JP7041859B2 - レクテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を介して電力を受電するレクテナ装置に関する。

地上や空中の送電機から伝送されるマイクロ波等の高周波電力を、飛行機、自動車、船等の移動体で受電することで電力を得るためにレクテナ装置が用いられる。

特に、飛翔体の駆動時間を長期化するためには、搭載するバッテリの容量を大きくすることは有効であるが、それに伴ってバッテリの重量も増加するため、根本的な解決手段とはならない。また、バッテリを回路に接続するために接続部が必須であるため、この接続部が故障要因となって、無人運用システムにおいて信頼性を高める際の課題となっている。

無人運用システムに適した充電システムとして、例えば非特許文献１には、アラミドハニカム材を基板及び構造部材として用い、パッチアンテナの背面の直近に整流回路を設けた表裏一体構造のレクテナ装置が示されている。このようなマイクロ波電力伝送技術を用いれば、接続部が不要なワイヤレス給電システムが構成できる。

また、非特許文献２には、平衡二線構成のマイクロストリップアンテナとマイクロストリップ線路を用いたレクテナ装置が示されている。

また、特許文献１には、レクテナとして用いることのできる円形マイクロストリップ構成のアンテナが示されている。

特開２００３－７８３３８号公報

小澤、田中「マイクロ波電力伝送技術の電動飛行機への適用」IHI 技報 Vol.55 No.1( 2015 ) "RectennaTechnology Program: Ultra Light 2.45 GHz Rectenna and 20 GHz Rectenna", byWilliam C. Brown, Prepared for National Aeronautics and Space Administration,NASA Lewis Research Center, Contract NAS3-22764.

非特許文献１に示されているマイクロ波電力伝送技術によれば、5.8GHz帯で動作するレクテナとしては質量－出力電力比が非常に軽い1g/Wが得られる。

しかし、このような従来検討されているレクテナ装置は、地上で利用する装置と断面構造が基本的に同じであり、飛翔体に適用するために、その構成材料を軽量化しようとするものであった。つまり、飛翔体用途に適した放熱性が高く軽量なものは未だ提供されていない。例えば、特許文献１に示されているマイクロストリップ構成のレクテナ装置の場合は、アンテナと整流回路とを個別の基板で構成しているため、［アンテナ基板］－［接着シート］－［ハニカム基板］－［接着シート］－［回路基板］、という多層構造となる。この場合、アンテナの軽量化のためにハニカム構造材を用いるが、誘電体基板との接着のために接着シートが必要であるため、重量が増加し、製作工程が煩雑になるという課題がある。また、放熱性の面では、整流回路の損失により生じる熱を放熱する整流回路のグランド板がレクテナの断面における中間位置にあるため放熱性が悪い。さらに、軽量化のために整流回路基板を薄くすると、マイクロストリップ線路の導体損失が増加し、出力が低下するという課題もある。

また、非特許文献２に示される平衡二線構成ではアンテナと整流回路とを同一面に構成できるが、導体面積が小さいため、やはり放熱性に適さない、という課題がある。

このように、軽量で、かつ放熱性が高く、製造が容易なレクテナ装置は未だ提供されていない。

そこで、本発明の目的は、軽量で、かつ放熱性が高く、製造が容易なレクテナ装置を提供することにある。

本発明のレクテナ装置は、
第１誘電体層と、この第１誘電体層に接する第１導体層と、第２誘電体層を介して第１誘電体層から平行に離間する第２導体層と、を備える。そして、第１導体層は、主線路とグランド導体パターンとで構成されるコプレーナ導波路と、主線路に接続されたコプレーナ導波路給電パッチアンテナと、主線路に接続された入力フィルタパターン及び出力フィルタパターンと、を有し、第１導体層の表面に、入力フィルタパターンと出力フィルタパターンとの間で、主線路とグランド導体パターンとの間に繋がる整流素子が設けられている。

