JP2012075227A - Rectenna device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rectenna device having high efficiency even for a high-frequency wave such as a millimeter wave or the like.SOLUTION: A rectenna device has: receiving means receiving a radio wave; rectifying means rectifying the radio wave received by the receiving means; and a resonance circuit whose impedance becomes zero for an even-order high harmonic wave of the radio wave rectified by the rectifying means, and becomes infinite for an odd-order high harmonic wave.

Description

本発明は、レクテナ装置に関する。   The present invention relates to a rectenna device.

マイクロ波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(rectifying antennaの略))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、公表されてきた。レクテナは、整流回路部とアンテナ部に別れる。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に大別される。     Since the rectenna (received rectification antenna; rectenna (abbreviation of rectifying antenna)) used for microwave wireless power transmission has been invented in the 1960s, various types have been developed and published. The rectenna is divided into a rectifier circuit portion and an antenna portion. Known rectenna rectifier circuits are roughly divided into a basic single shunt rectifier circuit and other rectifier circuits.

図14は、シングルシャント整流回路を用いたレクテナ装置900の等価回路図である。図15は、シングルシャント整流回路の動作を説明する図である。
図14のように、シングルシャント整流回路910は、ダイオード911と、λg/4線路912と、キャパシタ913とを有している。シングルシャント整流回路910は、簡単な構成ながら、図13のように、λg/4線路912とキャパシタ913で構成される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%となる。
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a rectenna device 900 using a single shunt rectifier circuit. FIG. 15 is a diagram for explaining the operation of the single shunt rectifier circuit.
As illustrated in FIG. 14, the single shunt rectifier circuit 910 includes a diode 911, a λg / 4 line 912, and a capacitor 913. Although the single shunt rectifier circuit 910 has a simple configuration, as shown in FIG. 13, the output filter composed of the λg / 4 line 912 and the capacitor 913 simultaneously performs harmonic processing and smoothing, so that full-wave rectification is possible. The theoretical efficiency is 100%.

レクテナ装置において、キャパシタを用い、λg/4線路の最適化によって高効率化を図ることが提案されている。
例えば、特許文献1では、レクテナ装置においてシングルシャント整流回路の基本構成であるダイオード、λg/4線路、及びキャパシタのうち、λg/4線路をλg/22.5からλg/14の範囲とすることで最適化し、弱いマイクロ波強度での高効率化を図っている。
In the rectenna apparatus, it has been proposed to increase the efficiency by using a capacitor and optimizing the λg / 4 line.
For example, in Patent Document 1, among the diode, λg / 4 line, and capacitor, which are the basic components of a single shunt rectifier circuit in the rectenna device, the λg / 4 line is in the range of λg / 22.5 to λg / 14. To optimize efficiency with weak microwave intensity.

シングルシャント整流回路で必須のキャパシタは、理論上100%変換効率を実現するためには容量が無限大である必要がある。さらに、実際のキャパシタは、ある周波数まではキャパシタとして動作するが、さらに高周波においてはインダクタとして動作することもある。   A capacitor essential in a single shunt rectifier circuit is theoretically required to have an infinite capacity in order to realize 100% conversion efficiency. Further, an actual capacitor operates as a capacitor up to a certain frequency, but may operate as an inductor at a higher frequency.

また、特許文献2に記載の従来技術では、受信信号において発生する高調波のうち、1波のみ、例えば2次高調波を遮断している。入力段に2次高調波を遮断するために、2次高調波の波長λの1/4のオープンスタブが形成され、整流器を結ぶ線路によりフィルタが形成されている。また当該線路の先に、整流器と基本波λgの1/4の線路が接続され、1/4の線路にはキャパシタが接続されている。この構成により、出力手段で反射されて逆相で戻ってきた基本波と同相で合成されて整流手段に入射することになるため、半波整流時よりも倍の波高値で整流できるので、交流−直流変換効率が向上する。
さらに特許文献2に記載の従来技術では、入力フィルタ部で複数の高周波を遮断するように、各高調波に合わせた1/4のオープンスタブを形成することで、ダイオードから発生する複数の高調波に対してインピーダンスを零として高効率化を図っている。
Moreover, in the prior art described in Patent Document 2, only one wave, for example, the second harmonic wave is cut off among the harmonic waves generated in the received signal. In order to block the second harmonic in the input stage, an open stub having a quarter of the wavelength λ 2 of the second harmonic is formed, and a filter is formed by a line connecting the rectifiers. Further, a rectifier and a quarter line of the fundamental wave λg are connected to the tip of the line, and a capacitor is connected to the quarter line. With this configuration, the fundamental wave reflected by the output means and returned in reverse phase is combined in the same phase and incident on the rectifying means, so that it can be rectified at a peak value that is double that of half-wave rectification. -DC conversion efficiency is improved.
Furthermore, in the prior art described in Patent Document 2, a plurality of harmonics generated from a diode are formed by forming a 1/4 open stub in accordance with each harmonic so as to block a plurality of high frequencies at the input filter unit. In contrast, the efficiency is improved by setting the impedance to zero.

特開2007−116515号公報JP 2007-116515 A 特開平5−335811号公報JP-A-5-335811

しかしながら、特許文献1に記載の従来技術によるシングルシャント整流回路では、容量の大きなキャパシタが必要であり、また、使用するキャパシタによっては、周波数の増加に伴いインピーダンスが大きくなり、ミリ波等の高周波では理想的なキャパシタとして動作することが徐々に難しくなる。この結果、ミリ波等の高周波になると、受信した信号を直流に変換する際の変換効率が下がるという課題があった。
また、特許文献2に記載の従来技術では、整流器で発生する複数の高調波を反射させて高効率化を図っているが、出力フィルタ部にキャパシタが用いられているため、容量の大きなキャパシタが必要である。また、使用するキャパシタによっては、周波数の増加に伴いインピーダンスが大きくなり、ミリ波等の高周波では理想的なキャパシタとして動作することが徐々に難しくなる。この結果、ミリ波等の高周波になると、受信した信号を直流に変換する際の変換効率が下がるという課題があった。
However, the single-shunt rectifier circuit according to the prior art described in Patent Document 1 requires a capacitor having a large capacity, and depending on the capacitor used, the impedance increases as the frequency increases. It becomes increasingly difficult to operate as an ideal capacitor. As a result, when a high frequency such as a millimeter wave is used, there is a problem that the conversion efficiency when the received signal is converted into direct current is lowered.
In the prior art described in Patent Document 2, a plurality of harmonics generated by the rectifier is reflected to improve efficiency. However, since a capacitor is used in the output filter unit, a capacitor having a large capacity is used. is necessary. Also, depending on the capacitor used, the impedance increases with increasing frequency, and it becomes gradually difficult to operate as an ideal capacitor at high frequencies such as millimeter waves. As a result, when a high frequency such as a millimeter wave is used, there is a problem that the conversion efficiency when the received signal is converted into direct current is lowered.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率なレクテナ装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a highly efficient rectenna apparatus even at a high frequency such as a microwave or a millimeter wave.

上記目的を達成するため、本発明のレクテナ装置は、電波を受信する受信手段と、前記受信手段が受信した電波を整流する整流手段と、前記整流手段が整流した電波の高調波のインピーダンスが、偶数次高調波では零、奇数次高調波では無限大となる共振回路と、を備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the rectenna device of the present invention includes a receiving means for receiving radio waves, a rectifying means for rectifying the radio waves received by the receiving means, and an impedance of harmonics of the radio waves rectified by the rectifying means, And a resonance circuit that is zero for even-order harmonics and infinite for odd-order harmonics.

