JP4856288B1 - Impedance matching device and control method - Google Patents

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Abstract

インピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置される。反射係数算出部は、進行波・反射波抽出部によって抽出された進行波電圧と反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する。位相判定部は、進行波電圧と反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う。整合回路選択部は、反射係数絶対値相当値と位相判定の結果とに基づき、第1形式の整合回路、第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、送信回路と送信アンテナとの間に電気的に接続させる。記憶部選択部は、位相判定の結果に基づき、第1の記憶部又は第2の記憶部の何れかを選択する。制御値出力部は、整合回路選択部により選択された第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる。
【選択図】図1
The impedance matching device is installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system conforming to an electromagnetic resonance coupling method. The reflection coefficient calculation unit calculates a reflection coefficient absolute value equivalent value based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit. The phase determination unit determines the phase of whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage are close to the same phase or close to the opposite phase. The matching circuit selection unit transmits one of the first type matching circuit, the second type matching circuit, or the through circuit not including the matching circuit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination. Electrical connection is made between the circuit and the transmitting antenna. The storage unit selection unit selects either the first storage unit or the second storage unit based on the phase determination result. The control value output unit reflects the control value on the matching circuit of the first format or the second format selected by the matching circuit selection unit.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、無線による非接触電力伝送システム、特に電磁界共振結合(磁界共鳴、電界共鳴とも言われる。)の原理に基づく無線電力伝送システムに有用なインピーダンス整合装置に関する。   The present invention relates to a wireless contactless power transmission system, and more particularly to an impedance matching device useful for a wireless power transmission system based on the principle of electromagnetic resonance coupling (also referred to as magnetic field resonance or electric field resonance).

近年、家電機器や産業用装置、電気自動車等に対して電力を供給する際に、AC(Alternating Current)ケーブル等の接続を必要としない無線による非接触電力伝送技術が利用され始めている。家庭においては、電動歯ブラシ、シェーバなど水周りの小型機器や、携帯電話などポータブル機器への非接触充電装置が普及している。また電気自動車に対しては駐車場やバス停などで停車した自動車に対して、車体の下に置かれた給電装置から非接触で充電もしくは給電するシステムが実用化されている。   2. Description of the Related Art In recent years, wireless non-contact power transmission technology that does not require connection of an AC (Alternating Current) cable or the like has begun to be used when supplying power to home appliances, industrial devices, electric vehicles, and the like. In homes, non-contact charging devices are widely used for small devices around water such as electric toothbrushes and shavers, and portable devices such as mobile phones. For electric vehicles, a system for charging or supplying electric power in a non-contact manner from an electric power supply device placed under the vehicle body has been put into practical use for an electric vehicle stopped at a parking lot or a bus stop.

無線(電磁波)を用いた電力伝送技術は大きく分けて3つの方式がある。それらは電磁誘導方式、電磁界共振結合方式、及びマイクロ波電力伝送方式である。このうち前記の家庭用、産業用、電気自動車用として普及しているのは電磁誘導方式であり、数Wという小さな電力から数10kWという大電力の領域まで幅広く製品化されている。しかし、電磁誘導方式は、電力送信側コイル(一次側コイル)と受信側コイル(二次側コイル)との間隔(エアギャップ、以降「ギャップ」と呼ぶ。)を極力小さくする必要があること、及び送受信コイル間の位置ずれに弱いことが大きな課題となっており、応用できる領域が限定されている。また、マイクロ波電力伝送方式を採用したシステムとして、人工衛星に取り付けた太陽電池パネルによって発電した電力を、ビーム幅を非常に細く絞った電波を用いて地上の受信アンテナに送信するSPS(Solar Power Satellite)システムが研究されているが、かなり大規模な設備を必要とする。電気自動車用には、送信部に導波管スロットアンテナを用い、受信部にパッチアンテナと整流器を組み合わせた試作も報告されているが、現状では効率が低いことが課題となっている。   There are three main types of power transmission technologies using radio waves (electromagnetic waves). They are an electromagnetic induction method, an electromagnetic resonance coupling method, and a microwave power transmission method. Among them, the electromagnetic induction method is widely used for the above-mentioned household use, industrial use, and electric vehicle, and has been widely commercialized from a low power of several W to a high power of several tens kW. However, the electromagnetic induction method requires that the distance between the power transmission side coil (primary side coil) and the reception side coil (secondary side coil) (air gap, hereinafter referred to as “gap”) be as small as possible. And it is a big subject to be weak against the positional deviation between the transmitting and receiving coils, and the applicable area is limited. In addition, as a system that employs a microwave power transmission system, SPS (Solar Power) transmits power generated by a solar panel attached to an artificial satellite to a receiving antenna on the ground using radio waves with a very narrow beam width. Satelite) system has been studied, but it requires a fairly large facility. For electric vehicles, trial production has been reported in which a waveguide slot antenna is used in the transmission section and a patch antenna and rectifier are combined in the reception section, but the current problem is that efficiency is low.

そのような中で近年注目されているのが電磁界共振結合方式による無線電力伝送である(例えば、非特許文献1、非特許文献2、特許文献1を参照)。この方式は送信・受信アンテナ間のギャップを大きくとれ(数10cm〜数m)、位置ずれにも強いという特徴を持っており、家庭内機器、産業用機器、電気自動車など幅広い領域での応用が期待されている。   Under such circumstances, wireless power transmission by the electromagnetic resonance coupling method has been attracting attention in recent years (see, for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1). This method is characterized by a large gap between the transmitting and receiving antennas (several tens of centimeters to several meters) and resistance to misalignment, and it can be applied in a wide range of applications such as household equipment, industrial equipment, and electric vehicles. Expected.

特表2009−501510号公報Special table 2009-501510 特開平11−088201号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-088201 特開2006−246322号公報JP 2006-246322 A

A.Kurs,A.Karalis,et al.“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”,Science,Vol.317,6 July 2007A. Kurs, A. Karalis, et al. “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”, Science, Vol. 317,6 July 2007 居村,堀,“電磁界共振結合による伝送技術”,IEEJ Journal,Vol.129,Vo.7,2009Imura, Hori, “Transmission technology by electromagnetic resonance coupling”, IEEE Journal, Vol. 129, Vo. 7, 2009

ここで、電磁界共振結合方式について説明する。図25は、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムの一例のブロック図である。送信部は、無線周波数の高周波信号を発生する送信信号源と、その信号を伝送電力の信号レベルに増幅する増幅部とからなる送信側回路部と、送信側回路部と送信アンテナとを接続するケーブル部と、無線電力信号を放射する送信アンテナとを備える。受信部は、送信アンテナから放射された無線電力信号を受信する受信アンテナと、受信された高周波信号を整流する整流回路と、受信された電力を消費する負荷装置とを備える。送信アンテナと受信アンテナは、同じ共振周波数を有しており、一般に対向して設置される。図25に示す無線電力伝送システムは、共振周波数に等しい高周波信号で送信アンテナを駆動させることにより、送信アンテナの近接場に磁場もしくは電場を発生させ、その近接場内に置かれた受信アンテナを共鳴させることにより電力を伝送する。   Here, the electromagnetic resonance coupling method will be described. FIG. 25 is a block diagram of an example of a wireless power transmission system conforming to the electromagnetic resonance coupling method. The transmission unit connects a transmission side circuit unit including a transmission signal source that generates a radio frequency high-frequency signal, an amplification unit that amplifies the signal to a signal level of transmission power, and the transmission side circuit unit and the transmission antenna. A cable unit and a transmission antenna that radiates a wireless power signal are provided. The reception unit includes a reception antenna that receives a wireless power signal radiated from the transmission antenna, a rectifier circuit that rectifies the received high-frequency signal, and a load device that consumes the received power. The transmitting antenna and the receiving antenna have the same resonance frequency and are generally installed facing each other. The wireless power transmission system shown in FIG. 25 generates a magnetic field or an electric field in the near field of the transmitting antenna by driving the transmitting antenna with a high-frequency signal equal to the resonance frequency, and resonates the receiving antenna placed in the near field. To transmit power.

上記の文献などで、電磁界共振結合方式は、電磁誘導方式に比べてギャップを大きく取れること、位置ずれに強いことが技術的な強みとして挙げられている。一方、電磁界共振結合方式は、送信・受信アンテナ間のギャップが変わると、それに伴い伝送効率が大きく変化するという特性を持っている。しかし、電力伝送を目的としたあらゆる局面で伝送効率は極力100%に近いことが望まれるので、このような特性は好ましくない。   In the above-mentioned documents and the like, the electromagnetic resonance coupling method has a technical advantage that it can take a larger gap than the electromagnetic induction method and is resistant to displacement. On the other hand, the electromagnetic resonance coupling method has a characteristic that when the gap between the transmitting and receiving antennas changes, the transmission efficiency changes greatly accordingly. However, since it is desired that the transmission efficiency is as close to 100% as possible in all aspects aimed at power transmission, such characteristics are not preferable.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電磁界共振結合方式の送信アンテナ及び受信アンテナを対向させて電力伝送を行う場合に、送信側から入力した電力を損失することなく受信側に伝送することが可能なインピーダンス整合装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. When power transmission is performed with a transmission antenna and a reception antenna of an electromagnetic resonance coupling system facing each other, the power input from the transmission side is lost. It is an object of the present invention to provide an impedance matching device that can transmit to a receiving side without doing so.

請求項1に記載の発明は、電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第2形式の整合回路と、前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定部と、前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択部と、前記記憶部選択部により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路選択部により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備えることを特徴とする。
The invention according to claim 1 is an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method, wherein the transmission circuit, the transmission antenna, A first-type matching circuit comprising: a variable inductor element inserted in series between the first and second variable inductor elements; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmitting antenna side with respect to the variable inductor element; The control value corresponding to the inductance value and the capacitance value necessary for matching with the predetermined impedance value using the circuit corresponds to the absolute value of the reflection coefficient or the value corresponding to the absolute value of the reflection coefficient, which is a value corresponding to the absolute value. A first storage unit stored in advance, a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, Necessary for matching to a predetermined impedance value by using a second type matching circuit including a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit rather than a variable inductor element, and the second type matching circuit A second storage unit that stores in advance a control value corresponding to an inductance value and a capacitance value in association with an absolute value of a reflection coefficient or a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value; A switch unit for electrically connecting any one of the first type matching circuit, the second type matching circuit, or the through circuit without inserting a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna; a traveling wave voltage corresponding to the transmitted signal from the transmitter, and the progressive wave and reflected wave extraction unit for taking out a reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna, the switch Based on the said traveling-wave voltage the traveling wave and reflected wave extracting unit is taken out and the reflected wave voltage in a state in which a through circuit is electrically connected between the transmitting circuit and the transmitting antenna by parts A reflection coefficient calculation unit for calculating a reflection coefficient absolute value equivalent value, and the traveling wave / reflection when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit. A phase determination unit that performs phase determination of whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage taken out by the wave extraction unit are close to in phase or close to the opposite phase; and the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination And a matching circuit selection unit that operates the switch unit, a storage unit selection unit that selects either the first storage unit or the second storage unit based on the result of the phase determination, In memory selection part The control circuit corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value is read from the first or second storage unit selected by the matching circuit selection unit, and the matching circuit of the first format or the second format selected by the matching circuit selection unit. And a control value output unit for reflecting the control value.

請求項2に記載の発明は、電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置され、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第2形式の整合回路と、前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、を備えるインピーダンス整合装置が実行する制御方法であって、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出工程と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出工程が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出工程と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出工程が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定工程と、前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択工程と、前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択工程と、前記記憶部選択工程により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路選択工程により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力工程と、を備えることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method , the wireless power transmission system is installed between a transmission circuit and a transmission antenna, and is inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna. A variable inductor element, a variable capacitor element connected in parallel to the transmitting antenna side with respect to the variable inductor element, and a predetermined impedance using the first type matching circuit The control values corresponding to the inductance value and the capacitance value necessary for matching the values are stored in advance in correspondence with the absolute value of the reflection coefficient or the reflection coefficient absolute value equivalent value which is a value corresponding to the absolute value. 1 storage unit, a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, and the transmission element more than the variable inductor element. A variable capacitor element connected in parallel to the circuit side, the inductance value and the capacitance value required to match the predetermined impedance value with a matching circuit of the second type, the matching circuit of the second type comprising A second storage unit that stores a corresponding control value in advance corresponding to an absolute value of a reflection coefficient or a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value; and a matching circuit of the first type; An impedance matching device including a switch unit that electrically connects either the matching circuit of the second type or a through circuit that does not insert a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna is executed. A traveling method for extracting a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit and a reflected wave voltage corresponding to a reflected signal from the transmission antenna. A reflected wave extraction process, the traveling wave voltage the traveling wave and reflected wave extraction process in a state in which electrically connected to the through circuit is taken out between the transmitting circuit and the transmitting antenna by the switch section And a reflection coefficient calculating step for calculating a reflection coefficient absolute value equivalent value based on the reflected wave voltage and a state in which the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit A phase determination step for determining whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage taken out by the traveling wave / reflected wave extraction step are in phase or near phase, and the reflection coefficient absolute value A matching circuit selection step for operating the switch unit based on the equivalent value and the phase determination result, and either the first storage unit or the second storage unit selected based on the phase determination result And reading the control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value from the first or second storage unit selected by the storage unit selection step, and selecting the matching circuit selection step. And a control value output step of reflecting the control value in the matching circuit of the first format or the second format.

請求項3に記載の発明は、電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える整合回路と、前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備えることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method, wherein the transmission circuit, the transmission antenna, A matching circuit including a variable inductor element inserted in series between the variable inductor element and a variable capacitor element connected in parallel to the transmitting antenna side with respect to the variable inductor element, and a predetermined impedance value using the matching circuit The control unit corresponding to the inductance value and the capacitance value necessary for matching with the absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the reflection coefficient absolute value corresponding to the absolute value is stored in advance. And a matching circuit or a through circuit without a matching circuit inserted between the transmission circuit and the transmission antenna. A switch unit for connecting to a traveling-wave voltage corresponding to the transmission signal from the transmission circuit, and the reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna, and the traveling wave and reflected wave extracting unit to take out the switch Based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage taken out by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the unit. A reflection coefficient calculation unit that calculates a reflection coefficient absolute value equivalent value, a matching circuit selection unit that operates the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, and a reflection coefficient absolute value equivalent value from the storage unit. reads the corresponding said control value, characterized in that it comprises a control value output unit that reflects the control value to the matching circuit.

請求項4に記載の発明は、電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える整合回路と、前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method, wherein the transmission circuit, the transmission antenna, A matching circuit including a variable inductor element inserted in series between the variable inductor element and a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit side relative to the variable inductor element, and a predetermined impedance value using the matching circuit The control unit corresponding to the inductance value and the capacitance value necessary for matching with the absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the reflection coefficient absolute value corresponding to the absolute value is stored in advance. And either the matching circuit or a through circuit not including a matching circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna. A switch unit for connection, a traveling-wave voltage corresponding to the transmission signal from the transmission circuit, and the reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna, and the traveling wave and reflected wave extracting unit to take out, the switch unit Based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna , Corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value from the storage unit, a matching circuit selection unit for operating the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, a reflection coefficient absolute value equivalent value to calculate the reflection coefficient absolute value equivalent value And a control value output unit that reads the control value and reflects the control value to the matching circuit.

本発明のインピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式特有の入力インピーダンス変化の軌跡に基づいて整合回路用の制御値を求め、それを記憶部に格納することにより、従来の一般的なインピーダンス整合回路に比べて記憶部として必要なメモリサイズを大幅に低減することができる。本発明では記憶部から制御値を読出す際の参照値となる反射係数絶対値相当値に対応させて、一次元的に制御値を記憶させておけば良い。従って、特許文献2に開示されるように、考え得る全ての値についてテーブル値として記憶する場合と比較して、必要なメモリの容量を大幅に削減することができる。また、本発明のインピーダンス整合装置は、適正なインピーダンス整合を行う制御値を記憶部から読出すために、進行波電圧と反射波電圧が単に同相に近いか、又は逆相に近いかを判定するだけでよい。従って、本発明のインピーダンス整合装置は、位相に関連する処理の回路を大幅に簡単化することが出来る。   The impedance matching device according to the present invention obtains a control value for a matching circuit based on the locus of input impedance change peculiar to the electromagnetic resonance coupling method, and stores the control value in a storage unit. Compared to the above, the memory size required for the storage unit can be greatly reduced. In the present invention, the control value may be stored one-dimensionally in correspondence with the reflection coefficient absolute value equivalent value that becomes a reference value when the control value is read from the storage unit. Therefore, as disclosed in Patent Document 2, it is possible to significantly reduce the required memory capacity as compared with the case where all possible values are stored as table values. Further, the impedance matching device of the present invention determines whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage are simply close to the in-phase or close to the opposite phase in order to read the control value for performing proper impedance matching from the storage unit. Just do it. Therefore, the impedance matching device of the present invention can greatly simplify the processing circuit related to the phase.

また、本発明のインピーダンス整合装置は、第1形式の整合回路及び第1の記憶部と、第2形式の整合回路及び第2の記憶部のどちらを使用するかも位相判定結果を用いて選択することが出来る。また、インピーダンス整合装置は、選択した記憶部からの整合回路用の制御値の読出しを、反射係数絶対値相当値のみに基づいて行うことが出来る。   Also, the impedance matching device of the present invention uses the phase determination result to select which of the first type matching circuit and the first storage unit and the second type matching circuit and the second storage unit is used. I can do it. Further, the impedance matching device can read out the control value for the matching circuit from the selected storage unit based only on the value corresponding to the reflection coefficient absolute value.

さらに、本発明のインピーダンス整合装置は、整合に必要なインダクタンス値、キャパシタンス値に対応した制御値を、選択された記憶部から読出し、選択された整合回路に対してセットする。このように、本発明のインピーダンス整合装置は、1回の検出動作でインピーダンス整合を終了させることが出来き、インピーダンス整合状態を達成するために必要な時間を大幅に短縮することが出来る。   Furthermore, the impedance matching device of the present invention reads out control values corresponding to the inductance value and capacitance value necessary for matching from the selected storage unit and sets them in the selected matching circuit. Thus, the impedance matching device of the present invention can finish impedance matching with one detection operation, and can greatly reduce the time required to achieve the impedance matching state.

