JP7742633B2 - ループアンテナを用いたレクテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はループアンテナを用いたレクテナ装置に関し、特にループアンテナの小型化に係る。

レクテナは高周波の電波をアンテナで受信し、整流器にて直流電力に変換する機能を有している。
例えば非特許文献１には、誘導性の高インピーダンスの微小ループアンテナと容量性インピーダンスを有する整流器と共振動作させるレクテナが開示されている。
しかし、この技術は整流器に印加されるＲＦ電圧を高め、μＷレベルの微細な電波での高効率化を図ったものであり、近年、ＩｏＴの分野にて検討されている９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機にて、数ｍの受電距離でのｓｕｂ－ｍＷのレベルの高電力を得ようとすると、ループアンテナが大型化し、さらなる改善の余地があった。

Shinichiro Tsujita, Naoki Sakai, Kenji Itoh, et.al. " 920MHz band high sensitive rectenna with a small loop antenna" 2019 Asia Pacific Microwave Conference

本発明は、従来よりも大きな受電電力に適用できる小型な形状を有する微小ループアンテナを用いたルクテナ装置の提供を目的とする。

本発明に係るレクテナ装置は、ループアンテナと、前記ループアンテナの出力部に直列接続したインピーダンス変成キャパシタを有し、前記インピーダンス変成キャパシタを介して整流器に接続してあることを特徴とする。
ここで、前記インピーダンス変成キャパシタと表現したのは、前記整流器のキャパシタンスよりも容量が小さく、従来のＤＣカット用とは異なるとの趣旨である。
本発明において、ループアンテナとはアンテナをループ形状にしたものをいい、ループ形状は円形状に限らず、楕円形状，角形状（四角形，多角形）等、ループが形成されていればよい。

本発明に係るレクテナは、小型の高インピーダンスアンテナであっても出力部にキャパシタ（インピーダンス変成キャパシタ）を直列接続することで整流器からみると、低インピーダンスアンテナとして動作させることができ、例えば９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機に対して０．１～１０ｍＷレベルの直流電力が得られる。
これにより、ＩｏＴの分野にて用いられているセンサ類の電源やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のような送信機を作動させるための充電電源等に適用できる。
また、ループ状の小型アンテナにすることができるので、形状の変形にも追随できる。

本発明に係るレクテナの構成例を示す。 本発明に係るレクテナの作用説明図を示す。 本発明に係るレクテナの実施例１を示す。 実施例１と比較例の比較を示し、（ａ）は整流効率，（ｂ）は出力電圧を示す。 ループアンテナの構成例を示し、（ａ）は表面基板，（ｂ）は基板裏面を透視図で示す。 （ａ），（ｂ）に整流器の例を示す。 レクテナの使用例を示す。 比較例の構成例を示す。 レクテナの動作原理を示す。 比較例のループアンテナを示す。

現在、９２０ＭＨｚ帯，２．４ＧＨｚ帯及び、５．７ＧＨｚ帯を用いた無線電力伝送システムの実用化が検討されている。
９２０ＭＨｚ帯は、ＷｉＦｉ等に使用されている２．４ＧＨｚ帯よりも通信距離が長いため、スマートメータ等の各種センサ類、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）等のエネルギー管理システムに用いられるモニター類等のバッテリレス化の手段としてレクテナが検討されている。
例えば、図７にその概念図を示す。
９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機から発信される９２０ＭＨｚ帯電波をレクテナにより直流電力に変換し、センサ類の電源に用いたり、情報をインターネット上に発信するために用いるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ用バッテリーの充電電源等に用いることができる。

前述した非特許文献１には、誘導性の高インピーダンスを有する微小ループアンテナと低閾値である４０ｎｍ ＳＯＩ－ＣＭＯＳからなる容量性の整流器の組み合せからなるレクテナを開示する。
その等価回路と回路図を図８に示す。
ここで、Ｓｍａｌｌ ｌｏｏｐ ａｎｔｅｎａ（微小ループアンテナ）は、幅Ｗ：５ｍｍ，外径φ：２０ｍｍであり、アンテナのインピーダンスＲ_０は２７ｋΩに設定され、入力電力は－２５ｄＢｍ（３．２μＷ）で動作している。

この動作原理を図９に基づいて説明する。
誘導性の微小ループアンテナと容量性の整流器全体で角周波数ω_０で共振させ、整流器に加わるＲＦ電圧Ｖ_ｒｆを高めることで、微弱な電波での高効率動作を図っている。
なお、図８に示した設計では、受電電力－３０ｄＢｍ時に整流効率２５％，出力電圧０．３５Ｖとなっている。
ここで、ＲＦ電圧Ｖ_ｒｆは、ダイオードの閾値より十分高く、ブレークダウン電圧以下となるように設定され、アンテナの受電電力をＰ_ｒｆとすると、Ｖ_ｒｆは下記の式で示した関係がある。
Ｖ_ｒｆ：ＲＦ電圧
Ｒ_０：共振時のインピーダンス
Ｐ_ｒｆ：受電電力
ω_０：共振角周波数
Ｌ_ａ：アンテナインダクタンス
Ｒ_ａ：アンンテナ抵抗
Ｃ_ａ：寄生キャパシタンス
Ｃ_ｒ：整流器の入力キャパシタンス
Ｒ_ｒ：整流器の抵抗

