JP2015513884A - エネルギーハーベスティングシステム - Google Patents
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Abstract
Description
ZAntenna=Z* Harvesting unit
(1)▽・D(r,t)=ρ(r,t) (ガウスの電気の法則)
(2)▽・B(r,t)=0 (ガウスの磁気の法則)
(3)▽xE(r,t)=−∂B(r,t)/∂t (ファラディの法則)
(4)▽xH(r,t)=−∂D(r,t)/∂t+J(r,t) (アンペアの法則)
である。ここで、Eは電界の強さ[ボルト/メートル]であり、Hは磁界の強さ[アンペア/メートル]であり、Dは電束密度[クーロン/平方メートル]であり、Bは磁束密度[テスラ又はウェーバ/平方メートル]であり、ρは自由電子電荷密度[クーロン/立方メートル]であり、Jは自由電子電流密度[アンペア/平方メートル]である。
(5)S=ExH[ワット/平方メートル]
上記式は、伝搬ベクトルrに垂直な単位面積を通過する電力を表す。物質の内部で、電力密度Sv[ワット/立方メートル]は、電荷分布に供給される仕事(又は熱)に関連する。
(6)Sv=dS/dv=E/J
上記式は、ジュールの法則の点形式として知られる。
(7)D=εE+P
である。
(8)P=εχeE
が得られる。ここで、χeは、物質の電気分極率(分極される物質の能力)であり、Dは、
(9)D=ε0εrE
として書かれ得る。
(10)H=B/μ−M
(11)M=χmH
(12)B=μ0μrH
ここで、μは透磁率であり、χmは磁気分極率である。人間の身体が非常にわずかな磁気作用を有するため、ここで、組織の磁気的性質が無視され、その電気的性質のみを考える。非常にしばしば、電界Eと電流密度Jとの間の関係は、オームの法則によって任意の特定の点で与えられる。
(13)J(r,t)=σE(r,t)
ここで、σ[オーム/メートル]は物質の導電率である。
(14)S(absorbed)=0.5∫Pvdv=0.5∫(E/J)dv=0.5∫σ|E|2dv
(14)SAR=(σ/2ρ)|E|2
に他ならない。ここで、σは任意の指定された面積内の導電率[オーム/メータ]であり、ρは任意の指定された面積内の質量密度[kg/立方メートル]である。したがって、SAR量の単位は[ワット/kg]である。SARは、RF暴露における安全標準について最も一般的に使用される指示子及び尺度である。
Claims (26)
- 周囲環境内で伝搬する電磁エネルギーをハーベストするためのシステムであって、
前記周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する電気出力を生成するために構成されたアンテナユニットと、
少なくとも1つのエネルギーハーベスティング回路であって、それぞれが、前記アンテナユニットの出力を示す信号を受信し、対応する電荷を生成し蓄積するために構成され動作可能である、少なくとも1つのエネルギーハーベスティング回路を備えるハーベスティングユニットとを備え、前記ハーベスティング回路は、複数の整流器であって、それぞれが、AC電気信号を受信し、対応するDC電力を生成するように構成され動作可能である、複数の整流器を備える整流ユニット、及び、前記整流ユニットから複数のDC電力を受信し、前記複数のDC電力を、ハーベスト済みのエネルギーを呈する電荷に変換し累積するように構成され動作可能である電荷収集ユニットを備え、
前記アンテナユニットに接続された入力及び前記整流ユニットに接続された出力を有する入力信号適応回路を備え、前記入力信号適応回路は、前記アンテナユニット及び前記整流ユニットの所定の電気特性を調整し、それにより、前記ハーベスティング回路による前記アンテナユニットの電気出力の受信を最適化するために構成され動作可能である、システム。 - 前記アンテナユニットは、電気特性及び磁気特性の少なくとも一方が異なる少なくとも2つの異なる伝送媒体内に配置された少なくとも2つの導電要素を備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも2つの異なる伝送媒体は、少なくとも2つの異なる生体組織を含む、請求項1又は2に記載のシステム。
- 前記少なくとも2つの異なる伝送媒体は、生体組織及び空気を含む、請求項1又は2に記載のシステム。
- 前記入力信号適応ユニットは、前記整流ユニットのインピーダンスに対して前記アンテナユニットのインピーダンスを調整するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され動作可能であり、前記フィルタリングユニットは、前記周囲環境内で伝搬する前記受信済みRFバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅、及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために構成され動作可能であり、サブバンドの前記予め規定された数は、前記整流ユニット内の前記整流器の数に対応する、請求項5に記載のシステム。