第1実施形態に係る送信システムの概略構成図を示す。1 shows a schematic configuration diagram of a transmission system according to a first embodiment. FIG. 位相判定部に相当する回路の一例である。It is an example of the circuit corresponded to a phase determination part. 送信アンテナ及び受信アンテナとして使用されるアンテナの一例を示す。An example of the antenna used as a transmitting antenna and a receiving antenna is shown. 送受信アンテナの入力インピーダンスを3次元電磁界解析シミュレータで解析した結果を示す。The result of having analyzed the input impedance of a transmission / reception antenna with the three-dimensional electromagnetic field analysis simulator is shown. 送受信アンテナの直並列型等価回路の一例である。It is an example of the serial-parallel type equivalent circuit of a transmission / reception antenna. 図5の等価回路解析の結果と、図4の電磁界解析の結果との両者をプロットしたグラフを示す。6 is a graph plotting both the result of the equivalent circuit analysis of FIG. 5 and the result of the electromagnetic field analysis of FIG. 電力伝送時の送信アンテナ及び受信アンテナの位置関係を示す。The positional relationship between the transmitting antenna and the receiving antenna during power transmission is shown. 図7に示すシステムを直並列型等価回路により表現した図である。FIG. 8 is a diagram representing the system shown in FIG. 7 by a series-parallel equivalent circuit. 結合係数を変えたときの入力インピーダンスの軌跡を求め、それをスミスチャート上にプロットした図である。It is the figure which calculated | required the locus | trajectory of the input impedance when changing a coupling coefficient, and plotted it on the Smith chart. 結合係数を変えたときの入力インピーダンスの軌跡を求め、それをスミスチャート上にプロットした図である。It is the figure which calculated | required the locus | trajectory of the input impedance when changing a coupling coefficient, and plotted it on the Smith chart. 直並列等価回路によって送受信アンテナをモデル化し、送信回路1と送信アンテナ4の間に方向性結合器を入れて進行波電圧波形Vfと反射波電圧波形Vrとを計測した結果を示す。A result obtained by modeling a transmission / reception antenna using a series-parallel equivalent circuit, and measuring a traveling wave voltage waveform Vf and a reflected wave voltage waveform Vr by inserting a directional coupler between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4 is shown. 第1形式及び第2形式の整合回路の構成例である。It is a structural example of the matching circuit of a 1st format and a 2nd format. 入力インピーダンス軌跡上の任意のポイントを、第1形式又は第2形式の整合回路を用いてスミスチャート上の等抵抗円、等コンダクタンス円に沿って移動させて50Ωの整合ポイントまで到達させる概要図である。In the schematic diagram, an arbitrary point on the input impedance locus is moved along the iso-resistance circle and the iso-conductance circle on the Smith chart using the first or second type matching circuit to reach the matching point of 50Ω. is there. 第1の記憶部として記憶するテーブルの作成方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the preparation method of the table memorize | stored as a 1st memory | storage part. 第1記憶部に相当するマップの一例である。It is an example of the map corresponded to a 1st memory | storage part. 第2の記憶部として記憶するテーブルの作成方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the preparation method of the table memorize | stored as a 2nd memory | storage part. 第2記憶部に相当するマップの一例である。It is an example of the map corresponded to a 2nd memory | storage part. 第1記憶部に記憶される量子化前後の制御値を示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the control value before and behind quantization memorize | stored in a 1st memory | storage part. 第1記憶部に相当するテーブルの一例である。It is an example of the table corresponded to a 1st memory | storage part. 第2記憶部に記憶される量子化前後の制御値を示すグラフの一例である。It is an example of the graph which shows the control value before and behind quantization memorize | stored in a 2nd memory | storage part. 第2記憶部に相当するテーブルの一例である。It is an example of the table corresponded to a 2nd memory | storage part. 第1実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。It is an example of the flowchart which shows the process sequence of 1st Embodiment. 第1実施形態の処理手順に従いインピーダンスの整合処理を実施した場合の伝送効率改善の結果を示す。The result of the transmission efficiency improvement at the time of performing the impedance matching process according to the process sequence of 1st Embodiment is shown. 第2実施形態に係る送信システムの概略構成図を示す。The schematic block diagram of the transmission system which concerns on 2nd Embodiment is shown. 電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムのブロック図の一例を示す。An example of the block diagram of the wireless power transmission system according to an electromagnetic resonance coupling system is shown. 整合回路の変形例を示す。The modification of a matching circuit is shown. ギャップが近くなる方向の不整合を整合させる送信システムを示す。Fig. 5 illustrates a transmission system for matching mismatches in the direction of closer gaps. ギャップが遠くなる方向の不整合を整合させる送信システムを示す。Fig. 5 illustrates a transmission system for matching mismatches in the direction of increasing gaps.

本発明の1つの観点では、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、前記反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第2形式の整合回路と、前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要な前記制御値を、反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択部と、前記記憶部選択部により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記制御値を読出し、前記整合回路選択部により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備える。   One aspect of the present invention is an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system conforming to an electromagnetic resonance coupling method, which corresponds to a transmission signal from the transmission circuit. An absolute value of the reflection coefficient based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage, and the traveling wave voltage and reflected wave voltage extraction unit for extracting the traveling wave voltage and the reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna. Alternatively, a reflection coefficient calculation unit that calculates a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value, and a phase determination as to whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage are close to in phase or close to opposite phase A phase determination unit to perform, a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, and a variable key connected in parallel to the transmission antenna side with respect to the variable inductor element. And a control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit of the first type. A first storage unit stored in advance corresponding to an absolute value equivalent value, a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, and the transmission circuit side of the variable inductor element And a variable capacitor element connected in parallel with the second type matching circuit, and the control value necessary for matching to a predetermined impedance value using the second type matching circuit A second storage unit stored in advance corresponding to a value-equivalent value, the first-type matching circuit, the second-type matching circuit, or a through circuit in which no matching circuit is inserted Any of the above, a switch unit that electrically connects between the transmission circuit and the transmission antenna, and a matching circuit that operates the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination A selection unit; a storage unit selection unit that selects either the first storage unit or the second storage unit based on the result of the phase determination; and the first or the selection unit selected by the storage unit selection unit A control value output unit that reads the control value from a second storage unit and reflects the control value in the matching circuit of the first format or the second format selected by the matching circuit selection unit.

上記のインピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置される。インピーダンス整合装置は、進行波・反射波抽出部と、反射係数算出部と、位相判定部と、第1形式の整合回路と、第1の記憶部と、第2形式の整合回路と、第2の記憶部と、スイッチ部と、整合回路選択部と、制御値出力部と、を備える。反射係数算出部は、進行波・反射波抽出部によって抽出された進行波電圧と反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する。ここで、「反射係数絶対値相当値」とは、反射係数の絶対値、又はこれと一意な関係にある値等、反射係数の絶対値に相当する値であり、例えば反射係数の絶対値やインピーダンスの絶対値などが該当する。位相判定部は、進行波電圧と反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う。整合回路選択部は、反射係数絶対値相当値と位相判定の結果とに基づき、第1形式の整合回路、第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、送信回路と送信アンテナとの間に電気的に接続させる。記憶部選択部は、位相判定の結果に基づき、第1の記憶部又は第2の記憶部の何れかを選択する。制御値出力部は、整合回路選択部により選択された第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる。ここで、「制御値」とは、インダクタンス値及びキャパシタンス値の他、インダクタンス値及びキャパシタンス値を電気的もしくはモーター等の機械的機構を用いて変化させるための制御電圧値,複数の微小インダクタ要素,微小キャパシタ要素から成るLCネットワーク回路に含まれるリレーやMEMS(Micro Electro Mechanical System)等スイッチ部のON/OFFを制御するためのビットパターンなどが該当する。このようにすることで、インピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式の送信アンテナ及び受信アンテナを対向させて電力伝送を行う場合に、ギャップの変化に合わせて送信側回路と送信アンテナとの間のインピーダンス整合を行い、送信側から入力した電力を損失することなく受信側に伝送することができる。   The impedance matching device is installed between a transmission circuit and a transmission antenna in a wireless power transmission system in accordance with an electromagnetic resonance coupling method. The impedance matching device includes a traveling wave / reflected wave extraction unit, a reflection coefficient calculation unit, a phase determination unit, a first type matching circuit, a first storage unit, a second type matching circuit, a second type A storage unit, a switch unit, a matching circuit selection unit, and a control value output unit. The reflection coefficient calculation unit calculates a reflection coefficient absolute value equivalent value based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit. Here, the “reflection coefficient absolute value equivalent value” is a value corresponding to the absolute value of the reflection coefficient, such as an absolute value of the reflection coefficient or a value uniquely related to the reflection coefficient. This applies to the absolute value of impedance. The phase determination unit determines the phase of whether the traveling wave voltage and the reflected wave voltage are close to the same phase or close to the opposite phase. The matching circuit selection unit transmits one of the first type matching circuit, the second type matching circuit, or the through circuit not including the matching circuit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination. Electrical connection is made between the circuit and the transmitting antenna. The storage unit selection unit selects either the first storage unit or the second storage unit based on the phase determination result. The control value output unit reflects the control value on the matching circuit of the first format or the second format selected by the matching circuit selection unit. Here, the “control value” means an inductance value and a capacitance value, a control voltage value for changing the inductance value and the capacitance value using an electrical or mechanical mechanism such as a motor, a plurality of minute inductor elements, For example, a bit pattern for controlling ON / OFF of a switch unit such as a relay or a MEMS (Micro Electro Mechanical System) included in an LC network circuit composed of minute capacitor elements is applicable. By doing so, the impedance matching device can transmit power between the transmission side circuit and the transmission antenna in accordance with the change of the gap when power transmission is performed with the transmission antenna and the reception antenna of the electromagnetic resonance coupling system facing each other. Impedance matching is performed, and power input from the transmission side can be transmitted to the reception side without loss.

上記のインピーダンス整合装置の一態様では、前記制御値は、電磁界共振結合方式の前記送信アンテナ及び受信アンテナを対向させ、当該送信アンテナ及び受信アンテナ間のギャップを変更した際の、前記送信回路から前記送信アンテナ側への入力インピーダンスの変化の軌跡に基づいて設定される。インピーダンス整合装置は、このように設定された制御値を予め記憶しておき、インピーダンス整合を行うことで、処理工程を削減することができ、回路規模及び必要なメモリ容量を削減することができる。   In one aspect of the impedance matching device, the control value is obtained from the transmission circuit when the transmission antenna and the reception antenna of the electromagnetic resonance coupling method are opposed to each other and the gap between the transmission antenna and the reception antenna is changed. It is set based on the locus of change in input impedance to the transmitting antenna. The impedance matching device stores the control value set in this way in advance and performs impedance matching, thereby reducing processing steps and reducing the circuit scale and the required memory capacity.

上記のインピーダンス整合装置の他の一態様では、前記進行波・反射波抽出部は、方向性結合器もしくはサーキュレータである。この態様により、インピーダンス整合装置は、好適に、進行波電圧及び反射波電圧を抽出することができる。   In another aspect of the impedance matching device, the traveling wave / reflected wave extraction unit is a directional coupler or a circulator. According to this aspect, the impedance matching device can preferably extract the traveling wave voltage and the reflected wave voltage.

上記のインピーダンス整合装置の他の一態様では、前記制御値は、反射による損失が常に所定の閾値以下となるように量子化して生成されている。インピーダンス整合装置は、当該制御値に基づきインピーダンス整合を行うことで、整合後の反射による損失を、常に所定の閾値以下にすることができる。   In another aspect of the above impedance matching device, the control value is generated by quantization so that the loss due to reflection is always equal to or less than a predetermined threshold value. By performing impedance matching based on the control value, the impedance matching device can always reduce the loss due to reflection after matching to a predetermined threshold value or less.

上記のインピーダンス整合装置の他の一態様では、前記制御値は、前記反射係数の絶対値または当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値が大きくなるほど、量子化間隔が小さくなるように量子化される。インピーダンス整合装置は、当該制御値に基づきインピーダンス整合を行うことで、整合後の反射による損失を、所定の閾値以下にすることができる。   In another aspect of the impedance matching apparatus, the control value is such that the quantization interval decreases as the absolute value of the reflection coefficient or a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value increases. Quantized to The impedance matching device performs impedance matching based on the control value, so that the loss due to reflection after matching can be made to be equal to or less than a predetermined threshold.

本発明の他の観点では、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置され、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第2形式の整合回路と、前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要な前記制御値を、反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、を備えるインピーダンス整合装置が実行する制御方法であって、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出工程と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出工程と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定工程と、前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択工程と、前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択工程と、前記記憶部選択工程により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記制御値を読出し、前記整合回路選択工程により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力工程と、を備える。インピーダンス整合装置は、この制御方法を実行することにより、ギャップの変化に合わせて送信側回路と送信アンテナとの間のインピーダンス整合を行い、送信側から入力した電力を損失することなく受信側に伝送することができる。   In another aspect of the present invention, in a wireless power transmission system according to an electromagnetic resonance coupling method, the wireless power transmission system is installed between a transmission circuit and a transmission antenna, and is inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna. A first-type matching circuit comprising: a variable inductor element; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmitting antenna side with respect to the variable inductor element; and a predetermined impedance value using the first-type matching circuit A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with each other is stored in advance in correspondence with a reflection coefficient absolute value equivalent value, and between the transmission circuit and the transmission antenna And a variable capacitor element connected in parallel to the transmitter circuit side with respect to the variable inductor element. The second type matching circuit and the control value necessary for matching with a predetermined impedance value using the second type matching circuit are stored in advance corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value. 2 storage units and the first type matching circuit, the second type matching circuit, or a through circuit in which no matching circuit is inserted are electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna. A switch unit to be connected, and a control method executed by an impedance matching device comprising: a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit; a reflected wave voltage corresponding to a reflection signal from the transmission antenna; A traveling wave / reflected wave extracting step, a reflection coefficient calculating step for calculating a reflection coefficient absolute value equivalent value based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage, the traveling wave voltage and the reflected wave voltage, A phase determination step for determining whether the phase is close to in-phase or close to the opposite phase, a matching circuit selection step for operating the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination, and A storage unit selection step for selecting either the first storage unit or the second storage unit based on the result of the phase determination, and the first or second storage unit selected by the storage unit selection step And a control value output step of reflecting the control value in the matching circuit of the first format or the second format selected in the matching circuit selection step. By executing this control method, the impedance matching device performs impedance matching between the transmission side circuit and the transmission antenna in accordance with the change in the gap, and transmits the power input from the transmission side to the reception side without loss. can do.

本発明のさらに別の観点では、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える整合回路と、前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、前記反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記記憶部から前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備える。このようにすることで、インピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式の送信アンテナ及び受信アンテナを対向させて電力伝送を行う場合であって、ギャップが近くなる方向に対応する不整合を修正する場合に、送信側回路と送信アンテナとの間のインピーダンス整合を行い、送信側から入力した電力を損失することなく受信側に伝送することができる。   According to still another aspect of the present invention, in a wireless power transmission system according to an electromagnetic resonance coupling method, an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna, the transmission signal from the transmission circuit Based on the traveling wave / reflected wave extraction unit that extracts the corresponding traveling wave voltage and the reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna, the absolute value of the reflection coefficient is based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage. A reflection coefficient absolute value that is a value or a value corresponding to the absolute value, a variable coefficient element that is inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, and the variable inductor A matching circuit including a variable capacitor element connected in parallel to the transmitting antenna side of the element, and matching with a predetermined impedance value using the matching circuit A control unit corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for this purpose, and a storage unit in which the control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value is stored in advance, and the matching circuit or a through circuit in which no matching circuit is inserted A switch unit that electrically connects the transmission circuit and the transmission antenna, a matching circuit selection unit that operates the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, and the storage unit A control value output unit that reads the control value and reflects the control value in the matching circuit. By doing so, the impedance matching device is used when power transmission is performed with the electromagnetic resonance coupling type transmitting antenna and receiving antenna facing each other, and the mismatch corresponding to the direction in which the gap is close is corrected. Furthermore, impedance matching between the transmission side circuit and the transmission antenna can be performed, and the power input from the transmission side can be transmitted to the reception side without loss.

上記のインピーダンス整合装置の一態様では、前記制御値は、電磁界共振結合方式の前記送信アンテナ及び受信アンテナを対向させ、当該送信アンテナ及び受信アンテナ間のギャップを変更した際の、前記送信回路から前記送信アンテナ側への入力インピーダンスの変化の軌跡に基づいて設定される。   In one aspect of the impedance matching device, the control value is obtained from the transmission circuit when the transmission antenna and the reception antenna of the electromagnetic resonance coupling method are opposed to each other and the gap between the transmission antenna and the reception antenna is changed. It is set based on the locus of change in input impedance to the transmitting antenna.

本発明のさらに別の観点では、電磁界共振結合方式に準じた無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える整合回路と、前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、前記反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、前記記憶部から前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、を備える。このようにすることで、インピーダンス整合装置は、電磁界共振結合方式の送信アンテナ及び受信アンテナを対向させて電力伝送を行う場合であって、ギャップが遠くなる方向に対応する不整合を修正する場合に、送信側回路と送信アンテナとの間のインピーダンス整合を行い、送信側から入力した電力を損失することなく受信側に伝送することができる。   According to still another aspect of the present invention, in a wireless power transmission system according to an electromagnetic resonance coupling method, an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna, the transmission signal from the transmission circuit Based on the traveling wave / reflected wave extraction unit that extracts the corresponding traveling wave voltage and the reflected wave voltage corresponding to the reflected signal from the transmitting antenna, the absolute value of the reflection coefficient is based on the traveling wave voltage and the reflected wave voltage. A reflection coefficient absolute value that is a value or a value corresponding to the absolute value, a variable coefficient element that is inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna, and the variable inductor A matching circuit including a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit side of the element, and matching with a predetermined impedance value using the matching circuit One of a storage unit in which control values corresponding to the inductance value and capacitance value necessary for the storage are stored in advance corresponding to the value corresponding to the absolute value of the reflection coefficient, and the matching circuit or a through circuit in which no matching circuit is inserted. Is connected between the transmission circuit and the transmission antenna, a matching circuit selection unit that operates the switch unit based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, and the control from the storage unit A control value output unit that reads the value and reflects the control value in the matching circuit. In this way, the impedance matching device performs power transmission with the electromagnetic resonance coupling type transmitting antenna and receiving antenna facing each other, and corrects a mismatch corresponding to a direction in which the gap is far away. Furthermore, impedance matching between the transmission side circuit and the transmission antenna can be performed, and the power input from the transmission side can be transmitted to the reception side without loss.

上記のインピーダンス整合装置の一態様では、前記制御値は、電磁界共振結合方式の前記送信アンテナ及び受信アンテナを対向させ、当該送信アンテナ及び受信アンテナ間のギャップを変更した際の、前記送信回路から前記送信アンテナ側への入力インピーダンスの変化の軌跡に基づいて設定される。   In one aspect of the impedance matching device, the control value is obtained from the transmission circuit when the transmission antenna and the reception antenna of the electromagnetic resonance coupling method are opposed to each other and the gap between the transmission antenna and the reception antenna is changed. It is set based on the locus of change in input impedance to the transmitting antenna.

なお、スイッチ部で切換えられる回路の一つとして整合回路を挿入しないスルー回路と記載したが、この記載の本質としての、整合回路を挿入しないというスルーの状態と同様の効果を有する実装方法であれば、いかなる実装方法でも構わない.例えば、明示的に整合回路をスルーするような回路パスは持っていないが、可変インダクタンスの値をゼロとすることで整合回路が入っていない状態と等価にするような実装方法も、整合回路を挿入しないスルー回路に切換えていることと同じことであるとみなされる。   In addition, although described as a through circuit in which a matching circuit is not inserted as one of the circuits to be switched in the switch unit, the mounting method having the same effect as a through state in which a matching circuit is not inserted is essential. Any implementation method is acceptable. For example, an implementation method that does not have a circuit path that explicitly passes through the matching circuit, but is equivalent to a state in which the matching circuit is not included by setting the value of the variable inductance to zero is also used for the matching circuit. This is considered the same as switching to a through circuit that is not inserted.

以下、図面を参照して本発明の好適な各実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<第1実施形態>
[概要説明]
図1は、第1実施形態に係る送信システム100の概略構成図である。図1に示すように、送信システム100は、送信回路1と、インピーダンス整合装置2と、送信アンテナ4と、を備える。
<First Embodiment>
[Overview]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a transmission system 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the transmission system 100 includes a transmission circuit 1, an impedance matching device 2, and a transmission antenna 4.

送信回路1は送信信号源11と増幅部12とを備える。送信信号源11は無線電力伝送で使用する高周波信号を発生させる。増幅部12は、伝送する電力の大きさを調整すると共に、電力を伝送する際の開始動作及び停止動作など制御回路として機能する。   The transmission circuit 1 includes a transmission signal source 11 and an amplification unit 12. The transmission signal source 11 generates a high frequency signal used for wireless power transmission. The amplification unit 12 functions as a control circuit such as a start operation and a stop operation when transmitting power while adjusting the magnitude of the power to be transmitted.

