JP2013528963A - 一体型光電池・無線周波数アンテナ - Google Patents
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Abstract
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを開示し、このアセンブリは、光電池、及び少なくとも２つの導電材料製水平部分を具え、少なくとも２つの導電材料製水平部分の各々が光電池の下に固定され、少なくとも２つの水平部分のうち２つを用いて電位差を与え、光電池、及び少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち少なくとも１つを用いて、ＲＦアンテナを提供する。
Description
関連出願のクロスリファレンス
本願は、米国特許出願第６１／３１６９１９号、発明の名称”Integrated Photovoltaic Cell and Radio-Frequency Antenna”、2010年3月24日出願（特許文献１）に基づいて優先権を主張し、その明細書の全文を参照する形で本明細書に含める。
本願は、米国特許出願第６１／３１６９１９号、発明の名称”Integrated Photovoltaic Cell and Radio-Frequency Antenna”、2010年3月24日出願（特許文献１）に基づいて優先権を主張し、その明細書の全文を参照する形で本明細書に含める。
本発明は、電子構成部品に関するものである。より正確には、本発明は、光子エネルギーのＤＣ電気エネルギーへの変換用、及び電磁波の放射及び／または受信用の一体型光（ＰＶ：photovoltaic）電池・無線周波数（ＲＦ：radio frequency）アンテナ・アセンブリに関するものである。
光または太陽エネルギー・ハーベスティング（収穫）は、小型であり、低コストであり、軽量であり、かつ移動可能な自律型無線トランシーバとって必要である。さらに、携帯、ウェアラブル（装着型）、または他の無線装置は、非直線的形状を有し得るし、フレキシブルであり得る。配線以外のアンテナは、一般に、剛性またはフレキシブルなプリント回路基板または材料上に、金属化した表面または金属化したストリップライン（ストリップ線路）を用いて製造される。
こうしたアンテナは、ＲＦフロントエンド回路と相互作用（インタフェース）しなければならない個別の電子素子である。一部の無線システムは、ＭＩＭＯ（multiple-input multiple output：多入力多出力）のようなスマートアンテナ技術を利用し、この技術では、アンテナのダイバーシティが、より高いスペクトル効率及びリンク信頼性のための２つ以上のアンテナを使用することによって達成され、このことがコスト及び大きさを増加させる。ソフトウェア無線（ＳＤＲ：software-defined-radio）及び超広帯域（ＵＷＢ：ultra-wideband）トランシーバは、広い周波数帯域幅を使用し、広帯域アンテナを必要とする。他のトランシーバは、複数の規格を組み合わせて１つの装置にし、例えば、1.5GHzのＧＰＳ、900MHz及び1.8GHzのＧＳＭ、2100MHzのＵＭＴＳ、及び欧州では2600MHz帯域のＬＴＥを組み合わせる。アンテナアレイも、より高いアンテナゲイン（アンテナ利得）及び指向性を達成する目的で、複数のアンテナ素子を使用する。アンテナアレイは一般に、宇宙及び地上通信で使用される。
今日、無線システムのアンテナ及びパッケージ化は、無線モジュールのコストの３分の１まで増加し、電子集積回路のコストを優に超えることによって、システムのボトルネック（隘路）となってきている。すべての電子デバイスを一緒に集積し、かつ素子の数を最小化して、システム−イン−パッケージ、システム−オン−チップ、システム−オン−パッケージ、及びラブ−オン−チップ（lab-on-a-chip）のようなスマートなシステムインテグレーションをもたらすことによって、直流（ＤＣ）電力消費を最小化するためには、エネルギー効率的な設計が必要である。
今日、アンテナ素子は、別個のデバイスとして購入されるか、または回路基板の一部であり、この回路基板内でアンテナ素子が他の電子デバイスと相互作用するか、あるいは密閉された電子装置のケーシング内にあるかのいずれかである。光エネルギーを吸収し、電磁波を放射及び／または受信する光電池の二重機能は、最初は、衛星及び地上通信用途向けに研究されてきた。不都合なことに、従来技術の光電池または「太陽アンテナ」、及び提起されている無線周波数アンテナの解決策は、自律型無線センサ・ネットワークのような、より低電力のトランシーバシステムに必要なフレキシビリティ及び小型性を提供せず、このことが欠点である。
これに加えて、これらの従来技術の光電池及び無線周波数アンテナは、他の電子デバイスと容易に一体化されず、従って大型になる。
光電池と無線周波数アンテナとを一体化して単一デバイスにする研究実験は、M. Tanaka、Y. Suzuki、K.Arai、及びR. Suzukiによって行われ、”Microstrip antenna with solar cells for microsatellites”, Electronic Letters, Vol.31, No.1, pp.5-6, January 5, 1995（非特許文献１）において公表されている。不都合なことに、開示された従来技術の光電池及び無線周波数アンテナは、主に、狭帯域周波数に限定される衛星及び地上用途を目的としており、このことが欠点である。
一般的なパッチアンテナ素子は、Bendel他による米国特許第６３９５９７１号明細書（特許文献２）に開示されている。これらの素子は、ＲＦトランシーバのような他の電子デバイスと、シールド（遮蔽）ケーブルを介して相互作用し、こうした具体例の一例は、Kieferによる米国特許第６５９０１５０号明細書（特許文献３）に開示されている。不都合なことに、こうした具体例では、送信または受信信号に電力損失が加わり、これにより無線システムのエネルギー効率が低下し、このことも欠点である。
これまでに開示した資料は、小型の自律型で一体化されたスマート無線システムにとって障害となる多数の欠点を示している。
さらに、そしてアンテナがパッチアンテナである場合は、ＲＦ接地面が必要である。ＲＦ接地面は、光電池及び無線周波数アンテナの下にある絶縁材料基板上に配置される。パッチアンテナは、超広帯域（＞20%または＞500MHz）の周波数帯域では使用できないことがある。光電池の前面接点は、電位を与えるためにその上面上に配置されているので、基板に至る上から下への相互接続が必要になる。
"Microstrip antenna with solar cells for microsatellites", Electronic Letters, Vol.31, No.1, pp.5-6, January 5, 1995
M. Pagliaro and R. Ciriminna, "Flexible Solar Cells", Wiley-VCH Verlag GmbH, 2008
上記の欠点の少なくとも１つを克服するアセンブリの必要性が存在する。
本発明の特徴は、以下の、本発明の開示、図面、及び説明を精査すれば明らかになる。
好適例によれば、一体型光電池・無線周波数（ＲＦ）アンテナ・アセンブリが提供され、このアセンブリは、光電池、及び少なくとも２つの導電材料製水平部分を具え、少なくとも２つの導電材料製水平部分の各々が光電池の下に固定され、少なくとも２つの水平部分のうち２つを用いて電位差を与え、光電池、及び少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち少なくとも１つを用いて、ＲＦアンテナを提供する。
好適例によれば、上記光電池は、半導体材料、薄膜材料、無機材料、ナノ材料、有機材料、及び色素増感材料から成るグループから選択した材料を用いて製造される。
さらに他の好適例では、上記光電池が、最上層、最上層の下に固定された透明導電膜層、透明導電膜層の少なくとも一部分の下に固定された第１電極層、第１電極層の下に固定された第２電極層を具え、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち第１の導電材料製水平部分が、透明導電膜層の下に固定され、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち第２の導電材料製水平部分が、光電池の第２電極層の下に固定されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記第１電極層がｐ層＜ｐ＞から成り、上記第２電極層がｎ層＜ｎ＞から成り、真性＜ｉ＞材料層がｐ層＜ｐ＞の下に固定され、ｎ層＜ｎ＞は真性＜ｉ＞材料層の下に固定されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記第１電極層がｎ層＜ｎ＞から成り、上記第２電極層がｐ層＜ｐ＞から成り、真性＜ｉ＞材料層がｎ層＜ｎ＞の下に固定され、ｐ層＜ｐ＞は真性＜ｉ＞材料層の下に固定されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記第１の導電材料製水平部分及び上記第２の導電材料製水平部分が、液体またはマイクロ（微小）流体のうちの一方である。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記第１の導電材料製水平部分及び上記第２の導電材料製水平部分が、透明導電膜層を具えている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、ローパス（低域通過）フィルタが、上記少なくとも２つの水平部分のうち２つに動作的に接続されて、上記少なくとも２つの水平部分のうち２つをＲＦデカップリング（減結合）する。
