JP2015192484A

JP2015192484A - レクテナ

Info

Publication number: JP2015192484A
Application number: JP2014066404A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎小澤; Yuichiro Ozawa; 藤原　暉雄; Teruo Fujiwara; 暉雄藤原
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】レクテナの故障を防止する手段を提供する。【解決手段】レクテナ１０は、アンテナ３と、アンテナ３から負荷側へ延びアンテナ３が受信した電波による電力を伝送する一対の線路５ａ，５ｂと、一対の線路５ａ，５ｂに設けられアンテナ３により受けた交流受電電力を直流電力に変換する整流回路７と、整流回路７の出力側に設けられたサージ吸収部９を備える。サージ吸収部９は、整流回路７の出力側において一対の線路５ａ，５ｂに設けられ、一対の線路５ａ，５ｂに生じる電圧のサージを吸収することにより、整流ダイオード７ｂに印加される電圧を、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧以下に抑える。【選択図】図１

Description

本発明は、電波（例えばマイクロ波）を受信し、この受信による電力を負荷に供給するレクテナに関する。

レクテナは、電波を受信するアンテナと、アンテナが受信した電波による交流の受電電力を直流電力に変換する整流回路とを有する。整流回路から出力された直流電力は、負荷に供給される。レクテナは、例えば下記の特許文献１に記載されている。

特許文献１では、複数のレクテナを設け、これらのレクテナからの出力線を、接続点において互いに並列に接続している。これにより、複数のレクテナから接続点を通して負荷に電力を供給している。さらに、各レクテナと上記の接続点との間に位置するように、ダイオードを上記の各出力線に直列に設けている。これにより、いずれかのレクテナが故障しても、負荷に電力が供給されなくなることを防いでいる。

特開平２０１２−１３９０５１号公報

しかし、上述の特許文献１の技術は、レクテナが故障することを防止したものではない。そのため、レクテナの故障自体を防止する技術が望まれる。

そこで、本発明の目的は、レクテナが故障した場合の問題を解決するための手段ではなく、レクテナの故障を未然に防止する手段を提供することにある。

レクテナの整流回路は整流ダイオードを含む。本発明の発明者は、レクテナの故障は、この整流ダイオードに、その逆耐電圧（降伏電圧）を超えるサージ電圧（過大電圧）が印加されることに原因があると推定し、その対策を採ることにした。整流ダイオードにサージ電圧が印加されると、整流ダイオードが破壊され、その結果、レクテナが故障する。

すなわち、上述の目的を達成するため、本発明によると、電波を受信し該受信による電力を負荷に供給するレクテナであって、
電波を受信するアンテナと、
前記アンテナから負荷側へ延び、前記アンテナが受信した電波による電力を伝送する一対の線路と、
前記一対の線路に設けられ、前記アンテナが受信した電波による交流の受電電力を直流電力に変換する整流回路と、を備え、
前記整流回路は、
前記アンテナからの前記受電電力が入力され、電波による基本周波数の交流電圧を通過させ、直流電圧の通過を阻止する入力フィルタと、
前記入力フィルタの下流において前記一対の線路にそれぞれ接続された両端部を有し、前記入力フィルタからの交流電圧を直流電圧に変換する整流ダイオードと、
前記整流ダイオードにより変換された直流電圧を通過させて負荷側へ供給し、前記基本周波数の交流電力の通過を阻止する出力フィルタとを、有し、
前記出力フィルタの出力側において前記一対の線路に設けられ、前記一対の線路に生じる電圧のサージを吸収することにより、前記整流ダイオードに印加される電圧を、前記整流ダイオードの逆耐電圧以下に抑えるサージ吸収部を備える、ことを特徴とするレクテナが提供される。

上述のレクテナの好ましい例は、以下の通りである。

前記サージ吸収部は、定電圧ダイオードであり、該定電圧ダイオードのカソードが、前記一対の線路の一方に接続され、定電圧ダイオードのアノードが、前記一対の線路の他方に接続されている。