従来のマイクロストリップ構造では誘電体基板の薄型化に伴って伝送損失が増加するが、上記構造では、主線路と、この主線路に繋がる回路とがコプレーナ導波路構造となるため、損失とは無関係に、薄型化による軽量化が可能となる。また、従来のマイクロストリップアンテナと整流回路との貼り付け構造では、放熱面が外気接触面から複数層に亘って内部に位置する構造であるのに対し、上記構造では、コプレーナ導波路の主線路及びグランド導体パターンが外気に接する面に配置されるため、放熱効率が非常に高い。

本発明によれば、軽量で、かつ高い放熱性を備えることで、質量－出力電力比の高いレクテナ装置が得られる。また、構造が簡素であるので、製造が容易なレクテナ装置が得られる。また、質量－出力電力比の高いレクテナ装置を備えることで、例えば飛翔体の全質量に対する受電部の質量比が小さくなるので、飛翔体への他の搭載物の重量比を高めることができる。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係るレクテナ装置１００の平面図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態に係るレクテナ装置１００のアンテナ部の平面図であり、図２（Ｂ）はその部分の断面図である。 図３は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、に示したレクテナ装置１００を機能別にブロック化して表した構成図である。 図４は、アレイ配置された複数のレクテナを備えるレクテナ装置のブロック図である。 図５は、アレイ配置された複数のレクテナを備えるシステムのブロック図である。 図６は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置１０１の平面図である。 図７は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置１０２の平面図である。 図８は、パッチアンテナと主線路との接続構造が図６に示したものとは異なるレクテナ装置１０３の平面図である。 図９は、パッチアンテナと主線路との接続構造が図７に示したものとは異なるレクテナ装置１０４の平面図である。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係るレクテナ装置１００の平面図、図１（Ｂ）はその断面図である。

レクテナ装置１００は、第１回路基板１０と、第２回路基板２０と、スペーサ３１とを備える。

第１回路基板１０は、絶縁体基材１１に銅箔１２が張り合わされたものであり、例えばガラス・エポキシ基板（ＦＲ－４基板）である。銅箔１２は、後述する所定のパターンにパターンニングされている。

第２回路基板２０は、絶縁体基材２１に銅箔２２が張り合わされたものであり、例えばガラス・エポキシ基板（ＦＲ－４基板）である。銅箔２２には特別なパターンニングは施されていない。つまり全面銅箔である。

スペーサ３１は、第１回路基板１０と第２回路基板２０との間に一定間隔で平行に保って、空隙３０を確保する。このスペーサ３１は、第１回路基板１０と第２回路基板２０との間に挟まれる、桟状又は枠状の低誘電率の絶縁体材で構成される。

上記第１回路基板１０の絶縁体基材１１は本発明の「第１誘電体層」に相当し、第１回路基板１０の銅箔１２は本発明の「第１導体層」に相当する。また、第２回路基板２０の銅箔２２は本発明の「第２導体層」に相当する。上記空隙３０は本発明の「第２誘電体層」に相当する。

図１（Ａ）に表れているように、第１回路基板１０の銅箔１２には、主線路ＳＬとグランド導体パターンＧＮＤとでコプレーナ導波路が構成されている。また、銅箔１２には、４５度方向に対向するノッチＮを有する円形のパッチＰが形成されている。主線路ＳＬはパッチＰに接続されている。このパッチＰと、グランド導体パターンＧＮＤと、絶縁体基材１１及び空隙３０と、によって、コプレーナ導波路（Coplanar waveguide）給電パッチアンテナＰＡが構成されている。このコプレーナ導波路給電パッチアンテナ（以下、単に「パッチアンテナ」と言う。）ＰＡの作用については後に詳述する。

主線路ＳＬには入力フィルタパターンＦ１及び出力フィルタパターンＦ２が接続されている。入力フィルタパターンＦ１は、主線路ＳＬから直交方向に突出するスタブＳＴ１１，ＳＴ１２で構成されている。また、出力フィルタパターンＦ２は、主線路ＳＬから直交方向に突出するスタブＳＴ２１，ＳＴ２２で構成されている。これらスタブＳＴ１１，ＳＴ１２，ＳＴ２１，ＳＴ２２はいずれも１／４波長開放スタブである。