また、本発明に係るレクテナ装置において、前記共振回路は、前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第1伝送路と、前記第1伝送路と負荷との間に接続されている前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第2伝送路と、前記第1伝送線路の出力端子に互いに並列に接続された複数の第1の分布定数線路と、前記第2伝送線路の入力端子に互いに並列に接続された複数の第2の分布定数線路と、を備え、前記第1の分布定数線路は、L=λ/4m(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なり、前記第1の分布定数線路は、L=λ(2m−1)/4m(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なるようにしてもよい。   In the rectenna apparatus according to the present invention, the resonant circuit includes a first transmission line having a length of ¼ of a wavelength λ on a transmission line of a fundamental wave of a radio wave received by the receiving unit, and the first transmission. A second transmission line having a length ¼ of wavelength λ on the transmission line of the fundamental wave of the radio wave received by the receiving means connected between the path and the load, and an output terminal of the first transmission line A plurality of first distributed constant lines connected in parallel to each other and a plurality of second distributed constant lines connected in parallel to input terminals of the second transmission line. The constant line has a transmission line length L represented by L = λ / 4m (m is an integer from 2 to n), m are different from each other, and the first distributed constant line has L = λ (2m− 1) A transmission line length L expressed by / 4m (m is an integer from 2 to n), and m is different from each other. It may be.

また、本発明に係るレクテナ装置において、前記共振回路は、受信された電波の各高調波に対応する複数のインダクタとキャパシタとが並列に接続されたLC共振回路を備え、前記LC共振回路は、一端が接地されて、他端が前記整流手段と前記負荷との接続点に接続されているようにしてもよい。   Further, in the rectenna device according to the present invention, the resonance circuit includes an LC resonance circuit in which a plurality of inductors and capacitors corresponding to each harmonic of the received radio wave are connected in parallel, and the LC resonance circuit includes: One end may be grounded, and the other end may be connected to a connection point between the rectifying means and the load.

また、本発明に係るレクテナ装置において、前記共振回路と並列に接続され且つ前記共振回路と前記負荷と接続点に一端が接続され、他端が接地されているキャパシタを備えるようにしてもよい。   The rectenna device according to the present invention may include a capacitor connected in parallel with the resonance circuit, connected at one end to the connection point between the resonance circuit and the load, and grounded at the other end.

本発明によれば、負荷共振回路を用いて、偶数次高調波ではインピーダンスが0(零)、奇数次高調波ではインピーダンスが∞(無限大)となるような高調波処理を行うことで、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率なレクテナ装置を実現することができる。   According to the present invention, the load resonance circuit is used to perform the harmonic processing so that the impedance is 0 (zero) for the even-order harmonics and ∞ (infinity) for the odd-order harmonics. A highly efficient rectenna apparatus can be realized even at high frequencies such as waves or millimeter waves.

第1実施形態に係るレクテナ装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the rectenna device according to the first embodiment. F級増幅回路の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a class F amplifier circuit. 同実施形態に係るレクテナ装置のシミュレーション用の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram for simulation of the rectenna device according to the embodiment. 従来技術に係るレクテナ装置のシミュレーション用の等価回路図であるFIG. 6 is an equivalent circuit diagram for simulation of a rectenna device according to the prior art. 従来技術に係るレクテナ装置100における入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage waveform of the input in the rectenna apparatus 100 based on a prior art, and the electric current and voltage waveform of an output. 従来技術に係るレクテナ装置100におけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the voltage and current waveform of the diode in the rectenna apparatus 100 which concerns on a prior art, the current waveform which flows through (lambda) / 4 track | line, conversion efficiency, and a reflectance. 同実施形態のレクテナ装置1aにおける入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage waveform of the input in the rectenna apparatus 1a of the embodiment, and the electric current and voltage waveform of an output. 同実施形態に係るレクテナ装置1aにおけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。It is a figure showing the voltage / current waveform of the diode in the rectenna apparatus 1a which concerns on the same embodiment, the current waveform which flows through a (lambda) / 4 line | wire, and the change of conversion efficiency and a reflectance. 第2実施形態に係るレクテナ装置の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of the rectenna apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 同実施形態におけるレクテナ装置のシミュレーション用の等価回路図であるFIG. 3 is an equivalent circuit diagram for simulation of the rectenna device in the same embodiment 同実施形態のレクテナ装置200aにおける入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage waveform of an input in the rectenna apparatus 200a of the embodiment, and the electric current and voltage waveform of an output. 同実施形態に係るレクテナ装置200aにおけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。It is a figure showing the change of the voltage / current waveform of the diode in the rectenna apparatus 200a which concerns on the same embodiment, the current waveform which flows through a λ / 4 line, conversion efficiency, and reflectance. 従来技術におけるLC共振回路を用いたF級増幅器の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a class F amplifier using an LC resonance circuit in the prior art. 従来技術に係るシングルシャント整流回路を用いたレクテナ装置の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of the rectenna apparatus using the single shunt rectifier circuit based on a prior art. 従来技術に係るシングルシャント整流回路の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the single shunt rectifier circuit based on a prior art.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明は係る実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で種々の変更が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the embodiment which concerns, A various change is possible within the range of the technical thought.

[第1実施形態]
図1は、本実施形態におけるレクテナ装置の等価回路図である。
図1において、本実施形態におけるレクテナ装置1は、アンテナ11(受信手段)、サーキュレータ12、抵抗13、伝送路21、キャパシタ23、整流部30(整流手段)、負荷共振回路40(共振回路)を備えている。
レクテナ装置1には、負荷51が接続されている。
図1のように、従来技術に対する本実施形態の差異は、従来技術のキャパシタ部140の代わりに負荷共振回路40を備えていることである。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the rectenna device according to the present embodiment.
In FIG. 1, a rectenna device 1 according to the present embodiment includes an antenna 11 (receiving means), a circulator 12, a resistor 13, a transmission line 21, a capacitor 23, a rectifying unit 30 (rectifying means), and a load resonance circuit 40 (resonance circuit). I have.
A load 51 is connected to the rectenna device 1.
As shown in FIG. 1, the difference of the present embodiment from the prior art is that a load resonance circuit 40 is provided instead of the capacitor section 140 of the prior art.

サーキュレータ12は、アンテナ11を介して送受信を行うために、送信信号を送信部へ、受信信号を受信部へ導く3端子の受動素子である。サーキュレータ12は、アンテナ11が受信した信号を伝送路21に出力する。
抵抗13は、一端がサーキュレータ12に接続され、他端が接地されている。抵抗13は、出力部を置き換えたものである。
The circulator 12 is a three-terminal passive element that guides a transmission signal to a transmission unit and a reception signal to a reception unit in order to perform transmission / reception via the antenna 11. The circulator 12 outputs the signal received by the antenna 11 to the transmission path 21.
The resistor 13 has one end connected to the circulator 12 and the other end grounded. The resistor 13 replaces the output unit.

キャパシタ23は、一端が伝送路21を介してサーキュレータ12に接続され、他端が分岐31に接続されている。また、符号22は、キャパシタ23にパッケージ部品を用いる場合、キャパシタ23が有する寄生容量を表している。   One end of the capacitor 23 is connected to the circulator 12 via the transmission line 21, and the other end is connected to the branch 31. Reference numeral 22 represents a parasitic capacitance of the capacitor 23 when a package component is used for the capacitor 23.