さらに他の好適例では、上記光電池がスロットを具え、マイクロホンまたはストリップラインの一方が、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分と上記光電池との間に配置されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、追加的な導電材料が、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分に動作的に接続されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記追加的な導電材料が、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分に隣接して配置されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記追加的な導電材料が、部分的に、上記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分の下に配置されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、複数の光電池を具えている。
さらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、三次元（３Ｄ）形状を有する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記三次元（３Ｄ）形状が、移動する光エネルギー位置を利用する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記光電池及び上記ＲＦアンテナの少なくとも一方が伸縮自在である。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記光電池及び上記ＲＦアンテナの少なくとも一方がフレキシブルである。
さらに他の好適例では、複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリから成る一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが提供される。
さらに他の好適例では、一体型光電池・開口（アパーチャ）結合パッチアンテナを開示し、この一体型光電池・開口結合パッチアンテナは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ、スロット付き光電池ＲＦ接地面を具え、これらのスロット付き光電池ＲＦ接地面と一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリとは、絶縁材料及び空気の一方によって分離されている。
さらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリがさらに、この一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの下に配置された反射器を具えている。
さらに他の好適例では、一体型光電池・モノポール（単極）アンテナを開示し、この一体型光電池・モノポールアンテナは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと、開口を有する光電池ＲＦ接地面と、この光電池ＲＦ接地面の開口内に係合され、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと動作的に接続されたポスト（柱）状接続部とを具え、このポスト状接続部を用いて、ＲＦの励起及び受信の少なくとも一方を行う。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、ＲＦアンテナがＲＦ差動駆動される。
さらに他の好適例では、平面モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを開示し、この平面モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、非導電性支持材と、この非導電性支持材上に配置された一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと、この一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリにＲＦ信号の励起または受信を行わせるための導電線とを具え、上記光電池及びＲＦアンテナ接地面は、この導電線と所定間隔だけ分離されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、共平面導波路（コプレーナ・ウェーブガイド）（ＣＰＷ：coplanar waveguide）及び接地された共平面導波路給電線の一方を使用する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記導電線が、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと同一平面上、及び上記非導電性支持材の部分的に導電性である背面上の一方に配置されたマイクロストリップ給電線で構成される。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、スロット付きダイポールアンテナが提供される。
さらに他の好適例では、逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ：inverted F antenna）が提供され、この逆Ｆアンテナは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを具え、このＲＦアンテナが一点でＲＦ励起され、ＲＦ接地が他の点に接続されている。
さらに他の好適例では、平面（板状）逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ：planar IFA）が提供され、この平面逆Ｆアンテナは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを具え、このＲＦアンテナが一点で励起され、ＲＦ接地が他の点に接続されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、単一の偏波及び複数の偏波の一方を有する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、水平偏波及び垂直偏波から成るグループから選択した単一の偏波を有する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、エネルギーを蓄積するためのエネルギー蓄積デバイスを具えている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記エネルギー蓄積デバイスが、電子デバイスと相互作用する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記エネルギー蓄積デバイスがさらに、ＲＦ反射器として使用される。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：microelectromechanical system）内及びナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ：nanoelectromechanical system）内の一方に組み込まれている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリがさらに、エネルギーを供給するための熱発電部を具えている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、少なくとも１つの電子デバイスと一体化されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが繊維材料内に織り込まれて、この繊維材料中に一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを形成する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのさらに他の好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、「ピール・スティック（peel and stick：剥離紙をはがして貼る）」デバイスとして作製されている。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、無線周波数エネルギーを放射及び受信する目的のアンテナまたはアンテナの一部分を構成し、かつＤＣエネルギーを１つの電子デバイスまたは複数の電子デバイスに転送するためにも使用される。
１つの好適例では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、小型の、自律型または半自律型の無線トランシーバに用いることができる。上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、フレキシブル及び／または伸縮自在にすることのできる材料内に、容易に一体化するか組み込むことができる。
複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、ダイポール状アンテナ用並びに広帯域周波数動作に用いることができ、これらは他の電子デバイスと容易に一体化することができる。広帯域周波数動作は、光電池、及び上記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうちＤＣエネルギーを転送するために使用する少なくとも１つの導電材料製水平部分の、一方の形状を変更することによっても可能である。
あらゆる物体または本体形状、及びあらゆる材料に適合するフレキシブルアンテナ用には、フレキシブル光電池を使用することができることは明らかである。
薄膜光電池は、追加的な製造処理ステップを加えることによって、他の薄膜技術と両立し、こうして、高度に集積された無線モジュールを可能になる。
開示した好適例の少なくとも１つは、特に、太陽または光エネルギー・ハーベスティングを用いる用途にとって、環境／経済要因を考慮する際に、大きな関心事となり得ることは明らかであり、上記用途は、例えば、ユビキタス・ネットワーク、無線センサ・ネットワーク（ＷＳＮ：wireless sensor network）、無線ＩＣタグ（ＲＦＩＤ：radio frequency identification）、無線フレキシブル・ディスプレイまたは大面積電子回路、無線電子ペーパー、携帯またはウェアラブル無線装置、及び無線位置追跡であるが、これらに限定されない。
