JP2019531016A - メタマテリアル、レクテナ、および補償構造を使用して電磁放射を電気エネルギーに変換するための構造、システム、および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
システムレベル説明
図2は、本発明の一実施形態による、メタマテリアル200と、関連する補償回路205を備える結合レクテナ206の正射投影である。メタマテリアルと結合レクテナ206とを合わせて、本明細書ではメタマテリアル結合レクテナ208と呼ばれる。図2に示されるように、メタマテリアル結合アンテナ208は、メタマテリアル200の上に配置されたレクテナ206を備える。好ましくは、メタマテリアル200は、その表面210上の特徴のパターンによって特徴付けられる3Dメタマテリアルである。例えば、実施形態では、特徴は穴またはポールでよい。図2に示されるように、例えば、3Dメタマテリアル200は、サブ波長穴/特徴201と共に設計される。穴201は、メタマテリアル200の表面上でプラズモニック波を誘導およびチャネリングし、特定の動作帯域幅および動作周波数に電磁場を集中させる。レクテナ206はアンテナ素子202を含む。一実施形態では、レクテナが穴201の上に配置される。
インピーダンス整合およびV boost
一実施形態では、レクテナ206のアンテナ素子202は、アンテナ給電ポイント203を備えるボウタイアンテナである。共面差動伝送線路205がアンテナ給電ポイント203に接続される。差動伝送線路205は差動伝送線路リード205aおよび205bからなる。差動伝送線路リード205aおよび205bは、アンテナ素子202によって受信されるTHz信号の整流の目的で、ダイオード210をレクテナ206に統合するための2重マイクロストリップ伝送線路構造として働く。ダイオード210は、THz周波数範囲の信号を整流し得るMIMダイオード、MIIMダイオード、または任意の他のダイオードでよい。以下でより詳細に説明されるように、伝送線路205は、最大電力伝達を達成するために、アンテナ素子202とダイオード210との間のインピーダンス変換を実装するように設計される。伝送線路205はまた、アンテナ電流をダイオード昇圧に変換して、ダイオードが非線型動作モードにバイアスされることを保証する。
実施形態による補償回路の1次ビルディングブロックは、伝送線路リード505aおよび505bに接続されたスタブ501a〜bおよび502a〜bである。スタブは、一端にのみ接続される、ある長さの伝送線路である。スタブは短絡(または開路)で終端する。スタブの長さは、所望のインピーダンスを生み出すように選ばれる。スタブの入力インピーダンスは純粋にリアクタンス性であり、容量性または誘導性のどちらかである。スタブは、その長さに沿った定在波によって動作する。そのリアクタンス特性は、その長さに沿った定在EM波の波長に対するその物理的長さによって決定される。したがって、スタブはコンデンサまたはインダクタとして機能し得る。メタマテリアル結合レクテナ構造208の全波有限要素解析が、補償構造の幾何形状と、アンテナおよびダイオードリアクタンスの複素インピーダンスのパラメトリック最適化を使用して実施される。回路は、アンテナ素子202からダイオード210への最大電力伝達、および最適なインピーダンス整合のために物理的に同調される。
図7は、インピーダンス整合回路網および抵抗型負荷でアンテナの非線型リアクタンスおよびダイオードの非線型リアクタンスが補償され得ることを示す等価レクテナ回路の概略図である。図7の等価回路によって示されるように、レクテナ206(電圧源と電圧源抵抗の組合せ702によって表される)およびインピーダンス整合回路網205(差動インピーダンス整合回路網インターフェース704によって表される)に、並列の2つの素子、すなわち、図7に示されるように並列構成で接続された、(1)差動インピーダンス整合回路網インターフェース704の両端間に接続された負荷抵抗器706と、(2)整流素子ダイオード708(ダイオード210など)とによって負荷がかけられる。補償回路は、外部負荷構成要素710、706のリアクタンスを含むようにさらに同調される。図7に示される回路では、コンデンサ712は、レクテナ回路内のアンテナとダイオードとの間の固有キャパシタンスである。コンデンサ714は、この等価回路内のダイオード708のキャパシタンスである。