インピーダンス整合装置2は、送信回路1と送信アンテナ4との間に配置される。インピーダンス整合装置2は、主に、進行波・反射波抽出部21と、反射係数算出部22と、位相判定部23と、第1形式の整合回路24と、第1の記憶部25と、第2形式の整合回路26と、第2の記憶部27と、整合回路選択部28と、スルー回路29と、スイッチ部30と、記憶部選択部31と、制御値出力部32と、を備える。   The impedance matching device 2 is disposed between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4. The impedance matching device 2 mainly includes a traveling wave / reflected wave extraction unit 21, a reflection coefficient calculation unit 22, a phase determination unit 23, a first-type matching circuit 24, a first storage unit 25, and a first storage unit 25. A two-type matching circuit 26, a second storage unit 27, a matching circuit selection unit 28, a through circuit 29, a switch unit 30, a storage unit selection unit 31, and a control value output unit 32 are provided.

進行波・反射波抽出部21は、送信回路1から入力された送信信号に対応する信号成分の電圧(以後、「進行波電圧Vf」と呼ぶ。)と、送信アンテナ4からの反射信号に対応する信号成分の電圧(以後、「反射波電圧Vr」とも呼ぶ。)を分離して取り出す。進行波・反射波抽出部21は、例えば方向性結合器である。反射係数算出部22は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとから、反射係数「Γ」の絶対値(「反射係数絶対値|Γ|」とも呼ぶ。)を算出する。位相判定部23は、進行波電圧Vfの位相と反射波電圧Vrの位相が同相に近いか逆相に近いかの判定(単に、「位相判定」とも呼ぶ。)を行う。後述するように、進行波電圧Vfの位相と反射波電圧Vrの位相とは、ほぼ同相又はほぼ逆相となる。   The traveling wave / reflected wave extraction unit 21 corresponds to the voltage of the signal component corresponding to the transmission signal input from the transmission circuit 1 (hereinafter referred to as “traveling wave voltage Vf”) and the reflected signal from the transmission antenna 4. The signal component voltage (hereinafter also referred to as “reflected wave voltage Vr”) is separated and extracted. The traveling wave / reflected wave extraction unit 21 is, for example, a directional coupler. The reflection coefficient calculation unit 22 calculates the absolute value of the reflection coefficient “Γ” (also referred to as “reflection coefficient absolute value | Γ |”) from the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr. The phase determination unit 23 determines whether the phase of the traveling wave voltage Vf and the phase of the reflected wave voltage Vr are close to the same phase or close to the opposite phase (also simply referred to as “phase determination”). As will be described later, the phase of the traveling wave voltage Vf and the phase of the reflected wave voltage Vr are substantially in phase or almost opposite in phase.

第1形式の整合回路24は、送信回路1と送信アンテナ4との間に直列に挿入される可変インダクタ要素240と、送信アンテナ4側の端に並列に接続される可変キャパシタ要素241と、を備える。第1の記憶部25は、第1形式の整合回路24を用いて送信システム100を所定のインピーダンス値に整合させるために必要な制御値を、反射係数絶対値|Γ|に対応させて記憶する。以後では、「制御値Tc」とは、第1形式又は第2形式の整合回路24、26に入力される制御値を指す。ここでは、制御値Tcは、第1形式又は第2形式の整合回路24、26に設定するインダクタンス値(「インダクタンス補正量Lm」とも呼ぶ。)及びキャパシタンス値(「キャパシタンス補正量Cm」とも呼ぶ。)を指すものとする。制御値Tcは、後述するように、電磁界共振結合方式の送信アンテナ4及び図示しない受信アンテナ(「送受信アンテナ」とも呼ぶ。)を対向させてこれらのギャップ(「ギャップGp」とも呼ぶ。)を変更した際の、送信回路1から送信アンテナ4側を見た時の入力インピーダンスの変化の軌跡に基づいて設定される。   The first type matching circuit 24 includes a variable inductor element 240 inserted in series between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4, and a variable capacitor element 241 connected in parallel to the end on the transmission antenna 4 side. Prepare. The first storage unit 25 stores a control value necessary for matching the transmission system 100 to a predetermined impedance value using the first-type matching circuit 24 in association with the reflection coefficient absolute value | Γ |. . Hereinafter, the “control value Tc” refers to a control value input to the matching circuits 24 and 26 of the first format or the second format. Here, the control value Tc is also referred to as an inductance value (also referred to as “inductance correction amount Lm”) and a capacitance value (also referred to as “capacitance correction amount Cm”) set in the matching circuits 24 and 26 of the first type or the second type. ). As will be described later, the control value Tc is set such that the electromagnetic resonance coupling type transmission antenna 4 and a reception antenna (not shown) (also referred to as “transmission / reception antenna”) face each other and these gaps (also referred to as “gap Gp”). This is set based on the locus of change in input impedance when the transmission antenna 1 is viewed from the transmission circuit 1 when the change is made.

第2形式の整合回路26は、送信回路1と送信アンテナ4との間に直列に挿入される可変インダクタ要素260と、送信回路1側の端に並列に接続される可変キャパシタ要素261と、を備える。第2の記憶部27は、第2形式の整合回路26を用いて送信システム100を所定のインピーダンス値に整合させるために必要な制御値Tcを、反射係数絶対値|Γ|に対応させて記憶する。以後では、第1形式の整合回路24及び第2形式の整合回路26を、単に「整合回路」とも総称する。また、第1の記憶部25及び第2の記憶部27を、単に「記憶部」とも総称する。   The second type matching circuit 26 includes a variable inductor element 260 inserted in series between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4, and a variable capacitor element 261 connected in parallel to the end on the transmission circuit 1 side. Prepare. The second storage unit 27 stores a control value Tc necessary for matching the transmission system 100 to a predetermined impedance value using the matching circuit 26 of the second format in correspondence with the reflection coefficient absolute value | Γ |. To do. Hereinafter, the first-type matching circuit 24 and the second-type matching circuit 26 are also simply referred to as “matching circuit”. Further, the first storage unit 25 and the second storage unit 27 are simply collectively referred to as “storage unit”.

整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|と、位相判定の結果(「位相判定結果Jr」と呼ぶ。)とに基づいて、第1形式の整合回路24又は第2形式の整合回路26若しくは電線のみからなるスルー回路29のいずれかが送信回路1及び送信アンテナ4と連結されるようにスイッチ部30を制御する。記憶部選択部31は、位相判定結果Jrに基づいて、第1の記憶部25または第2の記憶部27のいずれに記憶された制御値Tcを使用するか選択する。制御値出力部32は、選択された第1又は第2の記憶部25、27から、算出された反射係数絶対値|Γ|に対応した制御値Tcを読出し、整合回路選択部28によって選択された第1形式の整合回路24又は第2形式の整合回路26に当該制御値Tcを反映させる。   Based on the reflection coefficient absolute value | Γ | and the phase determination result (referred to as “phase determination result Jr”), the matching circuit selection unit 28 selects the first-type matching circuit 24 or the second-type matching circuit. The switch unit 30 is controlled so that either the transmission circuit 1 or the transmission antenna 4 is connected to either the transmission circuit 1 or the through circuit 29 including only the electric wires 26 or the electric wires. The storage selection unit 31 selects whether to use the control value Tc stored in the first storage unit 25 or the second storage unit 27 based on the phase determination result Jr. The control value output unit 32 reads the control value Tc corresponding to the calculated reflection coefficient absolute value | Γ | from the selected first or second storage unit 25 or 27, and is selected by the matching circuit selection unit 28. The control value Tc is reflected in the first type matching circuit 24 or the second type matching circuit 26.

次に、インピーダンス整合装置2の各要素が行う動作について具体的に説明する。   Next, the operation performed by each element of the impedance matching device 2 will be specifically described.

まず、反射係数算出部22の動作について説明する。反射係数算出部22では、進行波・反射波抽出部21の2つの出力である進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとを用いて反射係数絶対値|Γ|を以下の式(1)に従って算出する。   First, the operation of the reflection coefficient calculation unit 22 will be described. The reflection coefficient calculating unit 22 calculates the reflection coefficient absolute value | Γ | according to the following equation (1) using the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr which are the two outputs of the traveling wave / reflected wave extracting unit 21. To do.

Figure 0004856288
算出された反射係数絶対値|Γ|は、後述する位相判定結果Jrに従って選択される記憶部への参照値となる。即ち、記憶部は、反射係数絶対値|Γ|の入力に基づき、制御値Tcを記憶部選択部31に出力する。また、反射係数絶対値|Γ|は、整合回路選択部28にも用いられる。具体的には、整合回路選択部28は、位相判定結果Jrと合わせて、反射係数絶対値|Γ|に基づき、第1形式の整合回路24又は第2形式の整合回路26もしくはスルー回路29のいずれを選択するか決定する。具体的には、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が所定の閾値(「閾値|Γ|thr」と呼ぶ。)以下の場合、インピーダンス値を整合する必要がないと判断し、スルー回路29を選択する。一方、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thrより大きい場合、インピーダンス値を整合する必要があると判断し、第1形式又は第2形式の整合回路24、26のいずれかを選択する。ここで、閾値|Γ|thrは、好適には、反射による損失を0.5%に抑えることができる値、即ち他に損失を生じる部分が無ければ効率99.5%を達成できる値に相当する0.0707に設定されるとよい。
Figure 0004856288
The calculated reflection coefficient absolute value | Γ | is a reference value to a storage unit selected according to a phase determination result Jr described later. That is, the storage unit outputs the control value Tc to the storage unit selection unit 31 based on the input of the reflection coefficient absolute value | Γ |. Further, the reflection coefficient absolute value | Γ | is also used for the matching circuit selection unit 28. Specifically, the matching circuit selection unit 28 combines the phase determination result Jr and the first type matching circuit 24 or the second type matching circuit 26 or the through circuit 29 based on the reflection coefficient absolute value | Γ |. Decide which one to choose. Specifically, the matching circuit selection unit 28 determines that there is no need to match the impedance value when the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to or smaller than a predetermined threshold (referred to as “threshold | Γ | thr”). The through circuit 29 is selected. On the other hand, when the reflection coefficient absolute value | Γ | is larger than the threshold value | Γ | thr, the matching circuit selection unit 28 determines that the impedance value needs to be matched, and the matching circuit 24 of the first type or the second type, 26 is selected. Here, the threshold value | Γ | thr preferably corresponds to a value that can suppress the loss due to reflection to 0.5%, that is, a value that can achieve the efficiency of 99.5% if there is no other loss-generating part. It may be set to 0.0707.

次に位相判定部23の動作について説明する。位相判定部23は、方向性結合器である進行波・反射波抽出部21から2つの出力である進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとを受信する。そして、位相判定部23は、進行波電圧Vfの位相と反射波電圧Vrの位相とが同相に近いか、それとも逆相に近いかの判定を行う。後述するように、電磁界共振結合方式の送受信アンテナを用いた場合、送信回路1から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスの軌跡は、送受信アンテナ間のギャップGpが変化した場合であってもスミスチャート上の実数軸付近のみをトレースする。従って、送受信アンテナ間のギャップGpが変化しても、反射係数Γの位相は、ほぼ0度(ほぼ同相)、又は、ほぼ180度(ほぼ逆相)のいずれかの状態となる。その場合、進行波電圧Vfの位相と反射波電圧Vrの位相とは、ほぼ同相か又はほぼ逆相になる。これについては、後述する[本発明におけるインピーダンス整合の考え方]のセクションにて詳しく説明する。   Next, the operation of the phase determination unit 23 will be described. The phase determination unit 23 receives the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr, which are two outputs, from the traveling wave / reflected wave extraction unit 21 that is a directional coupler. Then, the phase determination unit 23 determines whether the phase of the traveling wave voltage Vf and the phase of the reflected wave voltage Vr are close to the same phase or close to the opposite phase. As will be described later, when an electromagnetic resonance coupling type transmission / reception antenna is used, the locus of the input impedance when the transmission antenna 4 is viewed from the transmission circuit 1 is the case where the gap Gp between the transmission / reception antennas changes. Traces only near the real axis on the Smith chart. Therefore, even if the gap Gp between the transmitting and receiving antennas changes, the phase of the reflection coefficient Γ is in a state of either approximately 0 degrees (approximately in phase) or approximately 180 degrees (approximately opposite phase). In that case, the phase of the traveling wave voltage Vf and the phase of the reflected wave voltage Vr are substantially in phase or almost in phase. This will be described in detail in the section [Concept of impedance matching in the present invention] described later.

この特徴を利用すると、位相判定部23に相当する回路が簡便に構成される。図2は、位相判定部23に相当する回路の一例である。図2に示す回路は、加算器と、減算器と、ダイオード、コンデンサ及び抵抗を有する包絡線検波部と、コンパレータとを備える。図2に示す回路は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとの加算結果及び減算結果の結果比較をコンパレータで行い、減算結果よりも加算結果の方が大きい場合には進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相であると判断し、加算結果よりも減算結果の方が大きい場合には、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが逆相であると判断する。即ち、図2に示す回路は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相の場合は減算結果よりも加算結果の方が大きくなること、及び、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが逆相の場合は加算結果よりも減算結果の方が大きくなることを利用している。   When this feature is used, a circuit corresponding to the phase determination unit 23 is simply configured. FIG. 2 is an example of a circuit corresponding to the phase determination unit 23. The circuit shown in FIG. 2 includes an adder, a subtracter, an envelope detector having a diode, a capacitor, and a resistor, and a comparator. The circuit shown in FIG. 2 compares the results of the addition and subtraction of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr with a comparator. If the addition result is larger than the subtraction result, the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage are reflected. When the wave voltage Vr is determined to be substantially in phase, and the subtraction result is greater than the addition result, it is determined that the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in reverse phase. That is, in the circuit shown in FIG. 2, when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase, the addition result is larger than the subtraction result, and the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are reversed. In the case of phase, the fact that the subtraction result is larger than the addition result is used.

位相判定結果Jrは、記憶部選択部31に入力され、第1又は第2の記憶部25、27の選択の際に使用される。位相判定結果Jrは、整合回路選択部28にも入力される。整合回路選択部28は、第1形式又は第2形式の整合回路24、26の選択の際に使用される。   The phase determination result Jr is input to the storage unit selection unit 31 and is used when the first or second storage unit 25 or 27 is selected. The phase determination result Jr is also input to the matching circuit selection unit 28. The matching circuit selection unit 28 is used when selecting the first type or second type matching circuits 24 and 26.

次に、算出された反射係数絶対値|Γ|に基づき、記憶部選択部31が、第1形式又は第2形式の整合回路24、26に必要となるインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmを特定する過程について説明する。   Next, based on the calculated reflection coefficient absolute value | Γ |, the storage unit selection unit 31 calculates the inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm required for the matching circuits 24 and 26 of the first format or the second format. The identification process will be described.

まず、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとがほぼ同相の場合について説明する。記憶部選択部31は、位相判定部23の位相判定結果Jrに基づき、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとがほぼ同相であると判断した場合、反射係数絶対値|Γ|から整合に必要なキャパシタンス補正量Cm、インダクタンス補正量Lmを第1の記憶部25から取得する。第1の記憶部25が記憶する内容の具体例及び作成例については、後述する[制御値の生成方法]及び[量子化テーブルの作成方法]のセクションで詳しく説明する。   First, a case where traveling wave voltage Vf and reflected wave voltage Vr are substantially in phase will be described. When the storage unit selection unit 31 determines that the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase based on the phase determination result Jr of the phase determination unit 23, the storage unit selection unit 31 is necessary for matching from the reflection coefficient absolute value | Γ |. The capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm are acquired from the first storage unit 25. Specific examples and creation examples of the contents stored in the first storage unit 25 will be described in detail in the sections [Control Value Generation Method] and [Quantization Table Creation Method] described later.

一方、記憶部選択部31は、位相判定部23の位相判定結果Jrに基づき、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとがほぼ逆相であると判断した場合、反射係数絶対値|Γ|から整合に必要なインダクタンス補正量Lm、キャパシタンス補正量Cmを第2の記憶部27から取得する。第2の記憶部27が記憶する内容の具体例及び作成例については、後述する[制御値の生成方法]及び[量子化テーブルの作成方法]のセクションで詳しく説明する。   On the other hand, when the storage unit selection unit 31 determines that the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in reverse phase based on the phase determination result Jr of the phase determination unit 23, the storage unit selection unit 31 calculates the reflection coefficient absolute value | An inductance correction amount Lm and a capacitance correction amount Cm necessary for matching are acquired from the second storage unit 27. Specific examples and creation examples of the contents stored in the second storage unit 27 will be described in detail in the sections [Control Value Generation Method] and [Quantization Table Creation Method] described later.

[送受信アンテナ]
次に、電磁界共振結合方式で使用される送受信アンテナ単体での特性と、その等価回路表現について述べる。図3は、本実施形態に係る送信アンテナ4及び受信アンテナとして用いられるアンテナの一例を示す。図3に示すアンテナは、直径30cm、巻数5、巻線間ピッチ5mm、銅線太さ2mmの先端オープン型ヘリカルアンテナである。
[Transceiver antenna]
Next, the characteristics of a single transmission / reception antenna used in the electromagnetic resonance coupling method and its equivalent circuit expression will be described. FIG. 3 shows an example of an antenna used as the transmission antenna 4 and the reception antenna according to the present embodiment. The antenna shown in FIG. 3 is an open-ended helical antenna having a diameter of 30 cm, a number of turns of 5, a pitch between windings of 5 mm, and a copper wire thickness of 2 mm.

図4は、図3に示すアンテナの入力インピーダンスを3次元電磁界解析シミュレータで解析した結果を示す。図4において、グラフ「Gr1」、「Gr2」は、入力インピーダンスの実部に相当し、グラフ「Gi1」、「Gi2」は、入力インピーダンスの虚部に相当する。図4に示すように、図3に示すアンテナは、直列共振点(即ち、虚部に相当するグラフGi1がマイナス側からプラス側へと変化する際に0Ωを横切るポイント。)において実部に相当するグラフGr1がほとんど0Ωであるという特徴を持つ。従って、このアンテナを単体で用いてもほとんど放射しないことが分かる。   FIG. 4 shows the result of analyzing the input impedance of the antenna shown in FIG. 3 with a three-dimensional electromagnetic field analysis simulator. In FIG. 4, graphs “Gr1” and “Gr2” correspond to the real part of the input impedance, and graphs “Gi1” and “Gi2” correspond to the imaginary part of the input impedance. As shown in FIG. 4, the antenna shown in FIG. 3 corresponds to the real part at the series resonance point (that is, a point that crosses 0Ω when the graph Gi1 corresponding to the imaginary part changes from the minus side to the plus side). The graph Gr1 is almost 0Ω. Therefore, it can be seen that even if this antenna is used alone, it hardly radiates.

図3に示すアンテナは、直並列型等価回路によって正確にモデル化できる。図5は、図3に示すアンテナの直並列型等価回路の一例である。ここで、図4に示す周波数特性から得られる連立方程式を解いて、図5の等価回路を構成する回路要素の値を求めると、図5に示すコイルのインダクタンスLは、8.14μH、コイルと直列に配置されたコンデンサの直列キャパシタンスCは、12.6pF、コイルと並列に配置されたコンデンサの並列キャパシタンスCtは、11.4pF、抵抗Rは、0.81Ωと計算される。電磁界共振結合の現象として電力伝送で使用されるのは、図4の直列共振点であり、その共振周波数は、15.7MHzと計算される。   The antenna shown in FIG. 3 can be accurately modeled by a series-parallel equivalent circuit. FIG. 5 is an example of a series-parallel equivalent circuit of the antenna shown in FIG. Here, by solving the simultaneous equations obtained from the frequency characteristics shown in FIG. 4 and obtaining the values of the circuit elements constituting the equivalent circuit of FIG. 5, the inductance L of the coil shown in FIG. The series capacitance C of the capacitor arranged in series is calculated to be 12.6 pF, the parallel capacitance Ct of the capacitor arranged in parallel with the coil is calculated to be 11.4 pF, and the resistance R is calculated to be 0.81Ω. As a phenomenon of electromagnetic resonance coupling, the series resonance point in FIG. 4 is used in power transmission, and the resonance frequency is calculated to be 15.7 MHz.