整流部30は、分岐31、ダイオード33、伝送路34を備えている。分岐31は、入力端子がキャパシタ23の他端に接続され、出力端子の一端がダイオード33のカソードに接続され、出力端子の他端が負荷共振回路40のλ/4線路T11に接続されている。
ダイオード33は、カソードが分岐31の出力端子の一端に接続され、アノードが伝送路34を介して接地されている。また、符号32は、ダイオード33にパッケージ部品を用いる場合、ダイオード33が有する寄生容量を表している。
ストリップ線路32は、ダイオード33と並列に接続され、一端が分岐31に接続され、他端が伝送路34に接続されている。
The rectifying unit 30 includes a branch 31, a diode 33, and a transmission path 34. The branch 31 has an input terminal connected to the other end of the capacitor 23, one end of the output terminal connected to the cathode of the diode 33, and the other end of the output terminal connected to the λ / 4 line T 11 of the load resonance circuit 40. Yes.
The diode 33 has a cathode connected to one end of the output terminal of the branch 31 and an anode grounded via the transmission line 34. Reference numeral 32 denotes a parasitic capacitance of the diode 33 when a package component is used for the diode 33.
The strip line 32 is connected in parallel with the diode 33, one end is connected to the branch 31, and the other end is connected to the transmission path 34.

負荷共振回路40は、λ/4線路T11(第1伝送路)、λ/4線路T12(第2伝送路)、高周波処理(Harmonic treatment)スタブ(分布定数線路)T〜T(第1の分布定数線路)、補償(Compensation)スタブT 〜T (第2の分布定数線路)、分岐41、43、45および46、および伝送路42、44を備えている。分岐41、43、45および46は、例えば、ウィルキンソン型電力分配回路やマイクロストリップ線路によるQマッチセッション電力分配回路である。
なお、図1では、伝送路42と44のみを示してあるが、負荷共振回路40の伝送路は、n−1個備えている。スタブTは、スタブTより長く、スタブTは、スタブTより長い。また、スタブTは2fに対して共振し、スタブTは2fに対して共振する。なお、fは、この共振器における基本周波数を表している。
The load resonant circuit 40 includes a λ / 4 line T 11 (first transmission line), a λ / 4 line T 12 (second transmission line), a high frequency processing (Harmonic treatment) stub (distributed constant line) T 2 to T n ( A first distributed constant line), compensation stubs T 2 * to T n * (second distributed constant line), branches 41, 43, 45 and 46, and transmission lines 42 and 44. The branches 41, 43, 45 and 46 are, for example, a Wilkinson power distribution circuit or a Q-match session power distribution circuit using a microstrip line.
In FIG. 1, only the transmission lines 42 and 44 are shown, but n−1 transmission lines of the load resonance circuit 40 are provided. Stub T 2 are longer than stub T 3, the stub T 3 is longer than the stub T 4. Moreover, the stub T 2 are resonate against 2f 0, stub T n is resonates with 2f n. Incidentally, f 0 represents the fundamental frequency of the resonator.

高周波処理スタブT〜Tと補償スタブT 〜T は、F級増幅器におけるスタブ(Stub)である。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、平行平板線路に形成される溝などによる構造である。 The high-frequency processing stubs T 2 to T n and the compensation stubs T 2 * to T n * are stubs in the class F amplifier. The stub is a structure formed by grooves or the like formed in a parallel plate line so as to achieve consistency so as to cancel a reflected wave caused by a load.

負荷共振回路40は、例えば、以下の文献1記載のF級増幅回路で用いられている負荷共振回路を用いる。   As the load resonance circuit 40, for example, a load resonance circuit used in a class F amplifier circuit described in Document 1 below is used.

文献1:石川亮、黒田健太 他、GaN HEMTを用いたSSPS用5.8GHz帯F級高効率増幅器、電子情報通信学会、信学技報SPS2008−04、2008   Reference 1: Ryo Ishikawa, Kenta Kuroda et al., 5.8 GHz band F class high efficiency amplifier for SSPS using GaN HEMT, IEICE, SPS2008-04, 2008

なお、F級電力増幅器とは、1/4波長伝送線路2の出力値を高周波に対して短絡させ、増幅素子1の負荷、つまり1/4波長伝送線路2の入力値を基本波及び奇数次高周波に対して開放、偶数次高周波に対して短絡とすることにより、効率の高い電力増幅をはかる回路である。この結果、偶数次高調波ではインピーダンスが0(零)、奇数次高調波ではインピーダンスが∞(無限大)となるような高調波処理が行え、高調波合成によって整流波形が整形され、高効率化が可能となる。   The class F power amplifier means that the output value of the quarter wavelength transmission line 2 is short-circuited with respect to the high frequency, and the load of the amplifying element 1, that is, the input value of the quarter wavelength transmission line 2 is changed to the fundamental wave and the odd order. It is a circuit that achieves high-efficiency power amplification by opening the high frequency and shorting the even-order high frequency. As a result, harmonic processing can be performed so that the impedance is 0 (zero) for even harmonics and the impedance is ∞ (infinite) for odd harmonics, and the rectified waveform is shaped by harmonic synthesis to increase efficiency. Is possible.

次に、図1において、各部の定数等の設定手順の一例を説明する。図2は、F級増幅回路の等価回路図である。図2において、正弦波発振回路70は、アンテナ11を置き換えた発振回路である。この正弦波発振回路70の出力は、伝送路を介してスイッチング素子のゲートに入力される。スイッチング素子は、ソースが接地され、ドレインがF級増幅回路の入力に接続されている。また、スイッチング素子のドレインは、チョークコイルを介して電源電圧Vddに接続されている。また、スイッチング素子のゲートは、チョークコイルを介してバイアス電圧Vgに接続されている。   Next, referring to FIG. 1, an example of a procedure for setting constants and the like of each unit will be described. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the class F amplifier circuit. In FIG. 2, a sine wave oscillation circuit 70 is an oscillation circuit in which the antenna 11 is replaced. The output of the sine wave oscillation circuit 70 is input to the gate of the switching element via the transmission path. The switching element has a source grounded and a drain connected to the input of the class F amplifier circuit. The drain of the switching element is connected to the power supply voltage Vdd through a choke coil. The gate of the switching element is connected to the bias voltage Vg through a choke coil.

負荷共振回路40の各スタブ(T〜T)の電気長は、図2のように、次式(1)を用いて算出する。また、F級増幅回路40の各スタブ(T 〜T )の電気長は、図2のように、次式(2)を用いて算出する。 The electrical length of each stub (T 2 to T n ) of the load resonance circuit 40 is calculated using the following equation (1) as shown in FIG. Further, the electrical length of each stub (T 2 * to T n * ) of the class F amplifier circuit 40 is calculated using the following equation (2) as shown in FIG.

=λ/4m (m=2,3,・・・,n)・・・(1) L m = λ 0 / 4m (m = 2, 3,..., N) (1)

=λ0(2m−1)/4m (m=2,3,・・・,n)・・・(2) L m * = λ0 (2m−1) / 4m (m = 2, 3,..., N) (2)

式(1)と式(2)において、λは、正弦波発振回路(信号源)70から入力される信号の波長である。また、伝送路T11と伝送路T12は、λ/4に設定する。 In Expressions (1) and (2), λ is the wavelength of the signal input from the sine wave oscillation circuit (signal source) 70. Further, the transmission line T 12 to the transmission line T 11 is set to λ 0/4.

