JP6551383B2 - レクテナ素子及びレクテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯などの高周波を直流電力に変換するレクテナ素子及びレクテナ装置に関するものである。

レクテナ（ｒｅｃｔｅｎａ：ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａ）装置は、その名のとおり、整流回路付きのアンテナ装置である。レクテナ装置は、アンテナ装置が受電した高周波を、整流回路においてＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）−ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）変換、すなわち、高周波−直流変換するものである。レクテナ装置は、近年、宇宙太陽光発電システム（ＳＳＰＳ：Ｓｐａｃｅ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の受電部に適用するためのものが開発されている。このような場合、整流回路において、高いＲＦ−ＤＣ（高周波−直流）変換効率、かつ整流回路の入力側及び負荷側への高調波の漏洩を抑圧でき、小型なものが必要となる。

従来のレクテナ装置は、アンテナで受電した高周波の入力電力を、整流回路が直流電力（ＤＣ）に変換する上で、整流素子（ダイオードなど）で発生する高調波の処理を行う入力フィルタ及び出力フィルタを備えたものがある（例えば、特許文献１など）。詳しくは、整流回路において、入力された高周波を直流に変換する整流素子と、整流素子で発生する高調波の処理を行う入力フィルタ及び出力フィルタと、整合回路と、平滑化コンデンサとを備えているものがある（例えば、特許文献２参照）。従来の整流回路において、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られ、かつ入力側及び出力（負荷）側への高調波の漏洩を抑圧するために、次のように、入力フィルタ及び出力フィルタが形成されている。入力フィルタは、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための高調波処理機能と高調波の入力側への漏洩（再放射）の抑圧機能を有している。一方、出力フィルタは、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための高調波処理機能と高調波の出力（負荷）側への漏洩の抑圧機能を有している。

特開２０１５−８９２３９号公報 特開２０１４−１１６７８３号公報

しかしながら、従来のレクテナ装置（例えば、特許文献１や特許文献２に記載のもの）では、整流回路において、入力フィルタ及び出力フィルタのサイズの制約により整流回路のサイズが大きく、整流回路を構成するレクテナ素子の高密度配置が容易ではないという課題があった。例えば、前述のＳＳＰＳでは高い伝送効率とレクテナ素子の高密度配置が求められており、整流回路における高周波から直流への高い変換効率と、整流回路の小型化との課題が顕著である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、従来の整流回路と比較して小型化が容易でありながら、高いＲＦ−ＤＣ（高周波−直流）変換効率が得られ、かつ入力側及び負荷側への高調波の漏洩を抑圧できる整流回路を有するレクテナ素子及びレクテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレクテナ素子及びレクテナ装置は、高周波信号が伝送される線路であって、前記線路の一端が開放され、前記線路の他端から直流を出力する伝送線路と、前記伝送線路を伝送される前記高周波信号を整流して直流に変換する整流素子と、前記伝送線路において前記整流素子と前記他端との間に配置され、前記整流素子で生じた高次の高調波、及び、基本波である前記高周波信号を抑圧する出力フィルタと、前記伝送線路において前記一端と前記整流素子との間に配置され、前記整流素子で生じた奇数次の高調波を抑圧する入力フィルタと、前記一端との距離が、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、前記伝送線路と結合したスロット部とを備え、前記スロット部は、前記基本波の１／２波長に相当する電気長であり、前記整流素子で生じた偶数次の高調波を抑圧することを特徴とするものである。

この発明によれば、スロット部が、基本波の１／２波長に相当する電気長であり、入力フィルタを介して伝送されてきた、整流素子で生じた偶数次の高調波を抑圧することで、小型化が容易なレクテナ素子及びレクテナ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子における入力フィルタの回路構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子における出力フィルタの回路構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子における整合回路の回路構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子の回路構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ素子における整流回路をＦ級動作させたときの時間波形図である。 この発明の実施の形態１に係るレクテナ装置を分解して示したイメージ図である。 この発明の実施の形態２に係るレクテナ素子の回路構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係るレクテナ素子の回路構成を示す構成図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図１〜図７を用いて説明する。実施の形態１に係るレクテナ装置と実施の形態１に係るレクテナ素子との関係は次のとおりである。実施の形態１に係るレクテナ装置は、実施の形態１に係るレクテナ素子に、レクテナ素子の伝送線路に対して反対側においてスロットと対向した、アンテナ基板１に形成されたアンテナ部２を有したものである。なお、好ましくは、図７に示すように、レクテナ装置は、アンテナ部２とスロット部４１との間に形成された第１の誘電体基板３と、スロット部４１と伝送線路との間に形成された第２の誘電体基板５とを備えている。スロット部４１は、アンテナ部２と伝送線路との間に形成された導体層４（接地導体層４）に形成された開口である。一方、実施の形態１に係るレクテナ素子は、整流回路パターン６が形成された整流回路基板５とスロット部４１とを有している。整流回路パターン６と整流回路パターン６が形成された整流回路基板５とを整流回路と称する。整流回路基板５は、前述の第２の誘電体基板５に相当する。導体層４（接地導体層４）は、アンテナ部２と整流回路パターン６との共通の接地導体となっている。