このように、定電圧ダイオードを一対の線路間に設けることにより、一対の線路間の電位差を前記整流ダイオードの逆耐電圧以下に抑えることができる。
定電圧ダイオードの逆耐電圧（降伏電圧）の大きさは、整流ダイオードの逆耐電圧の大きさであるか、または、整流ダイオードの逆耐電圧の大きさより小さく、かつ、上述のサージ電圧が生じない正常時に、前記出力フィルタの出力側において一対の線路間に生じる最大電位差（大きさ）より大きい。

前記サージ吸収部は、コンデンサであり、該コンデンサの正極が、前記一対の線路のうち正極側の線路に接続され、該コンデンサの負極が、前記一対の線路のうち負極側の線路に接続されている。

このように、コンデンサを一対の線路間に設けることにより、一対の線路間の電位差を前記整流ダイオードの耐電圧以下に抑えることができる。
このような作用が得られるように、コンデンサの容量を設定する。すなわち、サージ吸収部を設けない場合に、出力フィルタの出力側において一対の線路間に生じるサージ電圧（しきい値以上の過大電圧）の予想値または計測値に基づいてコンデンサの容量を設定する。

上述した本発明のレクテナによると、出力フィルタの出力側において一対の線路にサージ吸収部を設ける。したがって、整流ダイオードに印加される電圧にサージが生じても、このサージがサージ吸収部に吸収されるので、整流ダイオードに印加される電圧を、整流ダイオードの逆耐電圧以下に抑えることができる。これにより、レクテナの故障を防止できる。

この効果を、次のように実験で確かめた。サージ吸収部の有無以外の条件を同じにして実験をしたところ、サージ吸収部を設けない場合には、３２個のレクテナのうち、３個のレクテナが故障したのに対し、サージ吸収部を設けた場合には、１１５０個のレクテナのいずれも故障しなかった。このように、サージ吸収部を設けた場合には、サージ吸収部を設けない場合と比べて、レクテナの故障率が大幅に低下することを実験で確認した。

本発明の実施形態によるレクテナの構成を示す。レクテナの動作の説明図である。レクテナの直流出力電圧Ｖ_Ｏと整流回路の変換効率μとの関係を示すグラフである。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態によるレクテナ１０の構成を示す。レクテナ１０は、電波（例えば、マイクロ波）を受信し、この受信による電力を負荷１に供給する。図１に示すように、レクテナ１０は、アンテナ３、一対の線路５ａ，５ｂ、および、整流回路７を備える。

アンテナ３は、電波を受信し、受信したマイクロ波による電力を一対の線路５ａ，５ｂに伝える。図１の例では、アンテナ３は、互いに同じ形状と寸法を持つ一対のアンテナ素子３ａ，３ｂを有するダイポールアンテナである。

一対の線路５ａ，５ｂは、アンテナ３から負荷１側へ延び、アンテナ３が受信した電波による電力を伝送する。図１の例では、一対の線路５ａ，５ｂは、それぞれ、一対のアンテナ素子３ａ，３ｂに接続されている。一対の線路５ａ，５ｂは、例えば、マイクロストリップラインであるが、他の適宜のものであってもよい。

整流回路７は、一対の線路５ａ，５ｂに設けられる。整流回路７は、アンテナ３が受信した電波による交流の受電電力を直流電力に変換する。整流回路７は、入力フィルタ７ａ、整流ダイオード７ｂ、および、出力フィルタ７ｃを有する。

入力フィルタ７ａには、アンテナ３からの上述の受電電力が入力される。入力フィルタ７ａは、電波（マイクロ波）の基本周波数（レクテナ１０が受信の対象とする設定周波数）の交流電圧を通過させる。好ましくは、入力フィルタ７ａは、直流電圧の通過を阻止し、整流ダイオード７ｂによる交流電力を直流電力への変換動作で発生する高調波の電力の通過を阻止する。

整流ダイオード７ｂは、一対の線路５ａ，５ｂにそれぞれ接続された両端部（カソードとアノード）を有する。整流ダイオード７ｂのカソードは、一方の線路５ａに接続され、整流ダイオード７ｂのアノードは、他方の線路５ｂに接続される。整流ダイオード７ｂには、入力フィルタ７ａからの交流電圧を直流電圧に変換する。