ここで、図5に示す直並列型等価回路の正当性について述べる。図5に示す回路を左側から見た場合の入力インピーダンス「Zin」は式(2)により表される。   Here, the validity of the series-parallel equivalent circuit shown in FIG. 5 will be described. The input impedance “Zin” when the circuit shown in FIG. 5 is viewed from the left side is expressed by Expression (2).

Figure 0004856288
式(2)より、入力インピーダンスZinの実部(Re)及び虚部(Im)は、式(3)のように求められる。
Figure 0004856288
From Equation (2), the real part (Re) and imaginary part (Im) of the input impedance Zin are obtained as shown in Expression (3).

Figure 0004856288
図6は、式(2)に、先に求めたアンテナの等価回路要素の値(L=8.14μH、C=12.6pF、Ct=11.4pF、R=0.81Ω)を代入して求めた周波数特性と、図4の電磁界解析の結果との両者をプロットしたグラフを示す。具体的には、図6(a)は、入力インピーダンスZinの実部と、周波数との関係を示す。図6(b)は、入力インピーダンスZinの虚部と、周波数との関係を示す。なお、図6(a)、(b)では、図5の等価回路解析の結果は実線、図4の電磁界解析の結果は点線により表現されている。
Figure 0004856288
In FIG. 6, the values of the equivalent circuit elements of the antenna obtained previously (L = 8.14 μH, C = 12.6 pF, Ct = 11.4 pF, R = 0.81Ω) are substituted into the equation (2). The graph which plotted both the calculated | required frequency characteristic and the result of the electromagnetic field analysis of FIG. 4 is shown. Specifically, FIG. 6A shows the relationship between the real part of the input impedance Zin and the frequency. FIG. 6B shows the relationship between the imaginary part of the input impedance Zin and the frequency. 6A and 6B, the equivalent circuit analysis result of FIG. 5 is represented by a solid line, and the electromagnetic field analysis result of FIG. 4 is represented by a dotted line.

図6(a)、(b)に示すように、図5の等価回路解析の結果を示す実線と、図4の電磁界解析の結果を示す点線とは、ほとんど一致する。よって、図5に示す直並列型等価回路によって電磁界共振結合方式のアンテナをモデル化することは正当である。後に、図5に示す直並列型等価回路を用いて、送信アンテナ4と受信アンテナとを組み合わせた場合での入力インピーダンスの変化の軌跡(以後、「入力インピーダンス軌跡Tr」と呼ぶ。)を求める。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the solid line showing the result of the equivalent circuit analysis in FIG. 5 and the dotted line showing the result of the electromagnetic field analysis in FIG. 4 almost coincide with each other. Therefore, it is valid to model the electromagnetic resonance coupling type antenna by the series-parallel type equivalent circuit shown in FIG. Later, using the series-parallel equivalent circuit shown in FIG. 5, a locus of change in input impedance when the transmitting antenna 4 and the receiving antenna are combined (hereinafter referred to as “input impedance locus Tr”) is obtained.

[入力インピーダンスの変化の軌跡]
次に、送信アンテナ4と受信アンテナ間の結合状態を変えたときの入力インピーダンス軌跡Trについて詳しく説明する。
[Change path of input impedance]
Next, the input impedance locus Tr when the coupling state between the transmission antenna 4 and the reception antenna is changed will be described in detail.

図7は、電力伝送時の送信アンテナ4及び受信アンテナの位置関係を示す。図7は、図3に示すアンテナを送信アンテナ4及び受信アンテナとして対向させて電力伝送させるシステムを示す。ギャップGpは一般に数10cm程度とされることが多い。送信アンテナ4への給電(図7では信号発生器から給電)と受信アンテナからの電力の取出しは、同軸ケーブル等を接続して行うものとする。なお、図7では、負荷を接続することで受信アンテナから電力が取り出される。   FIG. 7 shows the positional relationship between the transmitting antenna 4 and the receiving antenna during power transmission. FIG. 7 shows a system in which power is transmitted with the antenna shown in FIG. 3 facing the transmitting antenna 4 and the receiving antenna. In general, the gap Gp is generally about several tens of centimeters. Power feeding to the transmitting antenna 4 (power feeding from the signal generator in FIG. 7) and extraction of power from the receiving antenna are performed by connecting a coaxial cable or the like. In FIG. 7, power is extracted from the receiving antenna by connecting a load.

図8は、図7に示すシステムを直並列型等価回路により表現したものである。即ち、図8に示す直並列型等価回路は、2つの電磁界共振結合用の送受信アンテナを互いに対向させ、同軸ケーブル等で送信アンテナ4に給電し、受信アンテナと負荷を同軸ケーブル等で接続させたシステムを示す。この例では、送信アンテナ4と受信アンテナとは、同じアンテナである。ここで、図8中の「Lm」は送受信アンテナが磁気的に結合された状態での相互インダクタンスを表し、送信アンテナ4及び受信アンテナに同じアンテナを用いた場合、相互インダクタンスLmは、その結合係数を「k」とすれば、式(4)により表される。   FIG. 8 represents the system shown in FIG. 7 with a series-parallel equivalent circuit. That is, the series-parallel equivalent circuit shown in FIG. 8 has two transmitting / receiving antennas for electromagnetic resonance coupling facing each other, feeding the transmitting antenna 4 with a coaxial cable or the like, and connecting the receiving antenna and the load with a coaxial cable or the like. Show the system. In this example, the transmission antenna 4 and the reception antenna are the same antenna. Here, “Lm” in FIG. 8 represents the mutual inductance when the transmitting and receiving antennas are magnetically coupled. When the same antenna is used for the transmitting antenna 4 and the receiving antenna, the mutual inductance Lm is the coupling coefficient. Is represented by equation (4).

Figure 0004856288
結合係数kの値は送受信アンテナ間のギャップGpによって決まる。従って、ギャップGpを変更することは結合係数kを変更することと置き換えて考えられる。
Figure 0004856288
The value of the coupling coefficient k is determined by the gap Gp between the transmitting and receiving antennas. Therefore, changing the gap Gp is considered to be replaced with changing the coupling coefficient k.

ここで、負荷のインピーダンス「Rx」を送信側の信号源インピーダンスと等しいと仮定し、負荷のインピーダンスRxが整合目標のインピーダンス「Z」と等しいとして送信回路1側(信号源)から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスZinは、式(5)により表される。Here, it is assumed that the impedance “Rx” of the load is equal to the signal source impedance on the transmission side, and that the impedance Rx of the load is equal to the matching target impedance “Z 0 ” from the transmission circuit 1 side (signal source) to the transmission antenna 4. The input impedance Zin when looking at is expressed by equation (5).

Figure 0004856288
ここで、駆動周波数(即ち、電力伝送で使用する無線周波数)として送受信アンテナ単体での共振周波数「f」を用いるものとする。ここで、共振周波数fは、以下に示す式(6)により表される。
Figure 0004856288
Here, it is assumed that the resonance frequency “f 0 ” of the transmission / reception antenna alone is used as the drive frequency (that is, the radio frequency used for power transmission). Here, the resonance frequency f 0 is represented by the formula (6) shown below.

Figure 0004856288
式(5)の入力インピーダンスZinは、共振周波数f(ω=2πfとする。)を用いると、式(7)が成立することを利用すると、式(8)により表せられる。
Figure 0004856288
The input impedance Zin of the equation (5) is expressed by the equation (8) when the resonance frequency f 00 = 2πf 0 ) is used and the fact that the equation (7) is established.

Figure 0004856288
Figure 0004856288

Figure 0004856288
ここで、式(8)では、式(4)の関係を用いて、結合係数kをパラメータとして表している。
Figure 0004856288
Here, in equation (8), the coupling coefficient k is expressed as a parameter using the relationship of equation (4).

なお、式(5)式(8)は送信アンテナ4及び受信アンテナとして同じ形状のものを用いた場合の例として示されているが、例えば受信アンテナのサイズ(直径)を小さくした場合など、送信アンテナ4と受信アンテナとの形状が異なる場合であっても(ただし、共振周波数は同一である必要はある。)、同様の手順によって送信回路1から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスの値を定式化して(式(5)に相当する式を求める)、式(7)に記載した共振周波数の条件(この条件は、送信アンテナ4に対応するL1、C1の値を用いた式と、受信アンテナに対応するL2、C2の値を用いた式の2つを使用することになる。)を適用してやれば、式(8)に対応する式が求められる。   Expression (5) and Expression (8) are shown as an example when the transmission antenna 4 and the reception antenna having the same shape are used. For example, when the size (diameter) of the reception antenna is reduced, transmission is performed. Even when the shapes of the antenna 4 and the receiving antenna are different (however, the resonance frequencies need to be the same), the value of the input impedance when the transmitting antenna 1 is viewed from the transmitting circuit 1 by the same procedure. (Requires an expression corresponding to the expression (5)), and the resonance frequency condition described in the expression (7) (this condition is an expression using values of L1 and C1 corresponding to the transmission antenna 4; (Two of the equations using the values of L2 and C2 corresponding to the receiving antenna will be used.), The equation corresponding to equation (8) can be obtained.

図9は、式(8)を用いて、結合係数kを変えたときの(つまり、送受信アンテナ間のギャップGpを変えたときの)入力インピーダンスZin(ω=ω)の軌跡を求め、それをスミスチャート上にプロットした図である。図9では、結合係数kは、0.001〜0.7の範囲で変化している。なお、図10は、図9のスミスチャートに後述する説明を補足的に記載した図である。FIG. 9 shows the locus of the input impedance Zin (ω = ω 0 ) when the coupling coefficient k is changed (that is, when the gap Gp between the transmitting and receiving antennas is changed) using Equation (8). Is a diagram plotted on a Smith chart. In FIG. 9, the coupling coefficient k changes in the range of 0.001 to 0.7. FIG. 10 is a diagram supplementarily describing an explanation to be described later on the Smith chart of FIG.

図9に示されるように、電磁界共振結合方式では送受信アンテナ間のギャップGpを変えると送信回路1側から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスが大きく変化する。図9に示すスミスチャートの中心点(単に「中心点」とも呼ぶ。)は、図10に示すように、インピーダンス整合が出来ている状態(この場合では、Z=50Ω、以後、「整合状態」、又は「整合ポイント」とも呼ぶ。)に相当する。そして、中心点より右に移動した状態は、整合ポイントと比較して入力インピーダンスが高くなっている状態であることを表している。また逆に、中心点より左側に移動した状態は整合ポイントと比較して入力インピーダンスが低くなっている状態であることを表している。言い換えると、中心点より右に移動した状態(図10の破線枠WR内に相当する。)は、整合ポイントから送受信アンテナ間のギャップGpを小さくした場合、即ち整合ポイントよりも送受信アンテナ間の結合が強い場合に生じる状態である。逆に、中心点から左に移動した状態(図10の破線枠WL内に相当する。)は、整合ポイントから送受信アンテナ間のギャップGpを大きくした場合、即ち整合ポイントより送受信アンテナ間の結合が小さい場合に生じる状態である。As shown in FIG. 9, in the electromagnetic resonance coupling method, when the gap Gp between the transmission and reception antennas is changed, the input impedance when the transmission antenna 4 is viewed from the transmission circuit 1 side greatly changes. The center point of the Smith chart shown in FIG. 9 (also simply referred to as “center point”) is in a state where impedance matching is achieved (in this case, Z 0 = 50Ω, hereinafter “matching state”). Or “matching point”). And the state which moved to the right from the center point represents that the input impedance is higher than that of the matching point. Conversely, a state of moving to the left side from the center point indicates that the input impedance is lower than that of the matching point. In other words, the state moved to the right from the center point (corresponding to the inside of the broken line frame WR in FIG. 10) is the case where the gap Gp between the transmitting and receiving antennas from the matching point is reduced, that is, the coupling between the transmitting and receiving antennas rather than the matching point. This is a condition that occurs when the is strong. On the contrary, the state moved to the left from the center point (corresponding to the inside of the broken line WL in FIG. 10) is when the gap Gp between the transmitting and receiving antennas is increased from the matching point, that is, the coupling between the transmitting and receiving antennas from the matching point This is a condition that occurs when it is small.

[本発明におけるインピーダンス整合の考え方]
図9、10に示すように、送受信アンテナ間の結合状態(即ちギャップGp)を変えることで入力インピーダンスは変化する。一方、その入力インピーダンスの変化は、スミスチャートの横軸(抵抗軸)に沿ってわずかにカーブした一次元に近い変化である。特徴的なのは、リアクタンス分が「0」である抵抗軸上に近い所で変化することである。このような場合、求めた入力インピーダンス軌跡Tr上のポイントの複素反射係数の位相成分「arg(Γ)」の値は、結合が強い場合(図10の破線枠WR内)ではわずかにカーブしている分マイナス側にずれた0度に近い値となり、結合が弱い場合(図10の破線枠WL内)ではほぼ180度となる。このことは、送信アンテナ4への入力信号に相当する進行波電圧Vfの位相とインピーダンス値の不整合により送信アンテナ4から戻ってくる反射信号に相当する反射波電圧Vrの位相との関係が、前者ではほぼ同相、後者では逆相となることを表している。
[Concept of impedance matching in the present invention]
As shown in FIGS. 9 and 10, the input impedance changes by changing the coupling state (ie, gap Gp) between the transmitting and receiving antennas. On the other hand, the change in the input impedance is a change close to one dimension slightly curved along the horizontal axis (resistance axis) of the Smith chart. What is characteristic is that the reactance component changes near the resistance axis where the reactance component is “0”. In such a case, the value of the phase component “arg (Γ)” of the complex reflection coefficient at the obtained point on the input impedance locus Tr is slightly curved when the coupling is strong (in the broken line frame WR in FIG. 10). If the coupling is weak (within the broken line frame WL in FIG. 10), it is almost 180 degrees. This is because the relationship between the phase of the traveling wave voltage Vf corresponding to the input signal to the transmitting antenna 4 and the phase of the reflected wave voltage Vr corresponding to the reflected signal returning from the transmitting antenna 4 due to the mismatch of impedance values is The former indicates almost the same phase, and the latter indicates the opposite phase.

図11は、前述の直並列等価回路によって送受信アンテナをモデル化し、送信回路1と送信アンテナ4の間に方向性結合器を入れて進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとを計測した結果を示す。また、図11(a)は、整合ポイントより送受信アンテナ間の結合を強めた場合に相当し、図11(b)は、整合ポイントより送受信アンテナ間の結合を弱めた場合に相当する。そして、図11(a)、(b)において、「Gvf」は、進行波電圧Vfの計測結果に相当し、「Gvr1」は、結合係数kが0.07の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr2」は、結合係数kが0.08の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr3」は、結合係数kが0.1の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr4」は、結合係数kが0.14の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr5」は、結合係数kが0.2の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当する。また、「Gvr6」は、結合係数kが0.05の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr7」は、結合係数kが0.04の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr8」は、結合係数kが0.03の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当し、「Gvr9」は、結合係数kが0.02の場合の反射波電圧Vrの測定結果に相当する。   FIG. 11 shows a result of measuring the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr by modeling the transmission / reception antenna by the above-described series-parallel equivalent circuit and inserting a directional coupler between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4. . 11A corresponds to the case where the coupling between the transmitting and receiving antennas is strengthened from the matching point, and FIG. 11B corresponds to the case where the coupling between the transmitting and receiving antennas is weakened from the matching point. 11A and 11B, “Gvf” corresponds to the measurement result of the traveling wave voltage Vf, and “Gvr1” is the measurement of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.07. “Gvr2” corresponds to the measurement result of the reflected wave voltage Vr with a coupling coefficient k of 0.08, and “Gvr3” corresponds to the measurement of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.1. “Gvr4” corresponds to the measurement result of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.14, and “Gvr5” corresponds to the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.2. It corresponds to the measurement result. “Gvr6” corresponds to the measurement result of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.05, and “Gvr7” is the measurement result of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.04. “Gvr8” corresponds to the measurement result of the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.03, and “Gvr9” corresponds to the reflected wave voltage Vr when the coupling coefficient k is 0.02. It corresponds to the measurement result.

このように、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrの位相関係(ほぼ同相なのか、それとも逆相なのか)を調べることで、インピーダンス整合装置2は、入力インピーダンスのスミスチャート上の位置が、破線枠WR内にあるのか、又は、破線枠WL内にあるのかを把握することができる。   In this way, by examining the phase relationship between the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr (whether it is in phase or in phase), the impedance matching device 2 determines that the position of the input impedance on the Smith chart is a broken line. It can be grasped whether it is in the frame WR or in the broken line frame WL.

なお、ここで示した結合係数kの値の例は、送信アンテナ4及び受信アンテナに図3のアンテナで、直径30cm、巻数5、巻線間ピッチ5mm、銅線太さ2mmとしたアンテナを用いた場合のものである。アンテナのサイズやその他の構造パラメータが変化した場合は、ここで示した結合係数kの値も変わることはあり得る。   In addition, the example of the value of the coupling coefficient k shown here uses an antenna having a diameter of 30 cm, a number of turns of 5, a pitch between windings of 5 mm, and a copper wire thickness of 2 mm as the transmitting antenna 4 and the receiving antenna of FIG. If it was. When the antenna size and other structural parameters change, the value of the coupling coefficient k shown here can also change.

この特徴を利用し、本実施形態に係るインピーダンス整合装置2は、インピーダンス整合動作のパターンとして、2通りに動作する。具体的には、本実施形態に係るインピーダンス整合装置2は、整合回路として、第1形式の整合回路24と、第2形式の整合回路26とを有し、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとの位相関係に基づき使い分ける。図12(a)は、第1形式の整合回路24の構成例を示す。図12(b)は、第2形式の整合回路26の構成例を示す。そして、インピーダンス整合装置2は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとが同相の場合には、整合ポイントからギャップGpが小さくなる等により整合ポイントより送受信アンテナ間の結合が強まった状態にあると判断し、第1形式の整合回路24を使用する。一方、インピーダンス整合装置2は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrとが逆相の場合には、整合ポイントからギャップGpが大きくなる等により整合ポイントより送受信アンテナ間の結合が弱まった状態にあると判断し、第2形式の整合回路26を使用する。   Using this feature, the impedance matching device 2 according to the present embodiment operates in two ways as a pattern of impedance matching operation. Specifically, the impedance matching device 2 according to the present embodiment includes a first-type matching circuit 24 and a second-type matching circuit 26 as matching circuits, and the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr. Use properly based on the phase relationship. FIG. 12A shows a configuration example of the first-type matching circuit 24. FIG. 12B shows a configuration example of the matching circuit 26 of the second format. Then, when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in phase, the impedance matching device 2 is in a state in which the coupling between the transmitting and receiving antennas is stronger than the matching point because the gap Gp becomes smaller from the matching point. The first type matching circuit 24 is used. On the other hand, when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in opposite phases, the impedance matching device 2 is in a state in which the coupling between the transmitting and receiving antennas is weaker than the matching point due to the gap Gp increasing from the matching point. And the second type matching circuit 26 is used.