次に、F級増幅回路の動作についての概要を説明する。
図2において、スイッチング素子に流れる半波整流した電流をフーリエ級数に展開すると、その周波数成分Iは、次式(3)のように表される。
Next, an outline of the operation of the class F amplifier circuit will be described.
In FIG. 2, when the half-wave rectified current flowing through the switching element is expanded into a Fourier series, the frequency component I d is expressed as the following equation (3).

=Imax(1/π+1/2π・cosωt+1/3π・cos2ωt−2/15π・cos4ωt+2/35π・cos6ωt−・・・) ・・・(3) I d = I max (1 / π + 1 / 2π · cosωt + 1 / 3π · cos2ωt-2 / 15π · cos4ωt + 2 / 35π · cos6ωt−) (3)

式(3)において、ωはアンテナ11から入力される周波数の角周波数である。式(3)のように、基本波分の他には、偶数次の高周波成分のみ存在する。このため、スイッチング素子のドレインにかかる電圧を、電流と逆相の基本波と奇数次の高調波のみで構成すると、基本波に関して力率100%で電力を発生できる。そして、全ての高調波で電力消費が零の状態となる。
このような状態にするには、スイッチング素子の出力から負荷側を見たインピーダンスが、偶数次高調波の場合に短絡(電流のみ存在)、奇数次高調波で開放(電圧のみ存在)、基本波の電流と電圧が互いに完全逆相且つ力率がマイナス1になるようにする。
以上のような関係になるように、スタブの線路長を設定することで、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞(無限大)となるような高調波処理を行うことができる。
In Expression (3), ω is an angular frequency of the frequency input from the antenna 11. As shown in Expression (3), only the even-order high-frequency components exist in addition to the fundamental wave component. For this reason, if the voltage applied to the drain of the switching element is composed only of a fundamental wave having a phase opposite to that of the current and odd harmonics, power can be generated with a power factor of 100% with respect to the fundamental wave. And all the harmonics are in a state where power consumption is zero.
To achieve such a state, when the impedance viewed from the output of the switching element is an even-order harmonic, it is short-circuited (only current is present), open at odd-order harmonics (only voltage is present), and fundamental wave Current and voltage are completely opposite to each other and the power factor is minus one.
By setting the stub line length so that the relationship is as described above, harmonic processing is performed so that the impedance is 0 for even harmonics and ∞ (infinite) for odd harmonics. be able to.

次に、図1の本実施形態によるレクテナ装置1において、整流部30、負荷共振回路140を含む範囲60において、各線路長と各スタブ長を、式(1)と式(2)、伝送路T11=λ/4、伝送路T12=λ/4を算出して設定する。なお、算出した各線路長と各スタブ長を、例えば実測値に基づいて微調節するようにしてもよい。 Next, in the rectenna device 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, in the range 60 including the rectifying unit 30 and the load resonance circuit 140, the line lengths and the stub lengths are expressed by equations (1) and (2), and the transmission line. T 11 = λ 0/4, calculates and sets a transmission path T 12 = λ 0/4. Note that the calculated line lengths and stub lengths may be finely adjusted based on actual measurement values, for example.

次に、本実施形態におけるレクテナ装置1および従来技術によるレクテナ装置100におけるシミュレーション結果を、図3〜図8を用いて説明する。
図3は、本実施形態におけるレクテナ装置1aのシミュレーション用の等価回路図である。図1のアンテナ11を、正弦波発振回路70に置き換えて表している。
Next, simulation results in the rectenna device 1 according to the present embodiment and the rectenna device 100 according to the related art will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for simulation of the rectenna device 1a in the present embodiment. The antenna 11 in FIG. 1 is replaced with a sine wave oscillation circuit 70.

これに対し、図4は、従来技術におけるレクテナ装置100のシミュレーション用の等価回路図である。図2と同じ機能部は同じ符号を用いて、説明を省略する。図4において、レクテナ装置100は、正弦波発振回路70、サーキュレータ12、抵抗13、伝送路21、キャパシタ23、整流部30、キャパシタ部140、λ/4線路151、λ/4線路152、負荷51を備えている。また、キャパシタ部140は、分岐141、キャパシタ143、伝送路144を備えている。また、符号22と符号142は、キャパシタ23とキャパシタ143とにパッケージ部品を用いる場合、キャパシタ23と143とが各々有する寄生容量を表している。   On the other hand, FIG. 4 is an equivalent circuit diagram for simulation of the rectenna apparatus 100 in the prior art. The same functional units as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In FIG. 4, the rectenna device 100 includes a sine wave oscillation circuit 70, a circulator 12, a resistor 13, a transmission path 21, a capacitor 23, a rectifying unit 30, a capacitor unit 140, a λ / 4 line 151, a λ / 4 line 152, and a load 51. It has. The capacitor unit 140 includes a branch 141, a capacitor 143, and a transmission path 144. Reference numerals 22 and 142 represent parasitic capacitances of the capacitors 23 and 143 when package components are used for the capacitors 23 and 143, respectively.

シミュレーション条件は、発振周波数を2.45[GHz]に設定し、入力電力Pを10[mW]から1000[mW]まで10[mW]刻みで変化させたときに最大変換効率を得る入力電力で回路シミュレーションを行った。入力電力Pを750[mW]に設定して、シミュレーションを行った、
また、整流部30、キャパシタ部140、λ/4線路151とλ/4線路152を含む範囲160の全ての部品の定数と伝送路の線路長を、公知の手法を用いて最適化した。
The simulation condition is the input power that obtains the maximum conversion efficiency when the oscillation frequency is set to 2.45 [GHz] and the input power P is changed from 10 [mW] to 1000 [mW] in increments of 10 [mW]. A circuit simulation was performed. The simulation was performed by setting the input power P to 750 [mW].
In addition, the constants of all the components in the range 160 including the rectifying unit 30, the capacitor unit 140, the λ / 4 line 151, and the λ / 4 line 152 and the line length of the transmission line were optimized using a known method.

図5は、従来技術におけるレクテナ装置100における入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。図5(a)は、入力の電圧波形g1であり、図5(b)は、入力の電流波形g2、図5(c)は、出力の電圧波形g3、図5(d)は、出力の電流波形g4である。図5(a)〜図5(d)の横軸は時間軸であり、図5(a)と図5(c)の縦軸は電圧値を表し、図5(b)と図5(d)の縦軸は電流値を表している。
図5(c)の実線g3、図5(d)の実線g4のように、出力電圧および出力電流は、交流波形である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an input current / voltage waveform and an output current / voltage waveform in the rectenna apparatus 100 according to the related art. 5A is an input voltage waveform g1, FIG. 5B is an input current waveform g2, FIG. 5C is an output voltage waveform g3, and FIG. 5D is an output voltage waveform. This is a current waveform g4. The horizontal axis in FIGS. 5A to 5D is the time axis, the vertical axis in FIGS. 5A and 5C represents the voltage value, and FIGS. 5B and 5D. ) Represents the current value.
As shown by the solid line g3 in FIG. 5C and the solid line g4 in FIG. 5D, the output voltage and the output current are AC waveforms.

