JP2007517483A - エネルギー獲得回路 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
無線周波数(RF)エネルギーを獲得することは、無線周波数の識別(RFID)、安全の監視、及び遠隔感知にとって非常に大切である。様々の用途には、幾つかの獲得装置のように特定の周波数(RFID)に同調されるものがあり、他には周囲のエネルギーを利用し(遠隔感知)、及び安全の目的から単に周波数を感知するものがある。
自由空間に放射されたRF電磁気界を用いる再充電装置は、発明の名称が”無線でパワー供給し再充電する方法及び装置”である米国特許第6,127,799号に記載されている。該特許では再充電可能な充電格納装置がRF、即ちマイクロ波放射界に設置されたバッテリー充電構成を開示している。発明の一態様に於いて、充電格納装置は、自由空間内に放射されるRF電磁気界に晒されることによって充電される。充電格納装置は、該装置上に配置されて、放射されたRF電磁気界を受信するのに適した1又は2以上のアンテナを有する。1又は2以上の整流器がアンテナに接続されて、受信したRF電磁気界を直流出力電流に整流する。整流器によって生成される直流出力電流は、充電格納装置を充電するのに用いられる。
発明の名称が”エネルギー獲得回路及び関連した方法”で、発明者がミックル他の米国出願第10/624,051号は、最初から同調されたエネルギー獲得回路を開示し、該エネルギー獲得回路の少なくとも一部はアンテナに帰還を掛けるように構成されて、それによって物理的な領域よりも実質的に大きな有効アンテナ領域を確立している。
しかし、有効にエネルギーを獲得するアンテナは、これらの通信アンテナとは異なる特性を要求する。
求められるのは、獲得するRFエネルギーが最大になるように、エネルギー獲得用に特に設計されたアンテナ及びアンテナ形状である。
獲得するRFエネルギーが最大になるように、広域なRFスペクトラムからRFエネルギーを獲得することができるエネルギー獲得回路を求めるニーズが存在する。
また、獲得するRFエネルギーが最大になるように、放送周波数(又は他の周囲の周波数)に広域に同調されたアンテナを有することにより、広域なRFスペクトラムからRFエネルギーを獲得することができるエネルギー獲得回路を求めるニーズが存在する。
本発明は、上記のニーズを満たす。
ここで用いられる”対象物”の語は、パワー格納装置にエネルギーを与える装置、又はパワー格納装置にエネルギーを与える装置に作動的に繋がるあらゆる活性化要素又は非活性化要素を意味する。
本発明の一実施例に於いて、周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与するエネルギー獲得回路は、パワー格納装置にエネルギーを与えるために、周囲のエネルギーを直流パワーに変換する1本又は2本以上のアンテナ及び回路を有する。周囲のエネルギーを直流パワーに変換する回路は、整流器/充電ポンプを含む。ステーションのアンテナは、整流器/充電ポンプの出力にて、直流エネルギーが最大となるように同調される。
一実施例に於ける回路は、単独ユニットとして形成され、他の実施例に於いて、集積回路として形成される。
回路は、多数の高帯域アンテナから構成されるアンテナアレイであって、各アンテナは周波数の異なる部分に同調されて、広範なRFスペクトルからRFエネルギーを獲得する。
更に、回路はRF結合器、即ちバラン回路を有して、整流回路に向けられた2本又は3本以上のアンテナからの入力信号を結合する。
アンテナは、例えば平面状基板上の導電コイル、即ちパッチの形式であり、又は単独の要素であり得る。
無線周波数(RF)エネルギーの最初の感知、即ち感知源は、エネルギー獲得アンテナから始まる。アンテナには多くの形があるが、アンテナは通信(例えば、AM及びFMラジオ、テレビジョン、WiFi)に最適な性能を付与するように注意深く設計されるべきである。有効にエネルギーを獲得するアンテナは通信アンテナとは異なる特性を有する。
エネルギー獲得に於いて、適切な情報を受信するのに、特定の周波数を識別する必要はない。従って、唯一の基準は、獲得されたRFエネルギーから直流エネルギーを生産するシステムのアンテナ又はアンテナ/整流器の組み合わせのエネルギー出力を最大限にすることである。
この意味に於ける最適のアンテナは、整流器/充電ポンプの出力での最大の直流エネルギーを生成するアンテナである。この開示内容に数種のカテゴリーのアンテナがある。
1つの導体が従来通りの同調されたか最適化されたアンテナである一方、エネルギー獲得アンテナは整流器に供給されるRFエネルギーの獲得(収集)を高める特定の要素を含むであろう。
これは、従来のAM変調されたキャリアーについては実際にある。スペクトル的に少なくとも2つの周波数があり、1つが検知され、他方が無視されて、信号の外に濾過される。
エネルギー獲得に於いて、結合した信号全体は、含まれているダイオードが十分に高い帯域幅を有するならば、直流値に変換されることにより検知されるか獲得される。
変調信号及びキャリア信号の関数として、種々の時点にて、Ksinωct及びA(t)sinωmtの組み合わせが加えられ、差し引かれる。このようにして、所定領域内のn個のAMラジオステーション(信号)については、
S(t)=Σf[Kisinωcit、Ai(t)sinωmit] i=1,2,…,n
