JP2016532423A - Ｒｆエネルギー捕集器 - Google Patents

Abstract

環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用するためのアンテナ装置が開示される。装置は、電気を生成するためにＲＦエネルギーを受け取るように構成された一つ以上のＲＦアンテナ素子を備える。一つ以上のＲＦアンテナ素子は、複数の周波数フィルタリング素子を備え、周波数フィルタリング素子の各々は、受け取ったＲＦエネルギーの、当該周波数フィルタリング素子に対応する周波数帯域をフィルタリングするように構成されている。対応するアンテナから入力端子で受けた変動電気信号を、電気エネルギー貯蔵ユニットに供給するための直流電気信号に変換するように構成された整流回路であって、アンテナは、環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用されるアンテナである、整流回路、を備える装置も開示される。装置は、直流電気信号を受ける入力端子を有し、電気エネルギー貯蔵ユニットへの直流電気信号の供給を制御する電力管理モジュールも備える。整流回路は、複数の伝送線路を備え、整流回路の入力端子と電力管理モジュールの入力端子とは、複数の伝送線路を介して接続されている。電力管理モジュールは、複数の伝送線路によって定められる境界線の内側に少なくとも部分的に配置されている。【選択図】図１

Description

本開示は、ＲＦエネルギーを捕集するための装置に関する。より具体的には、環境ＲＦエネルギーを受け取るためのアンテナを開示する（ただし、これ以外を除外するものではない）。さらに、ＲＦエネルギー捕集システムの一部を構成する整流器、およびその整流器と電力管理モジュールの一体化についても開示する。

多くの電気装置、特にポータブル電気装置またはリモート電気装置は、バッテリによって駆動される。電気装置の継続的な動作のためには、通常、バッテリの定期的な再充電または交換が必要となる。しかしながら、再充電のために装置を主電源に接続することが常に望ましいか若しくは可能であるとは限らず、また、バッテリを交換するために装置へアクセスすることが容易であるとは限らない。さらに、長期間にわたって、および／または非常に厳しい動作／環境の条件下で、１００％信頼できるバッテリ性能を見込むことができないかもしれない。したがって、装置を給電／充電するための他の手法が模索されている。

電気装置用の電気エネルギーを獲得するための我々の提案は、電気装置におけるエネルギー捕集（エネルギー収穫、energy harvesting）を用いることである。エネルギー捕集は、クリーンで自由に利用可能なエネルギー源からのエネルギーを電気エネルギーに変換することを含み、環境にやさしい解決策（ソリューション）の代表である。電気装置に給電するために一般的に用いられる自由エネルギーソリューションには、太陽光エネルギー源、熱エネルギー源、および振動エネルギー源が含まれる。たとえば、ソーラーパネルやソーラーレクテナのような実用的なソーラー捕集器は、光電効果によって光子を電力に変換する光起電力セルを利用する。しかしながら、ソーラー捕集器のようなソリューションは、多くのリモート電気装置には適さず、また、多くの地理的位置で使用するには理想的ではない。

代替案は、電力のワイヤレス供給である。たとえば、ＲＦ電力を受電装置に特定の周波数帯域で供給するために、高電力ＲＦエネルギー源を使用することができる。受電装置は、ＲＦエネルギーを受け取り、それを装置の駆動に使用可能な電気の形態に変換する。そのようなシステムは、特定の環境で効率よく動作できる。しかし、そのようなシステムは、高エネルギーＲＦ送信機の存在に依存する。この結果、インフラストラクチャーの導入が必要なため、システムの全体的な魅力が低下してしまい、したがって、当該技術を使用可能な用途の数を制限してしまう。

近年の移動体通信産業の拡大、およびそれに対応した環境ＲＦエネルギーの増加によって、そのような環境ＲＦエネルギーを捕集できるか否かに着目した研究が行われるようになった。そのようなエネルギーが豊富であるにもかかわらず、環境ＲＦエネルギーを捕集するための実用的なエネルギー収集ソリューションは、現在ほとんど報告されていない。ＲＦエネルギーの捕集に関する重要な課題の一つは、非常に小さいＲＦ電力（１０ｎＷにもなりうる）の収集である。現時点では、ＲＦエネルギーの捕集は、有力な選択肢とはみられていない。

したがって、リモート装置用の代替的な電力源が依然として要望されている。

本発明の一側面では、環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用するためのアンテナ装置が提供される。この装置は、電気を生成するためにＲＦエネルギーを受け取るように構成された一つ以上のＲＦアンテナ素子を備える。この一つ以上のＲＦアンテナ素子は、複数の周波数フィルタリング素子を備え、これらの周波数フィルタリング素子の各々は、受け取ったＲＦエネルギーの、当該周波数フィルタリング素子に対応する周波数帯域をフィルタリングするように構成されている。

周波数フィルタリング素子は、一つ以上のＲＦアンテナ素子の一部分を成していてもよい。周波数フィルタリング素子は、一つ以上のＲＦアンテナ素子内または一つ以上のＲＦアンテナ素子上に形成された構造であってもよい。該構造のフィルタリング特性は、該構造の寸法に従って定まってもよい。この構造は、該構造が形成された一つ以上のＲＦアンテナの一つ以上の共振周波数に対応した位置において、一つ以上のアンテナ素子内または一つ以上のＲＦアンテナ上に形成されていてもよい。

複数の周波数フィルタリング素子がフィルタリングする、対応する周波数帯域は、一つ以上の既知の電磁波周波数帯域であってもよい。一つ以上の既知の電磁波周波数帯域は、ＧＳＭ（登録商標）９００、ＧＳＭ１８００、３Ｇ、および４Ｇの一つ以上を含んでもよい。

