JP6052616B2 - レクテナ装置及び受電整流方法 - Google Patents

Description

本発明は、レクテナ装置及び受電整流方法に関する。

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。

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。

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。

特開２０１２−７５２２７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 従来技術によるレクテナ装置の等価回路図である。

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。

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。

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。

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。

[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。

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。

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。

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。

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。

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。

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｜Ｓ_２１｜（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｜Ｓ_２１｜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
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。

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