図6は、従来技術におけるレクテナ装置100におけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。図6(a)は、ダイオード33への入力の電圧波形g11であり、図6(b)は、ダイオード33への入力の電流波形g12、図6(c)は、λ/4線路を流れる電流波形g13、図6(d)は、変換効率g14と反射率g15の変化を表す図である。図6(a)〜図6(c)の横軸は時間を表し、図6(a)の縦軸は電圧値を表し、図6(b)と図6(c)の縦軸は電流値を表している。図6(d)の横軸は入力電力Pを表し、縦軸は変換効率と反射率を表している。
図6(d)の実線g14のように、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率は約65%である。
FIG. 6 is a diagram illustrating changes in the voltage / current waveform of the diode, the current waveform flowing through the λ / 4 line, the conversion efficiency, and the reflectance in the rectenna device 100 according to the conventional technology. 6A shows the voltage waveform g11 of the input to the diode 33, FIG. 6B shows the current waveform g12 of the input to the diode 33, and FIG. 6C shows the current flowing through the λ / 4 line. Waveform g13 and FIG. 6D are diagrams showing changes in conversion efficiency g14 and reflectance g15. 6A to 6C, the horizontal axis represents time, the vertical axis in FIG. 6A represents the voltage value, and the vertical axis in FIGS. 6B and 6C represents the current value. Represents. The horizontal axis of FIG.6 (d) represents the input electric power P, and the vertical axis | shaft represents the conversion efficiency and the reflectance.
As indicated by a solid line g14 in FIG. 6D, the conversion efficiency of the rectenna device 100 in the prior art is about 65%.

次に、本実施形態について行ったシミュレーション結果について、図3、図7と図8を用いて説明する。図3の回路図において、正弦波発振回路70には、正弦波状の入力電力を与え、発振周波数は2.45[GHz]に設定し、入力電力Pを10[mW]から1000[mW]まで10[mW]刻みで変化させたときに最大変換効率を得る入力電力で回路シミュレーションを行った。また、入力電力Pを750[mW]に設定して、シミュレーションを行った。
また、負荷共振回路40において、スタブの段数はn=7とした。また、負荷共振回路40の各スタブ(T〜T、T 〜T )の電気長は、式(1)と式(2)を用いて算出した。また、伝送路T11=λ/4、伝送路T12=λ/4に設定した。
整流部30、負荷共振回路40を含む範囲60において、スタブと伝送路T11およびT12以外の伝送路の線路長、各部品の定数を公知の手法を用いて最適化した。
Next, the simulation result performed about this embodiment is demonstrated using FIG.3, FIG.7 and FIG.8. In the circuit diagram of FIG. 3, a sinusoidal input power is applied to the sine wave oscillation circuit 70, the oscillation frequency is set to 2.45 [GHz], and the input power P is from 10 [mW] to 1000 [mW]. A circuit simulation was performed with the input power to obtain the maximum conversion efficiency when changed in steps of 10 [mW]. The simulation was performed with the input power P set at 750 [mW].
In the load resonance circuit 40, the number of stubs is n = 7. The electrical length of each stub (T 2 ~T n, T 2 * ~T n *) of the load resonance circuit 40, were calculated using the equations (1) and (2). Further, the transmission line T 11 = λ 0/4, and set to the transmission line T 12 = λ 0/4.
Rectifier 30, in a range 60 including the load resonance circuit 40, the stub to the transmission line T 11 and T 12 except the line length of the transmission line were optimized using techniques known constant of each component.

図7は、本実施形態のレクテナ装置1aにおける入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。図7(a)は、入力の電圧波形g21であり、図7(b)は、入力の電流波形g22、図7(c)は、出力の電圧波形g23、図7(d)は、出力の電流波形g24である。図7(a)〜図7(d)の横軸は時間を表し、図7(a)と図7(c)の縦軸は電圧値を表し、図7(b)と図7(d)の縦軸は電流値を表している。
図7(c)の実線g23、図7(d)の実線g24のように、出力電圧および出力電流の波形は、図5(c)の実線g3と図5(d)の実線g4と比較し、直流に近い波形である。
FIG. 7 is a diagram showing an input current / voltage waveform and an output current / voltage waveform in the rectenna apparatus 1a of the present embodiment. 7A shows an input voltage waveform g21, FIG. 7B shows an input current waveform g22, FIG. 7C shows an output voltage waveform g23, and FIG. 7D shows an output voltage waveform g21. This is a current waveform g24. The horizontal axis in FIGS. 7A to 7D represents time, the vertical axis in FIGS. 7A and 7C represents the voltage value, and FIGS. 7B and 7D. The vertical axis of represents the current value.
As shown by the solid line g23 in FIG. 7C and the solid line g24 in FIG. 7D, the waveforms of the output voltage and output current are compared with the solid line g3 in FIG. 5C and the solid line g4 in FIG. The waveform is close to direct current.

図8は、本実施形態におけるレクテナ装置1aにおけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。図8(a)は、ダイオード33への入力の電圧波形g31であり、図8(b)は、ダイオード33への入力の電流波形g32、図8(c)は、λ/4線路を流れる電流波形g33、図8(d)は、変換効率g34と反射率g35の変化を表す図である。図8(a)〜図8(c)の横軸は時間軸であり、図8(a)の縦軸は電圧値を表し、図8(b)と図8(c)の縦軸は電流値を表している。図8(d)の横軸は入力電力Pを表し、縦軸は変換効率と反射率を表している。
図8(d)の実線g34ように、本実施形態におけるレクテナ装置1aの変換効率は約71%であり、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率の約65%より高い。
また、図8(a)のダイオード33に流れる電圧波形g31は、図6(a)のダイオード33に流れる電圧波形g11に比べると、明らかに矩形波に近づいている。各高調波処理が理論どおりに高調波処理がなされると、ダイオード33の電圧波形は矩形波となる。
なお、ダイオード33に、3次高調波、5次高調波、・・・の電圧が反射により戻ってくるために、各高調波処理が理論どおりに高調波処理がなされると、ダイオード33の電圧波形は矩形波となる。
FIG. 8 is a diagram showing changes in the voltage / current waveform of the diode, the current waveform flowing through the λ / 4 line, the conversion efficiency, and the reflectance in the rectenna device 1a according to the present embodiment. 8A shows a voltage waveform g31 of the input to the diode 33, FIG. 8B shows a current waveform g32 of the input to the diode 33, and FIG. 8C shows a current flowing through the λ / 4 line. Waveform g33 and FIG. 8D are diagrams showing changes in conversion efficiency g34 and reflectance g35. 8A to 8C is a time axis, the vertical axis of FIG. 8A represents a voltage value, and the vertical axes of FIGS. 8B and 8C are current values. Represents a value. In FIG. 8D, the horizontal axis represents input power P, and the vertical axis represents conversion efficiency and reflectance.
As shown by the solid line g34 in FIG. 8D, the conversion efficiency of the rectenna apparatus 1a in this embodiment is about 71%, which is higher than about 65% of the conversion efficiency of the rectenna apparatus 100 in the prior art.
Further, the voltage waveform g31 flowing through the diode 33 in FIG. 8A is clearly closer to a rectangular wave than the voltage waveform g11 flowing through the diode 33 in FIG. When each harmonic processing is performed as theoretically, the voltage waveform of the diode 33 becomes a rectangular wave.
In addition, since the voltages of the third harmonic, the fifth harmonic,... Are returned to the diode 33 by reflection, the voltage of the diode 33 is obtained when each harmonic processing is performed theoretically. The waveform is a rectangular wave.