第１回路基板１０の表面には、入力フィルタパターンＦ１と出力フィルタパターンＦ２との間で、主線路ＳＬとグランド導体パターンＧＮＤとの間に繋がる整流素子３が実装されている。この整流素子３は例えばショットキーバリアダイオードである。

レクテナ装置１００は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す方向で上面から入射する電磁波を受ける。その際、第２導体層としての銅箔２２は、上面から受けた電磁波を上面方向に反射させ、パッチアンテナＰＡの利得を高める。空隙３０が大きいほど、アンテナの体積が大きくなるので、アンテナの利得は高まる。レクテナ装置１００全体におけるスペーサ３１の重量割合は小さいので、空隙３０を大きくするためにスペーサ３１を大きくしても、レクテナ装置１００全体の重量増加は小さい。

図２（Ａ）は、上記パッチアンテナＰＡ部分の平面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＢ－Ｂ部分の断面図である。

図２（Ｂ）に示すように、パッチＰとグランド導体パターンＧＮＤとの間隙をGap、パッチＰと対向するグランド導体パターンＧＮＤとの間隔をd、でそれぞれ表すと、
上記間隔dが約0.03波長であるとき、概略Gap > 2d であれば、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）として作用する。また、パッチＰに対向するグランド導体パターンＧＮＤが無ければ無指向性のスロットアンテナ（Folded dipole）として作用する。

本実施形態では、コプレーナ導波路の特長を維持しつつアンテナ放射効率を高めるために、間隔dを約0.25波長として、G << d とする。動作としてはスロットアンテナに近いと想定されるが、ここでは「コプレーナ導波路からの給電によるパッチ形状の放射素子を持つアンテナ」という意味で「コプレーナ導波路給電パッチアンテナ」という。

図３は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、に示したレクテナ装置１００を機能別にブロック化して表した構成図である。パッチアンテナＰＡによるアンテナと直流負荷との間に、入力フィルタパターンＦ１による入力フィルタ、整流素子３、及び出力フィルタパターンＦ２による出力フィルタが縦続接続されている。

入力フィルタＦ１は受電周波数（送電機から伝送される電磁波の周波数）のみ通過する低域通過フィルタや帯域通過フィルタである。この入力フィルタＦ１の作用は次のとおりである。

・整流素子３の非線形な電圧－電流特性によって発生される高調波を遮断し、パッチアンテナＰＡからの高調波の再放射を抑止する。

・パッチアンテナＰＡと整流素子３とのインピーダンスを整合させる。

つまり、整流素子３から入力フィルタＦ１側をみたインピーダンスは、受電周波数においてパッチアンテナＰＡのインピーダンスであり、受電周波数の高調波周波数において実質的に開放である。

出力フィルタＦ２は直流成分のみ通過する低域通過フィルタや帯域阻止フィルタである。この出力フィルタＦ２の作用は次のとおりである。

・直流負荷側への受電周波数成分及びその高調波成分を遮断する。

・整流素子３と直流負荷とのインピーダンスを整合させる。

つまり、整流素子３から出力フィルタＦ２側をみたインピーダンスは、直流において直流負荷のインピーダンスであり、受電周波数の偶数次高調波周波数において実質的にショート、受電周波数の奇数次高調波周波数において実質的に開放である。

整流素子３は入力フィルタＦ１と出力フィルタＦ２との間に設けられている。整流素子３と出力フィルタＦ２との間隔はＲＦ信号の基本周波数で１／４波長又はその付近に相当する長さである。入力されるＲＦ信号の基本波は出力フィルタで全反射され、整流素子３の接続位置で定在波が腹となる。また、整流素子３から出力フィルタ側を見たインピーダンスが３ｆ，５ｆ，…の奇数次高調波に対してはオープン、２ｆ，４ｆ，…の偶数次高調波に対してはショートに見えることで、その高調波の合成により整流素子３に半波倍電流が流れ、倍電圧整流動作する。