出力フィルタ７ｃには、整流ダイオード７ｂにより変換された直流電圧が入力される。出力フィルタ７ｃは、この直流電圧を通過させて負荷１側へ出力する。また、出力フィルタ７ｃは、上述の基本周波数の交流電力の通過を阻止する。好ましくは、出力フィルタ７ｃは、上述の高調波の電力の通過も阻止する。

レクテナ１０の構造をより詳しく説明する。

アンテナ３側から入力フィルタ７ａを通過した交流電力（マイクロ波）は、出力フィルタ７ｃで反射される。その結果、出力フィルタ７ｃを規準位置として、一対の線路５ａ，５ｂにおいて電圧定在波が発生する。この電圧定在波の振幅が大きく、電流が流れ易い位置に整流ダイオード７ｂが配置される。好ましくは、最大の変換効率が得られるように整流ダイオード７ｂの位置が調整されている。

本実施形態によると、整流回路７の整流方式は、例えばクリップ回路の動作と類似している。すなわち、整流回路７は、直流バイアス電圧を生じさせた状態で整流動作する。整流回路７は、自らの整流電力によって直流バイアス電圧を形成する自己バイアス整流方式のものである。

レクテナ１０は、整流ダイオード７ｂの両端部間に生じる大きい直流バイアス電圧により、交流電力から直流電力への高い変換効率を達成する。その一方で、この直流バイアス電圧が、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧を超えて、整流ダイオード７ｂを破壊する可能性もある。レクテナ１０の故障原因の大部分が、直流バイアス電圧にサージが生じて直流バイアス電圧が過大になることによる整流ダイオード７ｂの破壊にあると推定される。

そのため、本実施形態によるレクテナ１０は、サージ吸収部９を備える。サージ吸収部９は、出力フィルタ７ｃの出力側（下流側）において一対の線路５ａ，５ｂに設けられる。サージ吸収部９は、一対の線路５ａ，５ｂに生じる電圧のサージ（しきい値以上の過大電圧）を吸収することにより、整流ダイオード７ｂの両端部に印加される電圧を、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧以下に抑える。これにより、サージ電圧（過大電圧）から整流ダイオード７ｂを保護する。

好ましい例では、図１（Ａ）のように、サージ吸収部９は、定電圧ダイオードである。定電圧ダイオード９のカソードが、一対の線路５ａ，５ｂの一方（線路５ａ）に接続され、定電圧ダイオード９のアノードが、一対の線路５ａ，５ｂの他方（線路５ｂ）に接続されている。

定電圧ダイオード９を一対の線路５ａ，５ｂ間に設けることにより、一対の線路５ａ，５ｂ間の電位差を整流ダイオード７ｂの逆耐電圧以下に抑えることができる。
定電圧ダイオード９の逆耐電圧（降伏電圧）の大きさは、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧の大きさであるか、または、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧の大きさより小さく、かつ、上述のサージ電圧が生じない正常時に、出力フィルタ７ｃの出力側において一対の線路５ａ，５ｂ間に生じる最大電位差（大きさ）より大きい。この最大電位差は、一対の線路５ａ，５ｂ間の電位差が変動する場合における、この電位差の最大値である。

別の好ましい例では、図１（Ｂ）のように、サージ吸収部９は、コンデンサであり、コンデンサ９の正極が、一対の線路５ａ，５ｂのうち正極側の線路５ａに接続され、コンデンサ９の負極が、一対の線路５ａ，５ｂのうち負極側の線路５ｂに接続されている。なお、図１（Ｂ）に示すレクテナ１０は、サージ吸収部９がコンデンサ９である以外は、図１（Ａ）の構成と同じである。

コンデンサ９を一対の線路５ａ，５ｂ間に設けることにより、一対の線路５ａ，５ｂ間の電位差を整流ダイオード７ｂの逆耐電圧以下に抑えることができる。このような作用が得られるように、コンデンサ９の容量を設定する。すなわち、サージ吸収部９を設けない場合に、出力フィルタ７ｃの出力側において一対の線路５ａ，５ｂ間に生じるサージ電圧（しきい値以上の過大電圧）の予想値または計測値に基づいてコンデンサ９の容量を設定する。

