JP2013226020A - レクテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作条件にかかわらず高い電力変換効率を維持することができるレクテナ装置を提供すること。
【解決手段】レクテナ素子と、前記レクテナ素子から入力された直流電力の電圧を変換して出力する電圧制御器であって、直流電流が流れるインダクタと、前記インダクタに流れる直流電流をオン／オフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ時に誘導電流が流れるダイオードと、当該レクテナ装置の動作状態をモニタするモニタ部と、前記モニタ部がモニタした動作状態に応じて、当該電圧制御器が出力する電力の電圧を、当該レクテナ装置の電力変換効率が極大値または最大値の近傍になるように制御する制御部と、を有する電圧制御器と、を備えるレクテナ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レクテナ装置に関する。

レクテナ（rectenna：rectifying antenna）素子は、マイクロ波などの高周波を受電してこれを直流電力に変換する素子である（たとえば特許文献１参照）。レクテナ素子を備えたレクテナ装置は、電力回生技術、無線給電技術への応用が期待されている。無線給電技術としては、たとえば、宇宙空間に設けた巨大な太陽光発電所からマイクロ波帯（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）の電波を使って地上に電力を送るという宇宙太陽発電所（スペース・ソーラー・パワー・サテライト：ＳＰＳ）構想等への応用が期待されている。

レクテナ装置において、レクテナ素子と、レクテナ素子が生成した直流電力を使用する負荷（例えば蓄電池等）との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧制御器が接続されている。この電圧制御器は、レクテナ素子が生成した直流電力を、負荷に適する電圧の電力に変換する機能を有する。

特開２０１２−０２３８５７号公報

しかしながら、一般にレクテナ装置は、その動作条件によって、高周波から直流への電力変換効率が変化するという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、動作条件にかかわらず高い電力変換効率を維持することができるレクテナ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレクテナ装置は、レクテナ素子と、前記レクテナ素子から入力された直流電力の電圧を変換して出力する電圧制御器であって、直流電流が流れるインダクタと、前記インダクタに流れる直流電流をオン／オフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオフ時に誘導電流が流れるダイオードと、当該レクテナ装置の動作状態をモニタするモニタ部と、前記モニタ部がモニタした動作状態に応じて、当該電圧制御器が出力する電力の電圧を、当該レクテナ装置の電力変換効率が極大値または最大値の近傍になるように制御する制御部と、を有する電圧制御器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記モニタ部は、前記レクテナ素子から入力された直流電力をモニタすることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記電圧制御器に接続された負荷をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記モニタ部は、前記負荷の抵抗をモニタすることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記電圧制御器にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記バイアス電圧は、前記電圧制御器が出力する電力の電圧と略同じ値であることを特徴とする。

また、本発明に係るレクテナ装置は、上記発明において、前記バイアス電圧印加部は、前記レクテナ素子から前記電圧制御器に直流電力が入力されている状態では、前記バイアス電圧の印加を停止することを特徴とする。

本発明によれば、動作条件にかかわらず高い電力変換効率を維持することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るレクテナ装置のブロック図である。 図２は、レクテナ素子における電力変換効率の一例を示す図である。 図３は、レクテナ素子における電力変換効率の一例を示す図である。 図４は、レクテナ素子における電力変換効率の一例を示す図である。 図５は、図１に示す電圧制御器の一例を示す回路図である。 図６は、図１に示す電圧制御器の別の一例を示す回路図である。

以下に、図面を参照して本発明に係るレクテナ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るレクテナ装置のブロック図である。図１に示すように、レクテナ装置１００は、受電アンテナ１０と、入力フィルタ２０と、整流素子３０と、出力フィルタ４０と、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータである電圧制御器５０と、負荷６０とが順次電気的に接続して構成されている。