- 前記入力信号適応ユニットは、前記アンテナユニットによって受信される複数の周波数バンドの信号の強さに対して、前記整流ユニットの前記整流器のインピーダンスを制御可能に調整するように構成され動作可能であるアダプティブインピーダンス整合ユニット、及び、前記アダプティブインピーダンス整合ユニットに接続可能であり、前記アダプティブインピーダンス整合ユニットの動作を制御するように構成され動作可能である制御ユニットを備える、請求項5に記載のシステム。
- 前記電荷収集ユニットは、切換えトポロジ回路及びコントローラを備える信号加算ユニットを備え、前記切換えトポロジ回路は、所定の数のキャパシタであって、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続される、所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の1つの蓄積キャパシタを備え、前記切換えトポロジ回路は、前記複数の整流器からそれぞれ受信される複数のDC信号と、前記比較的小さなキャパシタンス値の対応する複数の前記キャパシタとの間で制御可能に切換えて、前記比較的大きなキャパシタンス値の前記キャパシタ上で対応する電荷を電力加算し、蓄積するように適合される、請求項1に記載のシステム。
- 前記電荷収集ユニットは、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続された入力及び蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備える電圧−電流ユニットを備え、前記電圧−電流ユニットは、それにより、前記複数の電圧−電流変換回路によって前記複数の整流器から受信される複数のDC信号を変換し加算するように適合される、請求項1に記載のシステム。
- 前記入力信号適応ユニット及び前記電荷収集ユニットの少なくとも一方に接続され、前記ハーベスティング回路の動作を制御するように構成され動作可能であるコントロールユニットを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントロールユニットは、少なくとも前記電荷収集ユニットに接続され、前記電荷収集ユニットは、切換えトポロジ回路を備え、前記切換えトポロジ回路は、所定の数のキャパシタであって、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続される、所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の1つの蓄積キャパシタを備え、前記切換えトポロジ回路は、前記複数の整流器からそれぞれ受信される複数のDC信号と、前記比較的小さなキャパシタンス値の対応する複数の前記キャパシタとの間で制御可能に切換えて、前記比較的大きなキャパシタンス値の前記キャパシタ上で対応する電荷を電力加算し、蓄積するように適合される、請求項10に記載のシステム。
- 前記ハーベスティング回路は、前記電荷収集ユニットの出力を少なくとも1つの電気負荷に接続するための接続ポートを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの電気負荷は、充電式電池、医療用デバイス、電気自動車構成要素、家庭用の電気デバイスの少なくとも1つを含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記医療用デバイス医療用デバイスは、ペースメーカ、除細動器、及び補聴器の少なくとも1つを含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記電気自動車構成要素は、電気アクセサリ、オーディオシステム及びアンプ、TV及びDVDシステム、GPSシステム、空調システム、アラームシステム、ライト及び配線システムの少なくとも1つを含む、請求項13に記載のシステム。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載のシステムにおいて使用するためのアンテナユニットであって、電気特性及び磁気特性の少なくとも一方が異なる少なくとも2つの異なる伝導媒体内に配置された少なくとも2つの導電要素を備え、それにより、受信される外部電磁放射が、前記少なくとも2つの導電要素間に電位差を生成し、出力電気信号を生成し、それにより、周囲環境からの外部電磁放射の取込みを可能にする、アンテナユニット。
- 周囲環境から外部電磁放射を受信し、対応する出力電気信号を生成するために構成され動作可能であるアンテナユニットであって、電気特性及び磁気特性の少なくとも一方が異なる少なくとも2つの異なる伝導媒体内に配置された少なくとも2つの導電要素を備え、それにより、受信される外部電磁放射が、前記少なくとも2つの導電要素間に電位差を生成し、出力電気信号を生成し、それにより、周囲環境からの外部電磁放射の取込みを可能にする、アンテナユニット。
- 前記少なくとも2つの伝送媒体は、異なる生体組織を含む、請求項17に記載のアンテナユニット。