１つの利点は、開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つを、他の電子デバイス、例えばＲＦトランシーバ及び／またはパワーマネージメント（電力管理）デバイス、及びあらゆる材料と容易に一体化することができることにある。
他の利点は、開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つは、少なくとも１つの光電池をＲＦアンテナ能力と一体化して、２つの個別素子を有する代わりに単一素子にすることによって、コスト低減を可能にできることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、システム内で使用される素子数の低減を可能にすることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、フレキシブルにして、あらゆる物体または本体形状に適合し、かつ、スマート繊維のようなスマート材料を構成するあらゆる材料上に配置することができることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、その厚さを非常に小さく、一具体例では、ナノメートルまたはマイクロメートルの範囲にすることができることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、軽量システムを提供することができることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、この一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、固定、移動、携帯、またはウェアラブルシステムに用いることができることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、三次元の回転光電池素子、及び／または折り畳み可能な構造で、太陽または光放射吸収の最大化を可能にできることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、ダイポールまたはループのように差動的に励起される複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの、電子ＲＦトランシーバ・デバイスとの直接的な一体化を行うことができることにある。
開示した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのうち１つの他の利点は、ディスプレイ、デジタル／アナログＲＦ回路、薄膜バッテリに使用される薄膜トランジスタのような他の薄膜技術との直接的な一体化、あるいは、有機及び／またはナノスケール電子技術の一体化を可能にできることにあり、低コストの大量生産、ロール−ツー−ロールまたはリール−ツー−リール（Ｒ２Ｒ：reel-to-reel）の製造をもたらす。
本発明をより容易に理解することができるために、本発明の実施形態を、一例として、図面中に図示する。
本発明のさらなる詳細及びその利点は、以下に含める詳細な説明より明らかになる。
以下の実施形態の説明では、図面の参照は、本発明を実施することのできる一例の例示として行う。開示する本発明の範囲を逸脱することなしに、他の実施形態を構成することができることは明らかである。
図１に、光または太陽エネルギー・ハーベスティングを用いる自律型無線トランシーバ２を示す。自律型無線トランシーバ２は、一体型光電池・無線周波数（ＲＦ）アンテナ・アセンブリ４、無線トランシーバ６、パワーマネージメント部８、随意的な第１エネルギー蓄積部１０、随意的な第２エネルギー蓄積部１２、及び随意的なセンサ１４を具えている。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４は、ＲＦアンテナとして、かつＤＣエネルギー発生器として動作し、無線トランシーバ６、パワーマネージメント部８、及び随意的に、エネルギー蓄積部１０または複数のエネルギー蓄積部１０、１２と相互作用する。無線センサ・ネットワーク（ＷＳＮ）用途の場合は、センサ１４を設けることができる。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４は、単一の光電池の代わりに、光電池パネルまたはモジュールとすることができることは明らかである。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４、無線トランシーバ６、パワーマネージメント部８、随意的な第１エネルギー蓄積部１０、随意的な第２エネルギー蓄積部１２、及び随意的なセンサ１４は、プリンテッド・エレクトロニクス（印刷電子回路）に用いられる材料（ポリマー、プラスチック、有機または無機材料）、繊維、バイオコンポジット（生体複合）材料または生体適合性材料、薄膜ガラス層、薄膜半導体層、紙、ナノ粒子、またはナノチューブのような、実質的にフレキシブルかつ伸縮自在にすることのできる材料と、あるいはこうした材料内に一体化することができる。
自律型無線トランシーバ２の種々の構成要素を一緒に集積することによって、構成要素の数を最小化し、従って、より小型の無線装置を提供することができ、このことは大きな利点であることは、当業者にとって明らかである。さらに、１つのデバイスから他のデバイスまでに必要な相互接続部を最小化し、従って、特に無線周波数における損失及び信号結合効果を最小化することによって、自律型無線トランシーバ２の効率を増大させることができ、このことも大きな利点である。
こうしたシステムは、小規模、並びに大規模または大面積の電子回路に応用することができることは明らかである。特に、本明細書に開示する一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４は、ソーラーアンテナまたは「ソーラント」とも称され、アナログ、デジタル、パルス、またはソリトン（孤立）波の放射または受信に用いることができる。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４を、他の電子デバイスと、同一の材料または基板内に一体化することによって、システム−イン−パッケージ（ＳｉＰ：system-in-package）を得ることができる。さらに、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ４を、例えば薄膜技術を用いて、他の電子構成部品または回路とさらに一体化することによって、等価なシステム−オン−チップ（ＳｏＣ：system-on-chip）またはシステム−オン−パッケージ（ＳｏＰ：system-on-package）を達成することができる。
当業者に知られているように、光電池または太陽電池は、光または光子、あるいは太陽光のエネルギーを、その構造内で直接、電気に変換する。光電池は、シリコン（Ｓi）またはガリウムヒ素（ＧaＡs）のような半導体材料、カーボンナノチューブのようなナノ材料、あるいはプリンテッド・エレクトロニクスを用いて製造することができる。半導体材料がシリコンである場合は、ｐｎ接合が製造され、このｐｎ接合で直流（ＤＣ）電流が発生する。一般的な種類の光電池は、単一接合ＧaＡs；多接合セル；単結晶または多結晶、あるいは圧膜の結晶シリコン：ＣdＴe、アモルファスＳi、多結晶接合、ナノＳi、マイクロＳi、またはポリＳiのような薄膜材料技術；色素増感材料；有機及び無機材料を含むが、これらに限定されない。これらの光電池は非常に薄く、２、３ナノメートルまたはマイクロメートルのオーダーであるので、フレキシブル光電池を得るために、例えばM. Pagliaro and R. Ciriminna, “Flexible Solar Cells”, Wiley-VCH Verlag GmbH, 2008（非特許文献２）に記載されているような、いくつかの技術を用意することができる。
図２を参照すれば、シリコン薄膜型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの実施形態が示され、ここでは光電池が、最上層２０、透明導電膜（ＴＣＦ：transparent conductive film）層２１、ｐ層＜ｐ＞２２、真性＜ｉ＞材料層２３、及びｎ層＜ｎ＞２４を具えている。
より正確には、最上層２０は、光電池用の保護カプセルとして使用される。透明導電膜層２１は、上側の導電体として使用され、ｐ型シリコン、金属接点、及びカプセル層と相対屈折率が一致して、光電池の効率を向上させる。ｐ層＜ｐ＞２２（透明導電膜の下に固定された第１電極層の第１具体例）は、上側のＴＣＦ層上に正のＤＣ接点（ＤＣ＋）を形成するのに対し、ｎ層＜ｎ＞２４（第２電極層の第１具体例）は、負のＤＣ接点を提供する。この実施形態では、真性＜ｉ＞材料層２３が、ｐ層＜ｐ＞２２とｎ層＜ｎ＞２４との間に挟まれてｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。ｐ−ｉ−ｎ接合を開示しているが、その代わりにｎ−ｉ−ｐ接合を設けることもできることは明らかである。こうした実施形態では、第１電極層がｎ層＜ｎ＞で構成され、第２電極層がｐ層＜ｐ＞で構成される。さらに、多重積層させたｐ−ｉ−ｎ層またはｎ−ｉ−ｐ層も実現可能であることは明らかである。薄膜技術のみを示しているが、アモルファス及び結晶シリコンのように多重積層させるＰＶ技術も実現可能である。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリはさらに、第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６を具えている。第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６は、光電池の接点電極として使用され、これにより電位差を与え、これらは少なくとも２つの導電材料製水平部分の具体例である。こうした導電材料は、金属またはカーボンでなくてもよく、不良導体と考えることもできる。一実施形態では、この導電材料は、液体またはマイクロ流体の一方の形態とすることができる。
一実施形態では、第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６は、透明導電膜の層で構成される。