ここで、整合回路に使用される可変インダクタ要素240、260及び可変キャパシタ要素241、261について補足説明する。可変インダクタ要素240、260及び可変キャパシタ要素241、261の実現手法は公知の手法が使用可能である。例えば、可変インダクタ要素240、260は、微小インダクタを直列に接続してスイッチ切換えにより所定の値のインダクタを実現し、可変キャパシタ要素241、261は、微小コンデンサを並列に接続してスイッチ切換えにより所定の値のキャパシタを実現する。他の実現手段として、可変キャパシタ要素241、261は、真空コンデンサやエアーバリコンなどを可変キャパシタであってもよい。その場合、可変キャパシタ要素241、261は、ステッピングモーターなど機械的手段を使って回転軸部が回転する。さらに、可変キャパシタ要素241、261は、大電力用途には向かないが可変容量ダイオード(バラクタダイオード)などの半導体素子であってもよい。   Here, the variable inductor elements 240 and 260 and the variable capacitor elements 241 and 261 used in the matching circuit will be supplementarily described. As a method for realizing the variable inductor elements 240 and 260 and the variable capacitor elements 241 and 261, a known method can be used. For example, the variable inductor elements 240 and 260 connect a minute inductor in series and realize an inductor having a predetermined value by switching, and the variable capacitor elements 241 and 261 connect a minute capacitor in parallel and perform predetermined switching by switching. A capacitor having a value of is realized. As another realization means, the variable capacitor elements 241 and 261 may be a variable capacitor such as a vacuum capacitor or an air variable condenser. In that case, the rotation axis portion of the variable capacitor elements 241 and 261 is rotated using mechanical means such as a stepping motor. Furthermore, the variable capacitor elements 241 and 261 may be semiconductor elements such as variable capacitance diodes (varactor diodes) although they are not suitable for high power applications.

図13は、図10に示した入力インピーダンス軌跡Tr上の任意のポイントを、図12(a)、(b)に示す第1形式又は第2形式の整合回路24、26を用いてスミスチャート上の等抵抗円、等コンダクタンス円に沿って移動させて50Ωの整合ポイントまで到達させる概要図を示す。   FIG. 13 shows an arbitrary point on the input impedance locus Tr shown in FIG. 10 on the Smith chart using the first or second type matching circuits 24 and 26 shown in FIGS. A schematic diagram is shown in which it is moved along the equal resistance circle and the equal conductance circle to reach the matching point of 50Ω.

まず、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相になる場合、即ち、整合対象となるインピーダンス点が破線枠WR内に存在する場合について説明する。ここでは、代表例として、整合対象となるインピーダンス点が位置Prに存在するものとする。この場合、インピーダンス整合装置2は、図12(a)に示す第1形式の整合回路24を用いて等コンダクタンス円上で、所定のサセプタンス補正量「A」だけ位置Prを時計回りに移動させ(矢印Y1参照)、次に正規化レジスタンス「r=1」の等レジスタンス円C1上で所定のリアクタンス補正量「B」だけ時計回りに移動させる(矢印Y2参照)。これにより、インピーダンス整合装置2は、整合対象となるインピーダンス点を整合ポイントに移動させることができる。なお、上述のサセプタンス補正量A及びリアクタンス補正量Bの決定方法については後述する。   First, the case where the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase, that is, the case where the impedance point to be matched exists in the broken line frame WR will be described. Here, as a representative example, it is assumed that an impedance point to be matched exists at the position Pr. In this case, the impedance matching device 2 moves the position Pr clockwise by a predetermined susceptance correction amount “A” on the equal conductance circle using the first type matching circuit 24 shown in FIG. Next, a predetermined reactance correction amount “B” is moved clockwise on the equal resistance circle C1 of the normalized resistance “r = 1” (see arrow Y2). Thereby, the impedance matching device 2 can move the impedance point to be matched to the matching point. The method for determining the susceptance correction amount A and the reactance correction amount B will be described later.

次に、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ逆相になる場合、即ち、整合対象となるインピーダンス点が破線枠WL内に存在する場合について説明する。ここでは、代表例として、整合対象となるインピーダンス点が位置Plに存在するものとする。この場合、インピーダンス整合装置2は、図12(b)に示す第2形式の整合回路26を用いて等レジスタンス円上で所定のリアクタンス補正量「C」だけ位置Plを時計回りに移動させ(矢印Y3参照)、次に正規化コンダクタンス「g=1」の等コンダクタンス円上で所定のサセプタンス補正量「D」だけ時計回りに移動させる(矢印Y4参照)。これにより、インピーダンス整合装置2は、整合対象となるインピーダンス点を整合ポイントに移動させることができる。なお、上述のリアクタンス補正量C及びサセプタンス補正量Dの決定方法については後述する。   Next, the case where the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in opposite phases, that is, the case where the impedance point to be matched exists within the broken line frame WL will be described. Here, as a representative example, it is assumed that an impedance point to be matched exists at the position Pl. In this case, the impedance matching device 2 moves the position Pl clockwise by a predetermined reactance correction amount “C” on the equal resistance circle using the second-type matching circuit 26 shown in FIG. Next, move it by a predetermined susceptance correction amount “D” clockwise on an equal conductance circle of normalized conductance “g = 1” (see arrow Y4). Thereby, the impedance matching device 2 can move the impedance point to be matched to the matching point. A method for determining the reactance correction amount C and the susceptance correction amount D described above will be described later.

以上を勘案し、インピーダンス整合装置2は、整合対象となる入力インピーダンス軌跡Tr上の各位置に対して、上述の補正量A〜Dを計算し、第1及び第2の記憶部25、27に記憶する。これにより、インピーダンス整合装置2は、インピーダンス整合を実行する際のインピーダンス点がどこかにあるか知ることにより、整合のために必要な上述の補正量A〜Dを求めることができる。   Considering the above, the impedance matching device 2 calculates the correction amounts A to D described above for each position on the input impedance trajectory Tr to be matched, and stores them in the first and second storage units 25 and 27. Remember. Thereby, the impedance matching apparatus 2 can obtain the above-described correction amounts A to D necessary for matching by knowing where the impedance point is when performing impedance matching.

ここで、インピーダンス整合装置2は、反射係数絶対値|Γ|に基づき第1及び第2の記憶部25、27を参照して補正量A〜Dを特定する。これについて補足説明する。反射係数絶対値|Γ|はスミスチャートの中心点からインピーダンス点までの距離に等しいため、破線枠WR内にインピーダンス点がある場合と破線枠WL内にインピーダンス点がある場合とで同じ反射係数絶対値|Γ|を持つ一対のインピーダンス点が存在する。しかし、反射係数絶対値|Γ|の位相は、前者が0度に近い値、後者が180度に近い値となっている。従って、インピーダンス整合装置2は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrの位相がほぼ同相か又はほぼ逆相かを特定することで、これらを明確に区別することができる。   Here, the impedance matching device 2 specifies the correction amounts A to D with reference to the first and second storage units 25 and 27 based on the reflection coefficient absolute value | Γ |. This will be supplementarily described. Since the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to the distance from the center point of the Smith chart to the impedance point, the same reflection coefficient absolute value is obtained when there is an impedance point within the broken line frame WR and when there is an impedance point within the broken line frame WL. There is a pair of impedance points with the value | Γ |. However, as for the phase of the reflection coefficient absolute value | Γ |, the former has a value close to 0 degrees and the latter has a value close to 180 degrees. Therefore, the impedance matching device 2 can clearly distinguish between the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr by specifying whether the phases of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase or almost in phase.

以上を勘案し、インピーダンス整合装置2は、各反射係数絶対値|Γ|に対して整合に必要な制御値Tcを記憶させる参照元として、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが同相な場合に参照する第1の記憶部25と、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが逆相な場合に参照する第2の記憶部27との2つの記憶部(テーブル)を用意する。この記憶部に必要な記憶容量は、スミスチャート上の実軸付近でわずかにカーブした一次元の入力インピーダンス軌跡Trのみを考慮して決定される。従って、整合のために実部と虚部の両方の値を必要とする場合に比べて必要なメモリサイズを大幅に縮小することができる。   Considering the above, the impedance matching device 2 is used when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in phase as a reference source for storing the control value Tc necessary for matching for each reflection coefficient absolute value | Γ |. Two storage units (tables) are prepared: a first storage unit 25 to be referred to, and a second storage unit 27 to be referred to when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in opposite phases. The storage capacity required for the storage unit is determined in consideration of only the one-dimensional input impedance locus Tr slightly curved near the real axis on the Smith chart. Therefore, the required memory size can be significantly reduced as compared with the case where both real and imaginary values are required for matching.

なお、インピーダンス整合装置2は、正規化レジスタンス「r=1」の等レジスタンス円C1と、入力インピーダンス軌跡Trとの交点に相当する結合係数kよりも小さい結合係数kの場合に、上述の処理を行うことで、整合を実行する際のインピーダンス点を整合ポイントに好適に遷移させることができる。特に、本実施形態において採用されている電磁界共振結合方式では、正規化レジスタンス「r=1」の等レジスタンス円C1と、入力インピーダンス軌跡Trとの交点に相当する結合係数kよりも小さい結合係数kが使用される。従って、本実施形態のインピーダンス整合装置2は、任意のインピーダンス点を整合ポイントに移動させることができる。   The impedance matching device 2 performs the above-described processing when the coupling coefficient k is smaller than the coupling coefficient k corresponding to the intersection of the equal resistance circle C1 with the normalized resistance “r = 1” and the input impedance locus Tr. By performing, the impedance point at the time of performing matching can be suitably changed to the matching point. In particular, in the electromagnetic resonance coupling method employed in the present embodiment, the coupling coefficient smaller than the coupling coefficient k corresponding to the intersection of the equal resistance circle C1 with the normalized resistance “r = 1” and the input impedance locus Tr. k is used. Therefore, the impedance matching device 2 of the present embodiment can move an arbitrary impedance point to the matching point.

[制御値の生成方法]
導出した入力インピーダンス軌跡Tr上の各インピーダンス点に対する上述の補正量A〜Dはスミスチャートの理論式を用いて算出される。そして、制御値Tcであるキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmは、この補正量A〜Dに基づき算出される。この算出について以下説明する。この計算により求められたキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmは、連続値からなるグラフを描くが、アプリケーションで必要なサイズとなるように量子化したテーブル(「量子化テーブル」とも呼ぶ。)を作成しても良い。この量子化テーブルの作成方法については、後述する。
[Control value generation method]
The correction amounts A to D described above for each impedance point on the derived input impedance locus Tr are calculated using Smith chart theoretical formulas. The capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm, which are control values Tc, are calculated based on the correction amounts A to D. This calculation will be described below. The capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm obtained by this calculation draw a graph consisting of continuous values, but a table (also referred to as a “quantization table”) quantized so as to have a size necessary for the application. You may create it. A method for creating this quantization table will be described later.

(第1の記憶部)
まず、第1の記憶部25に記憶させる反射係数絶対値|Γ|と制御値Tcとのテーブルの作成方法について説明する。第1の記憶部25は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相の場合に使用される。
(First storage unit)
First, a method for creating a table of the reflection coefficient absolute value | Γ | and the control value Tc stored in the first storage unit 25 will be described. The first storage unit 25 is used when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase.

図14は、第1の記憶部25に記憶させる反射係数絶対値|Γ|と制御値Tcとのテーブルの作成方法を模式的に示した図である。整合対象のインピーダンス点が図中の「Zin」にあるとする。インピーダンス点Zinは、正規化コンダクタンス「g=gin」の等コンダクタンス円、正規化サセプタンス「b=bin」の等サセプタンス円に乗っている。まず、インピーダンス点Zinのポイントが存在する「g=gin」の等コンダクタンス円と、正規化レジスタンス「r=1」の等レジスタンス円との交点「A」の座標(u、v)は、以下の式(9)により表される。   FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a method of creating a table of the reflection coefficient absolute value | Γ | and the control value Tc stored in the first storage unit 25. Assume that the impedance point to be matched is at “Zin” in the figure. The impedance point Zin is on an equal conductance circle with a normalized conductance “g = gin” and an equal susceptance circle with a normalized susceptance “b = bin”. First, the coordinates (u, v) of the intersection “A” between the equal conductance circle of “g = gin” where the point of the impedance point Zin exists and the equal resistance circle of normalized resistance “r = 1” are as follows: It is represented by equation (9).

Figure 0004856288
ここで、インピーダンス点Zinのポイントを、「g=gin」の等コンダクタンス円に沿って交点Aまで移動させるために必要な正規化サセプタンス補正量「Δb」、及び、交点Aのポイントを「r=1」の等レジスタンス円に沿ってスミスチャートの中心に移動させるために必要な正規化リアクタンス補正量「Δx」は、等サセプタンス円の理論式及び等リアクタンス円の理論式に基づき、式(10)に示すように表せられる。
Figure 0004856288
Here, the normalized susceptance correction amount “Δb” necessary for moving the point of the impedance point Zin to the intersection A along the isoconductance circle of “g = gin”, and the point of the intersection A “r = The normalized reactance correction amount “Δx” required to move the center of the Smith chart along the equal resistance circle of “1” is based on the theoretical formula of the equal susceptance circle and the theoretical formula of the equal reactance circle. It can be expressed as shown in

Figure 0004856288
式(10)に示すように、正規化サセプタンス補正量「Δb」は、インピーダンス点Zinの正規化サセプタンス「bin」が減算されることでわずかなカーブの分が調整されている。なお、正規化リアクタンス補正量Δxは、上述したリアクタンス補正量Bに相当し、正規化サセプタンス補正量Δbは、上述したサセプタンス補正量Aに相当する。
Figure 0004856288
As shown in Expression (10), the normalized susceptance correction amount “Δb” is adjusted by a slight curve by subtracting the normalized susceptance “bin” of the impedance point Zin. The normalized reactance correction amount Δx corresponds to the reactance correction amount B described above, and the normalized susceptance correction amount Δb corresponds to the susceptance correction amount A described above.

最後に、求められた正規化リアクタンス補正量Δx及び正規化サセプタンス補正量Δbにより、実際のキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmを表した式(11)を以下に示す。この際に使用する変数「f」は駆動周波数(単位はHz)を示し、「Z」は整合目標のインピーダンス値を示す。Finally, Equation (11) that represents the actual capacitance correction amount Cm and inductance correction amount Lm by the obtained normalized reactance correction amount Δx and normalized susceptance correction amount Δb is shown below. The variable “f” used at this time indicates the drive frequency (unit: Hz), and “Z 0 ” indicates the impedance value of the matching target.

Figure 0004856288
入力インピーダンス軌跡Tr上のインピーダンス点Zinは、以下の式(12)に示すように、スミスチャートの右側のみを考えれば反射係数絶対値|Γ|と一対一に対応する。
Figure 0004856288
The impedance point Zin on the input impedance trajectory Tr has a one-to-one correspondence with the reflection coefficient absolute value | Γ | if only the right side of the Smith chart is considered, as shown in the following equation (12).

Figure 0004856288
従って、入力インピーダンス軌跡Tr上の各インピーダンス点Zinを式(12)に従って反射係数絶対値|Γ|に変換し、その各々の値に対して、予め式(11)に従って求めていたキャパシタンス補正量Cm、インダクタンス補正量Lmの値の組を対応させたテーブルを生成して第1の記憶部25に記憶させておく。ここで、上述のテーブルは、アプリケーションで必要かつ許容されるメモリサイズのテーブルとして用意される。これにより、インピーダンス整合装置2は、反射係数絶対値|Γ|に基づき、整合に必要なキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmを特定することができる。
Figure 0004856288
Therefore, each impedance point Zin on the input impedance trajectory Tr is converted into the reflection coefficient absolute value | Γ | according to the equation (12), and the capacitance correction amount Cm obtained in advance according to the equation (11) for each value. Then, a table in which a set of values of the inductance correction amount Lm is associated is generated and stored in the first storage unit 25. Here, the above-described table is prepared as a table having a memory size necessary and permitted by the application. Thereby, the impedance matching device 2 can specify the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm necessary for matching based on the reflection coefficient absolute value | Γ |.

図15(a)、(b)は、直径30cm、巻数5、巻線間ピッチ5mm、銅線太さ2mmの先端オープン型ヘリカルアンテナ(図3参照)用として作成した反射係数絶対値|Γ|と制御値Tcとの関係を示すマップ(グラフ)である。具体的には、図15(a)は、キャパシタンス補正量Cmと反射係数絶対値|Γ|との関係を示すグラフであり、図15(b)は、インダクタンス補正量Lmと反射係数絶対値|Γ|との関係を示すグラフである。この場合、共振周波数fは15.7MHzであり、整合目標のインピーダンスZは50Ωである。15 (a) and 15 (b) show the reflection coefficient absolute value | Γ | created for an open-ended helical antenna (see FIG. 3) having a diameter of 30 cm, a number of turns of 5, a pitch between windings of 5 mm, and a copper wire thickness of 2 mm. Is a map (graph) showing the relationship between the control value and the control value Tc. Specifically, FIG. 15A is a graph showing the relationship between the capacitance correction amount Cm and the reflection coefficient absolute value | Γ |. FIG. 15B is a graph showing the inductance correction amount Lm and the reflection coefficient absolute value |. It is a graph which shows the relationship with (GAMMA) |. In this case, the resonant frequency f is 15.7 MHz, and the matching target impedance Z 0 is 50Ω.

ここで、インピーダンス整合装置2は、後述するように、図15(a)、(b)に示す値を元に、アプリケーションで必要な分解能で作成した量子化テーブルを第1の記憶部25に保持してもよい。   Here, as will be described later, the impedance matching device 2 holds, in the first storage unit 25, a quantization table created at a resolution required by the application based on the values shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b). May be.

ここで、図15を用いたキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmの設定方法の具体例について説明する。ここでは、一例として、送信アンテナ4と受信アンテナ間の結合係数kが0.1の場合について述べる。この場合、送信回路1側から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスZinは、入力インピーダンス軌跡Tr上で「Zin=127−j11.3Ω」である。このときの反射係数絶対値|Γ|は、0.439となる。この値は、進行波・反射波抽出部21からの2つの出力である進行波電圧Vf及び反射波電圧Vrを用いて反射係数算出部22によって計算され、記憶部に入力される。制御値出力部32は、図15(a)、(b)に相当する第1の記憶部25から、反射係数絶対値|Γ|が0.439の場合に対するキャパシタンス補正量Cm(92pF)、及びインダクタンス補正量Lm(633nH)を特定する。そして、制御値出力部32は、これらの値を図12(a)に示した第1形式の整合回路24にセットする。このとき、整合回路選択部28は、スイッチ部30を制御することにより、第1形式の整合回路24が送信回路1と送信アンテナ4との間に電気的に接続されるようにする。   Here, a specific example of a method for setting the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm using FIG. 15 will be described. Here, as an example, a case where the coupling coefficient k between the transmission antenna 4 and the reception antenna is 0.1 will be described. In this case, the input impedance Zin when viewing the transmission antenna 4 from the transmission circuit 1 side is “Zin = 127−j11.3Ω” on the input impedance locus Tr. The absolute value of reflection coefficient | Γ | at this time is 0.439. This value is calculated by the reflection coefficient calculation unit 22 using the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr, which are two outputs from the traveling wave / reflected wave extraction unit 21, and is input to the storage unit. The control value output unit 32 receives the capacitance correction amount Cm (92 pF) from the first storage unit 25 corresponding to FIGS. 15A and 15B for the case where the reflection coefficient absolute value | Γ | is 0.439, and An inductance correction amount Lm (633 nH) is specified. Then, the control value output unit 32 sets these values in the first-type matching circuit 24 shown in FIG. At this time, the matching circuit selection unit 28 controls the switch unit 30 so that the first type matching circuit 24 is electrically connected between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4.

(第2の記憶部)
次に、第2の記憶部27に記憶させる反射係数絶対値|Γ|と制御値Tcとのテーブルの作成方法について説明する。第2の記憶部27は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ逆相の場合に使用される。
(Second storage unit)
Next, a method for creating a table of the reflection coefficient absolute value | Γ | and the control value Tc stored in the second storage unit 27 will be described. The second storage unit 27 is used when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in reverse phase.