例示的実施形態では、レクテナ206のアンテナ素子202は、30THzの中心動作周波数を有するように構成される。そのようなアンテナは約10μmの波長に対応する。THz周波数では、アンテナ素子202内の電子の伝播は、主に表面平面波によるものである。導電性アンテナの材料特性および幾何形状は、損失を低減するために重要である。多数のアンテナトポロジが、本発明の実施形態での使用に適している。好ましい実施形態はボウタイアンテナを使用し、ボウタイアンテナのサイズは約3μmであり、ボウタイアンテナはこの周波数帯でエネルギーの最適な吸収を示す。一実施形態では、3umはボウタイ構造の両端間の長さを指す。ボウタイは外縁長および角度を有する。これらは仕様であり、アンテナの帯域幅により関係がある。両端間長さは、アンテナを放射スペクトル内に配置する。アンテナ材料は、THz領域内で高電導性である必要がある。AuおよびAgはこの目的で良好な材料である。
MIMおよびMIIM構造は、その物理的幾何形状により、高い寄生キャパシタンスを導入する。この寄生キャパシタンスは非線型整流に並列であり、したがって整流が十分なインピーダンスを示す場合に整流を短絡し得る。高テラヘルツ周波数により、寄生キャパシタンスは低インピーダンス負荷および/または短絡として働く。本発明の実施形態は、そのような寄生ダイオードキャパシタンスをゼロにするための新規な方法を含む。
図11は、主伝送線路1105に対して垂直な開路スタブ1101aおよび1101bを使用してダイオード210に平衡補償を与える、給電ポイント203に対して垂直な単極補償構造として構成された、伝送線路1105に結合された例示的ボウタイアンテナ素子202を示す。開路スタブ1101aおよび1101bは、タンク回路とも呼ばれる直列L−C共振器として振る舞う。したがって、開路スタブ1101aおよび1101bは低域フィルタ応答を導入し、そのインピーダンスは主にスタブ1101aおよび1101bの長さによって決定される。一実施形態では、分散伝送線路構造が、アンテナインピーダンスの複素共役整合である小信号インピーダンスを反映するように同調される。この構成の結果、狭い選択的帯域幅動作で高いQ値(高Q)が得られる。これは、分光用の検出器、またはメタマテリアルやスペクトル同調層デバイスなどのメタマテリアル制限された帯域幅エネルギーハーベスティングデバイスに結合するための検出器などの、周波数選択性を必要とする応用例にとって望ましい。
好ましくは、ダイオード210は、熱を電気に変換するのに適した高いゼロバイアス応答度および低い抵抗を有する。MIIMダイオードは、その高い周波数(THz)能力のために、他の種類のダイオードに勝って、熱を電気に変換するのに最も適している。以前に開示されたMIIMダイオードは、高いゼロバイアス応答度を有し得るが、高い抵抗を伴う。ダイオード内の低い抵抗は、低いRC時定数を可能にし、次いで低いRC時定数は、熱を電気に変換する際により高い効率を可能にする。一実施形態によるMIIMダイオード210は、高いゼロバイアス応答度および低い抵抗を有するように設計される。
図15は、一実施形態による、多重極共振応答を達成するために複数のスタブを用いる広帯域伝送線路補償構造を有し、ダイオード210への電圧を昇圧する働きもする差動伝送線路205へのTHz整流ダイオード210の統合を示す。図15に示されるように、多段補償トポロジは、伝送線路構成要素501a〜b、502a〜b、1502、1504、1506、および1508の様々な組合せを備える。多段トポロジの使用により、別個の構成要素を使用して設計される高次多重極共振構造の実装が可能となる。これにより広帯域幅補償が可能となる。帯域幅が広いほど、より多くのエネルギーがトンネル効果小信号整流器(ダイオード)によって整流される。実施形態は伝送線路構成要素の組合せを使用することに限定されず、当業者には明らかなはずである他のトポロジの実施形態を含む。
一実施形態では、アンテナ素子202は、アンテナ金属の固体充填を伴う、対称的構造を有するボウタイ型アンテナである。アンテナ素子202がボウタイ構造を有するとき、フラクタルおよび高誘電率誘電体が、屈折率を増加させるために使用され得る。例えば、一実施形態では、ボウタイアンテナの幾何形状が、導電性表面から材料を除去すること、およびフラクタル化された構造を作成することによって変更され得る。
伝送線路を伝播するエネルギーは、テーパー伝送線路を使用してさらに集中され、集束され得る。図19は、一実施形態による、ダイオードの領域内のナノ集束に表面波を誘導し、集束させるための、テーパー伝送線路1902の使用を示す正射投影である。赤外線エネルギーが波長の小部分にナノ集束され、回折限定効果に打ち勝ち得る。動作の際に、アンテナ素子202は赤外線光を取り込み、赤外線光を、伝送線路205に沿って移動する伝播表面波に変換する。伝送線路1902の幅を徐々に削減すること、例えばエリア1904によって示されるように「テーパリング」することにより、赤外線表面波が、MIIMダイオード断面積にほぼ等しい直径を有する、テーパー頂点1906のとても小さいスポットまで圧縮される。