図２に開示する実施形態では、第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６が共に、光電池の下に配置され、このことは他の素子への接続を容易にすることは明らかである。従って、このことは有利に、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの提供を可能にする。
第２の導電材料製水平部分２６を、第１の導電材料製水平部分２５と同一の水平面内に製造するために、一実施形態では、いくらかの光電池材料をエッチングで除去することができ、あるいは、光電池の製造処理ステップ中に、特定の接触電極面領域を割り当てる。こうした技術は、バック（背面）接点光電池を含むことができ、バック接点光電池は、金属化ラップ貫通（ＭＷＴ：metallization wrap-through）、エミッタラップ貫通（ＥＷＴ：emitter wrap-through）、及びバック接合セルまたは埋込み接点のような技術を用いて具体化することができる。
このことは、上部接点を光電池の上側に配置することしか可能にしなかった従来技術の光電池設計に比べて大いに有利であることは、当業者にとって明らかである。従って、従来技術の光電池設計は、基板への接続を行うために、リボンボンドまたは他の相互接続素子を必要とすることが大きな問題であった。実際に、こうした従来技術の構成は、高周波アンテナ設計、特にマイクロ波（3〜30GHzの範囲）またはミリメートル波（30〜300GHzの範囲）の設計には適さないことがある。
図２をさらに参照すれば、第１の導電材料製水平部分２５はＲＦ接続及びＤＣ接続に共に用いられるのに対し、第２の導電材料製水平部分２６は、ＤＣ＋の接続用のみに用いられている。
第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６をＲＦ接点として使用する代案実施形態、あるいは第２の導電材料製水平部分２６ＲＦ接点としてのみ使用する代案実施形態を提供することができることは明らかである。ＲＦ接点の大きさは、所望のＤＣ電流発生及びアンテナの性能特性に共に依存することは明らかである。
さらに、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを設計する際に、特に、より高い周波数を使用する際に、第１の導電材料製水平部分２５と第２の導電材料製水平部分２６との間隔を考慮に入れることができることは明らかであり、電磁界の解法またはシミュレータの助けを借りて達成される。
本明細書に開示する一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、所定数の接点に限定されないことは明らかである。従って、図２に示すように、第１の導電材料製水平部分２５が、電磁波／ＲＦ波の放射器または吸収器の基礎を提供し、この基礎が、透明導電膜（ＴＣＦ）層２１及び第２の導電材料製水平部分２６のような、第１の導電材料製水平部分２５の近辺に存在する他の導電素子も励起する。
開示する実施形態では、透明導電膜（ＴＣＦ）層２１は導電性であり、ＲＦ放射にも寄与することは明らかである。第２の導電材料製水平部分２６も他の接点の付近に配置されている場合は、結合ＲＦ電磁界が発生し、これもＲＦ放射に寄与する。逆に、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、こうしたＲＦ放射を受信または吸収することもできる。従って、第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６は共に、ＤＣ接続部上のＲＦ信号をフィルタで除去するために、ＲＦデカップリングされていなければならない。このことは、ＲＦインダクタ・チョーク（Ｌ）及びシャント（分流）コンデンサ（Ｃc）によるローパス（低域通過）フィルタを用いて実行することができる。複数のＬＣc部分を用いて、広帯域の周波数特性を有し得る不所望なＲＦ信号を抑制することができる。従って、上記光電池は、第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６と共に、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ要素２８を構成する。
ＲＦインダクタ・チョーク（Ｌ）及びシャント・コンデンサ（Ｃc）は、集中素子またはディスクリート（個別）構成部品の形態とすることができることは、当業者にとって明らかである。一般的な誘導性の集中素子は、高インピーダンス線路で構成され、これらの線路は、４分の１波長伝送線で短絡される周波数、即ち、アンテナの動作周波数に同調させることができる。実際に、この技術は、狭帯域周波数の動作に適している。上記集中素子は、光電池の下に固定されるか光電池に隣接して配置された他の材料を用いて、プロセス中に組み込むことができる。
図２に示すように、１つ以上の接点においてＲＦ接続が必要な場合は、１つ以上のＤＣ阻止コンデンサ（Ｃb）が、ハイパス（高域通過）フィルタの一部分として必要になり得る。第１の導電材料製水平部分２５及び第２の導電材料製水平部分２６は、ＲＦ接地として使用することもできる。この実施形態では、ＤＣ阻止コンデンサ（Ｃb）はハイパスフィルタとして動作するので、ＲＦ接地をＤＣ電位からデカップリングするために、コンデンサを必要とする。こうした構成は、ＲＦ電磁界が接地面内のスロットを通して放射されるスロットアンテナに用いることができ、あるいは、他のアンテナ素子用の共通接地面として使用することができる。
ＤＣ接地及びＲＦ接地を共に、同じ点に接続しなければならない場合は、上述したように、光電池の負の電位をデカップリングし、接地に直接接続される追加的なＲＦチョーク（インダクタ素子）を加えて、ＤＣ線路上にさらなるＲＦデカップリングを加える。
開口結合アンテナまたは結合アンテナ用のような、開口結合型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの場合は、少なくとも最上部の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの接点は、直接的なＤＣ接続性しか有しない。ＲＦ波は、開口結合アンテナ構造の場合はスロット付き接地面、あるいはパッチに直接結合されるパッチアンテナ素子の下にあるストリップ線路のような他のアンテナ素子によって励起される。他の代案は、パッチアンテナの下に配置されたトランシーバ回路素子の、直接結合されるＲＦ信号出力／入力を有することである。差動的に励起されるＲＦアンテナを設計する場合は、ＲＦ接地を不要にすることができる。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、２つの目的を果たし、即ち、ＤＣ電力を供給するため、及びＲＦ信号の放射または受信用のＲＦアンテナを提供するために役立つので、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの全体の大きさは、これら２つの要求に依存する。図２にバック接点２５について例示するように、導電性の光電池接点材料の表面積が、利用可能なＤＣ電力を決める。この導電材料の大きさ及び形状が、アンテナのＲＦ特性を決定する。従って、上記少なくとも２つの水平部分、及び／または、ＴＣＦ層を具えた光電池の特定形状を選定することによって、所望の動作周波数、周波数帯域幅、入力インピーダンス、アンテナゲイン（アンテナ利得）、等に応じて、アンテナを設計することができる。アンテナの設計目的で、上記導電材料を、上記少なくとも２つの水平部分を超えて拡張することができる。
図３を参照すれば、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ用の種々の平面形状が示され、これらはアンテナ設計にとって有用であり得る。これらの形状は任意に作製することができる。例えば、形状３１は直線的な長方形であり、パッチまたはファット（fat）化のモノポール状アンテナ用に有用であり得る。形状３２は台形であり、パッチ、ファット化のモノポール状アンテナ、あるいは、２つの類似形状を差動的に駆動すれば、ボウタイ（蝶ネクタイ）型アンテナが得られる。形状３３は形状３２と似ているが、形状３４と共に、より広帯域の周波数特性を有することができる。形状３５は三角形であり、形状３２と似ており、２つの類似形状を差動的に駆動すれば、ボウタイ型アンテナが得られる。形状３６は円形であるのに対し、形状３７は楕円形であり、主に広帯域または超広帯域周波数応答に用いることができる。形状３９は、特定の線幅を有するリング（環形）であり、特定周波数で共振するか、そのＲＦ励起に依存して共振するように作製することができ、多重周波数のアンテナ特性にとって有用な多重共振を有することができる。形状３３１は任意形状を有し、空間充填曲線またはフラクタル形状を含む。形状３３２は、１つの共通のＲＦ励起または複数のＲＦ励起を有する螺旋（スパイラル）アンテナとすることができ、広帯域の周波数特性にとって有用である。この例は４つの部分を有し、これらの部分は４つの異なる光電池に由来するものとすることができる。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの全体は、そのＤＣ接続のために、そしてＲＦ放射器または受信機、あるいはＲＦ接地として使用するために、互いに直列及び／または並列に接続された複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリで構成することができる。これらの一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、１つのカプセル材料２０内に組み込むことができる。
形状３３３は、ワイヤ・モノポールのようなワイヤ状アンテナと似ており、２本のワイヤを差動的に駆動すれば、ワイヤ・ダイポールのようである。形状３３４は、ワイヤ状ループアンテナとすることができ、差動的に駆動される。これらのワイヤ状アンテナは、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリからの導体接点を用いて製造することができる。これらは、空間充填曲線またはフラクタル状のアンテナとすることができ、広帯域の周波数特性を有することができる。アンテナの要求並びに全ＤＣ電力を満足する形状を設計することは、アンテナの仕様及び当業者次第である。
例えば、パッチアンテナを、FR-4 1.5mm基板または絶縁材料上で、4GHzで共振するように設計しなければならない場合は、形状３１に似た形状は、2cm×2cmの全体寸法を有することができる。