図16は、第2の記憶部27として記憶するテーブルの作成方法を模式的に示した図である。整合対象のインピーダンス点が図中の「Zin」にあるとする。インピーダンス点Zinは正規化レジスタンス「r=rin」の等レジスタンス円、正規化リアクタンス「x=xin」の等リアクタンス円に乗っている。まず、インピーダンス点Zinのポイントが存在する「r=rin」の等レジスタンス円と、正規化コンダクタンス「g=1」の等コンダクタンス円との交点「D」の座標(u、v)は、以下の式(13)に示すように表せられる。   FIG. 16 is a diagram schematically illustrating a method for creating a table stored as the second storage unit 27. Assume that the impedance point to be matched is at “Zin” in the figure. The impedance point Zin is on an equal resistance circle of normalized resistance “r = rin” and an equal reactance circle of normalized reactance “x = xin”. First, the coordinates (u, v) of the intersection “D” between the equal resistance circle of “r = rin” where the point of the impedance point Zin exists and the equal conductance circle of the normalized conductance “g = 1” are as follows: It can be expressed as shown in equation (13).

Figure 0004856288
ここで、インピーダンス点Zinを、「r=rin」の等レジスタンス円に沿って交点「D」まで移動させるために必要な正規化リアクタンス補正量「Δx」、及び、交点Dのポイントを「g=1」の等コンダクタンス円に沿って中心点に移動させるために必要な正規化サセプタンス補正量「Δb」は、等サセプタンス円の理論式及び等リアクタンス円の理論式に基づき、式(14)に示すように表せられる。
Figure 0004856288
Here, the normalized reactance correction amount “Δx” necessary for moving the impedance point Zin along the equal resistance circle of “r = rin” to the intersection “D”, and the point of the intersection D as “g = The normalized susceptance correction amount “Δb” required for moving to the center point along the isoconductance circle of “1” is expressed by the equation (14) based on the theoretical equation of the isosusceptance circle and the theoretical equation of the isoreactance circle. It can be expressed as follows.

Figure 0004856288
式(14)に示すように、正規化リアクタンス補正量Δxは、インピーダンス点Zinの正規化リアクタンスxinが減算されることでわずかなカーブの分が調整されている。なお、正規化サセプタンス補正量Δbは、上述したサセプタンス補正量Dに相当し、正規化リアクタンス補正量Δxは、上述したリアクタンス補正量Cに相当する。
Figure 0004856288
As shown in Expression (14), the normalized reactance correction amount Δx is adjusted by a slight curve by subtracting the normalized reactance xin of the impedance point Zin. The normalized susceptance correction amount Δb corresponds to the susceptance correction amount D described above, and the normalized reactance correction amount Δx corresponds to the reactance correction amount C described above.

最後に、求められた各補正量を実際のインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmを表した式(15)を以下に示す。この際に使用する変数「f」は駆動周波数(単位はHz)、「Z」は整合目標のインピーダンス値を示す。Finally, the equation (15) representing the actual inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm for the obtained correction amounts is shown below. The variable “f” used at this time is the drive frequency (unit: Hz), and “Z 0 ” is the impedance value of the matching target.

Figure 0004856288
従って、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相の場合と同様に、各インピーダンス点Zinを式(15)に従って反射係数絶対値|Γ|に変換し、その各々の値に対して、予め式(15)に従って求めていたインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmの組を対応させたテーブルを第2の記憶部27に記憶しておく。このテーブルは、アプリケーションで必要かつ許容されるメモリサイズのテーブルとして用意される。これにより、インピーダンス整合装置2は、反射係数絶対値|Γ|に基づき、インピーダンス整合に必要なキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmを特定することができる。
Figure 0004856288
Accordingly, as in the case where the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase, each impedance point Zin is converted into a reflection coefficient absolute value | Γ | according to the equation (15), A table in which the set of the inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm obtained according to the equation (15) is associated is stored in the second storage unit 27. This table is prepared as a table having a memory size required and allowed by the application. Thereby, the impedance matching device 2 can specify the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm necessary for impedance matching based on the reflection coefficient absolute value | Γ |.

図17(a)、(b)は、直径30cm、巻数5、巻線間ピッチ5mm、銅線太さ2mmの先端オープン型ヘリカルアンテナ(図3参照)用として作成した反射係数絶対値|Γ|と制御値Tcとの関係を示すマップ(グラフ)である。この場合、共振周波数fは15.7MHzであり、整合目標のインピーダンスZは50Ωである。17 (a) and 17 (b) show the reflection coefficient absolute value | Γ | prepared for a tip open type helical antenna (see FIG. 3) having a diameter of 30 cm, a winding number of 5, a winding pitch of 5 mm, and a copper wire thickness of 2 mm. Is a map (graph) showing the relationship between the control value and the control value Tc. In this case, the resonant frequency f is 15.7 MHz, and the matching target impedance Z 0 is 50Ω.

インピーダンス整合装置2は、後述するように、図17(a)、(b)に示す値を元に、アプリケーションで必要な分解能で作成した量子化テーブルを第2の記憶部27として保持しても良い。   As will be described later, the impedance matching device 2 holds, as the second storage unit 27, a quantization table created with the resolution required by the application based on the values shown in FIGS. 17 (a) and 17 (b). good.

ここで、図17を用いたキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmの設定方法の具体例について説明する。ここでは、一例として、送信アンテナ4と受信アンテナ間の結合係数kが0.04の場合について述べる。この場合、送信回路1側から送信アンテナ4を見たときの入力インピーダンスZinは入力インピーダンス軌跡Tr上で「Zin=21.1+j0.62Ω」である。このときの反射係数絶対値|Γ|は0.406となる。そして、この値は、進行波・反射波抽出部21からの2つの出力である進行波電圧Vf及び反射波電圧Vrを用いて反射係数算出部22によって計算され、記憶部に入力される。制御値出力部32は、図17(a)、(b)に相当する第2の記憶部27から、反射係数絶対値|Γ|が0.406の場合に対するキャパシタンス補正量Cm(237pF)、及びインダクタンス補正量Lm(244nH)を特定する。そして、制御値出力部32は、これらの値を図12(b)に示した第2形式の整合回路26にセットする。このとき、整合回路選択部28は、スイッチ部30を制御することにより、第2形式の整合回路26が送信回路1と送信アンテナ4との間に電気的に接続されるようにする。   Here, a specific example of a method of setting the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm using FIG. 17 will be described. Here, a case where the coupling coefficient k between the transmission antenna 4 and the reception antenna is 0.04 will be described as an example. In this case, the input impedance Zin when viewing the transmission antenna 4 from the transmission circuit 1 side is “Zin = 21.1 + j0.62Ω” on the input impedance locus Tr. The absolute value of the reflection coefficient | Γ | at this time is 0.406. This value is calculated by the reflection coefficient calculation unit 22 using the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr, which are two outputs from the traveling wave / reflected wave extraction unit 21, and is input to the storage unit. The control value output unit 32 receives a capacitance correction amount Cm (237 pF) for the case where the reflection coefficient absolute value | Γ | is 0.406 from the second storage unit 27 corresponding to FIGS. An inductance correction amount Lm (244 nH) is specified. Then, the control value output unit 32 sets these values in the matching circuit 26 of the second format shown in FIG. At this time, the matching circuit selection unit 28 controls the switch unit 30 so that the second type matching circuit 26 is electrically connected between the transmission circuit 1 and the transmission antenna 4.

[量子化テーブルの作成方法]
次に、図15、図17に示すグラフから実際に記憶部としてインピーダンス整合装置2が記憶する量子化テーブルを作成する方法について具体的に説明する。
[How to create a quantization table]
Next, a method of creating a quantization table that is actually stored in the impedance matching device 2 as a storage unit from the graphs shown in FIGS. 15 and 17 will be specifically described.

図15及び図17に示した各制御値Tcを示すグラフは、連続値となっている。しかし、現実的には、インピーダンス整合装置2は、これらのグラフを、アプリケーションで必要なサイズとなるように量子化をしたテーブルを保持する必要がある。ここで、「量子化」とは、ある範囲の反射係数絶対値|Γ|に対して同じインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正値Cmが使用される反射係数絶対値|Γ|の範囲(値域)を区切ること、及び、区切られた反射係数絶対値|Γ|の各値域で使用するインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正値Cmの代表値(「量子化代表値」とも呼ぶ。)を決めることを指す。以後では、上述の反射係数絶対値|Γ|の範囲(値域)の境界を「量子化境界」と呼ぶ。量子化は反復処理を用いて実行される。概略的には、量子化は、量子化境界付近においても反射係数絶対値|Γ|が予め設定された閾値|Γ|thr以下となるように、量子化境界と量子化代表値を交互に求めることで実行される。   The graphs showing the control values Tc shown in FIGS. 15 and 17 are continuous values. However, in reality, the impedance matching device 2 needs to hold a table obtained by quantizing these graphs so as to have a size necessary for an application. Here, “quantization” means the range (value range) of the reflection coefficient absolute value | Γ | in which the same inductance correction amount Lm and capacitance correction value Cm are used for a certain range of reflection coefficient absolute value | Γ |. Determining and determining representative values (also referred to as “quantized representative values”) of the inductance correction amount Lm and the capacitance correction value Cm used in each value range of the divided reflection coefficient absolute value | Γ |. Hereinafter, the boundary of the range (value range) of the above-described reflection coefficient absolute value | Γ | is referred to as “quantization boundary”. Quantization is performed using iterative processing. Schematically, in the quantization, the quantization boundary and the quantization representative value are alternately obtained so that the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to or less than a preset threshold value | Γ | thr even in the vicinity of the quantization boundary. To be executed.

ここで、制御値Tcの量子化処理の入力として、反射係数絶対値|Γ|に対応した連続量と見なせる程度に精度が高いキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmからなるテーブルを考える。このテーブルは元々、結合係数kを変化させることによって得られた入力インピーダンス軌跡Tr上で求められたものであり、テーブルの各行には対応する結合係数kが存在する。この結合係数kを変えることで入力インピーダンス軌跡Tr上を移動させるようにする。   Here, as an input for the quantization processing of the control value Tc, consider a table composed of a capacitance correction amount Cm and an inductance correction amount Lm that are so accurate that they can be regarded as a continuous amount corresponding to the reflection coefficient absolute value | Γ |. This table is originally obtained on the input impedance trajectory Tr obtained by changing the coupling coefficient k, and a corresponding coupling coefficient k exists in each row of the table. By changing the coupling coefficient k, the input impedance trajectory Tr is moved.

進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが同相の場合に参照されるテーブル(第1の記憶部25)の生成時では結合係数kを微増させ、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが逆相の場合に参照されるテーブル(第2の記憶部27)の生成時では結合係数kを微減して整合状態を故意に悪化させ、反射係数絶対値|Γ|の増加状況を観測する。そして、反射係数絶対値|Γ|が予め設定された所定の閾値|Γ|thrを超えたかどうかを判断基準として、量子化境界と量子化代表値の設定を交互に行う。   When generating the table (first storage unit 25) referred to when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in phase, the coupling coefficient k is slightly increased, and the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are in opposite phases. At the time of generating the table (second storage unit 27) to be referred to in this case, the coupling coefficient k is slightly reduced to intentionally deteriorate the matching state, and the increase state of the reflection coefficient absolute value | Γ | is observed. Then, the quantization boundary and the quantization representative value are alternately set based on whether or not the reflection coefficient absolute value | Γ | exceeds a predetermined threshold value | Γ | thr.

以下に具体的な処理手順を示す手順1〜手順11を述べる。なお、以下では、「結合係数kを更新する」とは、第1の記憶部25を生成する場合には、結合係数kに所定値だけ加算することを指し、第2の記憶部27を生成する場合には、結合係数kに所定値だけ減算することを指す。
(1)初期化
・手順1:スイッチ部30がスルー回路29を選択した状態で整合ポイントとなるように結合係数kを設定する。キャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmをそれぞれ0に設定する。以下を反復処理する。
(2)量子化境界を求める処理
・手順2:現在の結合係数kにおける入力インピーダンスを計算する。
Procedures 1 to 11 showing specific processing procedures will be described below. In the following, “updating the coupling coefficient k” refers to adding a predetermined value to the coupling coefficient k when generating the first storage unit 25, and generating the second storage unit 27. In this case, it means to subtract a predetermined value from the coupling coefficient k.
(1) Initialization Procedure 1: The coupling coefficient k is set so that it becomes a matching point in a state where the switch unit 30 selects the through circuit 29. The capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm are set to 0, respectively. Iterate the following:
(2) Processing for obtaining quantization boundary Procedure 2: Calculate the input impedance at the current coupling coefficient k.

・手順3:手順2で求めた入力インピーダンスに整合回路(Cm、Lmの初期値は0)を追加した場合のインピーダンス値を計算する。   Procedure 3: Calculate an impedance value when a matching circuit (the initial values of Cm and Lm are 0) is added to the input impedance obtained in Procedure 2.

・手順4:手順3で求めたインピーダンス値から反射係数絶対値|Γ|を算出する。   Procedure 4: The reflection coefficient absolute value | Γ | is calculated from the impedance value obtained in Procedure 3.

・手順5:反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thrを超えたか調べる。超えていない場合は、結合係数kを更新して手順2に戻る。超えている場合は、現在の結合係数k及びこれに対応する反射係数絶対値|Γ|を量子化境界として保存して手順6に進む。
(3)量子化代表値を求める処理
・手順6:結合係数kを直前に手順2〜5で求められた量子化境界の値に設定する。また、このときの入力インピーダンスを計算する。
Procedure 5: Check whether the reflection coefficient absolute value | Γ | exceeds a threshold value | Γ | thr. If not, the coupling coefficient k is updated and the procedure returns to step 2. If exceeded, the current coupling coefficient k and the corresponding reflection coefficient absolute value | Γ | are stored as quantization boundaries, and the process proceeds to step 6.
(3) Processing for obtaining quantized representative value Procedure 6: The coupling coefficient k is set to the value of the quantization boundary obtained in the procedures 2 to 5 immediately before. Also, the input impedance at this time is calculated.

・手順7:結合係数kを更新し、その値に対応するキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmをセットする。   Procedure 7: The coupling coefficient k is updated, and the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm corresponding to the values are set.

・手順8:手順6で求めた入力インピーダンスに手順7でセットしたキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmを追加したときのインピーダンス値を計算する。   Step 8: Calculate the impedance value when the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm set in step 7 are added to the input impedance obtained in step 6.

・手順9:手順8で求めたインピーダンス値から反射係数絶対値|Γ|を算出する。   Procedure 9: Calculate the reflection coefficient absolute value | Γ | from the impedance value obtained in Procedure 8.

・手順10:反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thrを超えたか否か調べる。超えていない場合は、結合係数kを更新して手順7に戻る。超えている場合は、現在の結合係数k及び現在のキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmを量子化代表値として保存する。終了確認処理(手順11)に進む。
(4)終了確認処理
・手順11:結合係数kが予め定められた所定の終了値に達していたら全ての処理を終了する。まだ達していない場合は、再び手順2に戻って反復処理を行う。
Procedure 10: Check whether the reflection coefficient absolute value | Γ | exceeds a threshold value | Γ | thr. If not, the coupling coefficient k is updated and the procedure returns to step 7. If it exceeds, the current coupling coefficient k, the current capacitance correction amount Cm, and the inductance correction amount Lm are stored as quantized representative values. Proceed to the end confirmation process (procedure 11).
(4) Completion confirmation process Procedure 11: If the coupling coefficient k has reached a predetermined end value, all processes are terminated. If it has not yet reached, the process returns to step 2 again to perform iterative processing.

次に、上述の手順1〜手順11によって生成された第1の記憶部25に記憶するテーブルの具体例について説明する。なお、以後では、閾値|Γ|thrは0.0707に設定される。この場合、量子化境界での反射による損失(|Γ|に相当する。)は、0.5%である。Next, a specific example of a table stored in the first storage unit 25 generated by the above-described procedure 1 to procedure 11 will be described. Hereinafter, the threshold value | Γ | thr is set to 0.0707. In this case, the loss due to reflection at the quantization boundary (corresponding to | Γ | 2 ) is 0.5%.

図18(a)は、量子化前のキャパシタンス補正量Cmの推移を示すグラフ「Gcm1」、及び、量子化後のキャパシタンス補正量Cmの推移を示すグラフ「Qcm1」を示す。また、図18(b)は、量子化前のインダクタンス補正量Lmの推移を示すグラフ「Glm1」、及び、量子化後のインダクタンス補正量Lmの推移を示すグラフ「Qlm1」を示す。図18(a)、(b)に示すように、キャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmは、反射係数絶対値|Γ|が大きくなるほど、これらの量子化間隔(即ち、量子化境界の間隔)が小さくように量子化されている。   FIG. 18A shows a graph “Gcm1” showing the transition of the capacitance correction amount Cm before quantization and a graph “Qcm1” showing the transition of the capacitance correction amount Cm after quantization. FIG. 18B shows a graph “Glm1” indicating the transition of the inductance correction amount Lm before quantization and a graph “Qlm1” indicating the transition of the inductance correction amount Lm after quantization. As shown in FIGS. 18A and 18B, the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm are such that the larger the reflection coefficient absolute value | Γ |, the greater the quantization interval (that is, the quantization boundary interval). Quantized to be small.

図19は、実際に第1の記憶部25に保持されるテーブルの一例を示す。図19に示すテーブルでは、行ごとに反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の下限値と、結合係数kの量子化境界の下限値と、キャパシタンス補正量Cmと、インダクタンス補正量Lmとが対応づけられている。また、反射係数絶対値|Γ|の各値域には、インデックスIdxが「0」から「12」まで割当てられている。ここで、反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の上限値、及び、結合係数kの量子化境界の上限値は、1だけ小さいインデックスに対応する反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の下限値、及び、結合係数kの量子化境界の下限値に基づき定められる。なお、第1の記憶部25は、必ずしも結合係数kの値を記憶しなくともよい。   FIG. 19 shows an example of a table that is actually held in the first storage unit 25. In the table shown in FIG. 19, the lower limit value of the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ |, the lower limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k, the capacitance correction amount Cm, and the inductance correction amount Lm for each row. It is associated. Also, an index Idx from “0” to “12” is assigned to each value range of the reflection coefficient absolute value | Γ |. Here, the upper limit value of the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ | and the upper limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k are the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ | corresponding to an index smaller by one. And the lower limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k. In addition, the 1st memory | storage part 25 does not necessarily need to memorize | store the value of the coupling coefficient k.

次に、上述の手順1〜手順11によって生成された第2の記憶部27の具体例について説明する。   Next, a specific example of the second storage unit 27 generated by the above-described procedure 1 to procedure 11 will be described.

図20(a)は、量子化前のインダクタンス補正量Lmの推移を示すグラフ「Glm2」、及び、量子化後のインダクタンス補正量Lmの推移を示すグラフ「Qlm2」を示す。また、図20(b)は、量子化前のキャパシタンス補正量Cmの推移を示すグラフ「Gcm2」、及び、量子化後のキャパシタンス補正量Cmの推移を示すグラフ「Qcm2」を示す。図20(a)、(b)に示すように、キャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmは、反射係数絶対値|Γ|が大きくなるほど、これらの量子化間隔が小さくように量子化されている。   FIG. 20A shows a graph “Glm2” indicating the transition of the inductance correction amount Lm before quantization and a graph “Qlm2” indicating the transition of the inductance correction amount Lm after quantization. FIG. 20B shows a graph “Gcm2” showing the transition of the capacitance correction amount Cm before quantization and a graph “Qcm2” showing the transition of the capacitance correction amount Cm after quantization. As shown in FIGS. 20A and 20B, the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm are quantized so that the quantization interval decreases as the reflection coefficient absolute value | Γ | increases. .