受電アンテナ１０は、高周波であるマイクロ波を受電するものであり、たとえばダイポールアンテナやマイクロストリップアンテナで構成される。高周波の周波数としては、たとえば２．４〜２．５ＧＨｚや５．８ＧＨｚ帯であるが、周波数は特に限定されず、たとえば携帯電話等で利用される８００ＭＨｚ帯〜２ＧＨｚ帯や、３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚでもよい。

整流素子３０は、たとえばダイオードであり、受電アンテナ１０から入力されたマイクロ波を整流し直流電力に変換するものである。

入力フィルタ２０は、整流素子３０がマイクロ波を整流したときに発生するマイクロ波の高調波成分をカットし、高調波成分が受電アンテナ１０側に出力されることを防止するものである。入力フィルタ２０は、受電アンテナ１０から入力されるマイクロ波の周波数を透過し、その高調波を遮断するバンドパスフィルタやローパスフィルタにより実現でき、たとえばＲＬＣ回路等によって構成することができる。

出力フィルタ４０は、整流素子３０からの直流電力を透過するとともに、マイクロ波の高調波成分をカットするものである。出力フィルタ４０は、受電アンテナ１０から入力されるマイクロ波の高調波を遮断するバンドパスフィルタやローパスフィルタにより実現でき、たとえばＲＬＣ回路等によって構成することができる。また、出力フィルタ４０は、整流素子３０で整流されなかったマイクロ波の残留成分も同時にカットする周波数特性としてもよい。

上記の受電アンテナ１０、入力フィルタ２０、整流素子３０、および出力フィルタ４０は、レクテナ素子７０を構成している。なお、レクテナ素子としては、各フィルタは必須ではなく、受電アンテナ１０および整流素子３０を備えていればレクテナ素子として機能する。

電圧制御器５０は、出力フィルタ４０から出力された直流電力の電圧を制御して、所定の電圧の直流電力として出力する機能を有する。電圧制御器５０の後段に接続された負荷６０（例えば蓄電池等）には、その負荷に適した電圧の電力が供給される。

上述したように、このレクテナ装置１００では、受電アンテナ１０がマイクロ波を受電し、整流素子３０がマイクロ波を直流電力に変換し、電圧制御器５０が直流電力の電圧を制御し、負荷６０に供給するとともに、入力フィルタ２０、出力フィルタ４０が、マイクロ波の高調波成分をカットするように動作する。

ここで、一般にレクテナ装置は、その動作条件によって、高周波から直流への電力変換効率が変化する。

図２、３、４は、レクテナ装置における電力変換効率の一例を示す図である。図２は、図１の構成においてレクテナ素子７０と負荷６０とを直接接続した実験系において、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波の入力電力（受電する電力）を１５００ｍＷに固定して、負荷抵抗を変化させた場合の、負荷抵抗と変換効率との関係を示す図である。図２の場合は、負荷抵抗が白丸で示す約１００Ωの場合に、レクテナ素子７０から出力される直流電力が１１６９．５ｍＷとなり、変換効率が７８．０％と極大値になった。

また、図３は、図２の場合において、横軸をレクテナ素子７０の出力電圧としたときの、出力電圧と変換効率との関係を示す図である。図３の場合は、出力電圧が白丸で示す約１０．８Ｖの場合に、レクテナ素子から出力される直流電力が１１６９．５ｍＷとなり、変換効率が７８．０％と極大値になった。

また、図４は、図２と同じ実験系において、負荷抵抗を１００Ωに固定して、入力電力を５００ｍＷから２５００ｍＷの間で変化させた場合の、入力電力と変換効率との関係を示す図である。図４の場合は、入力電力が白丸で示す１５００ｍＷの場合に変換効率が７８．０％と極大値になった。

このように、レクテナ装置は、その動作条件（入力電力や負荷抵抗、出力電圧）によって、高周波から直流への電力変換効率が変化する。

これに対して、図１に示すレクテナ装置１００では、電圧制御器５０が、レクテナ素子７０の動作状態をモニタして、その動作状態に応じて、負荷６０への出力電圧を、レクテナ装置１００の電力変換効率が極大値の近傍になるように制御するので、レクテナ装置１００の電力変換効率が高い値に維持される。このとき、電圧制御器５０は、レクテナ素子７０と負荷６０との間でバッファとして機能する。