図１に示すレクテナ素子は、整流回路及びスロット部４１を有している。図１はレクテナ素子を平面視しているため、整流回路と別の階層にあるスロット部４１は破線で示している。整流回路は、整流回路基板５上にスロット給電用オープンスタブ６１、整流素子６２（例えば、ダイオード６２）、入力フィルタ６３、出力フィルタ６４、整合回路６５、平滑化コンデンサ６６が形成されるものである。整流回路は、高周波信号が伝送される線路であって、線路の一端が開放され、線路の他端に負荷（負荷の図示は省略）が接続され、直流を出力する伝送線路６（整流回路パターン６）が整流回路基板５に形成されている。そのため、この伝送線路６の一端から他端の間に、スロット給電用オープンスタブ６１、整流素子６２、入力フィルタ６３、出力フィルタ６４、整合回路６５、平滑化コンデンサ６６が配置されているといえる。よって、整流回路（整流素子６２）は、伝送線路６を伝送される高周波信号を整流して直流に変換するものといえる。スロット給電用オープンスタブ６１、整流素子６２、入力フィルタ６３、出力フィルタ６４、整合回路６５、平滑化コンデンサ６６、及びこれらの間を接続する線路（伝送線路）を含めて、伝送線路６（整流回路パターン６）と称してもよい。

図１において、入力フィルタ６３は、伝送線路６において伝送線路６の一端と整流素子６２との間で、整合回路６５よりも、整流素子６２寄りに配置され、整流素子６２で生じた奇数次の高調波を抑圧するものである。なお、ここでは入力フィルタ６３が、整流素子６２で生じた三次の高調波を抑圧している状態を中心に説明を行なう。出力フィルタ６４は、伝送線路６において整流素子６２と伝送線路６の他端との間で、平滑化コンデンサ６６よりも、整流素子６２寄りに配置され、整流回路で生じた高次の高調波、及び、基本波を抑圧するものである。基本波は一次の高調波ともいえる。つまり、奇数次の高調波のひとつといえる。なお、ここでは出力フィルタ６４が、整流回路で生じた高次の高調波のうち、二次及び三次の高調波、及び、基本波を抑圧している状態を中心に説明を行なう。一方で、入力フィルタ６３は、整流素子で生じた奇数次の高調波を抑圧するものといえる。また、出力フィルタ６４は、整流素子で生じた高次の高調波、及び、基本波である高周波信号を抑圧するものといえる。

図１に示すように、入力フィルタ６３と出力フィルタ６４との間における伝送線路６上の点で、伝送線路６と整流素子６２とが接続されている。同じく、図１に示すように、伝送線路６の他端と出力フィルタ６４との間における伝送線路６上の点で、伝送線路６と平滑化コンデンサ６６とが接続されている。

同じく、図１において、スロット部４１は、伝送線路６の一端との距離が、基本波である高周波信号の１／４波長に相当する電気長の位置における部分（点Ａ）と交差（図１では直交）して対向し、伝送線路６と結合している。伝送線路６の一端から点Ａまでがスロット給電用オープンスタブ６１である。詳しくは、スロット部４１の中点からスロット給電用オープンスタブ６１の開放端までを基本波の１／４波長に相当する電気長（図中、「λ／４」が１／４波長を意味し、「ｆ_０」が基本波を意味している。）に設定し、かつ整流回路基板５の基板平面に対してスロット部４１と給電マイクロストリップライン６１を直交させた構成である。なお、スロット部４１は、導体層４に形成された基本波の１／２波長に相当する電気長（図中、「λ／２」が１／２波長を意味し、「ｆ_０」が基本波を意味している。）の開口である。スロット部４１は、基本波の１／２波長に相当する電気長、すなわち、二次の高調波（偶数次の高調波）はスロット部４１の中点において仮想接地（ＧＮＤ）となる。よって、スロット部４１は、入力フィルタ６３を介して伝送されてきた、整流素子６２で生じた二次の高調波を抑圧することができる。つまり、スロット部４１は、整流素子６２で生じた偶数次の高調波を抑圧することができるといえる。

図２は、入力フィルタ６３を示す構成図（図中、「λ／４」が１／４波長を意味し、「３ｆ_０」が三次の高調波を意味している。）である。ここでは、ＲＦ−ＤＣ変換効率への寄与が大きい二次及び三次の高調波を考慮した。入力フィルタ６３は、整流素子６２で生じた基本波に対する三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第１の伝送線路６３１と、整流素子６２で生じた基本波に対する三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第１の開放側路６３２（第１のオープンスタブ６３２）とを有する。入力フィルタ６３の出力端と第１の伝送線路６３１の他端が接続されている。入力フィルタ６３の入力端と第１の伝送線路６３１の一端との間の点Ｂで、第１の開放側路６３２の端部が整合回路パターン６に接続されている。