図21は、実際に第2の記憶部27としてインピーダンス整合装置2に保持されるテーブルの一例を示す。図21に示すテーブルでは、行ごとに反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の下限値と、結合係数kの量子化境界の下限値と、キャパシタンス補正量Cmと、インダクタンス補正量Lmとが対応づけられている。また、反射係数絶対値|Γ|の各値域には、インデックスIdxが「0」から「11」まで割当てられている。ここで、反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の上限値、及び、結合係数kの量子化境界の上限値は、1だけ小さいインデックスに対応する反射係数絶対値|Γ|の量子化境界の下限値、及び、結合係数kの量子化境界の下限値に基づき定められる。なお、第2の記憶部27は、必ずしも結合係数kの値を記憶しなくともよい。   FIG. 21 shows an example of a table actually held in the impedance matching device 2 as the second storage unit 27. In the table shown in FIG. 21, the lower limit value of the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ |, the lower limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k, the capacitance correction amount Cm, and the inductance correction amount Lm for each row. It is associated. Also, an index Idx from “0” to “11” is assigned to each value range of the reflection coefficient absolute value | Γ |. Here, the upper limit value of the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ | and the upper limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k are the quantization boundary of the reflection coefficient absolute value | Γ | corresponding to an index smaller by one. And the lower limit value of the quantization boundary of the coupling coefficient k. Note that the second storage unit 27 does not necessarily store the value of the coupling coefficient k.

[処理フロー]
次に、第1実施形態における処理手順について説明する。図22は、第1実施形態においてインピーダンス整合装置2が実行する処理手順を示すフローチャートである。インピーダンス整合装置2は、図22に示す処理を、所定のタイミングで実行する。
[Processing flow]
Next, a processing procedure in the first embodiment will be described. FIG. 22 is a flowchart showing a processing procedure executed by the impedance matching device 2 in the first embodiment. The impedance matching device 2 executes the process shown in FIG. 22 at a predetermined timing.

まず、整合回路選択部28は、スイッチ部30をスルー回路29に設定する(ステップS101)。そして、進行波・反射波抽出部21は、進行波電圧Vf及び反射波電圧Vrの各々の大きさを計測する(ステップS102)。そして、反射係数算出部22は、反射係数絶対値|Γ|を算出する(ステップS103)。具体的には、反射係数算出部22は、式(1)を参照し、進行波電圧Vf及び反射波電圧Vrに基づき算出する。   First, the matching circuit selection unit 28 sets the switch unit 30 to the through circuit 29 (step S101). Then, the traveling wave / reflected wave extraction unit 21 measures the magnitudes of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr (step S102). Then, the reflection coefficient calculation unit 22 calculates the reflection coefficient absolute value | Γ | (step S103). Specifically, the reflection coefficient calculation unit 22 refers to Equation (1) and calculates based on the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr.

次に、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thr以下か否か判定する(ステップS104)。これにより、整合回路選択部28は、インピーダンスの整合を行う必要があるか否か判定する。そして、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thr以下の場合(ステップS104;Yes)、インピーダンスの整合を行う必要がないと判断し、スイッチ部30の設定を変更しない。一方、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thrより大きい場合(ステップS104;No)、インピーダンスの整合を行う必要があると判断し、ステップS105へ処理を進める。   Next, the matching circuit selection unit 28 determines whether or not the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to or less than the threshold value | Γ | thr (step S104). Thereby, the matching circuit selection unit 28 determines whether or not it is necessary to perform impedance matching. Then, when the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to or smaller than the threshold value | Γ | thr (step S104; Yes), the matching circuit selection unit 28 determines that it is not necessary to perform impedance matching, and sets the switch unit 30. It does not change. On the other hand, when the reflection coefficient absolute value | Γ | is larger than the threshold value | Γ | thr (step S104; No), the matching circuit selection unit 28 determines that impedance matching needs to be performed, and proceeds to step S105. .

次に、位相判定部23は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrの位相判定を行う(ステップS105)。具体的には、位相判定部23は、これらの電圧が同相に近いか又は逆相に近いか判定する。そして、位相判定部23は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが同相に近いと判断した場合(ステップS106;Yes)、記憶部選択部31は、第1の記憶部25を選択する(ステップS107)。そして、記憶部選択部31は、反射係数絶対値|Γ|に対応した制御値Tcの読み出しを行う(ステップS108)。そして、制御値出力部32は、第1形式の整合回路24に制御値Tcを設定する(ステップS109)。そして、整合回路選択部28は、スイッチ部30を第1形式の整合回路24に設定する(ステップS110)。   Next, the phase determination unit 23 determines the phase of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr (step S105). Specifically, the phase determination unit 23 determines whether these voltages are close to the same phase or close to the opposite phase. Then, when the phase determination unit 23 determines that the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are close to the same phase (Step S106; Yes), the storage unit selection unit 31 selects the first storage unit 25 (Step S106). S107). Then, the storage unit selection unit 31 reads the control value Tc corresponding to the reflection coefficient absolute value | Γ | (step S108). Then, the control value output unit 32 sets the control value Tc in the first format matching circuit 24 (step S109). The matching circuit selection unit 28 sets the switch unit 30 to the first type matching circuit 24 (step S110).

一方、位相判定部23は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが同相に近くない、即ち逆相に近いと判断した場合(ステップS106;No)、記憶部選択部31は、第2の記憶部27を選択する(ステップS111)。そして、記憶部選択部31は、反射係数絶対値|Γ|に対応した制御値Tcの読み出しを行う(ステップS112)。そして、制御値出力部32は、第2形式の整合回路26に制御値Tcを設定する(ステップS113)。そして、整合回路選択部28は、スイッチ部30を第2形式の整合回路26に設定する(ステップS114)。   On the other hand, when the phase determination unit 23 determines that the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are not close to the same phase, that is, close to the opposite phase (step S106; No), the storage unit selection unit 31 stores the second storage The unit 27 is selected (step S111). Then, the storage unit selection unit 31 reads out the control value Tc corresponding to the reflection coefficient absolute value | Γ | (step S112). Then, the control value output unit 32 sets the control value Tc in the second-type matching circuit 26 (step S113). Then, the matching circuit selection unit 28 sets the switch unit 30 to the second type matching circuit 26 (step S114).

[効果]
次に、第1実施形態における効果について図23を参照して具体的に説明する。
[effect]
Next, the effect in 1st Embodiment is demonstrated concretely with reference to FIG.

図23は、本実施形態の手順に従って作成された第1の記憶部25及び第2の記憶部27を使用して、インピーダンス整合装置2が図22に示す処理手順に従いインピーダンスの整合処理を実施した場合の伝送効率改善の結果を示す。ここで、図23(a)、(b)中のグラフ「Gbf」は、インピーダンスの整合を行わなかった場合の伝送効率と周波数との関係を示し、グラフ「Gaf」は、本実施形態に基づきインピーダンスの整合を行った場合の伝送効率と周波数との関係を示す。   FIG. 23 shows that the impedance matching device 2 performs impedance matching processing according to the processing procedure shown in FIG. 22 using the first storage unit 25 and the second storage unit 27 created according to the procedure of this embodiment. The result of the transmission efficiency improvement is shown. Here, the graph “Gbf” in FIGS. 23A and 23B shows the relationship between the transmission efficiency and the frequency when impedance matching is not performed, and the graph “Gaf” is based on this embodiment. The relationship between transmission efficiency and frequency when impedance matching is performed is shown.

ここで、図23(a)は、比較的結合が強い状態(結合係数kが0.1)の場合における伝送効率改善の例を示す。この場合、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相になるため、インピーダンス整合装置2は、第1の記憶部25及び第1形式の整合回路24を選択する。また、反射係数絶対値|Γ|は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrの大きさを測定した結果、0.44と計算される。その値に対応するキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmは、第1の記憶部25に相当する図15のマップに基づき、それぞれ92pF、633nHと特定される。第1形式の整合回路24は、これらの値を制御値Tcとして設定されている。図23(a)に示すように、駆動周波数(15.7MHz)において、整合を行う前の伝送効率は、79%であったのに対し、インピーダンスの整合後の伝送効率は、98%程度まで改善している。   Here, FIG. 23A shows an example of transmission efficiency improvement in the case where the coupling is relatively strong (coupling coefficient k is 0.1). In this case, since the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase, the impedance matching device 2 selects the first storage unit 25 and the first type matching circuit 24. The reflection coefficient absolute value | Γ | is calculated as 0.44 as a result of measuring the magnitudes of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr. The capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm corresponding to the values are specified as 92 pF and 633 nH, respectively, based on the map of FIG. 15 corresponding to the first storage unit 25. In the first type matching circuit 24, these values are set as the control value Tc. As shown in FIG. 23A, the transmission efficiency before matching is 79% at the drive frequency (15.7 MHz), whereas the transmission efficiency after impedance matching is up to about 98%. It has improved.

図23(b)は、比較的結合が弱い状態(結合係数k=0.04)の場合における伝送効率改善の例を示す。この場合、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ逆相になるため、インピーダンス整合装置2は、第2の記憶部27及び第2形式の整合回路26を選択する。反射係数絶対値|Γ|は、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrの大きさを測定した結果、0.41と計算される。その値に対応するインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmは、第2の記憶部27に相当する図17のマップに基づき、それぞれ244nH、237pFと特定される。第2形式の整合回路26は、これらの値を制御値Tcとして設定されている。図23(b)に示すように、駆動周波数(15.7MHz)において、整合を行う前の伝送効率は、79%であったのに対し、インピーダンスの整合後の伝送効率は、95%程度まで改善している。   FIG. 23B shows an example of transmission efficiency improvement in the case where the coupling is relatively weak (coupling coefficient k = 0.04). In this case, since the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in reverse phase, the impedance matching device 2 selects the second storage unit 27 and the second type matching circuit 26. The reflection coefficient absolute value | Γ | is calculated as 0.41 as a result of measuring the magnitudes of the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr. The inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm corresponding to the values are specified as 244 nH and 237 pF, respectively, based on the map of FIG. 17 corresponding to the second storage unit 27. In the second-type matching circuit 26, these values are set as the control value Tc. As shown in FIG. 23B, the transmission efficiency before matching is 79% at the drive frequency (15.7 MHz), whereas the transmission efficiency after impedance matching is up to about 95%. It has improved.

以上記したように、第1実施形態のインピーダンス整合装置2は、電磁界共振結合方式特有のギャップGpの変化時における入力インピーダンス軌跡Trに基づいて整合回路用の制御値Tcを求め、それを記憶部に格納したため、従来の一般的なインピーダンス整合回路に比べて記憶部として必要なメモリサイズを大幅に低減することが出来る。即ち、インピーダンス整合装置2は、記憶部から制御値Tcを読出す際の参照値となる反射係数絶対値|Γ|に対応させて、一次元的に「N1」通りの制御値Tcを記憶していればよい。従来の装置は、例えば、考え得る全てのインピーダンス点についてテーブル値として記憶するようにしたものがある。その場合、従来の装置は、仮に抵抗値Rに対応して「N1」通り、位相分に対応してN2通りの制御値をそれぞれ用意すると、全体では(N1×N2)通りの二次元的なメモリが必要となる。従って、「N1」が本発明と同じ値であるとすると、その従来の装置は、本実施形態に係るインピーダンス整合装置2に比べてN2倍のメモリが必要ということになる。   As described above, the impedance matching device 2 of the first embodiment obtains the control value Tc for the matching circuit based on the input impedance locus Tr when the gap Gp unique to the electromagnetic resonance coupling method changes, and stores it. Therefore, the memory size required for the storage unit can be greatly reduced as compared with the conventional general impedance matching circuit. In other words, the impedance matching device 2 stores the control values Tc in one dimension in a one-dimensional manner in correspondence with the reflection coefficient absolute value | Γ |, which is a reference value when reading the control value Tc from the storage unit. It only has to be. Some conventional apparatuses store, for example, all possible impedance points as table values. In this case, if the conventional apparatus prepares “N1” control values corresponding to the resistance value R and N2 control values corresponding to the phase component, respectively, a total of (N1 × N2) two-dimensional control values. Memory is required. Therefore, if “N1” is the same value as in the present invention, the conventional device requires N2 times as many memories as the impedance matching device 2 according to the present embodiment.

また、インピーダンス整合装置2は、従来の整合装置で適正な整合動作を行うために必要であった位相成分の値を求める必要がない。インピーダンス整合装置2は、単に、進行波電圧Vfと反射波電圧Vrが単に同相か又は逆相かを判定するだけでよい。これにより、インピーダンス整合装置2は、位相に関連する処理の回路が簡単化される。   Further, the impedance matching device 2 does not need to obtain the value of the phase component that is necessary for performing a proper matching operation with the conventional matching device. The impedance matching device 2 simply needs to determine whether the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are simply in phase or out of phase. As a result, the impedance matching device 2 simplifies the processing circuit related to the phase.

さらに、インピーダンス整合装置2は、第1形式の整合回路24及び第1の記憶部25と第2形式の整合回路26及び第2の記憶部27のどちらを使用するかを、この位相判定結果Jrを用いて選択することが出来る。また、インピーダンス整合装置2は、選択した記憶部からの整合回路用の制御値Tcの読出しを、反射係数絶対値|Γ|のみに基づいて行うことが出来る。従って、インピーダンス整合装置2は、その値を更に抵抗に変換するという類の追加処理が不要である。   Further, the impedance matching device 2 determines which one of the first type matching circuit 24 and the first storage unit 25 and the second type matching circuit 26 and the second storage unit 27 is to be used. Can be selected. Further, the impedance matching device 2 can read the control value Tc for the matching circuit from the selected storage unit based only on the reflection coefficient absolute value | Γ |. Therefore, the impedance matching device 2 does not require an additional process of converting the value into a resistance.

また、インピーダンス整合装置2は、インピーダンスの整合処理に関して、単に整合に必要なインダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmに相当する制御値Tcを選択された記憶部から読出し、選択された整合回路に対して設定するだけである。従って、インピーダンス整合装置2は、一回の検出動作で整合を終了させることが出来る。また、インピーダンス整合装置2は、インピーダンスの整合状態を達成するために必要な時間を大幅に短縮することが出来る。   Further, the impedance matching device 2 simply reads out the control value Tc corresponding to the inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm necessary for the matching from the selected storage unit and performs the impedance matching processing on the selected matching circuit. Just set it. Therefore, the impedance matching device 2 can finish matching by one detection operation. In addition, the impedance matching device 2 can significantly reduce the time required to achieve the impedance matching state.

<第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1形式の整合回路24と、第2形式の整合回路26とが1の統合された整合回路により実現されている点で、第1実施形態と異なる。以下、第1実施形態と同様の部分については、適宜その説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in that the first type matching circuit 24 and the second type matching circuit 26 are realized by one integrated matching circuit. Hereinafter, the description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted as appropriate.

図24は、第2実施形態に係る送信システム100Aの概略構成図の一例である。送信システム100Aは、送信回路1と、インピーダンス整合装置2Aと、送信アンテナ4と、を備える。   FIG. 24 is an example of a schematic configuration diagram of a transmission system 100A according to the second embodiment. The transmission system 100A includes a transmission circuit 1, an impedance matching device 2A, and a transmission antenna 4.

インピーダンス整合装置2Aは、第1実施形態における第1形式の整合回路24及び第2形式の整合回路26が統合された整合回路24Aを備える。整合回路24Aは、スイッチ部30Yの切り替えにより、第1形式の整合回路24としての機能と、第2形式の整合回路26としての機能とが切り替わる。整合回路24Aは、第1形式の整合回路24及び第2形式の整合回路26で使用される可変インダクタ要素240、260の制御範囲、即ちこれらに設定され得るインダクタンス補正量Lmが全て設定可能な1の可変インダクタ要素を備える。また、整合回路24Aは、第1形式の整合回路24及び第2形式の整合回路26で使用される可変キャパシタ要素241、261の制御範囲、即ちこれらに設定され得るキャパシタンス補正量Cmが全て設定可能な1の可変キャパシタ要素を備える。   The impedance matching device 2A includes a matching circuit 24A in which the first-type matching circuit 24 and the second-type matching circuit 26 in the first embodiment are integrated. In the matching circuit 24A, the function as the first type matching circuit 24 and the function as the second type matching circuit 26 are switched by switching the switch unit 30Y. In the matching circuit 24A, the control ranges of the variable inductor elements 240 and 260 used in the first type matching circuit 24 and the second type matching circuit 26, that is, the inductance correction amount Lm that can be set to these are all settable 1 Variable inductor elements. Further, the matching circuit 24A can set all the control ranges of the variable capacitor elements 241 and 261 used in the first type matching circuit 24 and the second type matching circuit 26, that is, the capacitance correction amount Cm that can be set therein. 1 variable capacitor element.

また、インピーダンス整合装置2Aは、スルー回路29と整合回路24Aとを選択可能なスイッチ部30Xと、整合回路24Aがスイッチ部30Xにより選択された場合に第1形式の整合回路24の構成と第2形式の整合回路26の構成とを切換えるスイッチ部30Yと、を備える。そして、整合回路選択部28は、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thr以下の場合、スイッチ部30Xをスルー回路29に選択すると共に、反射係数絶対値|Γ|が閾値|Γ|thrより大きい場合、スイッチ部30Xを整合回路24Aに選択する。また、整合回路選択部28は、位相判定結果Jrに基づき進行波電圧Vfと反射波電圧Vrがほぼ同相の場合、整合回路24Aを第1形式の整合回路24として機能させるようにスイッチ部30Yを切り替え、ほぼ逆相の場合、整合回路24Aを第2形式の整合回路26として機能させるようにスイッチ部30Yを切り替える。   In addition, the impedance matching device 2A includes a switch unit 30X that can select the through circuit 29 and the matching circuit 24A, and the configuration and second configuration of the first type matching circuit 24 when the matching circuit 24A is selected by the switch unit 30X. And a switch unit 30Y for switching the configuration of the matching circuit 26 of the type. When the reflection coefficient absolute value | Γ | is equal to or smaller than the threshold value | Γ | thr, the matching circuit selection unit 28 selects the switch unit 30X as the through circuit 29 and the reflection coefficient absolute value | Γ | is the threshold value | Γ | If it is greater than thr, the switch unit 30X is selected as the matching circuit 24A. In addition, the matching circuit selection unit 28 sets the switch unit 30Y to function the matching circuit 24A as the first type matching circuit 24 when the traveling wave voltage Vf and the reflected wave voltage Vr are substantially in phase based on the phase determination result Jr. In the case of switching and approximately in reverse phase, the switch unit 30Y is switched so that the matching circuit 24A functions as the matching circuit 26 of the second type.

以上のように、第2実施形態によっても、好適に本発明を実施することができる。   As described above, the present invention can be suitably implemented also in the second embodiment.

<変形例>
次に、第1実施形態及び第2実施形態に好適な変形例について説明する。以下に説明する変形例は、任意に組み合わせて、上述の第1実施形態及び第2実施形態に適用してもよい。
<Modification>
Next, modified examples suitable for the first embodiment and the second embodiment will be described. The modifications described below may be applied to the first embodiment and the second embodiment described above in any combination.

(変形例1)
第1実施形態では、インピーダンス整合装置2は、反射係数絶対値|Γ|に基づき、図19、図21などのテーブルを参照して、制御値Tcを特定した。しかし、本発明が適用可能な構成は、これに限定されない。これに代えて、インピーダンス整合装置2は、反射係数絶対値|Γ|に相当する値(以後、「反射係数絶対値相当値」とも呼ぶ。)に基づき、制御値Tcを特定してもよい。ここで、反射係数絶対値相当値は、反射係数絶対値|Γ|の他、インピーダンス値の絶対値など反射係数絶対値|Γ|と一意の関係にある値、その他相関のある値が該当する。
(Modification 1)
In the first embodiment, the impedance matching device 2 specifies the control value Tc based on the reflection coefficient absolute value | Γ | with reference to tables such as FIGS. However, the configuration to which the present invention is applicable is not limited to this. Instead, the impedance matching device 2 may specify the control value Tc based on a value corresponding to the reflection coefficient absolute value | Γ | (hereinafter also referred to as “reflection coefficient absolute value equivalent value”). Here, the reflection coefficient absolute value equivalent value includes a reflection coefficient absolute value | Γ |, a value that is uniquely related to the reflection coefficient absolute value | Γ |, such as an absolute value of an impedance value, and other correlated values. .