一つ以上のＲＦアンテナ素子の一つは、第１の周波数範囲を受けるように構成された円形放射パッチであってもよい。複数の周波数フィルタリング素子のうち第１の周波数フィルタリング素子は、円形放射パッチ内または円形放射パッチ上に同心状に形成された湾曲構造であってもよい。第１の周波数フィルタリング素子は、第１の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くように構成されていてもよい。

第１の周波数フィルタリング素子は、円形放射パッチの中心からλ_ｇ／１６〜λ_ｇ／１２の距離に位置し、λ_ｇ／１５〜λ_ｇ／６の長さを有し、λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５の幅を有し、ここでλ_ｇは、周波数フィルタリング素子に対応する周波数帯域の中心周波数における波長であってもよい。

複数の周波数フィルタリング素子のうち第２の周波数フィルタリング素子は、第１の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くように構成された円形放射パッチ内または円形放射パッチ上に、同心状に形成された湾曲構造であってもよい。第２の周波数フィルタリング素子によってフィルタリングされる一つ以上の周波数は、第１の周波数フィルタリング素子によってフィルタリングされる一つ以上の周波数と異なっていてもよい。

第２の周波数フィルタリング素子は、円形放射パッチの中心からλ_ｇ／２４〜λ_ｇ／１２の距離に位置しており、λ_ｇ／５．７〜λ_ｇ／４．５の長さを有し、λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５の幅を有していてもよい。

一つ以上のＲＦアンテナ素子の一つは、アンテナの放射パターンを定めるように構成された接地面であってもよい。

複数の周波数フィルタリング素子の一つは、第２の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くために接地面内または接地面上に形成された構造であってもよい。接地面内または接地面上に形成された構造はＵ字状であってもよい。

接地面内または接地面上に形成された構造は、円形放射パッチの最も近い縁からλ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／５．４の距離に位置しており、λ_ｇ／１０．５〜λ_ｇ／７．４の長さを有し、λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１５．２の幅を有していてもよい。

ＲＦアンテナ装置は、円形放射パッチおよび接地面が形成される基板を備えるＲＦアンテナ構成を有してもよい。ＲＦアンテナ構成は、円形放射パッチおよび接地面を捕集回路に接続するための接続部分を基板の一端に備えてもよい。円形放射パッチは、細長い給電線を介して接続部分に接続されてもよい。細長い給電線の長さは、円形放射パッチと接地面との間の距離がアンテナの出力インピーダンスを定めるように設定されていてもよい。円形放射パッチと接地面との間の距離は、λ_ｇ／４．８であってもよい。基板は、可撓性を有してもよい。

周波数フィルタリング素子は、一つ以上の、ノッチ、溝、または突起であってもよい。

本発明の別の側面では、対応するアンテナから入力端子で受けた変動電気信号を、電気エネルギー貯蔵ユニットに供給するための直流電気信号に変換するように構成された整流回路を備える装置が提供される。ここで、アンテナは、環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用されるアンテナである。装置は、直流電気信号を受ける入力端子を有し、電気エネルギー貯蔵ユニットへの直流電気信号の供給を制御する電力管理モジュールも備える。整流回路は複数の伝送線路を備え、整流回路の入力端子と電力管理モジュールの入力端子とは、複数の伝送線路を介して接続されている。電力管理モジュールは、複数の伝送線路によって定められる境界線の内側に少なくとも部分的に配置されている。

複数の伝送線路は、第１および第２の腕状部を成していてもよい。第１の腕状部は、順方向にバイアスされた整流デバイスを介して、整流回路の入力端子を電力管理モジュールの入力端子へ接続してもよい。第２の腕状部は、逆方向にバイアスされた整流デバイスを介して、整流回路の入力端子を電力管理モジュールの入力端子へ接続してもよい。第１の腕状部は、整流回路の入力端子を順方向にバイアスされた整流デバイスに接続する第１の伝送線路と、順方向にバイアスされた整流デバイスを電力管理モジュールの入力端子に接続する第２の伝送線路とを備えてもよい。第１の伝送線路は、整流器を対応するアンテナとインピーダンス整合するように設けられており、第２の伝送線路は、整流回路を電力管理モジュールとインピーダンス整合するように設けられていてもよい。第１の伝送線路は、λ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／６．８の長さを有してもよく、ここでλ_ｇは、関連するアンテナが受ける周波数帯域の中心周波数における波長である。フィルタリング回路が第２の伝送線路に接続されていてもよい。フィルタリング回路は４分の１波長スタブであってもよい。

第２の伝送線路は、連結用伝送線路およびインピーダンス整合用伝送線路を備えてもよい。連結用伝送線路は、整流デバイスとフィルタリング回路との間に設けられていてもよい。連結用伝送線路は、整流デバイスに伴う容量リアクタンスを吸収するように設けられていてもよい。インピーダンス整合用伝送線路は、フィルタリング回路と電力管理モジュールとの間に設けられていてもよい。連結用伝送線路は、λ_ｇ／５．６〜λ_ｇ／４．３の長さを有してもよい。インピーダンス整合用伝送線路は、λ_ｇ／４．４〜λ_ｇ／３．８の長さを有してもよい。

電力管理モジュールは、以下の特徴を有する整流装置内に配置されていてもよい。すなわち、電力管理モジュールは、第１端で、整流回路の出力端子に接続されていてもよい。電力管理モジュールの第２端と整流回路の入力端との間の距離は、λ_ｇ／５〜λ_ｇ／２．５に設定されていてもよい。電力管理モジュールの第１の側と第１の腕状部の縁との間の距離は、λ_ｇ／１２〜λ_ｇ／６．５に設定されていてもよい。電力管理モジュールの第２の側と第２の腕状部の縁との間の距離は、λ_ｇ／１６．４〜λ_ｇ／９に設定されていてもよい。