(1)
によって与えられる総ての信号S(t)は、エネルギー獲得に利用可能である。あらゆる所定の期間τにて、獲得される利用可能な総エネルギーは以下にて与えられる。
変調されたAM波形の性質により、式(4)をエネルギーについての以下の式に簡略化することが可能である。
引用された2つの代替例のうち、(b)は時間変化信号が実際に差し引き、エネルギーの総量を減じる点(a)で好ましい。(a)について、実際に加えられるが、条件は(b)内に包含される。
(b)の多数のアンテナが望ましい一方、重要な空間にて或る用途を実行するのに、数mを如何にして減らすかとの疑問がある。評価される一領域は、直近の空間を占める多数のアンテナの相互干渉である。この問題の目的について、アンテナ及びアンテナの組み合わせに関する3つのタイプの領域がある。
(A) アンテナを構成する誘導子の物理的な領域
(B) (A)のアンテナを形成するのに要求される地理学的領域
(C) エネルギー獲得能力に関するアンテナの有効領域
式(6)は、上記のアンテナのセット又はシステムの設計用に、一層簡潔な形式に書かれる。種々のgijが、行列形式Gに書かれ、行は各周波数に於ける個々のアンテナが獲得するゲインgij;j=1,2,…,nを有する種々のアンテナを示し、列はアンテナによって獲得されるエネルギーを表しており、i=1,2,…,mである。
或いは、装置(製品)は、アンテナとアンテナとで重なる周波数を許容し、或いは一定数の代替物から選択される要素を制御することにより、c′についての一定数の要素を含むように設計され得る。
本発明の一実施例では、エネルギー獲得回路は、周囲からのエネルギーを受け取る手段、及び対象物の活性化パワー格納装置がある。エネルギー獲得回路は、周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを与える1本又は2本以上のアンテナ及び回路を含む。ステーションのアンテナは同調されて、整流器/チャージポンプの出力で最大の直流エネルギーを生産する。ステーションは例えば、携帯電話、カメラ、PDAのような電子デバイスの中で使用されるコンデンサ及びバッテリーを含むパワー格納装置にエネルギーを与えるために使用され得る。
アンテナは同調されて、整流器/チャージポンプの出力で最大の直流エネルギーを生産する。アンテナは、異なる部分の周波数スペクトルに各々が同調されて、広範なRFスペクトルからのRFエネルギーを獲得する多数の広帯域のアンテナから成るアンテナアレイである。或いは、アンテナは、同じ空間内の多数の広帯域のアンテナから成り、各々が特定の部分の周波数スペクトルに同調されて、同じ物理的スペースのRFスペクトルから獲得されるRFエネルギーを最大限にするアンテナアレイである。
前述の周囲のエネルギーを直流パワーに変換するための回路は、整流器/チャージポンプを含む。RF結合器、即ちバラン回路は、整流回路に向けられた1本又は2本以上のアンテナからの入力信号を結合するために使用され得る。
i.1本又は2本以上のアンテナ;及び
ii.周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを与える回路を具える。周囲のエネルギーを直流パワーに変換する回路は、整流器/チャージポンプを含み、アンテナは整流器/チャージポンプの出力で最大の直流エネルギーを生産するように同調される。
アレイ内の各広帯域アンテナは、同じ部分の周波数スペクトル、又は異なる部分の周波数スペクトルに同調されて、広いRFスペクトルからのRFエネルギーを収穫することができる。本実施例に於いて、アレイ内の各アンテナは、周波数スペクトルの大部分をカバーするように同調される広帯域アンテナである。周囲のエネルギーを直流パワーに変換する回路は整流器/チャージポンプを含む。RF結合器が、回路が送信されたエネルギーを直流パワーに変換する前に、アンテナから獲得された周囲のエネルギーを結合するために使用される。
本発明は、特定の周波数でRFエネルギーを吸収するように定められるダイポールを使用して、先行技術に示された問題を解決する。非常に広範囲の周波数に亘って機能するように同調された多数の広帯域のアンテナは、周囲のRFからエネルギーを効果的に獲得するだろう。
本発明の多数の広帯域アンテナを使用することにより、RFエネルギーを効率的に獲得するために、手動で又は電子的に同調される必要がある共振アンテナに関連した問題を最小にするだろう。
i.2本又は3本以上のアンテナ;
ii.周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを与える回路
を具える。
各アンテナは周波数スペクトルの大部分をカバーするように同調される広帯域アンテナである。RF結合器が、回路が送信されたエネルギーを直流パワーに変換する前に、アンテナから獲得された周囲のエネルギーを結合するために使用される。
効率的にエネルギーを獲得するアンテナは、通信アンテナとは異なる特性を有する。本開示でカバーされるアンテナのタイプと形式は、
1.モノポール、ダイポール、ボウタイ、又はループアンテナのような送受信に用いられる通信の意味の従来からのアンテナ。
2.アンテナアレイであって、該アレイ内の各アンテナは最初から最後まで略同じであるアンテナアレイ。
3.アンテナアレイであって、該アレイ内の各アンテナはRFスペクトルの特定の周波数又は周波数範囲に同調されたアンテナアレイ。