ここで、インピーダンス値の絶対値に基づき制御値Tcを特定する場合について説明する。この場合、インピーダンス整合装置2は、正規化インピーダンス(第1実施形態では、50Ω)より大きいインピーダンス値の絶対値と、制御値Tcとのテーブルを第1の記憶部25に記憶すると共に、正規化インピーダンスより小さいインピーダンス値の絶対値と、制御値Tcとのテーブルを第2の記憶部27に記憶する。第1の記憶部25、第2の記憶部27に記憶する具体的な値は、例えば第1実施形態と同様、計算又は実験により予め設定される。そして、インピーダンス整合装置2は、インピーダンスの整合を実行する際、現在のインピーダンス値の絶対値を算出すると共に、位相判定結果Jrに基づき使用する記憶部を特定する。次に、インピーダンス整合装置2は、インピーダンス値の絶対値に基づき、特定した記憶部から制御値Tcを特定する。これによっても、インピーダンス整合装置2は、好適にインピーダンス整合を実行することができる。   Here, a case where the control value Tc is specified based on the absolute value of the impedance value will be described. In this case, the impedance matching device 2 stores the table of the absolute value of the impedance value larger than the normalized impedance (50Ω in the first embodiment) and the control value Tc in the first storage unit 25, and also normalizes it. A table of the absolute value of the impedance value smaller than the impedance and the control value Tc is stored in the second storage unit 27. Specific values stored in the first storage unit 25 and the second storage unit 27 are set in advance by calculation or experiment, for example, as in the first embodiment. When the impedance matching device 2 executes impedance matching, the impedance matching device 2 calculates an absolute value of the current impedance value and specifies a storage unit to be used based on the phase determination result Jr. Next, the impedance matching device 2 specifies the control value Tc from the specified storage unit based on the absolute value of the impedance value. Also by this, the impedance matching apparatus 2 can suitably perform impedance matching.

(変形例2)
第1実施形態では、送信アンテナ4及び受信アンテナは、直並列型等価回路によってモデル化された。これに代えて、送信アンテナ4及び受信アンテナは、直並列型等価回路をより簡略化した等価回路である直列共振等価回路によってモデル化されてもよい。また、入力インピーダンス軌跡Trは、送受信アンテナを実際に対向させて実験により測定されて導出されてもよい。
(Modification 2)
In the first embodiment, the transmission antenna 4 and the reception antenna are modeled by a series-parallel equivalent circuit. Instead, the transmitting antenna 4 and the receiving antenna may be modeled by a series resonance equivalent circuit that is an equivalent circuit obtained by simplifying the series-parallel type equivalent circuit. Further, the input impedance trajectory Tr may be derived by being measured by experiments with the transmitting and receiving antennas actually facing each other.

(変形例3)
本発明に適用可能な整合回路の構成は、図1又は図24に示す構成に限定されない。これについて、図26を参照して説明する。
(Modification 3)
The configuration of the matching circuit applicable to the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1 or FIG. This will be described with reference to FIG.

図26(a)は、第1形式の整合回路24と第2形式の整合回路26とで可変インダクタ要素のみを共用する形態の整合回路を示す。図26(a)に示す整合回路は、スイッチ部の切り替えにより、第1形式の整合回路24として機能することが可能であり、第2形式の整合回路26として機能することも可能である。同様に、整合回路は、第1形式の整合回路24と第2形式の整合回路26とで可変キャパシタ要素のみを共用する形態であってもよい。   FIG. 26A shows a matching circuit in which the first type matching circuit 24 and the second type matching circuit 26 share only the variable inductor element. The matching circuit shown in FIG. 26A can function as the first-type matching circuit 24 by switching the switch unit, and can also function as the second-type matching circuit 26. Similarly, the matching circuit may be configured so that only the variable capacitor element is shared by the first type matching circuit 24 and the second type matching circuit 26.

図26(b)は、可変インダクタの代わりに固定インダクタと可変キャパシタを用いる整合回路の回路図を示す。図26(b)に示す整合回路は、スイッチ部の切り替えにより、第1形式の整合回路24として機能することが可能であり、第2形式の整合回路26として機能することも可能である。そして、図26(b)の固定インダクタと可変キャパシタは、本発明における「可変インダクタ要素」の一例である。このように、図26(a)、(b)に示す整合回路によっても、本発明を好適に実施することができる。
(変形例4)
第1実施形態では、制御値Tcは、インダクタンス補正量Lm及びキャパシタンス補正量Cmであった。しかし、本発明が適用可能な制御値Tcはこれに限定されない。
FIG. 26B shows a circuit diagram of a matching circuit using a fixed inductor and a variable capacitor instead of the variable inductor. The matching circuit shown in FIG. 26B can function as the first-type matching circuit 24 by switching the switch unit, and can also function as the second-type matching circuit 26. The fixed inductor and the variable capacitor in FIG. 26B are examples of the “variable inductor element” in the present invention. As described above, the present invention can be preferably implemented also by the matching circuit shown in FIGS.
(Modification 4)
In the first embodiment, the control value Tc is the inductance correction amount Lm and the capacitance correction amount Cm. However, the control value Tc to which the present invention can be applied is not limited to this.

これに代えて、制御値Tcとは、可変キャパシタ要素241、261に加えるキャパシタンス補正量Cmを反映するための制御電圧値、可変インダクタ要素240、260を構成するスイッチ群のオン又はオフに対応したインダクタンス補正量Lmを反映するためのビットパターンであってもよい。従って、この場合、インピーダンス整合装置2は、整合回路を構成する可変インダクタ要素240、260及び可変キャパシタ要素241、261を所定のキャパシタンス及びインダクタンスに設定するためのキャパシタンス補正量Cm及びインダクタンス補正量Lmに相当する制御値Tcを、各反射係数絶対値|Γ|に対応させて、第1及び第2の記憶部25、27に保持しておく。
(変形例5)
第1実施形態では、インピーダンス整合装置2は、第1及び第2形式の整合回路24、26を備え、ギャップGpが近くなる場合(即ち、整合ポイントより送受信アンテナ間の結合が強い場合)及びギャップGpが遠くなる場合(即ち、整合ポイントより送受信アンテナ間の結合が弱い場合)の両方の場合に、インピーダンス整合を実行した。しかし、本発明が適用可能な構成は、これに限定されない。
Instead, the control value Tc corresponds to the control voltage value for reflecting the capacitance correction amount Cm applied to the variable capacitor elements 241 and 261, and the on / off of the switch group constituting the variable inductor elements 240 and 260. It may be a bit pattern for reflecting the inductance correction amount Lm. Accordingly, in this case, the impedance matching device 2 sets the capacitance correction amount Cm and the inductance correction amount Lm for setting the variable inductor elements 240 and 260 and the variable capacitor elements 241 and 261 constituting the matching circuit to predetermined capacitances and inductances. The corresponding control value Tc is stored in the first and second storage units 25 and 27 in correspondence with each reflection coefficient absolute value | Γ |.
(Modification 5)
In the first embodiment, the impedance matching device 2 includes first and second type matching circuits 24 and 26, and the gap Gp is close (that is, the coupling between the transmitting and receiving antennas is stronger than the matching point) and the gap. Impedance matching was performed in both cases where Gp is far away (ie, the coupling between the transmit and receive antennas is weaker than the matching point). However, the configuration to which the present invention is applicable is not limited to this.

これに代えて、インピーダンス整合装置2は、整合ポイントとそのポイントから結合が強くなる方向の範囲でのみギャップGpが変化するような場合、即ち整合ポイントからギャップGpが近くなる方向の範囲内で整合させれば良いような場合には、第1及び第2形式の整合回路24、26のうち、第1形式の整合回路24に相当する整合回路のみ備えてもよい。図27は、ギャップGpが近くなる方向の不整合を整合させる送信システム100Bの概略構成を示す。図27に示すインピーダンス整合装置2Bは、主に、進行波・反射波抽出部21と、反射係数算出部22と、整合回路24と、記憶部25と、整合回路選択部28と、スルー回路29と、スイッチ部30と、制御値出力部32と、を備える。そして、記憶部25は第1実施形態における第1の記憶部25に相当し、整合回路24は第1実施形態における第1形式の整合回路24に相当する。また、可変キャパシタ要素は、可変インダクタ要素よりも送信アンテナ4側に並列に接続されている。   Instead, the impedance matching device 2 performs matching in the case where the gap Gp changes only in the range in which the coupling is strong from the matching point, that is, in the direction in which the gap Gp is close to the matching point. In such a case, only the matching circuit corresponding to the first type matching circuit 24 among the first and second type matching circuits 24 and 26 may be provided. FIG. 27 shows a schematic configuration of a transmission system 100B that matches the mismatch in the direction in which the gap Gp is close. The impedance matching device 2B shown in FIG. 27 mainly includes a traveling wave / reflected wave extraction unit 21, a reflection coefficient calculation unit 22, a matching circuit 24, a storage unit 25, a matching circuit selection unit 28, and a through circuit 29. And a switch unit 30 and a control value output unit 32. The storage unit 25 corresponds to the first storage unit 25 in the first embodiment, and the matching circuit 24 corresponds to the first type matching circuit 24 in the first embodiment. Further, the variable capacitor element is connected in parallel to the transmission antenna 4 side than the variable inductor element.

一方、インピーダンス整合装置2は、整合ポイントとそのポイントから結合が弱くなる方向の範囲でのみギャップGpが変化するような場合、即ち整合ポイントからギャップGpが遠くなる方向の範囲内で整合させれば良いような場合には、第1及び第2形式の整合回路24、26のうち、第2形式の整合回路26に相当する整合回路のみ備えてもよい。図28は、ギャップGpが遠くなる方向の不整合を整合させる送信システム100Cの概略構成を示す。図28に示すインピーダンス整合装置2Cは、主に、進行波・反射波抽出部21と、反射係数算出部22と、整合回路24と、記憶部25と、整合回路選択部28と、スルー回路29と、スイッチ部30と、制御値出力部32と、を備える。そして、記憶部25は第1実施形態における第2の記憶部27に相当し、整合回路24は第1実施形態における第2形式の整合回路26に相当する。また、可変キャパシタ要素は、可変インダクタ要素よりも送信回路1側に並列に接続されている。   On the other hand, in the impedance matching device 2, if the gap Gp changes only in the range in which the coupling is weakened from the matching point, that is, in the range in which the gap Gp is far from the matching point, In such a case, only the matching circuit corresponding to the second type matching circuit 26 among the first and second type matching circuits 24 and 26 may be provided. FIG. 28 shows a schematic configuration of a transmission system 100C that matches mismatches in a direction in which the gap Gp is far away. The impedance matching device 2C shown in FIG. 28 mainly includes a traveling wave / reflected wave extraction unit 21, a reflection coefficient calculation unit 22, a matching circuit 24, a storage unit 25, a matching circuit selection unit 28, and a through circuit 29. And a switch unit 30 and a control value output unit 32. The storage unit 25 corresponds to the second storage unit 27 in the first embodiment, and the matching circuit 24 corresponds to the second type matching circuit 26 in the first embodiment. The variable capacitor element is connected in parallel to the transmission circuit 1 side with respect to the variable inductor element.

本発明は、電磁界共振結合方式を用いた無線電力伝送システム全般に好適に適用される。また、本発明は、磁界結合、電界結合等の種々の方式に対して好適に適用可能である。   The present invention is suitably applied to all wireless power transmission systems using an electromagnetic resonance coupling method. The present invention can be suitably applied to various systems such as magnetic field coupling and electric field coupling.

1 送信回路
2、2A インピーダンス整合装置
4 送信アンテナ
11 送信信号源
12 増幅部
21 進行波・反射波抽出部
22 反射係数算出部
23 位相判定部
24 第1形式の整合回路
25 第1の記憶部
26 第2形式の整合回路
27 第2の記憶部
28 整合回路選択部
29 スルー回路
30 スイッチ部
31 記憶部選択部
32 制御値出力部
100、100A 送信システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission circuit 2, 2A Impedance matching apparatus 4 Transmitting antenna 11 Transmission signal source 12 Amplifying part 21 Traveling wave / reflected wave extraction part 22 Reflection coefficient calculation part 23 Phase determination part 24 1st type matching circuit 25 1st memory | storage part 26 Second-type matching circuit 27 Second storage unit 28 Matching circuit selection unit 29 Through circuit 30 Switch unit 31 Storage unit selection unit 32 Control value output unit 100, 100A Transmission system

Claims (4)

電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、
前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、
を備える第2形式の整合回路と、
前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、
前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、
前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定部と、
前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、
前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択部と、
前記記憶部選択部により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路選択部により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス整合装置。
In a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method , an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna,
A first type matching circuit comprising: a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmission antenna side with respect to the variable inductor element. When,
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit of the first type is a reflection coefficient that is an absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the absolute value. A first storage unit stored in advance corresponding to an absolute value equivalent value;
A variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit side relative to the variable inductor element;
A second type matching circuit comprising:
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit of the second type is a reflection coefficient that is an absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the absolute value. A second storage unit stored in advance corresponding to the absolute value equivalent value;
A switch unit that electrically connects any of the first type matching circuit, the second type matching circuit, or a through circuit that does not include a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna;
A traveling wave / reflected wave extraction unit that extracts a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit and a reflected wave voltage corresponding to a reflected signal from the transmission antenna;
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit. Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value reflection coefficient calculation unit,
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit. A phase determination unit that determines whether the phase is close to the in-phase or the reverse phase, and
Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination, a matching circuit selection unit that operates the switch unit;
A storage unit selecting unit that selects either the first storage unit or the second storage unit based on the result of the phase determination;
The control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value is read from the first or second storage unit selected by the storage unit selection unit, and the first type or the second type selected by the matching circuit selection unit is read. A control value output unit for reflecting the control value in two types of matching circuits;
An impedance matching apparatus comprising:
電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置され、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第1形式の整合回路と、
前記第1形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第1の記憶部と、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える第2形式の整合回路と、
前記第2形式の整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた第2の記憶部と、
前記第1形式の整合回路、前記第2形式の整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、を備えるインピーダンス整合装置が実行する制御方法であって、
前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出工程と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出工程が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出工程と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出工程が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とが同相に近いか又は逆相に近いかの位相判定を行う位相判定工程と、
前記反射係数絶対値相当値と前記位相判定の結果とに基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択工程と、
前記位相判定の結果に基づき、前記第1の記憶部又は前記第2の記憶部の何れかを選択する記憶部選択工程と、
前記記憶部選択工程により選択された前記第1又は第2の記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路選択工程により選択された前記第1形式又は第2形式の整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力工程と、
を備えることを特徴とする制御方法。
In a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method, installed between a transmission circuit and a transmission antenna,
A first type matching circuit comprising: a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmission antenna side with respect to the variable inductor element. When,
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit of the first type is a reflection coefficient that is an absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the absolute value. A first storage unit stored in advance corresponding to an absolute value equivalent value;
A second type matching circuit comprising: a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit side with respect to the variable inductor element. When,
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit of the second type is a reflection coefficient that is an absolute value of the reflection coefficient or a value corresponding to the absolute value. A second storage unit stored in advance corresponding to the absolute value equivalent value;
A switch unit that electrically connects any of the first type matching circuit, the second type matching circuit, or a through circuit that does not include a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna; A control method executed by an impedance matching device comprising:
A traveling wave / reflected wave extraction step of extracting a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit and a reflected wave voltage corresponding to a reflected signal from the transmission antenna;
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction step when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit ; A reflection coefficient calculation step of calculating a reflection coefficient absolute value equivalent value,
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction step when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit ; A phase determination step for determining whether the phase is close to the in-phase or the reverse phase;
Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value and the result of the phase determination, a matching circuit selection step for operating the switch unit;
A storage unit selection step of selecting either the first storage unit or the second storage unit based on the result of the phase determination;
The control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value is read from the first or second storage unit selected by the storage unit selection step, and the first type or the second type selected by the matching circuit selection step is read. A control value output step for reflecting the control value in two types of matching circuits;
A control method comprising:
電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信アンテナ側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、を備える整合回路と、
前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、
前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、
前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、
前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、
前記記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス整合装置。
In a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method , an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna,
A matching circuit comprising: a variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; and a variable capacitor element connected in parallel to the transmission antenna side with respect to the variable inductor element;
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit is an absolute value of a reflection coefficient or a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value. A storage unit stored in advance corresponding to
A switch unit that electrically connects either the matching circuit or a through circuit that does not insert a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna;
A traveling wave / reflected wave extraction unit that extracts a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit and a reflected wave voltage corresponding to a reflected signal from the transmission antenna;
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit. Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value reflection coefficient calculation unit,
Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, a matching circuit selection unit that operates the switch unit,
A control value output unit that reads the control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value from the storage unit and reflects the control value in the matching circuit;
An impedance matching apparatus comprising:
電磁界共振結合方式を利用した無線電力伝送システムにおいて、送信回路と送信アンテナとの間に設置されるインピーダンス整合装置であって、
前記送信回路と前記送信アンテナとの間に直列に挿入される可変インダクタ要素と、当該可変インダクタ要素よりも前記送信回路側に並列に接続される可変キャパシタ要素と、
を備える整合回路と、
前記整合回路を用いて所定のインピーダンス値に整合させるために必要なインダクタンス値及びキャパシタンス値に対応した制御値を、反射係数の絶対値又は当該絶対値に相当する値である反射係数絶対値相当値に対応させて予め記憶させた記憶部と、
前記整合回路、又は整合回路を挿入しないスルー回路、の何れかを、前記送信回路と前記送信アンテナとの間に電気的に接続させるスイッチ部と、
前記送信回路からの送信信号に対応する進行波電圧と、前記送信アンテナからの反射信号に対応する反射波電圧と、を取り出す進行波・反射波抽出部と、
前記スイッチ部により前記送信回路と前記送信アンテナとの間に前記スルー回路を電気的に接続させた状態のときに前記進行波・反射波抽出部が取り出した前記進行波電圧と前記反射波電圧とに基づき、反射係数絶対値相当値を算出する反射係数算出部と、
前記反射係数絶対値相当値に基づき、前記スイッチ部を動作させる整合回路選択部と、
前記記憶部から前記反射係数絶対値相当値に対応した前記制御値を読出し、前記整合回路に当該制御値を反映させる制御値出力部と、
を備えることを特徴とするインピーダンス整合装置。
In a wireless power transmission system using an electromagnetic resonance coupling method , an impedance matching device installed between a transmission circuit and a transmission antenna,
A variable inductor element inserted in series between the transmission circuit and the transmission antenna; a variable capacitor element connected in parallel to the transmission circuit side relative to the variable inductor element;
A matching circuit comprising:
A control value corresponding to an inductance value and a capacitance value necessary for matching with a predetermined impedance value using the matching circuit is an absolute value of a reflection coefficient or a reflection coefficient absolute value equivalent value that is a value corresponding to the absolute value. A storage unit stored in advance corresponding to
A switch unit that electrically connects either the matching circuit or a through circuit that does not insert a matching circuit between the transmission circuit and the transmission antenna;
A traveling wave / reflected wave extraction unit that extracts a traveling wave voltage corresponding to a transmission signal from the transmission circuit and a reflected wave voltage corresponding to a reflected signal from the transmission antenna;
The traveling wave voltage and the reflected wave voltage extracted by the traveling wave / reflected wave extraction unit when the through circuit is electrically connected between the transmission circuit and the transmission antenna by the switch unit. Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value reflection coefficient calculation unit,
Based on the reflection coefficient absolute value equivalent value, a matching circuit selection unit that operates the switch unit,
A control value output unit that reads the control value corresponding to the reflection coefficient absolute value equivalent value from the storage unit and reflects the control value in the matching circuit;
An impedance matching apparatus comprising:
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