JP5540284B2 - レクテナ装置 - Google Patents
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図14のように、シングルシャント整流回路910は、ダイオード911と、λg/4線路912と、キャパシタ913とを有している。シングルシャント整流回路910は、簡単な構成ながら、図13のように、λg/4線路912とキャパシタ913で構成される出力フィルタが高調波処理と平滑を同時に行うため、全波整流が可能であり、理論効率100%となる。
例えば、特許文献1では、レクテナ装置においてシングルシャント整流回路の基本構成であるダイオード、λg/4線路、及びキャパシタのうち、λg/4線路をλg/22.5からλg/14の範囲とすることで最適化し、弱いマイクロ波強度での高効率化を図っている。
さらに特許文献2に記載の従来技術では、入力フィルタ部で複数の高周波を遮断するように、各高調波に合わせた1/4のオープンスタブを形成することで、ダイオードから発生する複数の高調波に対してインピーダンスを零として高効率化を図っている。
また、特許文献2に記載の従来技術では、整流器で発生する複数の高調波を反射させて高効率化を図っているが、出力フィルタ部にキャパシタが用いられているため、容量の大きなキャパシタが必要である。また、使用するキャパシタによっては、周波数の増加に伴いインピーダンスが大きくなり、ミリ波等の高周波では理想的なキャパシタとして動作することが徐々に難しくなる。この結果、ミリ波等の高周波になると、受信した信号を直流に変換する際の変換効率が下がるという課題があった。
図1は、本実施形態におけるレクテナ装置の等価回路図である。
図1において、本実施形態におけるレクテナ装置1は、アンテナ11(受信手段)、サーキュレータ12、抵抗13、伝送路21、キャパシタ23、整流部30(整流手段)、負荷共振回路40(共振回路)を備えている。
レクテナ装置1には、負荷51が接続されている。
図1のように、従来技術に対する本実施形態の差異は、従来技術のキャパシタ部140の代わりに負荷共振回路40を備えていることである。
抵抗13は、一端がサーキュレータ12に接続され、他端が接地されている。抵抗13は、出力部を置き換えたものである。
ダイオード33は、カソードが分岐31の出力端子の一端に接続され、アノードが伝送路34を介して接地されている。また、符号32は、ダイオード33にパッケージ部品を用いる場合、ダイオード33が有する寄生容量を表している。
ストリップ線路32は、ダイオード33と並列に接続され、一端が分岐31に接続され、他端が伝送路34に接続されている。
なお、図1では、伝送路42と44のみを示してあるが、負荷共振回路40の伝送路は、n−1個備えている。スタブT2は、スタブT3より長く、スタブT3は、スタブT4より長い。また、スタブT2は2f0に対して共振し、スタブTnは2fnに対して共振する。なお、f0は、この共振器における基本周波数を表している。
図2において、スイッチング素子に流れる半波整流した電流をフーリエ級数に展開すると、その周波数成分Idは、次式(3)のように表される。
このような状態にするには、スイッチング素子の出力から負荷側を見たインピーダンスが、偶数次高調波の場合に短絡(電流のみ存在)、奇数次高調波で開放(電圧のみ存在)、基本波の電流と電圧が互いに完全逆相且つ力率がマイナス1になるようにする。
以上のような関係になるように、スタブの線路長を設定することで、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞(無限大)となるような高調波処理を行うことができる。
図3は、本実施形態におけるレクテナ装置1aのシミュレーション用の等価回路図である。図1のアンテナ11を、正弦波発振回路70に置き換えて表している。
また、整流部30、キャパシタ部140、λ/4線路151とλ/4線路152を含む範囲160の全ての部品の定数と伝送路の線路長を、公知の手法を用いて最適化した。
図5(c)の実線g3、図5(d)の実線g4のように、出力電圧および出力電流は、交流波形である。
図6(d)の実線g14のように、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率は約65%である。
また、負荷共振回路40において、スタブの段数はn=7とした。また、負荷共振回路40の各スタブ(T2〜Tn、T2 *〜Tn *)の電気長は、式(1)と式(2)を用いて算出した。また、伝送路T11=λ0/4、伝送路T12=λ0/4に設定した。
整流部30、負荷共振回路40を含む範囲60において、スタブと伝送路T11およびT12以外の伝送路の線路長、各部品の定数を公知の手法を用いて最適化した。
図7(c)の実線g23、図7(d)の実線g24のように、出力電圧および出力電流の波形は、図5(c)の実線g3と図5(d)の実線g4と比較し、直流に近い波形である。
図8(d)の実線g34ように、本実施形態におけるレクテナ装置1aの変換効率は約71%であり、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率の約65%より高い。
また、図8(a)のダイオード33に流れる電圧波形g31は、図6(a)のダイオード33に流れる電圧波形g11に比べると、明らかに矩形波に近づいている。各高調波処理が理論どおりに高調波処理がなされると、ダイオード33の電圧波形は矩形波となる。
なお、ダイオード33に、3次高調波、5次高調波、・・・の電圧が反射により戻ってくるために、各高調波処理が理論どおりに高調波処理がなされると、ダイオード33の電圧波形は矩形波となる。