次に、レクテナ１０の動作原理を説明する。

図２は、整流ダイオード７ｂの位置における上述の電圧定在波と、整流ダイオード７ｂのオンオフ状態を示す。図２の電圧定在波は、線路５ｂに対する線路５ａの電圧を示す。図２（Ａ）は、アンテナ３による電波の受信を開始した初期状態の場合を示し、図２（Ｂ）は、レクテナ１０の動作が定常状態となった場合を示す。図２において、Ｖ_ｂｉは、整流ダイオード７ｂの順方向電圧降下を示し、ＧＮＤは、グランドの電位を示す。

図２（Ａ）に示すように、整流ダイオード７ｂの位置において、上述の電圧定在波が負に振れたとき、整流ダイオード７ｂがオンとなり、電圧定在波が正に振れたとき、整流ダイオード７ｂがオフとなる。整流ダイオード７ｂのオフ状態では、一対の線路５ａ，５ｂ間が絶縁され、整流ダイオード７ｂのオン状態では、一対の線路５ａ，５ｂ間（または線路５ａとグランドとの間）に電気的エネルギーが蓄積される。図２（Ｂ）に示すように、レクテナ１０の動作が定常状態において、整流ダイオード７ｂに印加された直流バイアス電圧上に電圧定在波が加わる。

このように蓄積された電気的エネルギー（上述の直流バイアス電圧）は、出力フィルタ７ｃの下流側の負荷１へ直流電力として供給される。図１では、出力フィルタ７ｃの下流側において一対の線路５ａ，５ｂに設けた出力端子１１ａ，１１ｂを通して、一対の線路５ａ，５ｂ間に蓄積された電気的エネルギーが、負荷１へ直流電力として供給される。

レクテナ１０の直流出力電圧Ｖ_Ｏは、次の式（１）で表わされる。なお、レクテナ１０の直流出力電圧Ｖ_Ｏは、出力端子１１ａ，１１ｂから負荷１側へ供給される直流電圧であって、上述の直流バイアス電圧に等しい。

Ｖ_Ｏ＝（μ×Ｒ_Ｌ×Ｐ_ＩＮ）^１／２・・・（１）

ここで、μは、整流回路７による交流電力から直流電力への変換効率であり、Ｒ_Ｌは、負荷１の直流抵抗であり、Ｐ_ＩＮは、アンテナ３から入力フィルタ７ａへ入力される電力である。
この式から分かるように、直流出力電圧Ｖ_Ｏは、変換効率μと負荷抵抗Ｒ_Ｌと入力電力Ｐ_ＩＮによって定まる。なお、変換効率μは、入力電力Ｐ_ＩＮに対するレクテナ１０の直流出力電力Ｖ_Ｏの比率である。

図３は、レクテナ１０の直流出力電圧Ｖ_Ｏと整流回路７の変換効率μとの関係を示すグラフである。図３において、各曲線は、入力電力Ｐ_ＩＮを一定にした場合の実測値を示す。すなわち、図３において、各曲線は、入力電力Ｐ_ＩＮを一定にした状態で、負荷抵抗Ｒ_Ｌを変えることにより直流出力電圧Ｖ_Ｏを変化させて、変換効率μを実験的に求めたデータを示す。図３の複数の曲線は、それぞれ、入力電力Ｐ_ＩＮを１０ｍＷ、５０ｍＷ、１５０ｍＷ、２００ｍＷ、２５０ｍＷ、３００ｍＷ、３５０ｍＷの一定値にした場合を示す。なお、図３において、正方形の印は、各場合における最大変換効率μの位置を示す。