図３は、出力フィルタ６４を示す構成図（図中、「λ／４」が１／４波長を意味し、「ｆ_０」が基本波、「２ｆ_０」が二次の高調波を意味している。）である。ここでは、図２と同様に、ＲＦ−ＤＣ変換効率への寄与が大きい二次及び三次の高調波を考慮した。出力フィルタ６４は、整流素子６２で生じた二次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第３の開放側路６４３（第３のオープンスタブ６４３）、及び、基本波である高周波信号の１／４波長に相当する電気長の第４の開放側路６４２（第４のオープンスタブ６４２）、並びに、基本波の１／４波長に相当する電気長の第３の伝送線路６４１を有する。なお、第４の開放側路６４２は、整流素子６２で生じた三次以上の奇数次の高調波の１／４波長の整数倍に相当する電気長でもある。出力フィルタ６４の入力端と第３の伝送線路６４１の一端が接続されている。出力フィルタ６４の出力端と第３の伝送線路６４１の他端との間の点Ｃで、第４の開放側路６４２及び第３の開放側路６４３の端部が接続された構成である。なお、第３の伝送線路６４１の一端は、整合回路パターン６の入力端側に形成され、第３の伝送線路６４１の他端は、整合回路パターン６の出力端側に形成されている。

図４は、整合回路６５（詳しくは、基本波整合回路６５）を示す構成図である。整合回路６５は整合回路の伝送線路６５１と、整合回路の開放側路６５２（オープンスタブ６５２）とを有している。整合回路の伝送線路６５１及び開放側路６５２の電気長を変更することにより、整流素子６２の基本波インピーダンスとアンテナ部２のインピーダンスとの整合を取り、基本波がアンテナ部２から再放射されることを抑圧することができる。なお、整合回路の伝送線路６５１の一端は、整合回路パターン６の入力端側に形成され、整合回路の伝送線路６５１の他端は、整合回路パターン６の出力端側に形成されている。

次に、実施の形態１に係るレクテナ素子の動作について説明する。図５は、レクテナ素子の回路構成を示す構成図である。図５及び図６において、Ｖ６２は、入力フィルタ６３と出力フィルタ６４との間における伝送線路６上の点で、伝送線路６と整流素子６２とが接続されている点の電圧を示している。同じく、Ｉ６２は、伝送線路６と整流素子６２とが接続されている点から整合素子６２に流れる電流を示している。以降では、整流素子６２端子間電圧Ｖ６２と整流素子６２端子間電流Ｉ６２と呼ぶ。図５に示す回路構成は、図１に示す回路構成の詳細の一例を示すものである。具体的には、図１に示す入力フィルタ６３、出力フィルタ６４、整合回路６５をそれぞれ図２に示す入力フィルタ６３、図３示す出力フィルタ６４、図４に示す整合回路６５を適用したものである。実施の形態１に係るレクテナ素子では、ＲＦ−ＤＣ変換効率への寄与が大きく、かつ整流時に発生する電力レベルが大きい二次の高調波及び三次の高調波を考慮したものである。

実施の形態１に係るレクテナ素子では、スロット給電用オープンスタブ６１の一端の点Ａにおいて基本波では最大電流が得られるようになっている。詳しくは、前述のとおり、基本波の１／２波長に相当する電気長のスロット部４１を設け、スロット部４１の中点からスロット給電用オープンスタブ６１の一端までを基本波の１／４波長に相当する電気長としているためである。また、整流回路基板５の基板平面に対してスロット部４１とスロット給電用オープンスタブ６１とが直交する構成しているためである。その結果、実施の形態１に係るレクテナ装置のアンテナ部２で受電した基本波（高周波）は、実施の形態１に係るレクテナ素子のスロット部４１を介して整流回路における点Ａにスロット給電された後、基本波（高周波信号）は、整合回路６５と、入力フィルタ６３を介して整流素子６２へと入力される。

整流素子６２に基本波が入力されると、整流素子６２は半周期毎にオンとオフを繰り返すことで高次の高調波が生じ、整流素子６２の極性（向き）に応じた方向に電圧（オフセット）が生じる。このオフセット値が直流であり、電圧波形をフーリエ展開することで直流と高次の高調波が生じていることが分かる。この電圧を平滑化コンデンサ６６により平滑化することで、レクテナ素子の出力端（高周波信号が伝送される線路（伝送線路６）の他端から直流を出力する端部に接続された負荷で直流を取り出せる。整流回路において、高いＲＦ−ＤＣ（高周波−直流）変換効率を得るために、基本波、及び、整流素子６２で発生した高次の高調波の処理が重要となる。基本波の処理は出力フィルタ６４で実施される。高次の高調波の処理は、入力フィルタ６３及び出力フィルタ６４で実施される。