図４を参照すれば、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの代案実施形態が示されている。任意形状４０の一部分は、ＲＦ接地面として機能する。任意形状４１は、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ内及びＲＦ接地面内の開口である。種々の目的で、ＲＦ接地面内に、あるいはスロット付きフラクタル・パッチアンテナのようなアンテナ素子の一部分として、複数の開口を作製することもできることは明らかである。スロット付きアンテナ素子の全体は、そのＤＣ接続のために、互いに直列及び／または並列に接続された複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリで作製することができる。形状４２は、スロット付きリングアンテナを示す。
図５を参照すれば、形状４０の線Ａ−Ａ’に沿った断面図が示されている。この場合は、カプセル層２０のみが除去されている。この実施形態では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち、参照番号５４で参照する１つのみを示している。スロット５０は、アンテナ仕様、即ち、共振の周波数及び周波数帯域幅に対応した寸法を有する。スロット５０は、マイクロストリップ線またはストリップ線５１、あるいは他のＲＦデバイスによって励起される。スロット付き接地面からのこうした分離は、フレキシブルにすることのできる絶縁材料５２、または空気のいずれかによって行うことができる。
ＲＦ接地／ＤＣ線路接続は、接点２５を、ビア５３で、あるいは他の相互接続技術を用いて、何らかの回路５４に接続することによって行う。
ここで再び図４を参照すれば、少なくとも１つの、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの接地面４０を、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：electromagnetic bandgap）のような周期的構造、即ち、高インピーダンス面、周波数選択面（ＦＳＳ：frequency selective surface）、またはメタマテリアル（左手系材料）として設計することができ、この周期的構造は、複数のスロット４１を有する幾何学的形状及び構造を用いて、アンテナの性能を向上させる。
図４をさらに参照すれば、ＲＦ励起される任意形状３３１は、その光電池内に存在するスロット４３を有することもできる。このスロット４３は、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの特性において、帯域阻止または帯域通過の周波数作用として機能する。このことは、広い周波数帯域幅で動作するＲＦフロントエンド回路を飽和させないために、特定周波数の強力な妨害波を減衰させる際に必要となり得る。
一部のアンテナ設計では、追加的相互接続またはアンテナ形状全体が、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ素子から生じる。こうした例を図６に示し、この例では、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが特定形状３１を有する。他の回路と相互作用するためだけでなく、アンテナ設計レイアウト６０に寄与するためにも、追加的な導電材料６１が必要になる。追加的な導電材料６１は、第１の導電材料製水平部分２５と動作的に接続され、第１の導電材料製水平部分２５に隣接して配置するか、部分的に第１の導電材料製水平部分２５の真下に配置することができる。このことは、第２の導電材料製水平部分２６にも当てはまる。
図６では、追加的な導電材料６１は、部分的に第１の導電材料製水平部分２５の下に配置して、第１の導電材料製水平部分２５に接触させることができる。導電性接着剤または薄い導電性テープを用いることができる。追加的な導電材料６１は、絶縁材料５２（図示せず）上に配置することもできる。
一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、三次元（３Ｄ）の全体形状有することもでき、複数の光電池を具えることもできることは明らかである。
こうした形状は、光源位置に対して吸収することのできる光エネルギーの量を最大化するために有用であり得ることは明らかである。例えば、地球は太陽の周りを回転するので、太陽は、その位置が１日を通して変化するにつれて、光電池の一部分しか照らさないことがある。複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを用意することによって、少なくとも１つの光電池の表面に光が当たることが保証される。一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、上記３Ｄ形状の少なくとも１つの表面をカバーしなければならない。従って、この３Ｄ形状は、移動する光エネルギー位置を利用する。さらに、光電池及びＲＦアンテナの少なくとも一方は、フレキシブル及び／または伸縮自在にすることができ、これらは他の物体の表面に適合することができる。
図７を参照すれば、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの種々の３Ｄ基本形状が例示されている。例えば、形状７０は、６面を有する箱形として作製されている。形状７１は円柱形であり、ロッドとして使用することができる。この円柱の直径が、ワイヤ状アンテナとして考えられるほど十分に小さければ、ワイヤ・モノポールまたはワイヤ・ダイポールアンテナとして使用することができる。形状７２は中空ロッドであり、その曲面の周りに一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを巻き付けることができる。形状７３は丸みを付けた箱形であり、広帯域周波数アンテナの性能にとって有用である。形状７４は、三角形の形状を示す。形状７５は球形であるのに対し、形状７６は円錐形である。形状７７は放物面形状を有する。形状７８はピラミッド形状を有する。上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、折り畳み可能７９にすることもできる。上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、実質的にフレキシブルにすることができるので、回転可能にすることができる。
複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを積層させるか、互いに隣接させて配置して、完結した一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを形成することができる。さらに、複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリでは、直列及び／または並列接続によって、ＤＣ電力を追加することができる。
図８Ａを参照すれば、上部パッチアンテナ素子８０によって開口結合パッチアンテナが形成され、上部パッチアンテナ素子８０も一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ素子とすることができ、絶縁材料または空気によって、スロット付き光電池ＲＦ接地面４０から分離されている。上部パッチアンテナ素子８０は、図７に開示するような３Ｄ形状を有することもできる。
さらに、接地面または浮動導電材料のような反射器を、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの下に配置することによって、光電池の電気的効率も増加させることができる。
上部パッチ素子８０に使用する導電材料は、透明導電膜（ＴＣＦ）型とすることもできる。光電池接地面４０は、上部パッチ素子８０よりも大きい寸法を有して、ＤＣ電力変換のための光吸収を最大化する。スロット４１は主に、上部パッチアンテナ素子８０の下に配置されている。ＲＦ接地面４０は、絶縁材料５２によって分離され、ＲＦ励起部５１がその底面側に配置されている。開口結合光電池パッチアンテナ構造では、上部パッチ素子８０は、スロット４１を通してＲＦ励起され、従って、直接のＲＦ接続を必要としない。こうした構造は、大きなＤＣ電力を必要とする際に有用であり得ると共に、周波数スケーリングのために上部パッチアンテナ素子を小型にすることができる。この実施形態は、アンテナアレイにも適用することができる。
図８Ｂ〜Ｄには、１つ以上の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを用いるモノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを例示する。
図８Ｂでは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０が、光電池ＲＦ接地面４０の上方に、アンテナ設計者が定めた、光電池ＲＦ接地面４０からの特定の高さに配置されている。一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は、ＲＦ接続部を有しなければならず、このＲＦ接続部は、ポスト状接続部８１または垂直相互接続部によって提供される。従って、光電池ＲＦ接地面４０は、接続用の開口８２を有する。一実施形態では、ポスト状接続部８１は、光電池ＲＦ接地面４０の開口８２内に係合し、かつ一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリに動作的に接続されて、ＲＦ励起及び受信の少なくとも一方を提供する。他の相互接続部は、光電池ＲＦ接地面４０の背面上に配置されている。一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は３Ｄ形状を有することができ、そして複数の光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリで作製することができ、この場合は、ＤＣ電力線もポスト状接続部８１を通して持って来なければならない。一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は表面の上方にあるので、そのポスト状接続部８１は回転することができ、従って、こうした実施形態では、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は回転可能にすることができる。