レクテナ１０を高効率動作させる場合には、整流ダイオード７ｂの内部抵抗に伴うオーミック損失を低減するために、直流出力電圧Ｖ_Ｏを極力高くすることが好ましい。
図３の試験に使用された一例の整流回路７は、入力電力２００ｍＷに対して高い直流出力電圧Ｖ_Ｏでの動作を考慮して、負荷抵抗Ｒ_Ｌが６００Ωで最高変換効率が達成できるように調整したものである。このとき最高の変換効率μが達成される直流出力電圧Ｖ_Ｏは約９Ｖである。さらに高い入力電力Ｐ_ＩＮや高い負荷抵抗Ｒ_Ｌを用いて、整流回路７をより高い出力直流電圧Ｖ_Ｏで動作させるとき、図３から分かるように、変換効率μが著しく低下し、直流出力電圧Ｖ_Ｏが飽和状態になる。これは、上述したように、直流バイアス電圧上でスイングする電圧定在波（マイクロ波の定在波）のピーク電圧が原因である。ピーク電圧により、整流ダイオード７ｂに印加される電圧が、整流ダイオード７ｂの逆耐電圧を超えて、整流ダイオード７ｂに漏れ電流を生じさせる。その結果、変換効率μが著しく低下する。

レクテナ１０の動作中の故障の大部分の原因が、整流ダイオード７ｂに、その逆耐電圧より大きいバイアス電圧が印加されて整流ダイオード７ｂが破壊されることにある。高効率動作のために大きい直流バイアス電圧でレクテナ１０の整流回路７を動作させる場合に、何らかの原因（負荷抵抗Ｒ_Ｌの変動、入力電力Ｐ_ＩＮの変動など）で、電波（マイクロ波）の動作波形と整流ダイオード７ｂの逆耐電圧との干渉が誘起され、整流ダイオード７ｂの両端部間のバイアス電圧が過大になる可能性がある。

そこで、本実施形態によると、サージ吸収部９を、出力フィルタ７ｃの下流に設け、整流ダイオード７ｂに過大な直流バイアス電圧が印加されることを防ぐ。
このことを確認するため、レクテナにサージ吸収部９を設けた場合と、レクテナにサージ吸収部９を設けない場合とを比較する実験をした。この実験では、サージ吸収部９の有無以外の条件を同じにして、各場合についてレクテナを動作させた。その結果、サージ吸収部９を設けない場合には、３２個のレクテナのうち、３個のレクテナが故障したのに対し、サージ吸収部９を設けた場合には、１１５０個のレクテナのいずれも故障しなかった。
この結果は、サージ吸収部９によりレクテナの故障が防止されることを示している。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

１負荷、３アンテナ、３ａ，３ｂアンテナ素子、５ａ，５ｂ線路、７整流回路、７ａ入力フィルタ、７ｂ整流ダイオード、７ｃ出力フィルタ、９サージ吸収部（定電圧ダイオード、コンデンサ）、１０レクテナ、１１ａ，１１ｂ出力端子

Claims

電波を受信し該受信による電力を負荷に供給するレクテナであって、
電波を受信するアンテナと、
前記アンテナから負荷側へ延び、前記アンテナが受信した電波による電力を伝送する一対の線路と、
前記一対の線路に設けられ、前記アンテナが受信した電波による交流の受電電力を直流電力に変換する整流回路と、を備え、
前記整流回路は、
前記アンテナからの前記受電電力が入力され、電波による基本周波数の交流電圧を通過させ、直流電圧の通過を阻止する入力フィルタと、
前記入力フィルタの下流において前記一対の線路にそれぞれ接続された両端部を有し、前記入力フィルタからの交流電圧を直流電圧に変換する整流ダイオードと、
前記整流ダイオードにより変換された直流電圧を通過させて負荷側へ供給し、前記基本周波数の交流電力の通過を阻止する出力フィルタとを、有し、
前記出力フィルタの出力側において前記一対の線路に設けられ、前記一対の線路に生じる電圧のサージを吸収することにより、前記整流ダイオードに印加される電圧を、前記整流ダイオードの逆耐電圧以下に抑えるサージ吸収部を備える、ことを特徴とするレクテナ。
前記サージ吸収部は、定電圧ダイオードであり、該定電圧ダイオードのカソードが、前記一対の線路の一方に接続され、定電圧ダイオードのアノードが、前記一対の線路の他方に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のレクテナ。
前記サージ吸収部は、コンデンサであり、該コンデンサの正極が、前記一対の線路のうち正極側の線路に接続され、該コンデンサの負極が、前記一対の線路のうち負極側の線路に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のレクテナ。