図６は横軸が時間、縦軸が電圧と電流である。図６では横軸が時間において整流素子のＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮと動作させた場合の電圧と電流とを示している。詳しくは、整流素子６２をＦ級動作させたときの整流素子６２端子間電圧Ｖ６２と整流素子６２端子間電流Ｉ６２の時間波形を示している。整流回路において高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るには、整流素子６２の電力消費を抑える必要がある。図６に示すように、整流素子６２をＦ級動作させた場合、整流素子６２がＯＦＦ時には整流素子６２に逆方向電圧が印加されるが電流は流れないため電力消費量は低い（理想的には無損失）。一方、整流素子６２がＯＮ時には電流は流れるが無電圧のため電力消費量は低い（理想的には無損失）。よって、整流素子６２をＦ級動作させた場合、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる（理論的には１００％の変換効率が得られる）。

このような整流素子６２をＦ級動作させるには、入力フィルタ６３を整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスを奇数次の高調波で開放、かつ偶数次の高調波で短絡に設定する。さらに出力フィルタ６４を整流素子６２から出力フィルタ６４をみたインピーダンスを基本波及び奇数次の高調波で開放、かつ偶数次の高調波で短絡に設定する必要がある。また、入力フィルタと出力フィルタには、整流素子６２で発生した高調波が入力側及び出力（負荷）側への漏洩を抑圧する機能も併せて求められる。

前述のとおり、実施の形態１に係るレクテナ素子では、ＲＦ−ＤＣ変換効率への寄与が大きく、かつ整流時に発生するレベル（電力）が大きい二次の高調波及び三次の高調波を考慮している。出力フィルタ６４は、基本波で１／４波長となる第４の開放側路６４２と二次の高調波で１／４波長となる第３の開放側路６４３により、点Ｃは、基本波、二次の高調波及び三次の高調波で短絡点となっている。さらに基本波で１／４波長となる第３の伝送線路６４１により、二次の高調波はインピーダンスの極性は反転しないが、基本波及び三次の高調波ではインピーダンスの極性は反転する。よって、整流素子６２から出力フィルタ６４をみたインピーダンスは二次の高調波で短絡、基本波及び三次の高調波で開放となる。すなわち、出力フィルタは高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる条件（Ｆ級動作の条件）に設定される。さらに、点Ｃは、基本波、二次の高調波及び三次の高調波で短絡点となるため、基本波、及び、整流素子６２で発生した二次の高調波及び三次の高調波の出力端（負荷）側への漏洩を抑圧できる。

入力フィルタ６３は、三次の高調波で１／４波長となる第１の開放側路６３２により、点Ｂは三次の高調波で短絡点となる。さらに、三次の高調波で１／４波長となる第１の伝送線路６３１によりインピーダンスの極性が反転する。よって、整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスは三次の高調波で開放となる。すなわち、三次の高調波については、入力フィルタで高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる条件（Ｆ級動作の条件）に設定される。さらに、点Ｂは三次の高調波で短絡点となるため、整流素子６２で発生した三次の高調波の入力側への漏洩（再放射）を抑圧できる。なお、第１の伝送線路６３１の一端は、整合回路パターン６の入力端側に形成され、第１の伝送線路６３１の他端は、整合回路パターン６の出力端側に形成されている。

入力フィルタ６３では、整流素子６２で発生した三次の高調波の入力側への漏洩を抑圧できているが、整流素子６２で発生した二次の高調波の入力側への漏洩の対策はできていない。すなわち、入力フィルタ６３では、三次の高調波のみを処理しており二次の高調波の処理は未実施である。二次の高調波の入力側への漏洩（再放射）の抑圧処理は、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための二次の高調波の処理機能と、二次の高調波の入力側への漏洩を抑圧する機能が入力フィルタに必要となる。しかし、実施の形態１に係るレクテナ素子（レクテナ装置）の整流回路では、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための二次の高調波の処理機能は、出力フィルタ６４に機能を持たせ、二次の高調波の入力側への漏洩を抑圧する機能はスロット部４１及びスロット給電用オープンスタブ６１に機能を持たせる構成としている。