を含む。
本発明のアンテナは、整流器/チャージポンプの出力で、最大の直流エネルギーを生産するように同調される。ステーションは、周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを与える回路を含む。従来のアンテナの場合にあっては、回路は従来からの同調要素、又はエネルギーを獲得するように特に設計された同調要素に接続されたアンテナを含む。
最終的に、アンテナアレイの場合は、アレイ内の各アンテナは、RFスペクトルの特定の周波数に同調され、各アンテナの直流出力は直列に結合されて、より高い電圧を得ることができる。同様に、RF結合器、即ちバラン回路は、整流回路に向けられたアンテナアレイ内の1本又は2本以上のアンテナからの入力信号を結合するために使用され得る。上記の如く、RF結合器を使用すれば、各個々のアンテナについて整流回路を設ける必要なくして、多数のアンテナ(高帯域又は同調された)を用いるエネルギー獲得回路のエネルギー獲得能力を高めることができると信じる。
本発明の他の実施例は、アンテナは電子スイッチによって制御されるコンデンサによって同調される。同様に、アンテナはコンデンサによって同調され、コンデンサはソリッドステートデバイス(CMOS)として形成され、又はコンデンサとして機能するように形成されたトランジスタである。
整流器(8)は、アンテナ(2)から受け取ったRF又は交流エネルギーを、中間格納コンデンサ(9)又は他の装置に格納される直流エネルギーに変換するあらゆる回路であり得る。
これはチャージポンプ又は他の整流/増強装置を含み得る。
スイッチ(12)は、直流エネルギー出力(10)に接続された最終エネルギー格納装置と中間装置(9)の間を繋ぐ(interface)電子機構であり得る。
スイッチ(12)はこのように最適なエネルギー伝達を形成して、中間エネルギー装置(9)として十分に小さなコンデンサーを、一定時間間隔で作動する電子装置にし、一方、必要な時、所定の電圧が存在しないところで、さらに大きな装置上にどんなあらゆる未使用の付加的なエネルギーも格納する。
スイッチ(12)はまた、制御回路(14)に入力を供給する時間間隔装置の一部として機能して、最大エネルギーを獲得するようにチューナーを調節する。
多数のアンテナは、獲得されたエネルギーに起因する直流電圧を増加させるために、多数の獲得回路を直列に接続することができる周囲のエネルギーが低い状況で有利である。
図2の実施例の3本のアンテナ(18)(20)(22)は、接続ポイントから容易に整流回路に接続され得る。他の構成は可能であるが、接続ポイントは、むしろ長方形の構成の外部にあるのが好ましい。これがラインフィード機構である。中心での接続(プローブフィード)は、エネルギーを最大に獲得するには、良くない選択であることが示された。
さらに、アンテナ機能を発揮するときに、アンテナが互いに干渉しないように、多数のアンテナを設計するのが望ましい。また、第1アンテナ(18)は分布したL、Cパラメータを有し、該L、Cパラメータが第2アンテナ(22)の設計用となる。第1及び第2アンテナ(18)(22)はまた、自身のアンテナ形成部と同様に、1つのアンテナを他のアンテナから離す空間を有する。
このようにして、第1のアンテナと第2のアンテナ間の空間に、第3のアンテナ(20)が配置され得る。第1のアンテナと第2のアンテナに分布したL、Cパラメータは、第3のアンテナの設計の手助けとなる。
図4(a)−図4(f)は、1つのエリア内の2本の螺旋状のアンテナの動作を示す。2つのセットがテストされた。第1のアンテナは695MHz及び755MHzを使用する。また、第2のアンテナは510MHz及び725MHzを使用する。
これらのテストケースでは、単に結果を見るために2つの異なる周波数を使用することが望ましかった。しかしながら、周波数(特に695MHz、755MHzの場合)が接近していることは、2つの略等しいか、同一の周波数が同様且つ適切な方法で機能する。
図2及び図3は、多くの代替可能性があるモノポールアンテナの配置のうちの2つを示し、同じ地理学的空間を占有して、該同じ地理学的領域内でエネルギーを獲得する多数のアンテナを可能にする。この領域は利用可能な領域及び必要なエネルギーに基づき、装置が最適となるように、拡張され又は縮小される。
テストは2本のアンテナが機能する一方、OFF/ON状態で僅かな差があることを示すために行われた。マーカーは個々のパワーレベルを示し、755MHzのみが機能する図4(b)の場合は、−57.92dBmのパワーレベルがある。695MHz及び755MHzの両方が機能する図4(a)の場合は、755MHzは−57.94dBmのパワーレベルを有する。夫々510MHz及び725MHzの1つが機能する結果である図4(e)及び図4(f)が含まれるが、両アンテナ(両方同じ)は700MHzの範囲から少し遠すぎ、510MHzで信号レベルが下がっている。
しかしながら、両方のアンテナが機能している場合に、−58.43dBmを付与する695MHz及び−57.94dBmを付与する755MHzから判るように、この違いにより、等しい周波数が十分であることが強調される。
例示の目的から、特定の実施例が記載されてきたが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された発明を離れることなく、種々の詳細な変更がなされ得ることは明らかであろう。