本発明の更に別の側面では、ここで述べたアンテナと、ここで述べた装置とを備えるＲＦエネルギー捕集システムが提供される。このＲＦエネルギー捕集システムは、装置の電力管理モジュールから電気エネルギーを受け取って蓄積するように構成された電気エネルギー貯蔵ユニットを更に備えてもよい。

３μＷ未満の電力レベルで環境ＲＦエネルギーを捕集するためのレクテナが開示される。レクテナは、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００および３ＧのＲＦ周波数帯域にわたって使用可能な超広帯域平面モノポールアンテナを備えてもよい。レクテナは、差動電圧出力および３μＷ未満の動作入力電力を有する全波整流器も備えてよい。

３μＷ未満の入力ＲＦ電力レベルで４５％を上回る効率を達成することが可能な環境ＲＦ捕集器が提供される。この効率を達成するために、単一のマルチバンドアンテナおよび全波検出器が設けられてもよい。そのような捕集器は、エネルギー貯蔵ユニットを迅速に充電するだけでなく、より多くの場所での動作、および／または、空間的な方向性においてより大きな柔軟性を伴った動作が可能である。

全波整流器が、差動出力、および高調波除去フィルタを伴う改良無指向性ディスクモノポールアンテナとともに、開示される。この新規な捕集器の設計は、より小さなＲＦ電力が入手可能な場所において４５％の効率で動作できる可能性もある。

トライバンドＲＦエネルギー捕集器が、ＵＷＢアンテナおよび組込み高調波帯域除去とともに開示される。４個またはＮ個の要素からなる捕集器アレイを提供してもよい。

好適には、最大で１ｍＷを要求する用途のために１１％よりも大きいデューティサイクルを提供可能な捕集器が提供される。

高調波の再放射を避けることで効率を改善し且つ検出を最小限に抑える捕集器が開示される。これは、高次高調波がアンテナによって放射されないようにそれらの高調波を捕集器が取り除くことによって達成されてもよい。結果として、変換動作が要求されているときに専用の受信器が捕集器の存在を検出することは困難になる。

更に、高次高調波からのＤＣ負荷の分離を提供する捕集器が開示される。捕集器は、高周波フィルタリング回路を使用することによってこれを達成してもよい。たとえば、４分の１波長スタブが、そのようなフィルタリングを実行するための整流器の部分を形成してもよい。そのようなスタブは、基本周波数では短絡回路として動作するので、出力からＲＦ信号を取り除く。また、そのようなフィルタリング機能を実行するために、ＬＣ同調回路などの共振構造を使用してもよい。

全ての受信帯域について３次高調波除去が可能な捕集器が開示される。半波整流機能が電流波形中に奇数高調波を生成し、全波整流機能が電流波形中に偶数高調波を生成するので、これらの高次高調波を出力において、４分の１波長スタブによって、およびアンテナに形成されたノッチによって、取り除いてもよい。

アンテナは、アンテナ基板の厚さの１０倍の曲げ半径を有する基板上に形成されてもよい。最小の曲げ半径は、８．６ｍｍであってもよい。基板の厚さは、７９０μｍであってもよい。基板上に形成された金属アンテナは、３５μｍの厚さであってもよい。この金属は、任意の適切な導電材料から構成されていてもよい。たとえば、金属アンテナは銅から構成されていてもよい。基板の誘電特性のうち比誘電率εｒは２．３３であってもよく、誘電正接tanδは０．００１２であってもよい。

本発明の例示的な実施形態が以下の図面を参照しつつ説明される。

図１は、ＲＦエネルギー捕集システムを示す。 図２は、図１のシステムで使用される単一のマルチバンドアンテナを示す。 図３は、図１のシステムで使用される、差動出力を有するマイクロストリップ全波整流器を示す。 図４は、内側にＰＭＭ回路が配置された図３の整流器を示す。 図５は、パイプの表面と同形のアンテナを示す。 図６は、パイプの表面と同形のアンテナのアレイを示す。

本明細書および図面において、同様の部分には同様の参照符号を附している。

ＲＦエネルギー捕集システムの概略を、図１を参照して説明する。

レクテナ１００は、環境ＲＦエネルギーを受け取るように構成されたアンテナ１０１を含むものとして示される。このアンテナは、広い周波数範囲にわたって環境ＲＦエネルギーを受け取るように設計されるので、アンテナ１０１の電気的出力は、その受信周波数範囲にわたって大きく変動する電力プロファイルを伴う。アンテナ１０１の出力端子（これは、変動する電気信号を供給する）は、インピーダンス整合回路１０２を介して整流器１０３に接続されている。インピーダンス整合回路１０２は、レクテナの部品間のインピーダンス不整合による損失を最小限にするために設けられる。整流器は、受け取った時変電気信号を直流（ＤＣ）電気信号に変換する。整流器の出力は、平滑化／フィルタリング回路１０４において平滑化およびフィルタリングされる。この平滑化された直流エネルギーは、有用な調整済み電圧を提供して貯蔵ユニット１０６（この例では、貯蔵コンデンサＣ_{ｓｔｏｒａｇｅ}）を充電するために、電力管理モジュール（ＰＭＭ）内に供給される。貯蔵ユニット１０６への電流の伝送、およびその貯蔵ユニット１０６での蓄電は、電力管理モジュール（ＰＭＭ）１０５によって制御される。ＰＭＭは、昇圧器として動作することに加えて、最大電力点追従機能も提供する。ＰＭＭの最大電力追従機能は、広範な入力ＲＦ電力レベルにわたって理想的な負荷があることを保証し、負荷への伝送電力をシステムが最大化できるようにする。したがって、ＰＭＭは、アンテナとの良好なインピーダンス整合を提供することにも役立つ。ＰＭＭは、貯蔵ユニット１０６に蓄えられている電気エネルギーを負荷（この例では、説明を簡単にするためにＬＥＤ）に接続するためのスイッチ１０８を制御するようにも構成されている。ただし、実際は、ＰＭＭが、貯蔵ユニット１０６からデバイス（すなわち、電力供給される負荷）への電力の供給を制御する。