図８Ｃ及び８Ｄは、実質的にフレキシブルにすることのできる非導電材料５２上に形成されたモノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを示す。この一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は、共平面導波路（ＣＰＷ）給電線を通してＲＦ接続され、支持体の非導電材料５２上に配置されている。素子８３は光電池ＲＦ接地であり、導電線８４から所定間隔８５だけ分離されている。ＣＰＷ給電線のＲＦインピーダンスは、所望周波数での、アンテナへの／アンテナからの最大電力転送のために、アンテナのインピーダンスに整合するように設計されている。ＣＰＷ給電線は、他の電子デバイスとのより容易な一体化も提供することができる。ＣＰＷ給電線は、絶縁材料５２の背面上に配置することもでき、この場合は、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０のＲＦ接続部は、放射結合ストリップ素子８４によって提供する。従って、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は、ＤＣ電力線しか提供しない。上部アンテナ導電面とストリップ素子８４との間隔は、アンテナ設計者が決定しなければならない。ギャップ８６は、接地面を、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０から分離する。他のＲＦ接地面が、絶縁材料５２の背面上に存在し得るので、接地されたＣＰＷ給電線を用いることもできる。
図８Ｄでは、平面（プレーナ）モノポールが、マイクロストリップ給電線８７を有し、これは、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０と同一平面上に配置することも、支持材料５２の背面上に配置することもできる。この場合は、最大電力転送のために、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０のインピーダンスと整合する出力または入力インピーダンスを有するＲＦトランシーバを、モノポールアンテナ・インタフェースの所に配置することもでき、従って、マイクロストリップ給電線８７を必要としない。ＲＦ接地面８３は、一様な形状または周期的構造にすることができ、特定のギャップ８６によって、モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０から分離されている。モノポールまたはダイポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、パッチアンテナでは達成不可能な広帯域または超広帯域周波数の挙動を有することは明らかである。
図８Ｅでは、複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８８が、主たる一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０を包囲している。この構造は、すべての一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリのＤＣ電力を加えることができ、同時に、素子間のＲＦ結合によるより広いアンテナ周波数帯域幅を提供するので、ＤＣ電力の増加にとって有用であり得る。特定の間隔８９は、アンテナ設計者が決定する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、ＲＦ差動駆動することができる。こうしたアンテナはＲＦ接地面を不要にすることができ、これにより、そのレイアウト構造が簡略化される。例えば、図９Ａに、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ９０を示し、これは、その両端で差動的に駆動される。図９Ｂに示すように、ループ状の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ９１も、その両端で差動的に駆動することができるが、特定のギャップ９２が、このループの２端を分離しなければならず、このことは特定のアンテナＲＦ特性に影響する。ループ状の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、低周波数（その第１共振周波数以下）では誘導性のインピーダンス特性を有するのに対し、モノポール、ダイポール、及びパッチ型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、容量性のインピーダンス特性を有する。図９Ｃに示すように、ダイポール型は差動駆動されるアンテナであり、２つの一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ９３が特定のギャップ９４によって分離されている。ダイポール型は少なくとも２つ以上の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを有し、これらを直列または並列にＤＣ接続して、利用可能なＤＣ電力を倍増させることができる。他の実施形態は、折り畳み式ダイポールアンテナで構成することができる。電力増幅器（パワーアンプ）及び低雑音増幅器（ローノイズアンプ）のような多数のＲＦフロントエンド回路が、差動トポロジを有して、コモンモードノイズを抑制し、送信または受信信号のＲＦ性能を強化する。差動的に励起されるアンテナと直接、一体化することによって、バラン（平衡不平衡変成器）が不要になり、これにより、トランシーバシステムの構成部品数が減少し、バランの存在による電力損失が最小化される。
図１０Ａに、他のＣＰＷ給電型アンテナトポロジを示す。一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ１００は、ＣＰＷ給電線で直接、励起される。この例では、スロット付きダイポールアンテナ１０１が、その寸法に応じた特定周波数で共振する。こうしたＣＰＷ給電型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、ＲＦフロントエンド回路と容易に一体化することができる。
図１０Ｂに、平面逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）トポロジを示し、ここでは、一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０は一点で励起され、ＲＦ接地が他の点に接続されている。この図では、単一のＤＣ接続のみを示している。このトポロジは、逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）にも当てはまる。
１つの一体型光電池・ＲＦアンテナトポロジは、導波路、ホーン、螺旋（スパイラル）、対数周期、渦巻き、ビバルディ（Vivaldi）、蛇行、または反射鏡アンテナを含むことができる。
上述したように、直列及び／または並列に接続された一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリがＤＣ電力を供給しながら、２つ以上の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、アンテナ・ダイバーシティ、多重周波数アンテナ、あるいはアンテナアレイ用に用いることができる。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、アンテナの形状及びそのＲＦ接続に応じて、（例えば水平または垂直偏波のような）単一偏波、（例えば円または楕円偏波のような）二重偏波、あるいは多重偏波を有することができる。
上述したように、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、メタマテリアル（左手系材料）上に配置することができ、これにより、このマテリアル自体の特性が変化し、例えば負の誘電率及び／または負の透磁率を生成する。従って、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの大きさを低減することができ、このことは、システム全体の大きさの制約が問題となる低周波数用途にとって有用である。
上記非導電性の支持材または絶縁材料は、プリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board）、フレキシブルＰＣＢ、プラスチックまたはポリマー、ガラス、紙、有機または無機材料、生体適合性またはバイオコンポジット材料、またはナノ材料とすることができ、これらはフレキシブル及び／または伸縮自在にすることができる。上記光電池は、衣服、バッグ、テント等のような繊維または衣料品内、あるいはこれらの上に一体化することができる。従って、例えば、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを繊維材料内に織り込んで、この繊維材料中に一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを形成することができる。これらは、無線ボディエリア・ネットワーク（ＷＢＡＮ：wireless body area network）のような、携帯またはウェアラブル用途に用いることができる。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、フレキシブルにすることができ、かつ他の電子デバイスと容易に一体化することができるので、平面構造の場合は、接着剤の薄層が底面側に層状化された「ピール・スティック」デバイスとして提供することができる。上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、スタンドアロン（独立型）デバイスとして、あるいは完結した無線システムとして提供することができる。
