイオードの非線形整流動作による相互変調等、他の周波数成分の歪を抑えることにより、通常の長方形スタブと同等の効率を実現しつつ、広帯域特性を実現することができる。   In the present embodiment, the antenna wideband technique is applied to the class F rectenna device and the fan-shaped stub 140A is used to realize the wideband, but the Q value indicating the resonance characteristics of the load resonance circuit 140 tends to decrease. May be indicated. However, in the present embodiment, even if the Q value of the load resonance circuit 140 decreases, the matching circuit 120 or the like causes other frequencies such as an allowable value of the frequency shift of the resonance characteristics and intermodulation due to the nonlinear rectification operation of the diode. By suppressing the distortion of the component, it is possible to realize broadband characteristics while realizing the same efficiency as a normal rectangular stub.

図２は、本実施形態によるレクテナ装置１００の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果（Ｓ２１パラメータ）を示す図である。図２において、実線は従来の長方形スタブによる周波数特性を示し、破線は本実施形態の扇形スタブによる周波数特性を示す。ここで、横軸は、周波数［ＧＨｚ］を表し、縦軸は、Ｓパラメータの｜Ｓ２１｜（挿入損失の絶対値）を表している。同図から理解されるように、本実施形態によれば、Ｓパラメータの｜Ｓ２１｜の値は従来の特性よりも小さくなり、挿入損失が改善されている。 FIG. 2 is a diagram showing a simulation result (S21 parameter) for comparing and explaining the characteristics of the rectenna device 100 according to the present embodiment and the characteristics according to the prior art. In FIG. 2, a solid line shows the frequency characteristic by the conventional rectangular stub, and a broken line shows the frequency characteristic by the sector stub of this embodiment. Here, the horizontal axis represents frequency [GHz], and the vertical axis represents S parameter | S 21 | (absolute value of insertion loss). As understood from the figure, according to the present embodiment, the value of | S 21 | of the S parameter is smaller than that of the conventional characteristic, and the insertion loss is improved.

図３は、本実施形態によるレクテナ装置１００の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果（効率）を示す図である。また、図４は、本実施形態によるレクテナ装置１００の特性と従来技術による特性とを比較説明するためのシミュレーション結果を示す図であり、周波数ごとに整合回路１２０によりインピーダンス整合を取った場合の理想的な効率を示す。図３及び図４において、実線は、従来の長方形スタブによる周波数特性を示し、破線は、本実施形態の扇形スタブによる周波数特性を示す。ここで、横軸は、周波数［ＧＨｚ］を表し、縦軸は、効率[％]を表している。   FIG. 3 is a diagram showing a simulation result (efficiency) for comparing and explaining the characteristics of the rectenna device 100 according to the present embodiment and the characteristics according to the prior art. FIG. 4 is a diagram showing a simulation result for comparing and explaining the characteristics of the rectenna device 100 according to the present embodiment and the characteristics according to the prior art, and is ideal when impedance matching is performed by the matching circuit 120 for each frequency. Efficiency. 3 and 4, the solid line shows the frequency characteristic by the conventional rectangular stub, and the broken line shows the frequency characteristic by the sector stub of this embodiment. Here, the horizontal axis represents frequency [GHz], and the vertical axis represents efficiency [%].

図３に示すように、扇形スタブを備えた本実施形態のレクテナ装置１００によれば、長方形スタブを備えた従来装置に比べて、広帯域にわたって効率が改善されていることが理解される。また、図４からも理解されるように、理想的な効率特性においても本実施形態が優位となっている。   As shown in FIG. 3, according to the rectenna apparatus 100 of this embodiment provided with the fan-shaped stub, it is understood that the efficiency is improved over a wide band as compared with the conventional apparatus provided with the rectangular stub. Further, as can be understood from FIG. 4, the present embodiment is superior also in ideal efficiency characteristics.

上述した図２〜図４に示すシミュレーションの諸元は以下の通りである。
・中心周波数：２４ＧＨｚ（ＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドを想定）に設定した。
・レクテナ構成：Ｆ級構成（第３次高調波まで抑圧）を採用した。
・スタブ長：第２、第３次高調波に対してそれぞれλｇ／４（λｇ：誘電体上での波長）とした。
・解析手法：有限要素法による電磁界解析を用いた。
・回路の効率等は、電磁界解析の解析結果をＳパラメータとして、回路シミュレータにより解析した。 The specifications of the simulation shown in FIGS. 2 to 4 are as follows.
Center frequency: set to 24 GHz (assuming ISM (Industry Science Medical) band).
-Rectenna configuration: Class F configuration (suppressed to third harmonic) was adopted.
Stub length: λg / 4 (λg: wavelength on the dielectric) for the second and third harmonics, respectively.
-Analysis method: Electromagnetic field analysis by the finite element method was used.
The circuit efficiency was analyzed by a circuit simulator using the analysis result of the electromagnetic field analysis as an S parameter.

上述した実施形態によれば、広帯域にわたって受電整流の高効率化を果たし、電力と情報の融合やエネルギーハーベスティングを実現することができる。
なお、本発明は、無線電力伝送分野に係り、マイクロ波無線電力伝送のみならず、２次元通信／電力伝送、共鳴送電、電磁誘導方式等にも利用することが可能である。また、エネルギーハーベスティングのうち、電磁波発電関連のすべての機器に利用することが可能である。 According to the above-described embodiment, it is possible to achieve high efficiency of power reception rectification over a wide band, and to realize fusion of power and information and energy harvesting.
The present invention relates to the field of wireless power transmission, and can be used not only for microwave wireless power transmission but also for two-dimensional communication / power transmission, resonant power transmission, electromagnetic induction, and the like. Moreover, it can be used for all devices related to electromagnetic wave power generation in energy harvesting.