レクテナ１００は、アンテナ１０１が受け取る環境ＲＦエネルギーを最大にするとともに、受け取ったエネルギーを貯蔵ユニット１０６に蓄えるのに適したエネルギーに変換する際の損失を最小にするように設計される。そこで、レクテナ１００のさまざまな構成要素の詳細について説明することとする。

レクテナによって捕集される電力を最大にし、かつ、捕集器のサイズを小さくするため、アンテナ１０１は、図２から分かるように、単一のマルチバンドアンテナである。

アンテナ１０１は、基板を備える平面アンテナ構造であり、その基板の上には、アンテナの受信素子が形成されている。アンテナ１０１は、円形放射パッチ１１０、給電線１１１および矩形接地面１１２を含む複数の受信素子を備えた変形マイクロストリップディスクモノポールアンテナである。円形放射パッチ１１０および給電線１１１は、基板の一方の側に配置され、接地面１１２は、基板の他方の側に配置されている。このアンテナはマイクロストリップ型の給電線を備えるものとして示されているが、他の構成では、コプレーナ導波路給電線が設けられ、あるいはマイクロストリップ型給電線とコプレーナ導波路給電線の双方が組み合わされる。基板は、任意の低損失の部材、たとえばガラス、セラミック、ＦＲ４から作られていてもよい。アンテナが平面形状であるという特徴により、アンテナを捕集システムの他の部分と同じ基板上に形成することが可能になる。

アンテナ１０１は、受け取るＲＦ放射を最大にするために、実質的に無指向性とされる。アンテナの構成要素は、可能性のある様々なエネルギー源からのＲＦエネルギーの受け取りを最大にするように配置される。環境ＲＦエネルギーのほとんどが移動体通信によるものなので、アンテナ１０１は、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、３Ｇ、ＷｉＦｉおよび４Ｇの複数の帯域をカバーする超広帯域にわたって動作するように構成されている。要望があれば、ラジオ、ＴＶおよび他のＩＳＭ帯域をカバーするように上述の周波数より高い、または低い他の周波数帯域を受けるように、他のアンテナ構成を採用することができる。円形放射パッチ１１０は、全帯域を受けるように最初に配置され、一方で、接地面１１２は、整流処理によって発生した特定の３Ｇ帯域および４Ｇ帯域の３次高調波の除去を促進するように調整される。これらの異なる周波数帯域を受けるための放射パッチ１１０および接地面１１２の配置をいまから詳細に説明する。

放射パッチ１１０は、円形状であり、基板の上側部分に配置されている。マイクロストリップ伝送線路の形態の細長い給電線１１１は、円形放射パッチ１１０から基板の端面への接続を部位１１１ａにおいて提供する。アンテナ１００がエネルギー捕集システムの次の段へ接続可能なのは、この部位においてである。細長い線路１１１は、レクテナの他の部分を放射パッチ１１０に接続するように機能するだけでなく、後述のようにインピーダンス整合も提供する。ディスク（円板）の半径は、アンテナが受けることになっている最も低い周波数（たとえばＧＳＭ９００用の９４５ＭＨｚ）の４分の１波長である。

接地面１１２は、矩形状であり、アンテナ基板の底から、アンテナ基板の長手方向の途中の部分まで延在している。他の構成では、接地面は異なる形状であってよい。接地面の形状は、インピーダンスおよび放射パターンを定める。基板の端面において電気的な接続を行うことにより、細長い線路をエネルギー捕集システムの他の部分に電気的に接続できるようになる。円形放射パッチ、給電線および接地面は、銅などの導電性部材からなる。

アンテナのインピーダンスは、アンテナ給電線の幅と、円形放射パッチおよび接地面間の距離とを変えることによって、整流器のインピーダンスに共役整合するように変更することができる。とくに、円形放射パッチ１１０の底部と接地面１１２の頂部との間の距離を利用することで、インピーダンスを５０Ω（あるいは任意に選択した基準インピーダンス）に調整し、また、所望の無指向性パターンを最適化することができる。接地面の形状、および接地面と円板との重なりは、円板から到来する力線の反射による放射パターンを決定する。これは、結果として、アンテナの利得を定め、その利得は２．３〜４．８ｄＢｉの間となりうる。この距離は、アンテナが受信することになっている波長にも依存する。実際は、円形放射パッチの底部と接地面の頂部との間の距離が、λ_ｇ／２０〜λ_ｇ／１２．５に設定される。ここで、λ_ｇは、選択された周波数帯域の中心周波数における信号の導波波長である。λ_ｇおよびλ_ｏは、λ_ｇが導波構造での波長であり、真空中の波長とは異なることを強調するために区別して用いている。

アンテナ１０１は、該アンテナ上に形成された複数の周波数フィルタリング構造を有する。これらの周波数フィルタリング構造は、アンテナの周波数応答特性を変更する。とくに、これらのフィルタは、アンテナが受信する選択された帯域、たとえばＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００および３Ｇといった帯域の各々において全波整流によって発生した３次高調波を取り除くように構成されている。アンテナが半波整流器とともに用いられるときは、３次高調波フィルタではなく２次高調波フィルタが必要である。