前述したとおり、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得る（整流素子６２をＦ級動作させる）には、偶数次の高調波については整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスと出力フィルタ６４をみたインピーダンスは短絡に設定する必要がある。実施の形態１に係るレクテナ素子（レクテナ装置）の整流回路では、出力フィルタ６４により整流素子６２から出力フィルタ６４をみたインピーダンスが二次の高調波で短絡、すなわち整流素子６２が伝送線路６に接続されている点では二次の高調波で短絡に設定されている。そのため、必然的に整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスは二次の高調波で短絡点となる。つまり、入力フィルタ６３においても、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための二次の高調波の処理機能は出力フィルタ６４に同等の機能を持たせることができている。なお、整流素子６２が伝送線路６に接続されている点とは、前述のとおり、入力フィルタ６３と出力フィルタ６４との間における伝送線路６上の点である。

スロット部４１は基本波で１／２波長のため、二次の高調波（偶数次の高調波）はスロット部４１の中点において仮想接地（ＧＮＤ）となる。このため、二次の高調波はスロット部４１を介したアンテナ部２とスロット給電用オープンスタブ６１（給電マイクロストリップライン）とのスロット結合ができず、入力フィルタ６３で二次の高調波の処理を実施しなくても二次の高調波の入力側への漏洩を抑圧することができる。つまり、二次の高調波の入力側への漏洩を抑圧する機能は、スロット部４１及びスロット給電用オープンスタブ６１に持たせることができる。

したがって、入力フィルタ６３にて二次の高調波及び三次の高調波を処理する必要がなく、入力フィルタ６３が三次の高調波処理のみ実施すればよいため、実施の形態１に係るレクテナ素子は、小形な整流回路を容易に得ることができ、その結果として、レクテナ素子の高密度配置が可能となる。

同じく、実施の形態１に係るレクテナ装置は、小形な整流回路を容易に得ることができ、その結果として、レクテナ素子の高密度配置が可能となる。実施の形態１に係るレクテナ装置は、図７に示すように、アンテナ部２、第１の誘電体基板３、導体層４（接地導体層４：（ＧＮＤ））、第２の誘電体基板５（整流回路基板５）、整流回路パターン６（伝送線路６）を有している。アンテナ部２は、アンテナ装置の放射素子であり、第１の誘電体基板３に形成された導体パターン（アンテナパターン）である。図７では、アンテナ部２が円形のパッチの場合を閉めているがこれに限るものではない。また、アンテナ基板１を省略して、アンテナ部２を第１の誘電体基板３に形成してもよい。この場合は、アンテナ基板１と第１の誘電体基板３とが一体ともいえる。

図７に示す第１の誘電体基板３及び第２の誘電体基板５の少なくとも一方を空気層（空間層）にしてもよい。第１の誘電体基板３を空気層（空間層）にする場合は、アンテナ基板１と導体層４との距離を保持する支柱に相当する支持部材を利用すればよい。第２の誘電体基板５を空気層（空間層）にする場合は、伝送線路６（整合回路パターン６）と導体層４との距離を保持する支柱に相当する支持部材を利用すればよい。支持部材が誘電体であれば、アンテナ部２と導体層４との間（導体層４と整合回路パターン６との間）に配置することができる。このような空気層（空間層）と誘電体とを併用した場合や、誘電体のみの場合、空気層（空間層）のみの場合をすべて包含して、第１の誘電体基板３及び第２の誘電体基板５に代えて、第１の誘電層３及び第２の誘電層５と呼んでもよい。

なお、実施の形態１に係るレクテナ素子（レクテナ装置）において、入力フィルタ６３を整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスが奇数次の高調波において開放、かつ偶数次の高調波において短絡に設定されておればよい。一方、出力フィルタ６４を整流素子６２から出力フィルタ６４をみたインピーダンスが基本波及び奇数次の高調波において開放、かつ偶数次の高調波において短絡に設定されておればよい。

実施の形態２．
図８及び図９は、実施の形態２に係るレクテナ素子の構成を示す図である。実施の形態１に係るレクテナ素子と同様の構成に関しては符号も含めて説明は省略する。また、実施の形態２に係るレクテナ装置は、実施の形態１に係るレクテナ装置と整合回路パターン６以外の部分は基本的に同様のため説明は省略する。詳しくは、実施の形態２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）の整流回路は、図６に示す実施の形態１に係るレクテナ素子（レクテナ装置）の整流回路の入力フィルタ６３の構成が異なっている。また、整合回路パターン６以外のレクテナ装置の構成については図７に示す実施の形態１の構成と同様である。

図８は、入力フィルタ６３を含むレクテナ素子を示す構成図である。図８において、入力フィルタ６３は、伝送線路６において伝送線路６の一端と整流素子６２との間で、整合回路６５よりも、整流素子６２寄りに配置され、整流素子６２で生じた三次の高調波及び五次の高調波を抑圧するものである。図中、「λ／４」が１／４波長を意味し、「５ｆ_０」が五次の高調波を意味している。