Claims (18)
- 周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与する遠隔ステーションであって、
少なくとも1つのアンテナと、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを付与する回路とを具え、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換する回路は、整流器/充電ポンプを有し、
アンテナは整流器/充電ポンプの出力にて、直流エネルギーが略最大となるように同調される遠隔ステーション。 - 少なくとも1つのアンテナは、エネルギーを獲得すべく構成された少なくとも1つの同調要素に接続された、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 少なくとも1つのアンテナは、接続され得る複数のアンテナであり、各アンテナの直流出力は直流に結合されて、より高い電圧を得る、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 少なくとも1つのアンテナは、複数のアンテナであり、RF結合器、即ちバラン回路は、伝送されたエネルギーを直流パワーに変換する回路の前に、アンテナから獲得される周囲のエネルギーを結合するのに用いられる、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 少なくとも1つのアンテナは、広帯域のRFスペクトルからエネルギーを獲得するように、異なる周波数に同調された別個のアンテナを有する、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- アンテナは、広帯域のRFスペクトルからエネルギーを獲得するように、夫々が異なる周波数スペクトルに同調された別個の広帯域アンテナを有する、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- アンテナは、広帯域のRFスペクトルからエネルギーを獲得するように、夫々が周波数スペクトルの同じ部分に同調された別個の広帯域アンテナを有する、請求項6に記載の遠隔ステーション。
- 周囲のエネルギーは、RFパワーである、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 各アンテナは、20KHzから30KHzの無線周波数スペクトルを略連続的に受信可能な広帯域のアンテナシステムである、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 各アンテナは、1.5MHzから30MHzの無線周波数スペクトルを略連続的に受信可能な広帯域のアンテナシステムである
、請求項1に記載の遠隔ステーション。 - 各アンテナは、30MHzから3GHzの無線周波数スペクトルを略連続的に受信可能な広帯域のアンテナシステムである、請求項1に記載の遠隔ステーション。
- 周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与する遠隔ステーションであって、
少なくとも2つのアンテナと、
RF結合器と、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを付与する回路とを具え、
アンテナは一定の周波数スペクトルに同調され、
RF結合器は、伝送されたエネルギーを直流パワーに変換する回路の前に、アンテナから獲得される周囲のエネルギーを結合するのに用いられる遠隔ステーション。 - 周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与する遠隔ステーションであって、
少なくとも1つのアンテナと、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを付与する回路と、
少なくとも2つの充電装置と、
パワー格納装置と充電装置間を切り換えるスイッチを具えた遠隔ステーション。 - 少なくとも2つの充電装置は、異なる充電特性を有する、請求項13に記載の遠隔ステーション。
- 充電装置は、コンデンサである、請求項14に記載の遠隔ステーション。
- 周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与する遠隔ステーションであって、
少なくとも1つのアンテナと、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを付与する回路と、
同調機構に帰還して、チューナを高レベルのエネルギー獲得に調整する帰還装置を具えた遠隔ステーション。 - 周囲からエネルギーを受信して、対象物のパワー格納装置にエネルギーを付与する遠隔ステーションであって、
複数のアンテナと、
周囲のエネルギーを直流パワーに変換して、パワー格納装置にエネルギーを付与する回路とを具え、
アンテナは一定の地理的領域を略占有する遠隔ステーション。 - アンテナは地理的領域を共有する、請求項17に記載の遠隔ステーション。
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