第１および第２のフィルタリングノッチ１１０ａおよび１１０ｂが、円形放射パッチ上に設けられ、一方で、更なるノッチ１１２ａが接地面１１２上に設けられる。第１および第２のノッチ１１０ａ、１１０ｂは、湾曲しており、円形放射パッチ上に同心状に配置されている。第１のフィルタリングノッチ１１０ａは、λ_ｇ／７．５〜λ_ｇ／６の長さを有する。第１のフィルタリングノッチは、円形放射パッチの中心からλ_ｇ／１６〜λ_ｇ／１２の位置に放射状に配置されている。第１のフィルタリングノッチの幅はλ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５であり、この幅は、ノッチの反射減衰量および帯域幅を最適化する。第２のフィルタリングノッチ１１０ｂは、λ_ｇ／５．７〜λ_ｇ／４．５の長さ、およびλ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５の幅を有しており、このノッチは、円形放射パッチの中心からλ_ｇ／２４〜λ_ｇ／１２の位置に放射状に配置されている。ノッチの位置および幅を変更することで、反射減衰量を増加させることができ、また、全ての目的周波数を含むように帯域幅を調整できる。これらのノッチによって提供されるフィルタリングの反射減衰量および帯域幅を定めるのは、これらのノッチの位置および幾何学形状によって生成される共振である。

接地面１１２に形成されるノッチ１１２ａはＵ字状であり、Ｕ字の基部が下向きとなっている。接地面１１２におけるノッチの中央部分は、円形放射パッチの下縁からλ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／５．４に位置しており、ノッチ１１２ａは、λ_ｇ／１０．５〜λ_ｇ／７．４の長さ、およびλ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１５．２の幅を有する。

要するに、第１および第２のノッチの長さは、３次高調波の約３分の１波長であり、幅は、フィルタの帯域幅特性に比例する。Ｕ字状のノッチ１１２ａは、３Ｇ整流器によって発生した高調波を取り除くために組み込まれる。各帯域について異なる整流回路が存在し、また各整流器がそれらの動作周波数に対応する３次高調波を発生するので、アンテナの構成要素ごとに、異なるフィルタまたはノッチが必要となる。

他の構成では、追加のノッチを構造に付加することができ、特に、円形放射パッチ内に追加することができる。追加のノッチは、４ＧまたはＷｉＦｉのような他の帯域でも捕集が要望される場合に使用することができる。ただし、高調波除去は、−２ｄＢ未満になるだろう。換言すると、追加のフィルタは、所望の除去特性を達成することができず、高調波の電力の約５０％が除去されない可能性がある。

図３は、図１の整流回路１０３を示す。整流回路１０３は、差動出力を有するマイクロストリップ全波整流回路である。図３に示される整流回路は、インピーダンス整合部２０２と、整流器２０３と、図１の概略図に示されるフィルタリング素子１０４とを含む。整流回路は、従来の全波整流（４ダイオード）整流器で生じるダイオード電圧降下を低減するように、できるだけ損失のないように設計される。これは主に、回路全体にわたる的確なインピーダンス整合を保証することによって達成される。整流器２０３は、その整流器がアンテナ１０１から受けようとする周波数範囲の周波数向けに調整されている。アンテナ１０１が複数帯域を受けるように構成されている場合、複数の整流器２０３が帯域ごとに設けられる。ただし、説明を容易にするため、図面には単一の整流器のみを示して説明する。

アンテナ１０１からの出力は、マイクロストリップ伝送線路の給電点２０１で受け取られる。この給電点で、マイクロストリップ伝送線路は２つの腕状部（アーム部）に分岐する。第１の腕状部は、順方向にバイアスされた整流素子２０３を介して、整流器の入力端子を出力端子へ接続する。第２の腕状部は、逆方向にバイアスされた第２の整流素子２０４を介して、整流器の入力端子を出力端子へ接続する。

このように、マイクロストリップ線路２０２の腕状部は、入力端子２０１から左右に真っ直ぐに延在する。このマイクロストリップ線路の線幅は、回路の所望の特性インピーダンスに応じて設定される。線幅は、整流回路のアンテナへのインピーダンス整合を簡素化するために設定することもできる。インピーダンス整合用マイクロストリップ伝送線路２０２の各端で、更なる平行線路が、インピーダンス整合マイクロストリップ伝送線路２０２と垂直に短距離だけ延在しており、各々が整流素子２０３、２０４のそれぞれの第１端子に接続されている。インピーダンス整合用マイクロストリップ伝送線路２０２の長さは、アンテナ１０１のインピーダンス（この例では５０Ω）に整合するように設定されている。この長さは、好ましくはλ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／６．８である。したがって、インピーダンス整合用マイクロストリップ伝送線路は、図１のインピーダンス変成器１０２の機能を果たしている。入力端子と整流素子との間のマイクロストリップ伝送線路の幅および長さは、整流器の入力インピーダンスを調整するために用いられる。

これらの整流素子はショットキーダイオード２０３、２０４であり、第１のダイオード２０３は順方向にバイアスされており、第２のダイオード２０４は逆方向にバイアスされている。他の構成では、トランジスタ型の整流装置を設けてもよい。たとえば、複数のＦＥＴを、整流機能を発揮するように修正してもよい。

更なるマイクロストリップ線路が、ダイオード２０３、２０４の各々の第２の端子からそれぞれ別の短距離部２０５、２０６だけ延在する。マイクロストリップ線路のこの部分の長さおよび幅は誘導リアクタンスを定めるので、その長さおよび幅は、ダイオードの容量リアクタンスを吸収するように設定される。加えて、マイクロストリップ線路のこの部分の長さおよび幅は、整流回路の入力インピーダンスを調整するために利用することができる。更なるマイクロストリップ線路２０５、２０６の長さは、好ましくはλ_ｇ／５．６〜λ_ｇ／４．３である。ここで、４分の１波長（λ／４）スタブ２０７、２０８が、マイクロストリップ伝送線路２０５、２０６の端から垂直に延在する。４分の１波長スタブ２０７、２０８は、図１のフィルタリング機能１０４を果たす。スタブは、出力から基本波を取り除くために用いられ、出力において直流（ＤＣ）を提供する。λ_ｇ／４スタブは、基本波および高次の高調波を確実に−４５ｄＢｍ未満にする。