なお、第２回路基板２０は、第２導体層としての銅箔２２を保持するために用いているだけである。銅箔２２は絶縁体基材２１の下面側にあってもよい。また、第２回路基板２０に代えて、反射板として作用する金属メッシュや金属箔を設けてもよい。

ここで、比較例のレクテナ装置と対比して本実施形態のレクテナ装置の特長を列挙する。比較例のレクテナ装置は、伝送路がマイクロストリップライン構造のレクテナを備えるものである。

［特性インピーダンスの主要パラメータ］
比較例のレクテナ装置では、主線路と、この主線路の反対面に形成されたグランド導体パターンとの間に生じる容量が特性インピーダンスを定める主要パラメータである。そのため、誘電体層の厚みを任意に薄くすることはできない。これに対し、本実施形態のレクテナ装置では、主線路ＳＬと、この主線路ＳＬと同一面にあるグランド導体パターンＧＮＤとの間に生じる容量が特性インピーダンスを定める主要パラメータであって、誘電体層の厚みには影響を受けないので、全体に薄型化できる。

［５０Ω線路幅の計算例］
誘電体層の厚みを0.1mm、誘電体層の比誘電率を3.2、導体パターン（銅箔）の厚みを18μmとすると、比較例のレクテナ装置では、５０Ω線路を構成するために主線路の幅は0.22mmとなるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、主線路とグランド導体パターン間の間隙を0.15mmとすれば、主線路の線幅は3mmとなる。このように、主線路の線幅を大きくできる。つまり、誘電体基板の厚みを薄くする場合、マイクロストリップラインでは線路幅も細くなって導体損失の増加を招くが、コプレーナ導波路では、主線路とグランド導体パターンとの間隙の調整によって線路幅をより広く定められるため、マイクロストリップラインと比較して低損失な回路を構成できる。

［整流回路の配置］
比較例のレクテナ装置では、アンテナが形成された基板と、整流回路が構成された基板とを貼り合せるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、基板の放熱面であるアンテナ形成面に整流回路を一体的に構成するので、全体の薄型化・軽量化が図れる。

［グランド導体パターンの配置］
比較例のレクテナ装置では、多層基板の中心部にグランド導体パターンが配置されるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、基板の、外気に接する放熱面であるアンテナ形成面にグランド導体パターンが形成されるので、放熱性が高まる。つまり、コプレーナ導波路の導体損失や、入力フィルタパターンＦ１、出力フィルタパターンＦ２及び整流素子３による整流回路での損失によって熱が発生するが、これらの発熱部は外気に晒されているので、放熱効率が非常に高い。また、ハニカム構造材を用いたり、誘電体基板との接着のために接着シートを用いたりする必要がないため、全体に軽量化され、製造も容易となる。

［整流素子接続構造］
比較例のレクテナ装置では、整流素子をグランド導体パターンに接続するためにスルーホールを設ける必要があるのに対し、本実施形態のレクテナ装置ではスルーホールは不要である。

次に、複数のレクテナを備えるレクテナ装置の例について示す。

図４は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置のブロック図である。図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、レクテナ装置の一つの単位について示したが、図４に示すように、複数のレクテナ装置の整流回路の出力を接続することでレクテナアレイシステムを構成する。

図４において、レクテナの整流回路出力を複数個並列接続したものを複数組構成し、この複数組を直列接続してレクテナ制御回路に接続している。レクテナ制御回路は、各レクテナが最も高い効率で動作するように、レクテナ制御回路の入力インピーダンスを制御する。

図５は、アレイ配置された複数のレクテナを備えるシステムのブロック図である。図４に示した例とは異なり、レクテナの整流回路出力を複数個直列接続したものを複数組構成し、この複数組を並列接続したものである。