上述した実施形態では、本発明をレクテナ装置として表現したが、本発明は、受電整流方法として表現することもできる。この場合、本発明は、電波を受信する第１段階（アンテナ部１１０の機能に相当する段階）と、前記受信された電波による無線周波数信号を整流する第２段階（整流回路１３０の機能に相当する段階）と、前記整流された無線周波数信号の周波数で共振して前記無線周波数信号の反射を抑制する第３段階（負荷共振回路１４０の機能に相当する段階）と、を含み、前記第３段階では、前記整流された無線周波数信号を負荷に伝送するための伝送路の中途部に接続された扇形スタブ（扇形スタブ１４０Ａに相当する要素）を用いて、前記無線周波数信号の反射を抑制することを特徴とする受電整流方法として表現することができる。   In the above-described embodiments, the present invention is expressed as a rectenna device, but the present invention can also be expressed as a power receiving rectification method. In this case, the present invention has a first stage for receiving radio waves (a stage corresponding to the function of the antenna unit 110) and a second stage for rectifying a radio frequency signal by the received radio waves (corresponding to the function of the rectifier circuit 130). And a third stage that resonates at the frequency of the rectified radio frequency signal and suppresses reflection of the radio frequency signal (a stage corresponding to the function of the load resonant circuit 140). In the step, reflection of the radio frequency signal is suppressed by using a fan-shaped stub (an element corresponding to the fan-shaped stub 140A) connected to the middle of the transmission path for transmitting the rectified radio frequency signal to the load. It can be expressed as a power receiving rectification method characterized by this.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、変更や置換などが可能である。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed or replaced without departing from the gist of the present invention.

１００ レクテナ装置
１１０ アンテナ部
１２０ 整合回路
１３０ 整流回路
１３１，１３２ ダイオード
１４０ 負荷共振回路（Ｆ級負荷）
１４０Ａ 扇形スタブ
１４１ 伝送路
１４２ 高周波処理スタブ
１４３ 補償スタブ
Ｔ 端子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Rectenna apparatus 110 Antenna part 120 Matching circuit 130 Rectifier circuit 131,132 Diode 140 Load resonance circuit (Class F load)
140A Fan-shaped stub 141 Transmission path 142 High-frequency processing stub 143 Compensation stub T terminal

Claims (4)

広帯域の電波として電力と情報とを同時に受信するレクテナ装置であって、
前記電波を受信するアンテナ部と、
前記アンテナ部により受信された電波による無線周波数信号を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された無線周波数信号の周波数で共振して前記無線周波数信号
の反射を抑制する負荷共振回路と、
を備え、
前記負荷共振回路は、
前記整流回路により整流された無線周波数信号を負荷側に伝送するための伝送路と、
前記伝送路の中途部に接続された扇形スタブと、
を備えたことを特徴とするレクテナ装置。 A rectenna device that simultaneously receives power and information as broadband radio waves,
An antenna unit that receives the radio waves,
A rectifier circuit for rectifying a radio frequency signal by radio waves received by the antenna unit;
A load resonant circuit that resonates at the frequency of the radio frequency signal rectified by the rectifier circuit and suppresses reflection of the radio frequency signal;
With
The load resonant circuit is:
A transmission path for transmitting the radio frequency signal rectified by the rectifier circuit to the load side;
A fan-shaped stub connected to the middle part of the transmission line;
A rectenna device characterized by comprising: 前記扇形スタブは、前記無線周波数信号に含まれる偶数次高調波に対して短絡端となり、奇数次高調波に対して開放端となることを特徴とする請求項１に記載のレクテナ装置。   The rectenna device according to claim 1, wherein the sector stub is a short-circuited end with respect to even-order harmonics included in the radio frequency signal and an open end with respect to odd-order harmonics. 前記アンテナ部と前記整流回路との間に、前記アンテナ部により受信された電波による無線周波数信号の伝送経路のインピーダンスを前記負荷共振回路の設計インピーダンスと整合させるための整合回路を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のレクテナ装置。   A matching circuit is further provided between the antenna unit and the rectifier circuit for matching the impedance of the radio frequency signal transmission path by the radio wave received by the antenna unit with the design impedance of the load resonance circuit. The rectenna device according to claim 1 or 2, characterized in that 広帯域の電波として電力と情報とを同時に受信するレクテナ装置の受電整流方法であって、
前記電波を受信する第１段階と、
前記受信された電波による無線周波数信号を整流する第２段階と、
前記整流された無線周波数信号の周波数で共振して前記無線周波数信号の反射を抑制する第３段階と、
を含み、
前記第３段階では、前記整流された無線周波数信号を負荷に伝送するための伝送路の中途部に接続された扇形スタブを用いて、前記無線周波数信号の反射を抑制することを特徴とする受電整流方法。 A power receiving rectification method for a rectenna device that simultaneously receives power and information as a broadband radio wave,
A first stage of receiving the radio wave;
A second step of rectifying a radio frequency signal from the received radio wave;
A third stage that resonates at a frequency of the rectified radio frequency signal to suppress reflection of the radio frequency signal;
Including
In the third step, reflection of the radio frequency signal is suppressed by using a fan-shaped stub connected to a midway of a transmission path for transmitting the rectified radio frequency signal to a load. Rectification method.
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