JP2021056024A - 無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム、測定方法及び校正方法。 - Google Patents
無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム、測定方法及び校正方法。 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】大電力印加時のインピーダンスと電力を同時に測定するためには、従来はベクトルネットワークアナライザ(VNA)を用いる方法が最も一般的だが、大電力印加可能なVNAは、1千万円を超える高価なものとなること。【解決手段】交流電源2と、交流電源2に接続した方向性結合器3と、方向性結合器3に結合したDUT4と、方向性結合器3に結合したA/Dコンバータと、を備え、方向性結合器3とDUT4の間を基準面6とすることを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム1である。【選択図】図1
Description
本発明は、無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム、測定方法及び校正方法に関する。
無線電力伝送の効率を向上する整合回路の設計のためには、整流回路のインピーダンスを測定する必要がある。整流回路は非線形素子であるダイオードを用いるため、インピーダンスが電力によって変化する。そのため、大電力印加時のインピーダンスと電力を同時に測定する必要がある。
特許文献1には、円偏波アレーアンテナの動作状態における任意のアンテナ素子のインピーダンスを精度よく迅速に測定する方法が、また特許文献2には、素子アンテナの性能均一性を保持して、アクティブフェーズドアレーアンテナの動作状態における素子アンテナのアンテナインピーダンスを測定する方法が、それぞれ記載されている。しかし、それらの方法は、複数の負荷が存在する場合に、それらに同時に給電しながら、そのうちの一つの負荷のインピーダンスの測定方法である。
特許文献3には、インピーダンスの全領域で一定の測定感度を持ち、幅広い測定範囲をカバーできるインピーダンスを測定する方法が記載されているが、特許文献1と同様にインピーダンスのみを測定し、その時の電力は問題にしていない。
一方、大電力印加の高周波インピーダンス測定方法としては、非特許文献1、2が知られている。
一方、大電力印加の高周波インピーダンス測定方法としては、非特許文献1、2が知られている。
C.F.Engen and C.A.Hoer,"Application of an Arbitrary 6-Port Junction to Power-Measurement Problems,"IEEE Trans.Instrum.Meas., Vol.IM-21, pp.470-474, Nov.1972.
S.Sakihara,M.Tanaka,N.Sakai and T.Ohira,"Power Dependent Impedance Measurement Exploiting an Oscilloscope and Mobius Transformation", IEICE Trans.on Elec., Vol.E100-C, No.10, pp.918-923, Oct.2017.
しかしながら、大電力印加時のインピーダンスと電力を同時に測定のため、従来はベクトルネットワークアナライザ(VNA)を用いる方法が最も一般的だが、大電力印加可能なVNAは、1千万円を超える高価なものとなる課題がある。
上記課題を解決する本発明は以下の通りである。
(1)交流電源と、前記交流電源に接続した方向性結合器と、前記方向性結合器に結合したDUTと、前記方向性結合器に結合したA/Dコンバータと、を備え、前記方向性結合器と前記DUTの間を基準面とすることを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定システムである。
(2)前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする(1)に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定システムである。
(3)交流電源、方向性結合器及び被測定物(DUT)をこの順に接続し、前記方向性結合器にA/Dコンバータを接続して、基準面を介して前記方向性結合器とDUTを接続し、前記DUTをショート、オープン又は整合負荷として、前記ショートでは電圧VF Sの大きさ、電圧VR Sの大きさ及び前記電圧VF Sと電圧VR Sとの位相差∠VR S−∠VF Sを、オープンでは電圧VF Oの大きさ及び電圧VR Oの大きさ、前記電圧VF O及び前記電圧VR Oとの位相差∠VF O−∠VR Oを、前記整合負荷では電圧VF Pの大きさ、電圧VR Pの大きさ、前記電圧VF Pと前記電圧VR Pとの位相差∠VF p−∠VR p及び電力Pm pを、それぞれ測定することを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法である。これらの電圧の大きさと位相から、複素電圧(以下、単に電圧と記す)VF O、VR O、VF P、VR Pを求める。