その後、マイクロストリップ伝送線路は、マイクロストリップ伝送線路の２つの腕状部が２つの出力端子で再び一直線となり向かい合うように垂直に延在するまで、スタブを超えてさらに長い距離２０９、２１０だけ進む。この区間は、好ましくはλ_ｇ／４．４〜λ_ｇ／３．８の長さである。この区間は、ある範囲の周波数および入力電力レベルの全体にわたって、負荷とこの整流装置の残りの部分とがアンテナの入力インピーダンスの共役整合を有するように、インピーダンス変成器として機能する。

動作中、ダイオード２０３は受信信号の正の部分を整流し、ダイオード２０４は受信信号の負の部分を整流する。４分の１波長スタブは、出力から基本波を取り除き、出力端子で直流（ＤＣ）が得られるようにする。その出力接続は接地されていないので、ダイオード２０４から来る負電圧が、他のシステムブロック（ＰＭＭのコールドスタート電圧（３３０ｍＶ）に至るために、より高い電圧を供給する）に対する基準電圧となる。

出力は差動出力である。これにより、システムがより高い出力電圧ＶＰＭＭを供給することが可能となり、入力電力レベルが３μＷ（−２５ｄＢｍ）未満でも、電力管理モジュール（ＰＭＭ）によって要求される最小電圧３３０ｍＶに到達できるようになる。さらに、差動出力を使用することで、接地ビアを避けつつ、損失を低減し、シミュレーションと実測とのより良好な整合を達成することを助け、また、製造を簡素化する。

単一の全波整流器は、−２６ｄＢｍの入力電力で１２％の効率を達成することができ、−１０ｄＢｍでは４６％に至る。反射減衰量は、選択された動作帯域のほぼすべてにおいて保証している−１０ｄＢという上限よりも小さい。比帯域幅は、動作周波数によって２〜６．２％変動する。上述した入力電力範囲用の捕集器の出力は、７５〜５５０ｍＶである。

ＲＦエネルギー捕集器全体のフットプリントを最小化するため、図４に示されるように、ＰＭＭ回路３００が、全波整流器の伝送線路によって定められる境界線の内側に配置される。このことは、整流器の周囲の外側においてＰＭＭ３００を整流器に直列に配置する既知のシステムとは対照的である。ただし、整流用の構造と小型化されたＰＭＭ回路３００との結合を避けるために熟慮を要する。ＰＭＭ回路３００および全波整流器間の電磁相互作用を最小限とするために、ＰＭＭ回路３００の縁と、整流器のマイクロストリップ伝送線路との間の距離は、次のように設定される。ＰＭＭ回路３００は、差動出力端子に直接接続される。したがって、差動出力端子で接続されるＰＭＭ回路３００とマイクロストリップ伝送線路２１１、２１２との間の距離は無視できる。そして、差動出力端子と合流する側とは反対側のＰＭＭ回路３００の他端と、整流回路の入力端子との間の距離を、λ_ｇ／５〜λ_ｇ／２．５に設定する。ＰＭＭ回路３００の第１の側を、第１上縁部２１０からλ_ｇ／１２〜λ_ｇ／６．５に設定する。マイクロストリップ伝送線路の第２下縁部からの距離についても同じである。ＰＭＭ３００と差動出力端子との間の距離は、λ_ｇ／１６．４〜λ_ｇ／９に設定する。

図４に示される配置では、ＰＭＭ３００は、伝送線路によって定められる境界線の実質的に内側に設けられている。他の配置では、ＰＭＭが伝送線路の境界線の内側に部分的に設けられるだけでもよく、その場合でも、依然としてエネルギー捕集システム全体に対して、いくらかの省スペース化をもたらす。

ＰＭＭ回路の位置に加えて、図４に示される配置は、ビアの使用を回避しつつ、整流器の差動出力および「接地された」ＰＭＭ出力端子に対する接続をもたらす。

図５は、どのようにアンテナが（結果としてレクテナも）表面と同形になることができるかを示す。この例では、アンテナ１００が形成された基板が、可撓性の材料で作られている。従って、アンテナ１００は、パイプ５００を取り巻くように曲げられている。この共形アンテナ設計では、パイプ５００は、以下の特性を有するＰＶＣ水管である。すなわち、半径が５〜１０ｃｍ、比誘電率εｒが２．８８、そして誘電正接ｔａｎδが０．０８９である。パイプを取り巻くようにアンテナを曲げることによる反射減衰量の悪化は無い。

他の構成では、複数のアンテナを配列して設けてよい。たとえば、図６は、パイプ５００と合致した形状の複数のアンテナ１００の配列（アレイ）を示す。複数のレクテナを使用することで、捕集電力の総量が増加する。各捕集器間の距離は、λ_ｏ／４．８にできるだけ近い距離とすることができる。λ_ｏは、アンテナの一次共振波長である。

アンテナをパイプと同形とするこれらの例は、任意の円柱状物に適用可能である。

ボウタイおよび四角形パッチのような他の種類のモノポールアンテナや平面アンテナに同様のノッチが設けられた他の構成を提供することができる。接地面は、アンテナの放射パターンを変更するために延長することができる。これにより、アンテナの利得も変化する。

他の構成では、複数のフィルタリング素子が共に一つのフィルタリング装置として形成される。換言すると、単一のフィルタリング装置が複数のフィルタリング素子を有するように設けられるので、各フィルタリング素子は、特定の周波数帯域用のフィルタリングを実行する等の特定のフィルタリング機能を果たすように構成される。

ここで説明した捕集器は、電子ペーパディスプレイ、低電力ディスプレイ、工業用センサ（たとえば、歪みゲージや、温度、圧力、傾斜、流量、近接、煙、ガス、ＣＯｘ、ＮＯｘセンサ）、ＬＥＤへの給電、および貯蔵ユニットの充電などのさまざまな用途に使用できる。