（電圧制御器の例）
図５は、図１に示す電圧制御器５０の一例としてのＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａを示す回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａは、インダクタＬ１と、ダイオードＤ１と、入力コンデンサＣ１と、出力コンデンサＣ２と、スイッチング素子としての電界効果トランジスタＱ１と、電圧モニタ用の分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２と、過電圧保護回路５１と、ＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）制御回路５２と、誤差増幅回路５３と、バイアス電圧印加部５４とを備え、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されている。分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２と誤差増幅回路５３とはモニタ部を構成している。なお、過電圧保護回路５１は、整流素子３０に過度の電圧が掛からないようにして整流素子３０を保護するためのものであり、たとえばツェナーダイオードを用いて構成される。

インダクタＬ１は、電界効果トランジスタＱ１のスイッチオン時には、レクテナ素子７０から入力された直流電流が流れることによってエネルギーが蓄積される。そして、電界効果トランジスタＱ１のスイッチオフ時には、蓄積されたエネルギーを放出して、ダイオードＤ１を通して誘導電流が流れる。
入力コンデンサＣ１、出力コンデンサＣ２はそれぞれ電圧を平滑化させるものである。

誤差増幅回路５３は、オペアンプＩＣ１と、基準電圧Ｖrefが入力される抵抗Ｒ３と、帰還コンデンサＣ３とを備えている。バイアス電圧印加部５４では、保護用のダイオードＤ２を通してバイアス電圧Ｖsが印加される。

このＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａでは、出力フィルタ４０側から直流電力（入力電圧Ｖin）が入力されると、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２によって電圧Ｖinが分圧された電圧が、誤差増幅回路５３のオペアンプＩＣ１のマイナス端子に入力される。オペアンプＩＣ１は、基準電圧Ｖrefが抵抗Ｒ３を介してプラス端子に入力された電圧と比較して、その差に応じた制御信号をＰＷＭ制御回路５２に出力する。ＰＷＭ制御回路５２は、入力された制御信号に応じてＰＷＭ制御により電界効果トランジスタＱ１のスイッチングを行い、入力電圧Ｖinから降圧された出力電圧Ｖoを有する直流電力を出力する。

このとき、誤差増幅回路５３およびＰＷＭ制御回路５２は、レクテナ素子７０からの入力電力を、入力電圧Ｖinをもとにモニタする。そして、モニタした入力電圧Ｖinに応じて、負荷６０への出力電圧を、レクテナ装置１００の電力変換効率が極大値の近傍になるような出力電圧Ｖoが得られるように、ＰＷＭ信号のデューティーを調整して電界効果トランジスタＱ１のスイッチングを制御する。その結果、レクテナ装置１００の電力変換効率が高い値に維持される。

ここで、電力変換効率が極大値の近傍とは、極大値の５％以内の値であることが好ましく、３％以内であることがさらに好ましい。たとえは、極大値が７８．０％であれば、７４．１％〜７８．０％であることが好ましく、７５．７％〜７８．０％であることがさらに好ましい。出力電圧Ｖoの制御は、公知の誤差増幅回路５３およびＰＷＭ制御回路５２を用いれば、たとえば０．１Ｖ程度の分解能で制御することは容易である。図３に示すような特性の場合、出力電圧Ｖoを０．１Ｖ程度の分解能で制御すれば、電力変換効率を極大値の１％程度以内の値に制御することは容易であり、３％以内や５％以内の値の値に制御することはさらに容易である。

なお、出力電圧Ｖoの値については、レクテナ装置１００の特性（たとえば図２、３、４に示すような特性）を予め測定しておき、その特性をＰＷＭ制御回路５２にテーブルまたは関数として記憶させておけばよい。