なお、「交流電源、方向性結合器及びDUTをこの順に接続」とは、「交流電源と、前記交流電源に接続した方向性結合器と、前記方向性結合器に結合したDUTに接続」と同義である。また、以下に示す電圧・電流は全て複素数である。
(4)下記の式(1)〜(6)に基づきVm S、Vm O、Vm p、Im S、Im O及びIm pを算出し、基準面の所定の特性インピーダンスであるZO、前記電力Pm p及び式(8)に基づき第1の行列の要素(c、b)を算出し、前記第1の行列の要素(c、b)、Vm S、Vm O、Im S及びIm Oと式(9)に基づき第2の行列の要素(a、d)を算出し、第1及び第2の行列の要素からなる行列(a〜d)の逆行列と数式(10)に基づき、前記基準面おける真値の電流V及び真値の電流Iを算出することを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための校正方法。
である。
(5)前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする(3)に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法である。
(1)交流電源と、前記交流電源に接続した方向性結合器と、前記方向性結合器に結合したDUTと、前記方向性結合器に結合したA/Dコンバータと、を備え、前記方向性結合器と前記DUTの間を基準面とすることを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定システムである。
(2)前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする(1)に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定システムである。
(3)交流電源、方向性結合器及び被測定物(DUT)をこの順に接続し、前記方向性結合器にA/Dコンバータを接続して、基準面を介して前記方向性結合器とDUTを接続し、前記DUTをショート、オープン又は整合負荷として、前記ショートでは電圧VF Sの大きさ、電圧VR Sの大きさ及び前記電圧VF Sと電圧VR Sとの位相差∠VR S−∠VF Sを、オープンでは電圧VF Oの大きさ及び電圧VR Oの大きさ、前記電圧VF O及び前記電圧VR Oとの位相差∠VF O−∠VR Oを、前記整合負荷では電圧VF Pの大きさ、電圧VR Pの大きさ、前記電圧VF Pと前記電圧VR Pとの位相差∠VF p−∠VR p及び電力Pm pを、それぞれ測定することを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法である。これらの電圧の大きさと位相から、複素電圧(以下、単に電圧と記す)VF O、VR O、VF P、VR Pを求める。
なお、「交流電源、方向性結合器及びDUTをこの順に接続」とは、「交流電源と、前記交流電源に接続した方向性結合器と、前記方向性結合器に結合したDUTに接続」と同義である。また、以下に示す電圧・電流は全て複素数である。
(4)下記の式(1)〜(6)に基づきVm S、Vm O、Vm p、Im S、Im O及びIm pを算出し、基準面の所定の特性インピーダンスであるZO、前記電力Pm p及び式(8)に基づき第1の行列の要素(c、b)を算出し、前記第1の行列の要素(c、b)、Vm S、Vm O、Im S及びIm Oと式(9)に基づき第2の行列の要素(a、d)を算出し、第1及び第2の行列の要素からなる行列(a〜d)の逆行列と数式(10)に基づき、前記基準面おける真値の電流V及び真値の電流Iを算出することを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための校正方法。
である。
(5)前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする(3)に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法である。
本発明による無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム、測定方法及び校正方法によって周波数や電力に即して数十万程度でその同時測定が実現可能である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
図1には、無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム1の概略を示した。電力は双方向性結合器3を通じてDUT4へ印加される。進行波と反射波は双方向性結合器3により分離されオシロスコープ5で測定される。オシロスコープ5のリードアウト機能により、進行波と反射波の実効値、および、それらの位相差を読み取る。これらの値から進行波の複素電圧VF、と反射波の複素電圧VR求めた上で、複素電圧Vmを式(11)から、複素電流Imを数式(12)から計算する。なおZ0は基準面の特性インピーダンスである。A/Dコンバータとして波形をリアルタイムで観測し、かつリードアウト機能により電圧・位相差を取得できるの観点から、オシロスコープ5が好ましい。