このように、複数のレクテナをどのように接続するかは種々であるが、各レクテナが最も高い効率で動作するように、接続構造を適宜定めればよい。

図６は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置１０１の平面図である。断面図については図示を省略しているが、基本的な構造は図１（Ｂ）に示したとおりである。

レクテナ装置１０１においては、第１回路基板１０の上面に形成された主線路ＳＬとグランド導体パターンＧＮＤとでコプレーナ導波路が構成されている。また、レクテナ装置１０１は、円形のパッチＰとグランド導体パターンＧＮＤと、パッチＰと対向するグランド導体パターンとを含む、複数のコプレーナ導波路給電パッチアンテナＰＡが構成されている。

主線路ＳＬには入力フィルタパターンＦ１及び出力フィルタパターンＦ２が接続されている。入力フィルタパターンＦ１は、主線路ＳＬから直交方向に突出するスタブＳＴ１１，ＳＴ１２，ＳＴ１３，ＳＴ１４で構成されている。また、出力フィルタパターンＦ２は、主線路ＳＬから直交方向に突出するスタブＳＴ２１，ＳＴ２２で構成されている。

第１回路基板１０の表面には、入力フィルタパターンＦ１と出力フィルタパターンＦ２との間で、主線路ＳＬとグランド導体パターンＧＮＤとの間に繋がる整流素子３が実装されている。

上記パッチアンテナＰＡ、入力フィルタパターンＦ１、整流素子３、及び出力フィルタパターンＦ２によって一つのレクテナが構成されている。受電周波数（基本波）の短絡点である出力フィルタＦ２と、隣接するパッチアンテナＰＡのパッチＰとの間の電気長Ｌは1/4波長となるように設計されている。このことで、上記隣接するパッチアンテナＰＡから出力フィルタＦ２側を見込むインピーダンスは無限大（開放）となる。したがって、コプレーナ導波路への直流電圧の重畳が可能となる。

このようにして、レクテナの出力フィルタＦ２の出力を、隣接するレクテナのパッチＰに接続することでレクテナを直列接続することができる。

各レクテナの出力は、第１回路基板１０の端部等に設けられたＤＣバスラインＢｕｓへ接続される。図６に示す範囲では、直列接続された２つのレクテナがＤＣバスラインＢｕｓに並列接続されている。

なお、例えばチップキャパシタを実装することなく、開放スタブによって整流電圧が平滑されるように構成することで、低損失で電力変換効率の高いレクテナが構成される。また、実質的に放熱面側に形成された導体パターンのみで構成されるため、より軽量、薄型のレクテナ装置が構成される。さらに、チップキャパシタ及びその半田付けが不要であるので、コスト、製作性、信頼性の面でも優れる。

このようにして、複数のレクテナが二次元平面にアレイ化されたレクテナ装置が構成できる。

図７は、パッチアンテナの構造が図６に示したものとは異なるレクテナ装置１０２の平面図である。このレクテナ装置１０２が備えるパッチアンテナＰＡは、方形状のパッチＰを備える直線偏波のコプレーナ導波路給電パッチアンテナである。その他の構成は図６に示したレクテナ装置１０１と同様である。このレクテナ装置１０２における偏波方向は第１回路基板１０の短辺方向である。このように、直線偏波のパッチアンテナを備えるレクテナ装置についても同様にアレイ化できる。

図８は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置１０３の平面図である。図６に示したレクテナ装置１０１とは、パッチアンテナと主線路との接続構造が異なる。図８に示す例では、連続する主線路ＳＬの所定位置から複数のパッチアンテナＰＡが引き出されている。つまり、いずれのパッチアンテナＰＡについても、各パッチＰから引き出された給電線路が主線路ＳＬに接続されている。