一実施形態では、3次元(3D)メタマテリアル構造が熱源の電磁場を集中させるように設計される。1次元または2次元メタマテリアル構造も使用され得るが、3D構造が最も高い電磁場の集中を実演する。
本発明の実施形態は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2015年6月19日に出願された米国特許出願第14/745299号('299出願)に記載のメタマテリアルを使用する。実施形態で使用されるようなメタマテリアルは、金属(銅など)表面上に製造された穴のアレイを含む人工的構造である。穴は、周期的または非周期的でよく、同一サイズまたは変動するサイズでよい。一実施形態では、穴は穴の内部の光伝播を防止するのに十分な小ささである。その結果、光強度は、穴の内部で指数関数的に減衰する。一定の条件下で、そのようなメタマテリアル構造は、光が表面に集中する表面共振を支持する。この表面共振は、金属−誘電体界面で観測され得る表面プラズモン共振と同一の特性を有する。この類似性のために、この表面共振は「スプーフ」プラズモンと呼ばれる。メタマテリアル構造の主な利点は、プラズモン共振の周波数が穴構造の幾何学的設計によって調整され得ることである。このようにしてメタマテリアルの表面の幾何形状を構成して、テラヘルツ範囲でのプラズモン共振を支持するメタマテリアル構造が開発された。これらの表面プラズモンモードは熱的に励起され得、その結果、黒体放射をはるかに上回る熱放射が得られる。
図24Aは、基板を貫いてエッチングまたは切除されたバイア2402aおよび2402bを示すための製造中のレクテナを示す。図24Aは、一実施形態に従って、導電性相互接続が外部世界にデバイスを接続する、熱源と反対側のデバイスの面上にどのように組み込まれるかを示す。熱源の反対側の面上に相互接続を配置することにより、デバイスの変換効率が向上する。これは、相互接続の抵抗を最小限に抑えるためであり、そのような相互接続は、厚い、かつ/または幅の広い金属フィルムであることが好ましい。金属フィルムは熱を反射し、熱をデバイスの同じ面上に熱源として置く結果、取入れデバイスの密度が低くなる。熱の反射により、熱の真下に取入れデバイスを配置することが妨げられるからである。
基本レクテナ回路はよく理解されている。基本レクテナ回路は、高周波数(>1THz)で小さい電圧(〜1mV)を生成するアンテナを備える。変換の効率はいくつかの理由で低い。例えば、ダイオード非線型性は、アンテナ(〜1mV)の電圧出力よりも著しく高い電圧(−1000mV)で生じる。ダイオード非線型性の屈曲点が生じる電圧が低減され得るが、低減この低減の量が素子の帯域ギャップおよび様々な素子の製造の容易さによって制限される。
Claims (25)
- 熱の存在下でスプーフ表面プラズモンを生成するメタマテリアルと、
レクテナであって、
前記生成されたスプーフ表面プラズモンがテラヘルツ範囲の周波数を有するときに共振するアンテナ素子と、
伝送線路を介して前記アンテナ素子に結合され、電圧信号を受け取り、前記電圧信号を整流して電気を生成するダイオードであって、キャパシタンスを有するダイオードと
を備える前記レクテナと、
整流のために前記アンテナ素子からの前記電圧信号を前記ダイオードに搬送するための伝送線路であって、前記ダイオードの前記キャパシタンスを補償するように構成される前記伝送線路と
を備えることを特徴とするメタマテリアル結合アンテナ。 - 前記ダイオードがMIIMダイオードであることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記MIIMダイオードが、2つの絶縁体を挟む金属を積重ね構成で備えることを特徴とする請求項2に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記金属がアルミニウムであり、前記絶縁体が酸化コバルトおよび酸化チタンであることを特徴とする請求項3に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記メタマテリアルが複数の穴を備え、前記アンテナ素子が、前記メタマテリアル内の穴の上に配置され、垂直方向の放射を閉じ込めるための反射器をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