図1の測定システムによって、|VF|すなわち進行波電圧の大きさ、|VR|すなわち反射波電圧の大きさ、∠VF−∠VRすなわち進行波電圧と反射波電圧の位相差を測定することができる。∠VF−∠VRを測定するのは、進行波電圧と反射波電圧を複素数の値として測定するのためである。
図2には、校正方法の概略を示した。図2(a)のように基準面を短絡し、式(11)、(12)を用いて電圧VS mと電流IS mを測定する。このとき、電圧の真値は0となっているはずである。次に、図2(b)のように基準面を開放し、式(11)、(12)を用いて電圧VO mと電流IO mを求める。このとき、電流の真値は0となっているはずである。最後に図2(c)のように基準面にパワーセンサーを接続し、式(11)、(12)を用いて電圧VP mと電流IP m、さらに電力PP mを求める。なお、基準面を短絡・開放とした場合、高周波電源からみた反射係数の大きさが1に近くなる。高周波電源が整合終端を要求している場合は、整合パッドとして動作する減衰器を電源と方向性結合器の間に接続する方法がある。また、DUTが非線形負荷であっても、測定系(方向性結合器・オシロスコープ)が線形であれば、後述するように説明する誤差行列は電力に依存しないため校正時は電力を低減しても構わない。
基準面での電圧・電流の真値をそれぞれ V、I、誤差を含んだ電圧・電流の測定値をそれぞれ Vm、Imとする。真値と測定値は、誤差行列により式(13)のように関連づけられる。
誤差行列は、短絡・開放・パワーセンサーを接続したときの測定値から、式(14)の様に求められる。まず、基準面を短絡とした場合、式(13)に測定値VS mとIS m を代入すると,電圧の真値は式(14)を満たしているはずである。
基準面を開放とした場合、式(13)に測定値VO mとIO mを代入すると、電流の真値は式(15)を満たしているはずである。
基準面にパワーセンサーを接続した場合、式(13)から求めた電圧・電流の真値は、測定値VP m、IP m、PP mによって式(16)、(17)を満たしているはずである。
これらの結果から、行列の各要素は式(8)、(9)のように計算できる。
このように,校正により誤差行列を求めた後、DUTを基準面に接続することにより、DUT における電圧、電流の真値は式(10)のように求めることができる。
非線形負荷の場合は高調波が発生するため、電圧・電流波形が正弦波でなくなる。オシロスコープのリードアウト機能は、波形の実効値を表示するため、全ての高調波を含むものとなる。インピーダンス測定の場合は基本波のみに対するものを測定したいため、リードアウト機能による電圧・電流の値を使うと誤差となる。そこで、オシロスコープで観測した波形を計算機に転送し、計算機で高速フーリエ変換(FFT)を用いることにより、基本波のみに対応する電流・電圧・位相差を用いる方法発明した。Vm、Imの取得方法がリードアウトからFFTに変わるだけで、校正法など、他の方法は同じである。
(実施例1)
本発明の有用性を検証するため、実験を行った。その実験装置を図3、図4及び図11に示す。
6.78MHz 20Wの電源を使用し、3dBの整合パッドを通して負荷に10Wの電力を印加した。まずはDUTとして線形負荷を用い、オシロスコープのリードアウトを用いる方法を適用した。 精度の検証のため、本発明(方向性結合器を使用)に加え、方向性結合器の代わりに(図11(a):参考例1)、VNAを用いる方法(図11(b)):比較例2)、双方向性結合器とパワーセンサーを用いる方法(図11(c):比較例3)と比較した。
本発明の有用性を検証するため、実験を行った。その実験装置を図3、図4及び図11に示す。
6.78MHz 20Wの電源を使用し、3dBの整合パッドを通して負荷に10Wの電力を印加した。まずはDUTとして線形負荷を用い、オシロスコープのリードアウトを用いる方法を適用した。 精度の検証のため、本発明(方向性結合器を使用)に加え、方向性結合器の代わりに(図11(a):参考例1)、VNAを用いる方法(図11(b)):比較例2)、双方向性結合器とパワーセンサーを用いる方法(図11(c):比較例3)と比較した。
図3において、オシロスコープに接続する双方向性結合器、オシロスコープに接続する電圧・電流プローブ、パワーセンサーに接続する双方向性結合器を縦続接続しているが、後に示す測定結果ではそれぞれを単独で接続している。オシロスコープには帯域750MHzのものを使用した。電圧プローブには帯域500MHzの差動プローブを用いた。電流プローブには帯域100MHzのものを用い、同軸ケーブルの芯線をクランプした。
SOP校正に使用したパワーセンサー(Keysight U2004A)を、整合終端の標準器として用いることの妥当性を検証するために、このパワーセンサーに10dBmの電力を印加したときの反射係数をVNAにより測定した。
SOP校正に使用したパワーセンサー(Keysight U2004A)を、整合終端の標準器として用いることの妥当性を検証するために、このパワーセンサーに10dBmの電力を印加したときの反射係数をVNAにより測定した。