このため、本実施形態におけるレクテナ回路は、より完全な高調波処理がなされていることを示している。なお、出力波形g23、g24がほぼ直流波形であるにもかかわらず、変換効率が約71%に留まっているのは、図3において、回路図中の各不連続点で、わずかに反射する分や、ダイオードを逆方向に流れる電流の影響によるものであると考えられる。   For this reason, the rectenna circuit in the present embodiment indicates that more complete harmonic processing is performed. It should be noted that although the output waveforms g23 and g24 are substantially DC waveforms, the conversion efficiency remains at about 71% because in FIG. 3, there is a slight reflection at each discontinuous point in the circuit diagram. It is also considered that this is due to the influence of the current flowing in the reverse direction through the diode.

以上のように、レクテナ装置において、従来技術においては整流回路にキャパシタが用いられていたが、本実施形態においては整流部に負荷共振回路を用いた。この結果、偶数次高調波ではインピーダンスが0(ゼロ)、奇数次高調波ではインピーダンスが∞(無限大)となるような高調波処理が行え、高調波合成によって整流波形が整形され、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
また、本実施形態においては、従来技術のシングルシャント整流回路で用いられていたキャパシタを用いないようにしたので、容量の大きなキャパシタが不要になり、さらにキャパシタが高周波でキャパシタとして動作しなくなることによる整流回路の効率悪化を防止することができる。この結果、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
As described above, in the rectenna device, the capacitor is used in the rectifier circuit in the prior art, but in the present embodiment, the load resonant circuit is used in the rectifier unit. As a result, harmonic processing can be performed such that the impedance is 0 (zero) for even harmonics and the impedance is ∞ (infinite) for odd harmonics, and the rectified waveform is shaped by harmonic synthesis. High efficiency can be achieved even at high frequencies such as millimeter waves.
Further, in this embodiment, since the capacitor used in the conventional single shunt rectifier circuit is not used, a capacitor having a large capacity becomes unnecessary, and the capacitor does not operate as a capacitor at a high frequency. The efficiency deterioration of the rectifier circuit can be prevented. As a result, high efficiency can be achieved even at high frequencies such as microwaves or millimeter waves.

[第2実施形態]
図9は、本実施形態におけるレクテナ装置200の等価回路図である。第1実施形態の図1と同じ機能を有する機能部は同じ符号を用いて、説明を省略する。
図9において、本実施形態におけるレクテナ装置200は、アンテナ11、サーキュレータ12、抵抗13、伝送路21、キャパシタ23、整流部30、負荷共振回路40、キャパシタ部240、λ/4線路251を備えている。すなわち、本実施形態におけるレクテナ装置200は、第1実施形態に加え、負荷共振回路40の後段にキャパシタ部240を備えている。
キャパシタ部240は、分岐241、キャパシタ243、伝送路244を備えている。また、符号242は、キャパシタ243にパッケージ部品を用いる場合、キャパシタ243が有する寄生容量を表している。
また、レクテナ装置200には、負荷51が接続されている。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the rectenna device 200 in the present embodiment. Functional units having the same functions as those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
In FIG. 9, the rectenna device 200 according to the present embodiment includes an antenna 11, a circulator 12, a resistor 13, a transmission path 21, a capacitor 23, a rectifying unit 30, a load resonance circuit 40, a capacitor unit 240, and a λ / 4 line 251. Yes. That is, the rectenna device 200 according to the present embodiment includes a capacitor unit 240 in the subsequent stage of the load resonance circuit 40 in addition to the first embodiment.
The capacitor unit 240 includes a branch 241, a capacitor 243, and a transmission path 244. Reference numeral 242 represents a parasitic capacitance of the capacitor 243 when a package component is used for the capacitor 243.
A load 51 is connected to the rectenna device 200.

本実施形態におけるレクテナ装置200において、各部品の定数、線路長などの設定方法を説明する。負荷共振回路40の各スタブ(T〜T、T 〜T )の電気長は、第1実施形態と同様に、式(1)と式(2)を用いて算出し、伝送路T11=λ/4、伝送路T12=λ/4に設定する。
また、整流部30、負荷共振回路40、キャパシタ部240およびλ/4線路251を含む範囲260において、スタブおよび伝送路T11、伝送路T12以外の伝送路の線路長、各部品の定数は、公知の手法を用いて算出する。
In the rectenna apparatus 200 according to this embodiment, a method for setting constants, line lengths, and the like of each component will be described. The electrical length of each stub (T 2 to T n , T 2 * to T n * ) of the load resonance circuit 40 is calculated using the formula (1) and the formula (2) as in the first embodiment, transmission line T 11 = λ 0/4, set to the transmission line T 12 = λ 0/4.
In the range 260 including the rectifying unit 30, the load resonance circuit 40, the capacitor unit 240, and the λ / 4 line 251, the line lengths of transmission lines other than the stub and the transmission line T 11 and the transmission line T 12 and the constants of the respective components are The calculation is performed using a known method.

次に、本実施形態におけるレクテナ装置200および従来技術によるレクテナ装置200aにおけるシミュレーション結果を、図10〜図12を用いて説明する。
図10は、本実施形態におけるレクテナ装置のシミュレーション用の等価回路図である。図1のアンテナ11を、正弦波発振回路70に置き換えて表している。正弦波発振回路70は、正弦波状の入力電力を与え、発振周波数は2.45[GHz]に設定し、入力電力Pを10[mW]から1000[mW]まで10[mW]刻みで変化させたときに最大変換効率を得る入力電力で回路シミュレーションを行った。入力電力Pを750[mW]に設定して、シミュレーションを行った。
負荷共振回路40において、スタブの段数はn=7とした。また、整流部30、負荷共振回路40を含む範囲260において、スタブおよび伝送路T11、伝送路T12以外の伝送路の線路長、各部品の定数は、公知の手法を用いて算出する。
Next, simulation results in the rectenna device 200 according to the present embodiment and the rectenna device 200a according to the related art will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram for simulation of the rectenna device according to the present embodiment. The antenna 11 in FIG. 1 is replaced with a sine wave oscillation circuit 70. The sine wave oscillation circuit 70 provides sinusoidal input power, sets the oscillation frequency to 2.45 [GHz], and changes the input power P from 10 [mW] to 1000 [mW] in increments of 10 [mW]. The circuit simulation was performed with the input power to obtain the maximum conversion efficiency. The simulation was performed with the input power P set to 750 [mW].
In the load resonance circuit 40, the number of stubs is n = 7. Also, the rectifying section 30, in the range 260 including the load resonant circuit 40, the stub and the transmission path T 11, the line length of the transmission line other than the transmission line T 12, the constant of each component is calculated by using a known technique.

図11は、本実施形態のレクテナ装置200aにおける入力の電流・電圧波形と出力の電流・電圧波形を示す図である。図11(a)は、入力の電圧波形g41であり、図11(b)は、入力の電流波形g42、図11(c)は、出力の電圧波形g43、図11(d)は、出力の電流波形g44である。図11(a)〜図11(d)の横軸は時間軸であり、図11(a)と図11(c)の縦軸は電圧値を表し、図11(b)と図11(d)の縦軸は電流値を表している。
図11(c)の実線g43、図11(d)の実線g44のように、出力電圧および出力電流の波形は、キャパシタ部240の効果により、第1実施形態のシミュレーション結果である図7(c)の実線g23と図7(d)の実線g24と比較し、さらに交流分が少なくなっている。
FIG. 11 is a diagram showing an input current / voltage waveform and an output current / voltage waveform in the rectenna apparatus 200a of the present embodiment. 11A shows the input voltage waveform g41, FIG. 11B shows the input current waveform g42, FIG. 11C shows the output voltage waveform g43, and FIG. 11D shows the output. A current waveform g44. The horizontal axis of FIGS. 11A to 11D is a time axis, the vertical axis of FIGS. 11A and 11C represents a voltage value, and FIGS. 11B and 11D. ) Represents the current value.
As shown by the solid line g43 in FIG. 11C and the solid line g44 in FIG. 11D, the waveforms of the output voltage and output current are the simulation results of the first embodiment due to the effect of the capacitor unit 240. FIG. ) And the solid line g24 in FIG. 7D, the AC component is further reduced.