- 生体に取付けられ、前記少なくとも2つの異なる伝送媒体は、生体組織及び空気を含む、請求項17に記載のアンテナユニット。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載のシステムにおいて使用するための入力信号適応ユニットであって、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され動作可能であり、前記フィルタリングユニットは、前記RFバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅、及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される、入力信号適応ユニット。
- 周囲環境内で伝搬する無線周波数(RF)バンドの電磁放射にさらされるアンテナユニットと共に使用するための入力信号適応ユニットであって、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され動作可能であり、前記フィルタリングユニットは、前記RFバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅、及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される、入力信号適応ユニット。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載のシステムにおいて使用するための電荷収集ユニットであって、複数のDC電力を受信し、前記複数のDC電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットの少なくとも一方を備える、電荷収集ユニット。
- エネルギーハーベスティング回路において使用するための電荷収集ユニットであって、複数のDC電力を受信し、前記複数のDC電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットの少なくとも一方を備える、電荷収集ユニット。
- 前記加算ユニットは、切換えトポロジユニット及びコントローラを備え、前記切換えトポロジユニットは、所定の数のキャパシタであって、比較的小さなキャパシタンス値を有し、対応する数の前記整流器の出力にそれぞれ接続される、所定の数のキャパシタ、及び、比較的大きなキャパシタンス値の1つの蓄積キャパシタを備え、前記切換えトポロジユニットは、前記整流器から受信されるDCソースと、前記所定の数の前記キャパシタとの間で制御可能に切換えて、電力加算するように適合される、請求項23に記載の電荷収集ユニット。
- 前記電圧−電流ユニットは、対応する数の整流器の出力にそれぞれ接続可能な入力及び前記蓄積キャパシタに接続された出力を有する所定の数の電圧−電流変換回路を備え、前記電圧−電流ユニットは、それにより、前記電圧−電流変換回路によって前記複数の整流器から受信される複数のDCソースを変換し加算するように構成され動作可能である、請求項23に記載の電荷収集ユニット。
- 少なくとも1つのエネルギーハーベスティング回路を備えるエネルギーハーベスティングユニットであって、各エネルギーハーベスティング回路は、アンテナユニットから信号を受信し、対応する電荷を生成し蓄積するために構成され動作可能であり、前記ハーベスティング回路は、
アンテナユニットの出力に接続可能な入力信号適応回路と、前記入力信号適応回路の出力に接続される整流ユニットであって、それぞれが、AC電気信号を受信し、対応するDC電力を生成するように構成され動作可能である、複数の整流器を備える、整流ユニットと、前記整流ユニットから複数のDC電力を受信し、前記複数のDC電力を、ハーベスト済みのエネルギーを呈する電荷に変換し累積するように構成され動作可能である電荷収集ユニットとを備え、
前記ハーベスティング回路は、
(a)前記入力信号適応ユニットは、インピーダンス整合ユニット及び前記インピーダンス整合ユニットに接続されたフィルタリングユニットを備え、前記インピーダンス整合ユニットは、前記アンテナユニット及び前記フィルタリングユニットのインピーダンス間の整合をとるように構成され動作可能であり、前記フィルタリングユニットは、前記RFバンドを、予め規定された数のサブバンドであって、各サブバンドについて所定の中心周波数、バンド幅、及び強度を有する、予め規定された数のサブバンドになるようソートするために適合される、及び、
(b)電荷収集ユニットは、複数のDC電力を受信し、前記複数のDC電力を、蓄積キャパシタ上の電荷の形態で加算するように適合された信号加算ユニットを備え、前記信号加算ユニットは、切換えトポロジユニット及び電圧−電流ユニットの少なくとも一方を備える
の少なくとも一方の構成を有する、エネルギーハーベスティングユニット。
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Au et al. | A 19.6 dB Input Power Range 403 MHz Rectifier Based on Quality Factor in Matching Technique |
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