また、本実施形態においては、従来技術のシングルシャント整流回路で用いられていたキャパシタを用いないようにしたので、容量の大きなキャパシタが不要になり、さらにキャパシタが高周波でキャパシタとして動作しなくなることによる整流回路の効率悪化を防止することができる。この結果、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
図9は、本実施形態におけるレクテナ装置200の等価回路図である。第1実施形態の図1と同じ機能を有する機能部は同じ符号を用いて、説明を省略する。
図9において、本実施形態におけるレクテナ装置200は、アンテナ11、サーキュレータ12、抵抗13、伝送路21、キャパシタ23、整流部30、負荷共振回路40、キャパシタ部240、λ/4線路251を備えている。すなわち、本実施形態におけるレクテナ装置200は、第1実施形態に加え、負荷共振回路40の後段にキャパシタ部240を備えている。
キャパシタ部240は、分岐241、キャパシタ243、伝送路244を備えている。また、符号242は、キャパシタ243にパッケージ部品を用いる場合、キャパシタ243が有する寄生容量を表している。
また、レクテナ装置200には、負荷51が接続されている。
また、整流部30、負荷共振回路40、キャパシタ部240およびλ/4線路251を含む範囲260において、スタブおよび伝送路T11、伝送路T12以外の伝送路の線路長、各部品の定数は、公知の手法を用いて算出する。
図10は、本実施形態におけるレクテナ装置のシミュレーション用の等価回路図である。図1のアンテナ11を、正弦波発振回路70に置き換えて表している。正弦波発振回路70は、正弦波状の入力電力を与え、発振周波数は2.45[GHz]に設定し、入力電力Pを10[mW]から1000[mW]まで10[mW]刻みで変化させたときに最大変換効率を得る入力電力で回路シミュレーションを行った。入力電力Pを750[mW]に設定して、シミュレーションを行った。
負荷共振回路40において、スタブの段数はn=7とした。また、整流部30、負荷共振回路40を含む範囲260において、スタブおよび伝送路T11、伝送路T12以外の伝送路の線路長、各部品の定数は、公知の手法を用いて算出する。
図11(c)の実線g43、図11(d)の実線g44のように、出力電圧および出力電流の波形は、キャパシタ部240の効果により、第1実施形態のシミュレーション結果である図7(c)の実線g23と図7(d)の実線g24と比較し、さらに交流分が少なくなっている。
図12(d)の実線g54ように、本実施形態におけるレクテナ装置200aの変換効率は、第1実施形態と同等(約71%)であり、従来技術におけるレクテナ装置100の変換効率の約65%より高い。
また、図12(a)のダイオード33に流れる電圧波形g51は、第1実施形態のシミュレーション結果である図8(a)のダイオード33に流れる電圧波形g31と同様に矩形波に近づいている。
また、本実施形態においては、第1実施形態の負荷共振回路の後段に付加的にキャパシタ243を用いたのみであり、従来技術のシングルシャント整流回路で用いられていたキャパシタを用いないようにした。このため、容量の大きなキャパシタが不要になり、さらにキャパシタが高周波でキャパシタとして動作しなくなることによる整流回路の効率悪化を防止することができる。この結果、マイクロ波またはミリ波等の高周波においても高効率化が可能となる。
第1実施形態と第2実施形態では、共振回路として各高調波に対する分布定数線路である負荷共振回路40を用いて、偶数次高調波ではインピーダンスが0、奇数次高調波ではインピーダンスが∞を実現する例を説明した。第3実施形態では、共振回路としてLC共振回路を用いる例について説明する。
λ/4線路521は、一端がキャパシタ511の他端に接続され、他端がLC共振部530と負荷51に接続されている。
11・・・アンテナ
12・・・サーキュレータ
13・・・抵抗
21、34、42、44・・・伝送路
22、32・・・寄生容量
23・・・キャパシタ
30・・・整流部
31、41、43、45、46・・・分岐
33・・・ダイオード
40・・・負荷共振回路
T11、T12・・・λ/4線路
T2〜Tn・・・高周波処理スタブ
T2 *〜Tn *・・・補償スタブ
51・・・負荷
530・・・LC共振部
Claims (2)
- 電波を受信する受信手段と、
前記受信手段が受信した電波を整流する整流手段と、
前記整流手段が整流した電波の高調波のインピーダンスが、偶数次高調波では零、奇数次高調波では無限大となる共振回路と、
を備え、
前記共振回路は、
前記整流手段に一端が接続され、前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第1伝送路と、
前記第1伝送路の他端に一端が接続され、他端が負荷に接続され、前記受信手段が受信した電波の基本波の伝送線路上の波長λの1/4の長さの第2伝送路と、
前記第1伝送線路と前記第2伝送線路との接続点に互いに並列に接続された複数の第1の分布定数線路と、
前記第1伝送線路と前記第2伝送線路との接続点に互いに並列に接続された複数の第2の分布定数線路と、
を備え、
前記第1の分布定数線路は、L=λ/(4m)(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なり、
前記第2の分布定数線路は、L=λ(2m−1)/(4m)(mは2以上nまでの整数)で表される伝送線路長Lであり、mは互いに異なる
ことを特徴とするレクテナ装置。 - 前記共振回路と前記負荷との接続点に一端が接続され、他端が接地されているキャパシタを備える
ことを特徴とする請求項1に記載のレクテナ装置。
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