図12は、本実施形態におけるレクテナ装置200aにおけるダイオードの電圧・電流波形、λ/4線路を流れる電流波形、変換効率と反射率の変化を表す図である。図12(a)は、ダイオード33への入力の電圧波形g51であり、図12(b)は、ダイオード33への入力の電流波形g52、図12(c)は、λ/4線路を流れる電流波形g53、図12(d)は、変換効率g54と反射率g55の変化を表す図である。図12(a)〜図12(c)の横軸は時間軸であり、図12(a)の縦軸は電圧値を表し、図12(b)と図12(c)の縦軸は電流値を表している。図12(d)の横軸は入力電力Pを表し、縦軸は変換効率と反射率を表している。
図12(d)の実線g54ように、本実施形態におけるレクテナ装置200aの変換効率は、第1実施形態と同等(約71%)であり、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率の約65%より高い。
また、図12(a)のダイオード33に流れる電圧波形g51は、第1実施形態のシミュレーション結果である図8(a)のダイオード33に流れる電圧波形g31と同様に矩形波に近づいている。
FIG. 12 is a diagram illustrating changes in the voltage / current waveform of the diode, the current waveform flowing through the λ / 4 line, the conversion efficiency, and the reflectance in the rectenna device 200a according to the present embodiment. 12A shows the voltage waveform g51 of the input to the diode 33, FIG. 12B shows the current waveform g52 of the input to the diode 33, and FIG. 12C shows the current flowing through the λ / 4 line. A waveform g53 and FIG. 12D are diagrams showing changes in the conversion efficiency g54 and the reflectance g55. The horizontal axis in FIGS. 12A to 12C is the time axis, the vertical axis in FIG. 12A represents the voltage value, and the vertical axes in FIGS. 12B and 12C are the currents. Represents a value. The horizontal axis of FIG.12 (d) represents the input electric power P, and the vertical axis | shaft represents the conversion efficiency and the reflectance.
As shown by the solid line g54 in FIG. 12D, the conversion efficiency of the rectenna device 200a in the present embodiment is equivalent to the first embodiment (about 71%), and is about 65% of the conversion efficiency of the rectenna device 100 in the prior art. taller than.
Further, the voltage waveform g51 flowing through the diode 33 in FIG. 12A is close to a rectangular wave, similar to the voltage waveform g31 flowing through the diode 33 in FIG. 8A, which is the simulation result of the first embodiment.

以上のように、レクテナ装置において、第1実施形態の負荷共振回路の後段に、さらにキャパシタ部を備えることで、第1実施形態よりもさらに理想的な整流処理が行える。この結果、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞となるような高調波処理が行え、高調波合成によって整流波形が整形され、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
また、本実施形態においては、第1実施形態の負荷共振回路の後段に付加的にキャパシタ243を用いたのみであり、従来技術のシングルシャント整流回路で用いられていたキャパシタを用いないようにした。このため、容量の大きなキャパシタが不要になり、さらにキャパシタが高周波でキャパシタとして動作しなくなることによる整流回路の効率悪化を防止することができる。この結果、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
As described above, in the rectenna device, the capacitor unit is further provided in the subsequent stage of the load resonance circuit of the first embodiment, so that a more ideal rectification process can be performed than in the first embodiment. As a result, harmonic processing can be performed so that the impedance is 0 for even harmonics and ∞ for odd harmonics, and the rectified waveform is shaped by harmonic synthesis, even at high frequencies such as microwaves or millimeter waves. High efficiency can be achieved.
In this embodiment, only the capacitor 243 is additionally used in the subsequent stage of the load resonance circuit of the first embodiment, and the capacitor used in the conventional single shunt rectifier circuit is not used. . This eliminates the need for a capacitor having a large capacity, and further prevents deterioration of the efficiency of the rectifier circuit due to the fact that the capacitor does not operate as a capacitor at a high frequency. As a result, high efficiency can be achieved even at high frequencies such as microwaves or millimeter waves.

[第3実施形態]
第1実施形態と第2実施形態では、共振回路として各高調波に対する分布定数線路である負荷共振回路40を用いて、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞を実現する例を説明した。第3実施形態では、共振回路としてLC共振回路を用いる例について説明する。
[Third Embodiment]
In the first and second embodiments, the load resonant circuit 40, which is a distributed constant line for each harmonic, is used as the resonant circuit, and the impedance is 0 for even harmonics and ∞ for odd harmonics. The example to do was explained. In the third embodiment, an example in which an LC resonance circuit is used as the resonance circuit will be described.

図13は、従来技術におけるLC共振回路を用いたF級増幅器の等価回路図である。図13のように、従来技術におけるレクテナ装置500は、アンテナ11、高周波チョーク501、スイッチング素子502(FET)、キャパシタ511、λ/4線路521、LC共振部530を備えている。レクテナ装置500には、負荷51が接続されている。   FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a class F amplifier using an LC resonance circuit in the prior art. As shown in FIG. 13, the rectenna device 500 according to the prior art includes an antenna 11, a high frequency choke 501, a switching element 502 (FET), a capacitor 511, a λ / 4 line 521, and an LC resonance unit 530. A load 51 is connected to the rectenna device 500.

スイッチング素子502は、ゲートに入力信号が入力され、ソースは接地され、ドレインはキャパシタ511の一端に接続されている。また、スイッチング素子502のドレインは、高周波チョーク501を介して電源電圧Vddに接続されている。 キャパシタ511は、一端がアンテナ11、スイッチング素子502のドレインおよび高周波チョーク501の一端に接続され、他端がλ/4線路521の一端に接続されている。
λ/4線路521は、一端がキャパシタ511の他端に接続され、他端がLC共振部530と負荷51に接続されている。
In the switching element 502, an input signal is input to the gate, the source is grounded, and the drain is connected to one end of the capacitor 511. Further, the drain of the switching element 502 is connected to the power supply voltage Vdd via the high frequency choke 501. One end of the capacitor 511 is connected to the antenna 11, the drain of the switching element 502 and one end of the high-frequency choke 501, and the other end is connected to one end of the λ / 4 line 521.
The λ / 4 line 521 has one end connected to the other end of the capacitor 511 and the other end connected to the LC resonance unit 530 and the load 51.

LC共振部530は、インダクタ531、キャパシタ532を備える。インダクタ531とキャパシタ532とは、並列に接続され、インダクタ531とキャパシタ532の一端がλ/4線路521の他端と負荷51に接続され、インダクタ531とキャパシタ532の他端が接地されている。そして、このLC共振部530は、基本波の周波数で共振する。   The LC resonance unit 530 includes an inductor 531 and a capacitor 532. The inductor 531 and the capacitor 532 are connected in parallel, one end of the inductor 531 and the capacitor 532 is connected to the other end of the λ / 4 line 521 and the load 51, and the other end of the inductor 531 and the capacitor 532 is grounded. The LC resonating unit 530 resonates at the fundamental frequency.