入力フィルタ６３は、整流素子６２で生じた基本波に対する三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第１の開放側路６３２（第１のオープンスタブ６３２）、及び、整流素子６２で生じた五次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第２の開放側路６３４（第２のオープンスタブ６３４）、並びに、基本波の１／４波長に相当する電気長の第２の伝送線路６３３を有する。入力フィルタ６３の出力端と第２の伝送線路６３３の他端が接続されている。入力フィルタ６３の入力端と第２の伝送線路６３３の一端との間の点Ｄで、第１の開放側路６３２の端部及び第２の開放側路６３４が整合回路パターン６に接続されている。なお、第２の伝送線路６３３の一端は、整合回路パターン６の入力端側に形成され、第２の伝送線路６３３の他端は、整合回路パターン６の出力端側に形成されている。

次に、実施の形態２に係るレクテナ素子の動作について説明する（図８に示すもの）。実施の形態２に係るレクテナ素子では、整流素子６２で発生する高次の高調波のうち、入力フィルタ６３では三次の高調波と五次の高調波について処理をする。具体的には、三次の高調波で１／４波長となる第１の開放側路６３２と五次の高調波で１／４波長となる第２の開放側路６３４により、点Ｄでは三次の高調波及び五次の高調波で短絡点となる。さらに、基本波で１／４波長となる伝送線路６３４により三次の高調波及び五次の高調波のインピーダンスの極性が反転するため、整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスは三次の高調波及び五次の高調波において開放となる。

実施の形態１で説明したとおり、整流回路において、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得る（整流素子６２をＦ級動作させる）には、整流素子６２から入力フィルタ６３をみたインピーダンスを奇数次の高調波で開放とすることがよく、処理する奇数次の高調波が多いほど高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得ることができる。実施の形態２に係るレクテナ素子の入力フィルタ６３では三次の高調波及び五次の高調波を処理している。よって、実施の形態２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）は、実施の形態１に係るレクテナ素子（レクテナ装置）よりも、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる。さらに、実施の形態２に係るレクテナ素子の整流回路は、三次の高調波で１／４波長となる第１の開放側路６３２と五次の高調波で１／４波長となる第２の開放側路６３４により、点Ｄは三次の高調波及び五次の高調波で短絡点となるため、三次の高調波及び五次の高調波の入力側への漏洩（再放射）を抑圧できる利点がある。伝送線路６３３は基本波で１／４波長とするため、実施の形態１に係るレクテナ素子の第１の伝送線路６３１（三次の高調波で１／４波長）よりも、線路長が長くすることで、三次の高調波及び五次の高調波の入力側への漏洩（再放射）を抑圧できる利点があるといえる。

図９は、入力フィルタ６３を含むレクテナ素子を示す構成図である。図９において、入力フィルタ６３は、伝送線路６において伝送線路６の一端と整流素子６２との間で、整合回路６５よりも、整流素子６２寄りに配置され、整流素子６２で生じた三次の高調波、五次の高調波、七次の高調波及び九次の高調波を抑圧するものである。図中、「λ／４」が１／４波長を意味し、「７ｆ_０」が七次の高調波、「９ｆ_０」が九次の高調波を意味している。

図９に示す入力フィルタ６３は、図８に示すものと同様に、入力フィルタ６３が、整流素子６２で生じた基本波に対する三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第１の開放側路６３２（第１のオープンスタブ６３２）、及び、整流素子６２で生じた五次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第２の開放側路６３４（第２のオープンスタブ６３４）、並びに、基本波の１／４波長に相当する電気長の第２の伝送線路６３３を有する。さらに、整流素子６２で生じた基本波に対する七次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第５の開放側路６３６（第３のオープンスタブ６３６）、及び、整流素子６２で生じた九次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第６の開放側路６３５（第４のオープンスタブ６３５）を有する。

入力フィルタ６３の出力端と第２の伝送線路６３３の他端が接続されている。入力フィルタ６３の入力端と第２の伝送線路６３３の一端との間の点Ｄで、第１の開放側路６３２及び第２の開放側路６３４の端部が整合回路パターン６に接続されている。入力フィルタ６３の入力端と第２の伝送線路６３３の一端との間の点Ｅで、第５の開放側路６３６及び第６の開放側路６３５の端部が整合回路パターン６に接続されている。図９において、入力フィルタ６３の入力端と第２の伝送線路６３３の一端との間での点Ｄと点Ｅとの位置関係は、次のとおりである。点Ｄは、点Ｅよりも第２の伝送線路６３３の一端側に設けられている。点Ｅは、点Ｄよりも入力フィルタ６３の入力端側に設けられている。

図９は実施の形態２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）の整流回路の他の構成図である。入力フィルタ６３は、図９に示すように、奇数次の高調波で１／４波長となるオープンスタブを複数設けてもよい。図９では、七次と九次の高調波で１／４波長となるオープンスタブを例示している。入力フィルタ６３において、処理する奇数次の高調波の数を増やすことで、ＲＦ−ＤＣ変換効率を高めることができ、かつ入力側への奇数次の高調波の漏洩（再放射）を抑圧できる。