図１１を参照すれば、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ８０及びこれに関連する光電池素子を、エネルギー・ハーベスティング・インタフェース電子デバイスと一体化した実施形態が示され、このエネルギー・ハーベスティング・インタフェース電子デバイスは、光エネルギー・ハーベスティングの解決策の一部分として、一定のエネルギーを供給するための複数の変換電子回路、エネルギー蓄積部、及びエネルギー調整部、及び電子回路の後続段用の適切なＲＦ及びＤＣ接地を含んでいる。
この実施形態では、上記変換電子回路は、収集したエネルギーを使用可能なエネルギー形式に変換することによって、ＤＣエネルギーをＮ型光電池素子（N DC+, N DC-）から効率的かつ効果的に収集する。エネルギー蓄積部は、このエネルギーを蓄積して保存する。その蓄積部は変換電子回路と結合されて、光ハーベスト装置から到来する電荷を受け入れる。次に、エネルギー調整回路が、エネルギー蓄積部からの出力電圧及び電流を、後続する電子デバイス（FC+_i, DC-_j）に要求されるＤＣ給電用に調整する。ＤＣ接地も設けられている。M_RF接続及び（利用可能であれば）ＲＦ接地は、無線トランシーバ回路と直接、相互作用する。
上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、他のプリント電子回路、薄膜、ナノ電子回路、または有機技術と一体化することができる。
例えば、図１２Ａを参照すれば、第１の導電材料製水平部分１２１及び第２の導電材料製水平部分１２２を介して上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリに接続された電子デバイス１２３の断面図が示され、電子デバイス１２３は、導電性接着剤１２４、またはデバイス１２３と接触するためのフリップチップ・ボンディングのような他の手段を用いて接続されている。前述したように、第１の導電材料製水平部分１２１及び第２の導電材料製水平部分１２２は、ＲＦ及びＤＣ接続を提供するために使用され、光電池１２０の下に固定されている。
一実施形態では、電子デバイス１２３は、無線トランシーバ及び／またはパワーマネージメントデバイスとすることができ、ＤＣ変換インタフェース回路を含む。シールドケーブルの必要性がないことは、当業者にとって明らかである。
複数の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、少なくとも１つの電子デバイス１２３と相互作用させることができる。図１２Ｂに示すように、光電池１２０、第１の導電材料製水平部分１２１、及び第２の導電材料製水平部分１２２は、実質的にフレキシブルにすることのできる絶縁材料１２５を介して電子デバイス１２３に接続されている。第１の導電材料製水平部分１２１及び第２の導電材料製水平部分１２２への接続は、相互接続ビア、マイクロビア、またはナノワイヤ１２６を用いて行うことができることは明らかである。こうした構成は、図８Ｅに開示するもののようなＲＦ放射結合アンテナ構造に用いることができる。
図１２Ｂをさらに参照すれば、導電性の反射器またはメタマテリアル１２７を、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリから特定距離の所に配置して、逆放射電磁界を最小化することができる。ウェアラブル用途では、体が、アンテナによって放射されるＲＦエネルギーの大部分を吸収する。従って、導電性の反射器１２７は、体内の放射電磁界を最小化して、外向きの放射電磁界を最大化するために有利である。
一実施形態では、導電性の反射器またはメタマテリアル１２７は、電子デバイス１２３の背面上に直接存在する。その代わりに、導電性の反射器またはメタマテリアル１２７は、非導電支持材または空気１２８の背面上に存在する。電子デバイス１２３は、第１の導電材料製水平部分１２１及び第２の導電材料製水平部分１２２と同一平面上に、光電池に隣接して、絶縁材料１２５の上方に配置することもできることは明らかである。これらの構成では、ＲＦデカップリング回路網は電子デバイス１２３内に一体化される。
図１３を参照すれば、再充電可能なバッテリ及び／またはスーパーキャパシタ、あるいは燃料電池のような他のエネルギー蓄積デバイス１３０に動作的に接続された一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの実施形態が示され、これらのバッテリ等は、ナノカーボンインクまたはカーボンナノチューブ製のペーパーバッテリようにフレキシブルにすることができる。
エネルギー蓄積デバイス１３０は、電子デバイス１２３と直接、相互作用することができることは明らかである。その代わりに、エネルギー蓄積デバイス１３０は、ビアまたはナノワイヤ１３１を用いて、電子デバイス１２３と相互作用することができる。
エネルギー蓄積デバイス１３０はさらに、ＲＦ反射器として使用することができることは明らかである。一実施形態では、エネルギー蓄積デバイス１３０は、電子デバイス１２３に隣接して配置することもできることは明らかである。こうした一体型システムを用いることによって、空間及び重量が節減されることは、当業者にとって明らかであり、このことは大きな利点である。
図１４を参照すれば、他の薄膜技術と共に完全に一体化された薄膜光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが示されている。
この技術は、フォトダイオード、発光ダイオード、電子ディスプレイ、ＤＣ回路、デジタル及びアナログＲＦ回路のような、他の電子機能用に用いられる能動デバイス（トランジスタ及びダイオード）及び受動デバイス（抵抗、コンデンサ、インダクタ、及び変成器）１４０を有する光起電製造プロセスと同じ光起電製造プロセスを用いることができることは明らかである。
層１４１はシリコンダイオードとすることができることは明らかである。層１４２は、能動デバイスを構成するための薄膜シリコンとすることができ、光電池１２０の第１の導電材料製水平部分１２１、及び第２の導電材料製水平部分１２２、及び存在すれば、下にある他の層と相互作用する。
これらは、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリに隣接して製造することもできる。さらに、薄膜充電式バッテリ及び／またはエネルギー蓄積デバイス１４４を、能動及び／または受動デバイス１４０の下に配置して、これらのデバイスの一部と相互接続することができる。さらに、エネルギー蓄積デバイス１４４は実質的にフレキシブルにすることができるので、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ無線システム用の支持材として機能することができることは明らかである。
実質的にフレキシブル及び／または伸縮自在にすることのできる材料５２を、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの下に配置することができる。このように高度に集積されたシステムは、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ及び上記能動デバイスを製造するための有機または無機プロセスを用いることができる。
代案の実施形態では、カーボンナノチューブ、グラフェン・トランジスタ、量子ドット、及びナノワイヤのようなナノスケールデバイスを使用することができる。
他の実施形態では、上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）またはナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）、例えばＭＥＭＳセンサ、アクチュエータ、受動素子、またはスイッチ内に組み込むことができる。周波数再設定可能な一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、ＭＥＭＳまたはＮＥＭＳスイッチを用いて実現される。
図１５を参照すれば、光電池１２０を具えた上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの断面が示され、第１の導電材料製水平部分１２１、及び第２の導電材料製水平部分１２２は、サーモパイルのような、熱エネルギー発電部または温熱発電部、あるいは熱発電部１５０と一体化されている。
熱発電部１５０は、体表面上、太陽熱、または熱を発生している装置の付近のように、局所的な温度差が発生する際に使用することができることは明らかである。
この実施形態では、エネルギーは、光電池１２０及び熱発電部１５０から共に収集されて、エネルギー蓄積デバイス１５５に蓄積される。従って、光電池１２０の全体の大きさを低減することができる。熱発電部１５０は、光電池１２０に隣接して配置することも、製造プロセスを用いて、例えば薄膜技術を用いて光電池１２０内に組み込むこともできることは明らかである。
熱発電部１５０は、要素１５１を介して、その下にある電子デバイス１５４と相互接続される。いくつかの相互接続部１５２を伴う支持材１５３は、その下にある材料５２と同様に、随意的なものとすることができる。上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ／熱発電部システムの背面側で特定レベルの温度を維持するために、冷却システムまたはヒートシンク１５６が必要になり得る。
太陽または光エネルギー・ハーベスティングに使用される上記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリは、電磁放射または無線伝送エネルギー・ハーベスティング用のアンテナとしても使用することができ、こうして、両方のエネルギー・ハーベスティング技術を組み合わせる。
以上の説明は、発明者が現在考えている特定の好適な実施形態に関するものであるが、本発明は、その広義の態様において、本明細書に開示する要素の機械的及び機能的な等価物を含むことは明らかである。
Claims (38)
- 光電池と；
少なくとも２つの導電材料製水平部分とを具えた一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリであって、
前記少なくとも２つの導電材料製水平部分の各々が、前記光電池の下に固定され、