適切なＶ_ｒｆは、整流器に用いられるダイオードにより決まるので、Ｐ_ｒｆを大きな電力にするには、上記式（１）より共振時のインピーダンスＲ_０を小さくする必要がある。
そのためには、上記式（２）よりアンテナインダクタンスＬ_ａを小さくする必要がある。
また、アンテナリアクタンスＸ_ａは、Ｃ_ｒと共役であり、Ｒ_０に関わらず一定である。
よって、低いアンテナインダクタンスＬａにするには、寄生キャパシタンスＣａを大きくする必要がある。

以上の観点から、本発明に係るレクテナの構成は、図１に示すように微小ループアンテナ１１に直列にインピーダンス変成キャパシタＣ_ｓを接続したものである。
ここで、インピーダンス変成キャパシタにおいて、２つのＣ_ｓの合成容量は、整流器のキャパシタンスＣ_ｒよりも小さい。
また、従来のレクテナに用いられるＤＣカット用キャパシタの容量はＣ_ｓよりも十分に大きく、Ｃ_ｒよりも大きい。
本発明におけるインピーダンス変成キャパシタは、ＤＣカットキャパシタと作用が相違する。

本発明におけるインピーダンス変成キャパシタＣ_ｓの作用を図２を用いて説明する。
微小ループアンテナの出力ＲＦ電圧Ｖ_ｃがインピーダンス変成キャパシタＣ_ｓにより分圧され、整流器にはＲＦ電圧Ｖ_ｒが印加されることになる。
分圧比をｎとすると、Ｃ_ｓ＝２Ｃ_ｒ／（ｎ－１），｜Ｖ_ｒ｜＝｜Ｖ_ｃ｜／ｎであるから、分圧比ｎを高くすると、低Ｃ_ｓとなる。
図２に示すように共振時の等価回路では、アンテナインダクタンスＬ_ａと、Ｃ_ｓ及びＣ_ｒの合成容量が打ち消し合うことになり、等価回路的には理想的なインピーダンス変成器（トランス）を介した構成になる。
したがって、整流器から見たアンテナの共振インピーダンスＲ_０を１／ｎ^２と低インピーダンスにできることになる。

図３に実施例１として、ループアンテナ１１にＣ_ｓ＝０．３ｐＦのキャパシタを直列に接続することで、共振インピーダンスＲ_０＝４ｋΩに設計した例を示す。
ループアンテナの幅Ｗ：２．０ｍｍ，外径φ：２０．５ｍｍとなった。
これに対して非特許文献１に基づいて、共振インピーダンスが同等になるように設計すると、図１０に示すように比較例はアンテナ幅Ｗ：２０．０ｍｍ，外径φ：３０．０ｍｍの大きな形状になった。
これらの整流効率及び出力電圧を比較したグラフを図４に示す。
入力電力－１０ｄＢｍ時の整流効率を比較すると、本発明（実施例１）３４％，比較例３７％でほぼ同等であるのに、ループアンテナは比較例よりも外径が３０．０ｍｍから２０．５ｍｍに小さくなり、アンテナ幅が２０．０ｍｍから２．０ｍｍと約１／１０になっている。

本発明に係るループアンテナにおいて、アンテナの出力部にキャパシタを導入する方法として、図５に示すように基板表面（ａ）にループアンテナ１１をパターニングし、その出力部１１ａ，１１ａと対応する基板の裏面にアインテナ給電点１１ｂ，１１ｂを設けることで、キャパシタを導入してもよい。
また、整流器の構成に限定はなく、比較例として図８にて説明したＣＭＯＳ整流回路、図６（ａ）に示した倍電圧回路による平衡型、（ｂ）に示したブリッジ型等が例として挙げられる。

１１ ループアンテナ
１２ａ インピーダンス変成キャパシタ

Claims (1)

1. ループアンテナと、前記ループアンテナの２つの出力端子のそれぞれに直列接続したインピーダンス変成キャパシタを２つ有し、
   前記２つのインピーダンス変成キャパシタは等しいキャパシタンスを有し、
   前記２つのインピーダンス変成キャパシタを介して平衡型整流器に接続してあり、
   前記２つのインピーダンス変成キャパシタの直列合成したキャパシタンス値は、前記平衡型整流器の入力キャパシタンスよりも容量が小さいことを特徴とするレクテナ装置。