このLC共振部530は、高周波に対して短絡回路となる。しかし、スイッチング素子502のドレインからλ/4線路521を介して見た場合、LC共振部530は、奇数次高調波に対してλ/4線路521のインピーダンス変換作用により開放回路となる。また、LC共振部530は、偶数次高調波に対してλ/4線路521のインピーダンス変換作用が働かず短絡回路となる。このため、スイッチング素子502に十分なバイアスを与え、高周波信号を入力すると、ドレインの電圧波形は、基本波と奇数次高調波成分による矩形波となり、ドレインの電流波形は基本波と偶数次高調波からなる半波整流波形になる。   This LC resonance part 530 becomes a short circuit with respect to a high frequency. However, when viewed from the drain of the switching element 502 via the λ / 4 line 521, the LC resonance unit 530 becomes an open circuit due to the impedance conversion action of the λ / 4 line 521 with respect to odd harmonics. Further, the LC resonating unit 530 becomes a short circuit without the impedance conversion action of the λ / 4 line 521 acting on the even harmonics. For this reason, when a sufficient bias is applied to the switching element 502 and a high frequency signal is input, the voltage waveform of the drain becomes a rectangular wave by the fundamental wave and odd harmonic components, and the current waveform of the drain becomes the fundamental wave and even harmonics. A half-wave rectified waveform consisting of

このため、図3の負荷共振回路40の代わりに、各高調波にその高調波に対応したLC共振部530を用いた場合においても、ダイオード33は、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞を実現できるため、従来技術より高変換効率のレクテナ装置を実現することができる。または、各高調波にその高調波に対応したLC共振部530を、図9の負荷共振回路40の代わりに用いた場合においても、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞を実現できるため、従来技術より高変換効率のレクテナ装置を実現することができる。   Therefore, even when the LC resonance unit 530 corresponding to each harmonic is used instead of the load resonance circuit 40 of FIG. 3, the diode 33 has an impedance of 0 for the even-order harmonics and an odd-order harmonic. Since harmonics can achieve ∞ impedance, it is possible to realize a rectenna device with higher conversion efficiency than the prior art. Alternatively, even when the LC resonance unit 530 corresponding to each harmonic is used instead of the load resonance circuit 40 of FIG. 9, the impedance is 0 for even harmonics and the impedance is for odd harmonics. Since ∞ can be realized, a rectenna device with higher conversion efficiency than the conventional technology can be realized.

以上のように、レクテナ装置において、従来技術でキャパシタを用いた回路部に受信信号の各高調波に対応したLC共振回路を用いることで、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞となるような高調波処理が行え、高調波合成によって整流波形が整形され、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。   As described above, in the rectenna device, the LC resonance circuit corresponding to each harmonic of the received signal is used in the circuit portion using the capacitor in the conventional technique, so that the impedance is 0 for the even-order harmonics and 0 for the odd-order harmonics. Harmonic processing with an impedance of ∞ can be performed, the rectified waveform is shaped by harmonic synthesis, and high efficiency can be achieved even at high frequencies such as microwaves or millimeter waves.

なお、本発明のレクテナ装置は、単独で、あるいは連結して使用することが可能である。また、本発明のレクテナ装置は、無線電力伝送に有用であるが、環境発電と呼ばれるエネルギー・ハーベスティングにも用いることが可能で、汎用性は極めて広い。   The rectenna apparatus of the present invention can be used alone or in combination. The rectenna device of the present invention is useful for wireless power transmission, but can also be used for energy harvesting called energy harvesting, and is extremely versatile.

1・・・レクテナ装置
11・・・アンテナ
12・・・サーキュレータ
13・・・抵抗
21、34、42、44・・・伝送路
22、32・・・寄生容量
23・・・キャパシタ
30・・・整流部
31、41、43、45、46・・・分岐
33・・・ダイオード
40・・・負荷共振回路
11、T12・・・λ/4線路
〜T・・・高周波処理スタブ
〜T ・・・補償スタブ
51・・・負荷
530・・・LC共振部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rectenna apparatus 11 ... Antenna 12 ... Circulator 13 ... Resistance 21, 34, 42, 44 ... Transmission path 22, 32 ... Parasitic capacitance 23 ... Capacitor 30 ... rectifier 31,41,43,45,46 ... branch 33 ... diodes 40 ... load resonance circuit T 11, T 12 ··· λ / 4 line T 2 through T n ... high frequency processing stub T 2 * ~T n * ··· compensation stub 51 ... load 530 ... LC resonant portion

Claims (4)

電波を受信する受信手段と、
前記受信手段が受信した電波を整流する整流手段と、
前記整流手段が整流した電波の高調波のインピーダンスが、偶数次高調波では零、奇数次高調波では無限大となる共振回路と、
を備えることを特徴とするレクテナ装置。
A receiving means for receiving radio waves;
Rectifying means for rectifying radio waves received by the receiving means;
Resonance circuit in which the impedance of the harmonics of the radio waves rectified by the rectifier is zero for even harmonics and infinite for odd harmonics;
A rectenna device comprising:
前記共振回路は、
前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第1伝送路と、
前記第1伝送路と負荷との間に接続されている前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第2伝送路と、
前記第1伝送線路の出力端子に互いに並列に接続された複数の第1の分布定数線路と、
前記第2伝送線路の入力端子に互いに並列に接続された複数の第2の分布定数線路と、
を備え、
前記第1の分布定数線路は、L=λ/4m(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なり、
前記第1の分布定数線路は、L=λ(2m−1)/4m(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なる
ことを特徴とする請求項1に記載のレクテナ装置。
The resonant circuit is:
A first transmission line having a length of ¼ of the wavelength λ on the transmission line of the fundamental wave of the radio wave received by the receiving means;
A second transmission line having a length of ¼ of the wavelength λ on the transmission line of the fundamental wave of the radio wave received by the receiving means connected between the first transmission line and a load;
A plurality of first distributed constant lines connected in parallel to each other to an output terminal of the first transmission line;
A plurality of second distributed constant lines connected in parallel with each other to the input terminal of the second transmission line;
With
The first distributed constant line has a transmission line length L represented by L = λ / 4m (m is an integer from 2 to n), and m is different from each other.
The first distributed constant line has a transmission line length L represented by L = λ (2m−1) / 4m (m is an integer from 2 to n), and m is different from each other. Item 12. The rectenna device according to Item 1.
前記共振回路は、受信された電波の各高調波に対応する複数のインダクタとキャパシタとが並列に接続されたLC共振回路を備え、
前記LC共振回路は、一端が接地されて、他端が前記整流手段と前記負荷との接続点に接続されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレクテナ装置。
The resonant circuit includes an LC resonant circuit in which a plurality of inductors and capacitors corresponding to each harmonic of received radio waves are connected in parallel.
The rectenna device according to claim 1, wherein one end of the LC resonance circuit is grounded and the other end is connected to a connection point between the rectifying unit and the load.
前記共振回路と並列に接続され且つ前記共振回路と前記負荷と接続点に一端が接続され、
他端が接地されているキャパシタを備える
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレクテナ装置。
One end is connected to the connection point in parallel with the resonance circuit and the resonance circuit, the load,
The rectenna device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a capacitor whose other end is grounded.
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