図5には、その結果を示した。使用した6.78MHzで50dBを下回る反射係数となっており、整合終端としてみなすことは妥当といえる。また、9kHzから3GHzまでの測定周波数のうち、反射係数は最大でも34.27dBとなっており、この周波数帯域で整合終端として使用できることがわかる。
電圧・電流プローブ、および方向性結合器を用いた方法では、負荷に供給される有効電力Pを式(18)より求めた。
パワーセンサーを用いた方法では, 反射係数の大きさ|Γ|、有効電力Pを式(19)、(20)により求めた。ここで、PFWD・PREFはそれぞれパワーセンサーで測定された進行波電力・反射波電力である。
DUTとして短絡・開放・整合負荷・誘導性負荷・容量性負荷を用いて測定を行った。誘導性負荷・容量性負荷として、50Ωの抵抗器にπ型整合回路を接続して、VNA で測定した反射係数がそれぞれ 0.25∠90°と0.25∠−90°となるようにしたものを用いた。DUTへの印加電力は10Wであるが開放・短絡の測定時は電源の反射に対する制約により5Wに低減した。VNAによる測定では印加電力は100mWである。
表1〜5に方向性結合器を用いた本発明(校正なし、校正あり)、パワーセンサー・パワーメーターによる測定、VNAによる測定結果を示す。本発明により、複素インピーダンスはVNAに近い値、有効電力はパワーセンサー・パワーメーターに近い値が得られていることがわかる。また、短絡においては電圧の値が、開放においては電流の値が校正によって0に近づいていることがわかる。
表1〜5に方向性結合器を用いた本発明(校正なし、校正あり)、パワーセンサー・パワーメーターによる測定、VNAによる測定結果を示す。本発明により、複素インピーダンスはVNAに近い値、有効電力はパワーセンサー・パワーメーターに近い値が得られていることがわかる。また、短絡においては電圧の値が、開放においては電流の値が校正によって0に近づいていることがわかる。
図6には、VNAによる測定、方向性結合器を用いた本発明(校正なし,校正あり)、電圧・電流プローブを用いた方法(参考例1)によるインピーダンスの測定結果をスミスチャートにプロットしたものを示した。校正によりVNAに近い値が得られていることがわかる。
本発明の非線形負荷に対する有用性を検証するために、実験を行った。DUTとして、ショットキーダイオード(RB161MM−20)を5個並列に使用したフルブリッジ整流回路を用いる。整流回路に供給する進行波電力は6.78MHz 20Wとした。直流負荷として電子負荷装置を用い、直流負荷での受電電力が最大となるよう、荷抵抗を 61Ωに設定した。このとき、パワーセンサーで測定されたRF(6.78MHz)の有効電力(進行波電力−反射波電力)は15W、反射係数の大きさは0.492である。
図8には、オシロスコープで観測された波形を示した。C(チャンネル)1,C2 はそれぞれ電圧プローブ・電流プローブで測定された波形である。C3、C4はそれぞれ双方向性結合器で取得された進行波・反射波の波形である。なお、オシロスコープでは C3、C4は1MΩのDC結合で終端されているが、スルーターミネータを用いて50Ωで終端している。F1とF2はそれぞれ進行波と反射波の和と差、すなわち電圧波形と電流波形に相当するものである。
オシロスコープでのサンプリング周波数は2GHz、サンプリング点数は1000 点とした。このため、FFTを適用した場合の周波数分解能は1MHzとなる。
図9には観測された波形に対してFFTを適用した結果を示した。基本波、および奇数次の高調波が確認できる。FFTを用いた方法では、基本波における電圧・電流の振幅および位相差を用いた。
図9には観測された波形に対してFFTを適用した結果を示した。基本波、および奇数次の高調波が確認できる。FFTを用いた方法では、基本波における電圧・電流の振幅および位相差を用いた。
電圧・電流プローブを用いる方法と、方向性結合器を用いる方法を比較する。さらに、それぞれについてオシロスコープのリードアウトを用いる方法とFFTを用いる方法を適用する。それらについて校正の有無で結果を比較する。
図10には、その結果を示す。校正の有無で比較すると、校正によりほぼ同一の点に収束していることがわかる。なお、「Read Out」とは、電圧、電流の値をオシロスコープのリードアウト機能により取得した方法、「FFT」とは、電圧、電流の値を波形のフーリエ変換により取得した方法のことである。「V/I Probe」とは、電圧プローブ・電流プローブを用いた方法、「Directional Coupler」とは、方向性結合器を用いた方法のことである。「w/o Cal」とは、SOP校正を用いずに、測定された電圧・電流の値をそのまま用いた方法、「w/ Cal」とは、SOP校正により補正された電圧・電流の値を用いた方法、のことである。