また、基本波で１／４波長となる第２の伝送線路６３３の線路幅を変えて、整流素子６２の基本波インピーダンスを変換してよい。具体的には、第２の伝送線路６３３の線路幅を変更することで、第２伝送線路６３３の特性インピーダンスを変更させることができる。よって、第２の伝送線路６３３の線路幅を変えることで、整流素子６２の基本波インピーダンスを中間インピーダンスに変更させた後に、整合回路６５で基本波インピーダンスの整合を取る２段整合方式を採用する。このようにすることで、整合回路の製造誤差による整合のずれを緩和することができる。この場合、第２の伝送線路６３３は、整流素子６２の基本波インピーダンスを中間インピーダンスに変更させる、線路の幅で形成されているといえる。

図８及び図９を用いて説明した第１の開放側路６３２、第２の開放側路６３４、第５の開放側路６３６、第６の開放側路６３５は、入力フィルタ６３の入力端から第２の伝送線路６３３の一端までの間であれば、伝送線路６のいずれの位置に接続されていてもよい。つまり、点Ｄや点Ｅは接続の一例である。また、第１の開放側路６３２、第２の開放側路６３４、第５の開放側路６３６、第６の開放側路６３５は、奇数次の高調波の１／４波長に相当する電気長の開放側路といえる。

以上のことから、実施の形態１及び２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）は、高周波信号が伝送される線路であって、線路の一端が開放され、線路の他端から直流を出力する伝送線路６と、伝送線路６を伝送される高周波信号を整流して直流に変換する整流素子６２と、伝送線路６において整流素子６２と伝送線路６の他端との間に配置され、整流素子６２からみたインピーダンスが基本波である高周波信号及び奇数次の高調波に対しては開放、かつ、整流素子６２からみたインピーダンスが偶数次の高調波に対しては短絡である出力フィルタ６４と、伝送線路６において伝送線路６の一端と整流素子６２との間に配置され、整流素子６２からみたインピーダンスが奇数次の高調波に対しては開放である入力フィルタ６３と、伝送線路６の一端との距離が、基本波の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、伝送線路６と結合したスロット部４１とを備え、スロット部４１は、基本波の１／２波長に相当する電気長であり、入力フィルタ６３を介して伝送されてきた、整流素子６２で生じた二次の高調波を抑圧することを特徴とするものといえる。高周波信号が伝送される線路（伝送線路６）への高周波信号の供給は、到来した高周波をアンテナ部２が受電し、スロット部４１を介して行なわれる。

また、実施の形態１及び２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）は、高周波信号が伝送される線路であって、線路の一端が開放され、線路の他端から直流を出力する伝送線路６と、伝送線路６を伝送される高周波信号を整流して直流に変換する整流素子６２と、伝送線路６において整流素子６２と伝送線路６の他端との間に配置され、整流素子６２で生じた高次の高調波、及び、基本波である高周波信号を抑圧する出力フィルタ６４と、伝送線路６において伝送線路６の一端と整流素子６２との間に配置され、整流素子６２で生じた奇数次の高調波を抑圧する入力フィルタ６３と、伝送線路６の一端との距離が、基本波の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、伝送線路６と結合したスロット部４１とを備え、スロット部４１は、基本波の１／２波長に相当する電気長であり、整流素子６２で生じた偶数次の高調波を抑圧することを特徴とするものともいえる。高周波信号が伝送される線路（伝送線路６）への高周波信号の供給は、到来した高周波をアンテナ部２が受電し、スロット部４１を介して行なわれる。

実施の形態１及び２に係るレクテナ素子（レクテナ装置）は、導体層４に設けたスロット部４１と整流回路基板５に備えたスロット給電用オープンスタブ６１により、アンテナ部２で受電した基本波はスロット部４１を介して整流回路にスロット給電することができる。一方、基本波に対する偶数次の高調波は、スロット部４１の中点が仮想接地（ＧＮＤ）となるため、アンテナ部２と整流回路パターン６はスロット部４１を介した結合ができず、その結果、整流素子６２で発生した偶数次の高調波の入力側への漏洩（再放射）を抑圧できる。したがって、入力フィルタ６３には、偶数次の高調波の入力側への再放射抑圧機能は不要となる。さらに、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るための偶数次の高調波の処理機能は出力フィルタ６４で同等の機能を有することができる。入力フィルタ６３は基本に対する奇数次の高調波のみを処理すればよいため、小型な整流回路を得ることができる。