また、設定する出力電圧Ｖoとしては、入力電圧Ｖinに応じて連続的に変化させても良い。または、複数の出力電圧Ｖoの設定値の中から、入力電圧Ｖinに応じて最適な設定値をたとえば３〜５種類の中から選択し、切り換えるようにしても良い。最適な設定値を選択する構成とすれば、ＰＷＭ制御回路５２の構成がより簡易になるので好ましい。さらには、レクテナ素子７０からの入力電圧が所定の範囲で変動することが想定されていれば、その入力電圧の変動の範囲内での電力変換効率の最大値またはその近傍に対応する出力電圧Ｖoに設定し、切換等を行わなくても良い。この場合、ＰＷＭ制御回路５２の構成がさらに簡易になる。

また、設定する出力電圧Ｖoは、整流素子３０の耐圧よりも低い電圧とされるので、整流素子３０に出力電圧Ｖoよりも高い電圧が掛かることが抑制される。したがって、過電圧保護回路５１とあわせて、整流素子３０はより確実に高電圧から保護されることとなる。

ところで、無線給電等に用いられるレクテナ素子には、高周波が常に入力されているとは限らず、高周波が入力されていない状態から急に入力される場合がある。ところが、一般に、レクテナ素子は、高周波の入力に対する応答速度が、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力制御器の入力に対する応答速度よりも速い。その結果、入力されていない状態から、レクテナ素子に急に高周波が入力された場合に、電圧制御器のインピーダンスのゼロからの立ち上がりが遅れた場合、負荷に高い電圧が入力され、負荷に負担がかかる場合がある。

そこで、このＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａでは、動作時には、バイアス電圧印加部５４からバイアス電圧Ｖsを常時印加させて、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａを常時動作させてインピーダンスを発生させている。これによって、レクテナ素子７０に急に高周波が入力されても、負荷６０に高い電圧が入力されることが防止される。

バイアス電圧Ｖsの値は特に限定されないが、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａにおいて設定する出力電圧Ｖoと略同じ値にするのが好ましい。これによって、レクテナ装置１００は、レクテナ素子７０に急に高周波が入力された場合でも、直ちに電力変換効率が高い状態での動作を行うことができる。

なお、バイアス電圧Ｖsの印加によって、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２に電圧降下が生じるので、そこで電力が消費される。したがって、バイアス電圧印加部５４は、直流電力がレクテナ素子７０からＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａに入力されている状態では、バイアス電圧Ｖsの印加を停止してもよい。これによって、バイアス電圧Ｖsの印加に起因する電力の消費が防止されるので、レクテナ装置１００の電力変換効率はさらに高くなる。バイアス電圧印加部５４は、たとえば誤差増幅回路５３およびＰＷＭ制御回路５２がモニタしているレクテナ素子７０からの入力電力の情報を受け取り、この情報に基づいて入力電力の有無を判断し、バイアス電圧Ｖsの印加を停止したり、あるいはバイアス電圧Ｖsの印加を再開したりすることができる。

（ＤＣ−ＤＣコンバータの別の例）
図６は、図１に示す電圧制御器５０の別の一例としてのＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ｂを示す回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ｂは、図５に示すＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａの構成から、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２を削除し、モニタ抵抗Ｒ４と、オペアンプＩＣ２とを付加したものであり、その他の構成はＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａと同じである。モニタ抵抗Ｒ４とオペアンプＩＣ２と誤差増幅回路５３とはモニタ部を構成している。

このＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ｂは、モニタ抵抗Ｒ４の両端の電位差から、レクテナ素子７０からの入力電流Ｉinをモニタする構成である。電位差の値は、オペアンプＩＣ２によって誤差増幅回路５３のオペアンプＩＣ１のマイナス端子に入力される。その後は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａの場合と同様に、オペアンプＩＣ１は、電位差の値を、基準電圧Ｖrefが抵抗Ｒ３を介してプラス端子に入力された電圧と比較して、その差に応じた制御信号をＰＷＭ制御回路５２に出力する。ＰＷＭ制御回路５２は、入力された制御信号に応じてＰＷＭ制御により電界効果トランジスタＱ１のスイッチングを行い、入力電圧Ｖinから降圧された出力電圧Ｖoを有する直流電力を出力する。

誤差増幅回路５３およびＰＷＭ制御回路５２は、レクテナ素子７０からの入力電力を、モニタ抵抗Ｒ４に流れる入力電流Ｉinをもとにモニタする。そして、モニタした入力電流Ｉinに応じて、負荷６０への出力電圧を、レクテナ装置１００の電力変換効率が極大値の近傍になるような出力電圧Ｖoが得られるように、ＰＷＭ信号のデューティーを調整して電界効果トランジスタＱ１のスイッチングを制御するので、レクテナ装置１００の電力変換効率が高い値に維持される。

なお、図５、６に示すＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されているが、他の公知の構成の降圧型、または昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いても良い。また、電界効果トランジスタＱ１に換えてバイポーラ型のトランジスタ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。

また、図５、６に示すＤＣ−ＤＣコンバータでは、レクテナ素子７０からの入力電力をもとにＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定しているが、負荷６０の負荷抵抗が変動する場合は、負荷６０の負荷抵抗をモニタし、これをもとにＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定してもよい。あるいは、受電アンテナ１０が受電する入力電圧をモニタし、これをもとにＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を設定してもよい。

また、上記実施の形態に係るレクテナ装置は、負荷を含むものとして構成されているが、本発明はこれにかぎられず、負荷を含まず、外部の負荷に接続して用いる構成のレクテナ装置でもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ 受電アンテナ
２０ 入力フィルタ
３０ 整流素子
４０ 出力フィルタ
５０ 電力制御器
５０Ａ、５０Ｂ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５１ 過電圧保護回路
５２ ＰＷＭ制御回路
５３ 誤差増幅回路
５４ バイアス電圧印加部
６０ 負荷
７０ レクテナ素子
１００ レクテナ装置
Ｃ１ 入力コンデンサ
Ｃ２ 出力コンデンサ
Ｃ３ 帰還コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＩＣ１、ＩＣ２ オペアンプ
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１、Ｒ２ 分圧抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ モニタ抵抗

Claims (7)

1. レクテナ素子と、
   前記レクテナ素子から入力された直流電力の電圧を変換して出力する電圧制御器であって、
   直流電流が流れるインダクタと、
   前記インダクタに流れる直流電力をオン／オフするスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のオフ時に誘導電流が流れるダイオードと、
   当該レクテナ装置の動作状態をモニタするモニタ部と、
   前記モニタ部がモニタした動作状態に応じて、当該電圧制御器が出力する電力の電圧を、当該レクテナ装置の電力変換効率が極大値または最大値の近傍または最大値になるように制御する制御部と、
   を有する電圧制御器と、
   を備えることを特徴とするレクテナ装置。
2. 前記モニタ部は、前記レクテナ素子から入力された直流電力をモニタすることを特徴とする請求項１に記載のレクテナ装置。
3. 前記電圧制御器に接続された負荷をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレクテナ装置。
4. 前記モニタ部は、前記負荷の抵抗をモニタすることを特徴とする請求項３に記載のレクテナ装置。
5. 前記電圧制御器にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレクテナ装置。
6. 前記バイアス電圧は、前記電圧制御器が出力する電力の電圧と略同じ値であることを特徴とする請求項５に記載のレクテナ装置。
7. 前記バイアス電圧印加部は、前記レクテナ素子から前記電圧制御器に直流電力が入力されている状態では、前記バイアス電圧の印加を停止することを特徴とする請求項５または６に記載のレクテナ装置。

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