また、アンテナのポートインピーダンスがそのまま整流器のインピーダンスに整合するように設計されていれば、インピーダンス整合回路を省略できる。

整流回路がマイクロストリップ型回路である必要はない。たとえば、他の構成では、ストリップ線路、コプレーナストリップ導波構造またはＣＰＷ導波構造が用いられる。更に別の構成では、集中定数素子または半集中定数部品が用いられてもよい。

他の構成では、全波整流器は、任意の所望の周波数帯域の周波数によって、そのサイズを大きく、または小さくすることができる。

他の構成では、アンテナは、ボウタイアンテナ、変形四角形パッチアンテナ、デュアルモノポールアンテナ、対数周期アンテナ、３次元アンテナ、または、ヘリカルアンテナ若しくはダブルヘリカルアンテナなどの非平面アンテナの少なくとも一つである。

他のフィルタリング構造（例えば突起）が、ここで説明したノッチフィルタと同様の帯域フィルタリング応答を達成しうる。さらに、円形放射パッチに形成されたノッチは同心状に図示されているが、ノッチを同心状とする必要はない。ただし、同心状のノッチを使用することによって、より良い性能を得ることができる。

異なる帯域のためのフィルタリング構造が、アンテナ構造の両側に設けられてもよい。ただし、接地面でＵ字ノッチを使用することによって、低周波数に対してよりも、高周波数に対して優れた性能を達成できる。

上述のレクテナは、環境ＲＦエネルギーを捕集するために使用することについて主に説明したものである。ただし、レクテナを、特定の電力源からのＲＦエネルギーを受け取るため、あるいは環境ＲＦエネルギーの捕集と同様に、特定の電力源からのＲＦエネルギーの一部を受け取るために使用することもできる。

ここで説明した整流器は、単一の周波数帯域で使用するために構成されている。アンテナが複数の周波数帯域を受けるように構成されるときには、各帯域にそれぞれ対応する整流器が使用される。

システムの構成要素が、特定の方位（例えば上方や下方）を定めるように図示または説明される場合、その方位は、重要なものではなく、システムの構成要素同士の相対的な位置を示すに過ぎない。

Claims (35)