前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち２つを用いて電位差を与え、前記光電池、及び前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち少なくとも１つを用いて、前記ＲＦアンテナを提供することを特徴とする一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 前記光電池が、半導体材料、薄膜材料、無機材料、ナノ材料、有機材料、及び色素増感材料から成るグループから選択した材料を用いて製造されることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記光電池が、
最上層と；
前記最上層の下に固定された透明導電膜層と；
前記透明導電膜層の少なくとも一部分の下に固定された第１電極層と；
前記第１電極層の下に固定された第２電極層を具え、
前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち第１の導電材料製水平部分が、前記透明導電膜層の下に固定され、前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち第２の導電材料製水平部分が、前記光電池の前記第２電極層の下に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 前記第１電極層がｐ層＜ｐ＞から成り、
前記第２電極層がｎ層＜ｎ＞から成り、
前記ｐ層＜ｐ＞の下に固定された真性＜ｉ＞材料層をさらに具え、
前記ｎ層＜ｎ＞が、前記真性＜ｉ＞材料層の下に固定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 前記第１電極層がｎ層＜ｎ＞から成り、
前記第２電極層がｐ層＜ｐ＞から成り、
前記ｎ層＜ｎ＞の下に固定された真性＜ｉ＞材料層をさらに具え、
前記ｐ層＜ｐ＞が、前記真性＜ｉ＞材料層の下に固定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 前記第１の導電材料製水平部分及び前記第２の導電材料製水平部分が、液体またはマイクロ流体のうちの一方であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記第１の導電材料製水平部分及び前記第２の導電材料製水平部分が、透明導電膜層を具えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち２つに動作的に接続されて、前記少なくとも２つの導電材料製水平部分のうち２つをＲＦデカップリングするローパスフィルタをさらに具えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記光電池がスロットを具え、
前記少なくとも２つの導電材料製水平部分と前記光電池との間に配置されたマイクロホンまたはストリップラインの一方を具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 前記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分に動作的に接続されている追加的な導電材料を、さらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記追加的な導電材料が、前記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記追加的な導電材料が、部分的に、前記少なくとも２つの導電材料製水平部分から選択した導電材料製水平部分の下に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、複数の光電池を具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、三次元（３Ｄ）形状を有することを特徴とする請求項１または１３に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記三次元（３Ｄ）形状が、移動する光エネルギー位置を利用することを特徴とする請求項１４に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記光電池及び前記ＲＦアンテナの少なくとも一方が、伸縮自在であることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記光電池及び前記ＲＦアンテナの少なくとも一方が、フレキシブルであることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを複数具えていることを特徴とする一体型光電池・ＲＦアンテナ。
- 請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと；
スロット付き光電池ＲＦ接地面を具え、
前記スロット付き光電池ＲＦ接地面と前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリとが、絶縁材料及び空気の一方によって分離されていることを特徴とする一体型光電池・開口結合アンテナ・アセンブリ。 - 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリの下に配置された反射器をさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと；
開口を有する光電池ＲＦ接地面と；
前記光電池ＲＦ接地面の開口内に係合され、前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと動作的に接続されたポスト状接続部とを具え、
前記ポスト状接続部を用いて、ＲＦの励起及び受信の少なくとも一方を行うことを特徴とする一体型光電池・モノポールアンテナ。 - 前記ＲＦアンテナが、ＲＦ差動駆動されることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 非導電性支持材と；
前記非導電性支持材上に配置された、請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと；
前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリにＲＦ信号の励起または受信を行わせるための導電線とを具え、
前記光電池及びＲＦアンテナ接地面が、前記導電線と所定間隔だけ分離されていることを特徴とする平面モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。 - 共平面導波路（ＣＰＷ）及び接地された共平面導波路給電線の一方を使用することを特徴とする請求項２３に記載の平面モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記導電線が、前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリと同一平面上、及び前記非導電性支持材の部分的に導電性である背面上の一方に配置されたマイクロストリップ給電線で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の平面モノポール型の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- ＣＰＷ給電線を有するスロット付きアンテナを具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを具えた逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）であって、
前記ＲＦアンテナが一点でＲＦ励起され、ＲＦ接地が他の点に接続されていることを特徴とする逆Ｆアンテナ。 - 請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを具えた平面逆Ｆアンテナであって、
前記ＲＦアンテナが一点で励起され、ＲＦ接地が他の点に接続されていることを特徴とする平面逆Ｆアンテナ。 - 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、単一の偏波及び複数の偏波の一方を有することを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、水平偏波及び垂直偏波から成るグループから選択した単一の偏波を有することを特徴とする請求項２９に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- エネルギーを蓄積するためのエネルギー蓄積デバイスをさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記エネルギー蓄積デバイスが、電子デバイスと相互作用することを特徴とする請求項３１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記エネルギー蓄積デバイスがさらに、ＲＦ反射器として使用されることを特徴とする請求項３１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）内及びナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）内の一方に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- エネルギーを供給するための熱発電部をさらに具えていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、少なくとも１つの電子デバイスと一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが繊維材料内に織り込まれて、この繊維材料中に一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリを形成することを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
- 前記一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリが、「ピール・スティック」デバイスとして作製されていることを特徴とする請求項１に記載の一体型光電池・ＲＦアンテナ・アセンブリ。
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