記反射器が金属層を備えることを特徴とする請求項5に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記反射器がDBR反射器を含むことを特徴とする請求項5に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記DBR反射器が酸化チタンとゲルマニウムの交互層を備えることを特徴とする請求項7に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が先細りであることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が2極キャパシタンス補償を与えるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 2極キャパシタンスが前記ダイオードと並列のL−C回路として実装されることを特徴とする請求項10に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が4極キャパシタンス補償を与えるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 4極キャパシタンスが、前記ダイオードと並列の複数の直列L−C回路として実装されることを特徴とする請求項12に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が、前記ダイオードの寄生キャパシタンスを使用してダイオードキャパシタンスを補償するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記アンテナ素子がフラクタル化回路を備えることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が、前記ダイオードに加えられる前記電圧信号に対する昇圧を実現するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が前記昇圧を実現するためのタンク回路を備えることを特徴とする請求項16に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が前記昇圧を実現するための一連のタンク回路を備えることを特徴とする請求項16に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 熱の存在下でスプーフ表面プラズモンを生成するように構成されたメタマテリアルと、
レクテナであって、
前記生成されたスプーフ表面プラズモンがテラヘルツ範囲の周波数を有するときに共振するアンテナ素子と、
伝送線路を介して前記アンテナ素子に結合され、電圧信号を受け取り、前記電圧信号を整流して電気を生成するダイオードと
を備える前記レクテナと、
整流のために前記アンテナ素子からの前記電圧信号を前記ダイオードに搬送するための伝送線路であって、前記ダイオードに加えられる前記電圧信号に対する昇圧を実現するように構成される前記伝送線路と
を備えることを特徴とするメタマテリアル結合アンテナ。 - 前記ダイオードがMIIMダイオードであることを特徴とする請求項19に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記MIIMダイオードが、2つの絶縁体を挟む金属を積重ね構成で備えることを特徴とする請求項20に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記メタマテリアルが複数の穴を備え、前記アンテナ素子が、前記メタマテリアル内の穴の上に配置され、垂直方向の放射を閉じ込めるための反射器をさらに備えることを特徴とする請求項19に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記反射器が金属層を備えることを特徴とする請求項22に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記反射器がDBR反射器を含むことを特徴とする請求項22に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
- 前記伝送線路が、ダイオードキャパシタンスを補償するように構成されることを特徴とする請求項19に記載のメタマテリアル結合アンテナ。
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