1. 環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用するためのアンテナ装置であって、
   電気を生成するためにＲＦエネルギーを受け取るように構成された一つ以上のＲＦアンテナ素子を備え、前記一つ以上のＲＦアンテナ素子は、複数の周波数フィルタリング素子を備え、前記周波数フィルタリング素子の各々は、受け取った前記ＲＦエネルギーの、当該周波数フィルタリング素子に対応する周波数帯域をフィルタリングするように構成されている、アンテナ装置。
2. 前記複数の周波数フィルタリング素子は、前記一つ以上のＲＦアンテナ素子の一部分を成している、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記複数の周波数フィルタリング素子は、前記一つ以上のＲＦアンテナ素子内または前記一つ以上のＲＦアンテナ素子上に形成された構造であり、該構造のフィルタリング特性は、該構造の寸法に従って定まる、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記構造は、前記構造が形成された前記一つ以上のＲＦアンテナの一つ以上の共振周波数に対応した位置において、前記一つ以上のＲＦアンテナ素子内または前記一つ以上のＲＦアンテナ上に形成されている、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記複数の周波数フィルタリング素子がフィルタリングする前記対応する周波数帯域は、一つ以上の既知の電磁波周波数帯域である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
6. 前記一つ以上の既知の電磁波周波数帯域は、ＧＳＭ９００、ＧＳＭ１８００、３Ｇ、および４Ｇの一つ以上を含む、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記一つ以上のＲＦアンテナ素子の一つは、第１の周波数範囲を受けるように構成された円形放射パッチである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記複数の周波数フィルタリング素子のうち第１の周波数フィルタリング素子は、前記円形放射パッチ内または前記円形放射パッチ上に同心状に形成された湾曲構造であり、前記第１のフィルタリング素子は、前記第１の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くように構成されている、請求項７に記載のアンテナ装置。
9. 前記第１の周波数フィルタリング素子は、
   前記円形放射パッチの中心からλ_ｇ／１６〜λ_ｇ／１２の距離に位置しており、
   λ_ｇ／１５〜λ_ｇ／６の長さを有し、
   λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５の幅を有し、
   ここでλ_ｇは、前記周波数フィルタリング素子に対応する前記周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項８に記載のアンテナ装置。
10. 前記複数の周波数フィルタリング素子のうち第２の周波数フィルタリング素子は、前記第１の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くように構成された前記円形放射パッチ内または該円形放射パッチ上に同心状に形成された湾曲構造であり、前記第２の周波数フィルタリング素子によってフィルタリングされる前記一つ以上の周波数は、前記第１の周波数フィルタリング素子によってフィルタリングされる前記一つ以上の周波数とは異なる、請求項８または９に記載のアンテナ装置。
11. 前記第２の周波数フィルタリング素子は、
    前記円形放射パッチの中心からλ_ｇ／２４〜λ_ｇ／１２の距離に位置しており、
    λ_ｇ／５．７〜λ_ｇ／４．５の長さを有し、
    λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１８．５の幅を有し、
    ここでλ_ｇは、前記周波数フィルタリング素子に対応する前記周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項９または１０に記載のアンテナ装置。
12. 前記一つ以上のＲＦアンテナ素子の一つは、前記アンテナの放射パターンを定めるように構成された接地面である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
13. 前記複数の周波数フィルタリング素子の一つは、第２の周波数範囲内の一つ以上の周波数を取り除くために前記接地面内または前記接地面上に形成された構造である、請求項１２に記載のアンテナ装置。
14. 前記接地面内または前記接地面上に形成された前記構造はＵ字状である、請求項１３に記載のアンテナ装置。
15. 前記接地面内または前記接地面上に形成された前記構造は、
    前記円形放射パッチの最も近い縁からλ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／５．４の距離に位置しており、
    λ_ｇ／１０．５〜λ_ｇ／７．４の長さを有し、
    λ_ｇ／２４．２〜λ_ｇ／１５．２の幅を有し、
    ここでλ_ｇは、前記周波数フィルタリング素子に対応する前記周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項１３または１４に記載のアンテナ装置。
16. 前記円形放射パッチおよび前記接地面が形成された基板を備えるＲＦアンテナ構成を有する請求項１２〜１５に記載のアンテナ装置。
17. 前記ＲＦアンテナ構成は、前記円形放射パッチおよび前記接地面を捕集回路に接続するための接続部分を前記基板の一端に備える、請求項１６に記載のアンテナ装置。
18. 前記円形放射パッチは、細長い給電線を介して前記接続部分に接続される、請求項１７に記載のアンテナ装置。
19. 前記細長い給電線の長さは、前記円形放射パッチと前記接地面との間の距離が前記アンテナの出力インピーダンスを定めるように設定されている、請求項１８に記載のアンテナ装置。
20. 前記円形放射パッチと前記接地面との間の距離はλ_ｇ／４．８であり、ここでλ_ｇは、前記周波数フィルタリング素子に対応する前記周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項１９に記載のアンテナ装置。
21. 前記基板は可撓性を有する、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
22. 前記周波数フィルタリング素子は、一つ以上の、ノッチ、溝、または突起である、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
23. 対応するアンテナから入力端子で受けた変動電気信号を、電気エネルギー貯蔵ユニットに供給するための直流電気信号に変換するように構成された整流回路であって、前記アンテナは、環境無線周波数（ＲＦ）エネルギーの捕集に使用されるアンテナである、整流回路と、
    前記直流電気信号を受ける入力端子を有し、前記電気エネルギー貯蔵ユニットへの前記直流電気信号の供給を制御する電力管理モジュールと、
    を備える装置であって、
    前記整流回路は複数の伝送線路を備え、前記整流回路の前記入力端子と前記電力管理モジュールの前記入力端子とは、前記複数の伝送線路を介して接続されており、
    前記電力管理モジュールは、前記複数の伝送線路によって定められる境界線の内側に少なくとも部分的に配置されている、装置。
24. 前記複数の伝送線路は第１および第２の腕状部を成しており、前記第１の腕状部は、順方向にバイアスされた整流デバイスを介して、前記整流回路の前記入力端子を前記電力管理モジュールの前記入力端子へ接続し、前記第２の腕状部は、逆方向にバイアスされた整流デバイスを介して、前記整流回路の前記入力端子を前記電力管理モジュールの前記入力端子へ接続する、請求項２３に記載の装置。
25. 前記第１の腕状部は、前記整流回路の前記入力端子を前記順方向にバイアスされた整流デバイスに接続する第１の伝送線路と、前記順方向にバイアスされた整流デバイスを前記電力管理モジュールの前記入力端子に接続する第２の伝送線路とを備える、請求項２４に記載の装置。
26. 前記第１の伝送線路は、前記整流器を前記対応するアンテナとインピーダンス整合するように設けられており、前記第２の伝送線路は、前記整流回路を前記電力管理モジュールとインピーダンス整合するように設けられている、請求項２５に記載の装置。
27. 前記第１の伝送線路はλ_ｇ／８．１〜λ_ｇ／６．８の長さを有し、ここでλ_ｇは、前記対応するアンテナが受ける周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項２５または２６に記載の装置。
28. フィルタリング回路が前記第２の伝送線路に接続されている、請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記フィルタリング回路は４分の１波長スタブである、請求項２８に記載の装置。
30. 前記第２の伝送線路は、連結用伝送線路およびインピーダンス整合用伝送線路を備え、前記連結用伝送線路は、前記整流デバイスと前記フィルタリング回路との間に設けられており、前記連結用伝送線路は、前記整流デバイスに伴う容量リアクタンスを吸収するように設けられており、前記インピーダンス整合用伝送線路は、前記フィルタリング回路と前記電力管理モジュールとの間に設けられている、請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の装置。
31. 前記連結用伝送線路は、λ_ｇ／５．６〜λ_ｇ／４．３の長さを有し、ここでλ_ｇは、前記アンテナの受信周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項３０に記載の整流装置。
32. 前記インピーダンス整合用伝送線路は、λ_ｇ／４．４〜λ_ｇ／３．８の長さを有し、ここでλ_ｇは、前記対応するアンテナが受ける周波数帯域の中心周波数における波長である、請求項３０または３１に記載の装置。
33. 前記電力管理モジュールは、前記整流装置内に配置されており、
    前記電力管理モジュールは、第１端で、前記整流回路の出力端子に接続されており、
    前記電力管理モジュールの第２端と前記整流回路の入力端子との間の距離は、λ_ｇ／５〜λ_ｇ／２．５に設定されており、
    前記電力管理モジュールの第１の側と前記第１の腕状部の縁との間の距離は、λ_ｇ／１２〜λ_ｇ／６．５に設定されており、
    前記電力管理モジュールの第２の側と前記第２の腕状部の縁との間の距離は、λ_ｇ／１６．４〜λ_ｇ／９に設定されており、
    ここでλ_ｇは、前記アンテナの受信周波数帯域の中心周波数における波長である、
    ことを特徴とする、請求項２４〜３２のいずれか一項に記載の装置。
34. 請求項１〜２２のいずれか一項に記載のアンテナ装置と、請求項２３〜３３のいずれか一項に記載の装置とを備える、ＲＦエネルギー捕集システム。
35. 前記装置の前記電力管理モジュールから電気エネルギーを受け取って蓄積するように構成された電気エネルギー貯蔵ユニットを更に備える、請求項３４に記載のＲＦエネルギー捕集システム。