上記パッチアンテナＰＡ、入力フィルタパターンＦ１、整流素子３、及び出力フィルタパターンＦ２によって一つのレクテナが構成されている。受電周波数（基本波）の短絡点である出力フィルタＦ２と、隣接するパッチアンテナＰＡのパッチＰの主線路ＳＬへの接続部との間の電気長Ｌは1/4波長となるように設計されている。このことで、上記隣接するパッチアンテナＰＡの給電線路から出力フィルタＦ２側を見込むインピーダンスは無限大（開放）となる。その他の構成は図６に示したレクテナ装置１０１と同様である。

図９は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置１０４の平面図である。図７に示したレクテナ装置１０２とは、パッチアンテナと主線路との接続構造が異なる。図９に示す例では、連続する主線路ＳＬの所定位置から複数のパッチアンテナＰＡが引き出されている。このレクテナ装置１０４が備えるパッチアンテナＰＡは、方形状のパッチＰを備える直線偏波のコプレーナ導波路給電パッチアンテナである。このレクテナ装置１０４における偏波方向は第１回路基板１０の短辺方向である。このように、直線偏波のパッチアンテナを備えるレクテナ装置についても同様にアレイ化できる。

図８に示したレクテナ装置１０３及び図９に示したレクテナ装置１０４では、パッチＰの放射部に主線路ＳＬが接続されないので、パッチＰに対する主線路ＳＬの接続によるアンテナ特性の影響が少ない。そのため、汎用的な設計が可能となる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。例えば、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示した例において、第１回路基板１０と第２回路基板２０との間を、比重量の小さな発泡性の樹脂シートで埋めてもよい。また、第２回路基板２０を用いないで、上記発泡性の樹脂シートの下面に第２導体層としての銅箔を貼付してもよい。さらに、樹脂シートを設けることなく、金属メッシュや金属箔を設けてもよい。

Ｂｕｓ…ＤＣバスライン
Ｆ１…入力フィルタパターン
Ｆ２…出力フィルタパターン
ＧＮＤ…グランド導体パターン
Ｎ…ノッチ
Ｐ…パッチ
ＰＡ…コプレーナ導波路給電パッチアンテナ
ＳＬ…主線路
ＳＴ１１，ＳＴ１２，ＳＴ１３，ＳＴ１４…スタブ
ＳＴ２１，ＳＴ２２…スタブ
３…整流素子
１０…第１回路基板
１１…絶縁体基材（第１誘電体層）
１２…銅箔（第１導体層）
２０…第２回路基板
２１…絶縁体基材
２２…銅箔（第２導体層）
３０…空隙（第２誘電体層）
３１…スペーサ
１００～１０４…レクテナ装置

Claims (4)

1. 第１誘電体層と、当該第１誘電体層に接する第１導体層と、空隙である第２誘電体層を介して前記第１誘電体層から平行に離間する第２導体層と、を備え、
   前記第１導体層は、主線路とグランド導体パターンとで構成されるコプレーナ導波路と、前記主線路に接続されたコプレーナ導波路給電パッチアンテナと、前記主線路に接続された入力フィルタパターン及び出力フィルタパターンと、を有し、
   前記第１導体層の表面に、前記入力フィルタパターンと前記出力フィルタパターンとの間で、前記主線路と前記グランド導体パターンとの間に繋がる整流素子が設けられ、
   前記コプレーナ導波路給電パッチアンテナのパッチと前記グランド導体パターンとの間隙は、前記パッチと前記パッチに対向する前記第２導体層との間隔より小さく、
   前記パッチと前記パッチに対向する前記第２導体層との間隔は四分の一実効波長である、
   ことを特徴とするレクテナ装置。
2. 前記第１誘電体層は第１回路基板の絶縁体基材であり、前記第１導体層は前記第１回路基板の銅箔である、請求項１に記載のレクテナ装置。
3. 前記第２導体層は第２回路基板の銅箔である、請求項２に記載のレクテナ装置。
4. 前記第１誘電体層と前記第２導体層との間隔を保持するスペーサを備える、請求項１から３のいずれかに記載のレクテナ装置。

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