図10には、その結果を示す。校正の有無で比較すると、校正によりほぼ同一の点に収束していることがわかる。なお、「Read Out」とは、電圧、電流の値をオシロスコープのリードアウト機能により取得した方法、「FFT」とは、電圧、電流の値を波形のフーリエ変換により取得した方法のことである。「V/I Probe」とは、電圧プローブ・電流プローブを用いた方法、「Directional Coupler」とは、方向性結合器を用いた方法のことである。「w/o Cal」とは、SOP校正を用いずに、測定された電圧・電流の値をそのまま用いた方法、「w/ Cal」とは、SOP校正により補正された電圧・電流の値を用いた方法、のことである。
(実施例2)
高周波における大電力印加時のインピーダンス・電圧・電流・電力を同時に測定する測定システム、測定する方法、およびその校正方法を発明した。線形負荷に本発明を適用した実験により、インピーダンス測定はVNAと、有効電力測定はパワーセンサーと概ね一致する精度で測定可能なことを確認した。さらに、非線形負荷に本発明を適用した実験により、正弦波ではない波形に対しても本発明が適用可能であることを確認した。また、パワーエレクトロニクスの分野で用いられている電流・電圧プローブによる測定と、マイクロ波の分野で用いられている方向性結合器による測定が等価であることを実験的に確認した。方向性結合器による方法が電圧・電流プローブによる方法と等価であることを確認するために、電圧・電流プローブが使用可能な6.78MHzで検証を行った。方向性結合器を用いる本手法は,電圧・電流プローブが適用不可能なGHz帯の周波数においても。オシロスコープの帯域幅が許す限り適用可能である。
高周波における大電力印加時のインピーダンス・電圧・電流・電力を同時に測定する測定システム、測定する方法、およびその校正方法を発明した。線形負荷に本発明を適用した実験により、インピーダンス測定はVNAと、有効電力測定はパワーセンサーと概ね一致する精度で測定可能なことを確認した。さらに、非線形負荷に本発明を適用した実験により、正弦波ではない波形に対しても本発明が適用可能であることを確認した。また、パワーエレクトロニクスの分野で用いられている電流・電圧プローブによる測定と、マイクロ波の分野で用いられている方向性結合器による測定が等価であることを実験的に確認した。方向性結合器による方法が電圧・電流プローブによる方法と等価であることを確認するために、電圧・電流プローブが使用可能な6.78MHzで検証を行った。方向性結合器を用いる本手法は,電圧・電流プローブが適用不可能なGHz帯の周波数においても。オシロスコープの帯域幅が許す限り適用可能である。
無線電力伝送における受電側の整合回路の設計に必要となる整流回路のインピーダンスを測定に利用することができる。
1:測定システム
2:交流電源
3、9:方向性結合器
4:DUT
5:オシロスコープ
6:基準面
10:電圧・電流プローブ
11:方向性結合器とパワーセンサー
12:パワーセンサー
2:交流電源
3、9:方向性結合器
4:DUT
5:オシロスコープ
6:基準面
10:電圧・電流プローブ
11:方向性結合器とパワーセンサー
12:パワーセンサー
Claims (5)
- 交流電源と、前記交流電源に接続した方向性結合器と、前記方向性結合器に結合したDUTと、前記方向性結合器に結合したA/Dコンバータと、を備え、前記方向性結合器と前記DUTの間を基準面とすることを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム。
- 前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定システム。
- 交流電源、方向性結合器及び被測定物(DUT)をこの順に接続し、前記方向性結合器にA/Dコンバータを接続して、基準面を介して前記方向性結合器とDUTを接続し、前記DUTをショート、オープン又は整合負荷として、前記ショートでは電圧VF Sの大きさ、電圧VR Sの大きさ及び前記電圧VF Sと電圧VR Sとの位相差∠VR S−∠VF Sを、オープンでは電圧VF Oの大きさ及び電圧VR Oの大きさ、前記電圧VF O及び前記電圧VR Oとの位相差∠VF O−∠VR Oを、前記整合負荷では電圧VF Pの大きさ、電圧VR Pの大きさ、前記電圧VF Pと前記電圧VR Pとの位相差∠VF p−∠VR p及び電力Pm pを、それぞれ測定することを特徴とする無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法。
- 前記A/Dコンバータはオシロスコープであることを特徴とする請求項3に記載の無線電力伝送用整流回路設計のための測定方法。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022210622A1 (ja) | 2021-03-29 | 2022-10-06 | 住友建機株式会社 | アスファルトフィニッシャ、及びアスファルトフィニッシャの施工支援システム |
-
2019
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022210622A1 (ja) | 2021-03-29 | 2022-10-06 | 住友建機株式会社 | アスファルトフィニッシャ、及びアスファルトフィニッシャの施工支援システム |
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