なお、レクテナ素子及びレクテナ装置の動作可能な範囲で、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ アンテナ基板、２ アンテナ部、３ 第１の誘電体基板、４ 導体層、
４１ スロット部、５ 整流回路基板、６整流回路パターン、
６１ スロット給電用オープンスタブ、６２ 整流素子、６３ 入力フィルタ、
６３１ 第１の伝送線路、６３２ 第１の開放側路、６３３ 第２の伝送線路、
６３４ 第２の開放側路、６４ 出力フィルタ、６４１ 第３の伝送線路、
６４２ 第４の開放側路、６４３ 第３の開放側路、６３５ 第６の開放側路、
６３６ 第５の開放側路、６５ 整合回路、６５１ 整合回路の伝送線路、
６５２ 整合回路の開放側路、６６ 平滑化コンデンサ。

Claims (11)

1. 高周波信号が伝送される線路であって、前記線路の一端が開放され、前記線路の他端から直流を出力する伝送線路と、前記伝送線路を伝送される前記高周波信号を整流して直流に変換する整流素子と、前記伝送線路において前記整流素子と前記他端との間に配置され、前記整流素子で生じた高次の高調波のうち、二次及び三次の高調波を抑圧する出力フィルタと、前記伝送線路において前記一端と前記整流素子との間に配置され、前記整流素子で生じた三次の高調波を抑圧する入力フィルタと、前記一端との距離が、基本波である前記高周波信号の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、前記伝送線路と結合したスロット部とを備え、前記スロット部は、前記基本波の１／２波長に相当する電気長であり、前記入力フィルタを介して伝送されてきた、前記整流素子で生じた二次の高調波を抑圧することを特徴とするレクテナ素子。
2. 前記入力フィルタは、前記整流素子で生じた三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の、第１の伝送線路及び第１の開放側路を有することを特徴とする請求項１に記載のレクテナ素子。
3. 前記入力フィルタは、前記整流素子で生じた三次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第１の開放側路、及び、前記整流素子で生じた五次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第２の開放側路、並びに、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の第２の伝送線路を有することを特徴とする請求項１に記載のレクテナ素子。
4. 前記入力フィルタは、前記整流素子で生じた五次の高調波を抑圧することを特徴とする請求項３に記載のレクテナ素子。
5. 前記第２の伝送線路は、前記整流素子の基本波インピーダンスを中間インピーダンスに変更させる、線路の幅で形成された請求項３又は請求項４に記載のレクテナ素子。
6. 前記出力フィルタは、前記整流素子で生じた二次の高調波の１／４波長に相当する電気長の第３の開放側路、及び、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の第４の開放側路、並びに、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の第３の伝送線路を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレクテナ素子。
7. 高周波信号が伝送される線路であって、前記線路の一端が開放され、前記線路の他端から直流を出力する伝送線路と、前記伝送線路を伝送される前記高周波信号を整流して直流に変換する整流素子と、前記伝送線路において前記整流素子と前記他端との間に配置され、前記整流素子からみたインピーダンスが基本波である前記高周波信号及び奇数次の高調波に対しては開放、かつ、前記整流素子からみたインピーダンスが偶数次の高調波に対しては短絡である出力フィルタと、前記伝送線路において前記一端と前記整流素子との間に配置され、前記整流素子からみたインピーダンスが奇数次の高調波に対しては開放である入力フィルタと、前記一端との距離が、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、前記伝送線路と結合したスロット部とを備え、前記スロット部は、前記基本波の１／２波長に相当する電気長であり、前記入力フィルタを介して伝送されてきた、前記整流素子で生じた二次の高調波を抑圧することを特徴とするレクテナ素子。
8. 高周波信号が伝送される線路であって、前記線路の一端が開放され、前記線路の他端から直流を出力する伝送線路と、前記伝送線路を伝送される前記高周波信号を整流して直流に変換する整流素子と、前記伝送線路において前記整流素子と前記他端との間に配置され、前記整流素子で生じた高次の高調波、及び、基本波である前記高周波信号を抑圧する出力フィルタと、前記伝送線路において前記一端と前記整流素子との間に配置され、前記整流素子で生じた奇数次の高調波を抑圧する入力フィルタと、前記一端との距離が、前記基本波の１／４波長に相当する電気長の位置における部分と交差して対向し、前記伝送線路と結合したスロット部とを備え、前記スロット部は、前記基本波の１／２波長に相当する電気長であり、前記整流素子で生じた偶数次の高調波を抑圧することを特徴とするレクテナ素子。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレクテナ素子に、前記伝送線路に対して反対側において前記スロットと対向したアンテナ部をさらに備えたことを特徴とするレクテナ装置。
10. 前記アンテナ部と前記スロット部との間に形成された第１の誘電層と、前記スロット部と前記伝送線路との間に形成された第２の誘電層とをさらに備えた請求項９に記載のレクテナ装置。
11. 前記スロット部は、前記アンテナ部と前記伝送線路との間に形成された導体層に形成された開口である請求項９又は請求項１０に記載のレクテナ装置。

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