JP5769371B2 - 電磁波を直流電圧に変換する変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波、詳細にはマイクロ波を直流電圧に変換する装置の分野に関する。

このような装置は、たとえば仏国特許文献２６４６７３９で知られている。この特許では、整流器は単一のダイオードからなっており、半波整流器を構成している。
このような装置は、リモートで電気器具に給電するのに使用される。この場合、マイクロ波源によって生成されたマイクロ波が変換装置で受け取られ、変換装置は、受け取ったマイクロ波を直流電圧に変換する。この直流電圧を用いて、負荷、たとえば充電可能電気器具に給電することができる。

すなわち、マイクロ波がアンテナに到達すると、正の部分および負の部分を有する交流電圧が生成される。このような半波整流器の場合、アンテナによって抽出されるエネルギーの一部が失われ、それが変換装置の効率を低下させている。

また、このような装置は、米国特許文献ＵＳ５６７１１３３によっても知られている。この特許では、変換器は２つのダイオードからなっており、電圧ダブラーを構成している。この種の変換器は、負荷がオフのときには適切に機能するが、負荷のオン動作では有効でない。また、この種の変換器が機能するためには、コンデンサの充電が必要であり、それが、最適電力伝達に必要な資源のリンキング設計を阻害している。

また、文献ＵＳ−Ｂ−６４２７０６５も知られている。この文献は、電磁波を直流電圧に変換する装置であって、この装置が、
電磁波を入力電気信号に変換可能な少なくとも１つのアンテナと、
入力電気信号をフィルタし、フィルタ信号を生成可能な第１のフィルタと、
フィルタ信号を整流し、出力電圧を生成可能な整流器と、
出力電圧をフィルタして直流電圧を生成可能な第２のフィルタと
を備え、整流器が全波整流器であることを記載している。

この文献では、全波整流器を使用することによって変換器の効率が改善されている。しかしながら、この効率をさらに改善できると有利である。

本発明の第１の目的は、電磁波を直流電圧に変換する装置の効率を改善することにある。
本発明の他の目的は、電磁波を直流電圧に変換する変換器に供給する電磁波のエネルギー・レベルを制限しつつ、十分な電気エネルギーを維持することにある。

上記目的のうちの少なくとも１つが本発明によって達成される。本発明の第１の態様の装置は、電磁波を直流電圧に変換する装置であって、
電磁波を入力電気信号に変換可能な少なくとも１つのアンテナと、
入力電気信号をフィルタして、フィルタ信号を生成可能な第１のフィルタと、
フィルタ信号を整流して、出力電圧を生成可能な全波整流器と、
出力電圧をフィルタして直流電圧を生成可能な第２のフィルタと
を備え、第１のフィルタおよび第２のフィルタが、整流器（５）を介した、それらの電流ソースと電圧ソースとの連結を満たすように配置されている。

整流器を介した電流ソースと電圧ソースとの連結を満たす第１および第２のフィルタの構成によって変換器の効率が改善される。
この原理は、低周波電力電子工学の分野で知られているが、電磁波を直流電圧に変換する変換器の観点で使用されたことはこれまでない。しかしながら、本発明では、電気エネルギーの静的変換の原理に従ったこのような構成により、電力電子工学の意味の範囲内において、変換効率の損失が著しく制限されることが立証されている。

第１の実施形態では、整流器は直接整流器であり、第１のフィルタが、整流器から見て電圧発生器であり、第２のフィルタが、整流器から見て電流発生器である。
第２の実施形態では、整流器が直接整流器であり、第１のフィルタが、整流器から見て電流発生器であり、第２のフィルタが、整流器から見て電圧発生器である。

これらの２つの実施形態では、整流器が直接整流器であるため、性質が異なるソースの連結、つまり電圧−電流ソース連結または電流−電圧ソース連結が実際に満たされ、それにより変換の効率が改善される。

本発明の１つの実施形態によれば、電磁波はマイクロ波レンジの波であり、アンテナはマイクロ波を変換するように構成されている。直流電圧に変換するための従来技術で知られている装置では、この周波数レンジにおいて全波整流は使用されていない。

この全波整流器は、たとえば、ダイオードのみで構成されるグレーツ（Ｇｒａｅｔｚ）ブリッジである。
このように、電磁波を直流電圧に変換する装置の整流器としてグレーツブリッジなどの全波整流器を使用することにより、アンテナが受け取るすべてのエネルギーが整流され、直流エネルギーに変換される。したがって変換器の効率が改善される。

とり分けマイクロ波の分野では、整流を行うダイオードの使用方法が知られている。しかしながら、この場合、たとえば正弦関数を２乗正弦（ｓｑｕａｒｅ ｓｉｎｅ）関数へ変換可能なダイオードの二次特性のみが使用されている。この方法は、復調技術に由来している。しかしながら、この特性の部分においては、ダイオードは大量の電力を消費し、装置の効率を悪くしている。

一方、本発明によるグレーツブリッジなどの全波整流器によれば、グレーツブリッジ内のダイオードがスイッチング・モードで機能するため、つまり損失が小さいそれらの特性の部分で機能するため、変換装置の良好な効率を維持することができる。

このようなグレーツブリッジは、マイクロ波を直流電圧に変換する装置にこれまで使用されていないが、その理由は詳細には、ダイオードが使用されるのは復調のためであり、それゆえそれらの特性の他の部分が使用されており、スイッチング・モードでのダイオードの使用は、マイクロ波業界では広く普及していないことによる。

グレーツブリッジなどの変換構造は、一般的には低周波数における構造であるが、インピーダンス整合の問題が一切考慮されていないと、負荷に対する無限の電力のサプライ・ネットワーク上の高調波が阻止されることになる。

第２の態様によれば、本発明は、マイクロ波を直流電圧に変換する装置に関している。より詳細には、このようなマイクロ波変換装置はレクテナ（ｒｅｃｔｅｎｎａ）と呼ばれている。前述の出願ＦＲ２６４６７３９は、より詳細にはこのレクテナの技術分野に関している。この第２の態様によれば、本発明は、マイクロ波を直流電圧に変換する装置であって、
マイクロ波を入力電気信号に変換可能な少なくとも１つのアンテナと、
入力電気信号をフィルタし、フィルタ信号を生成可能な第１のフィルタと、
フィルタ信号を整流し、出力電圧を生成可能な整流器と、
出力電圧をフィルタして直流電圧を生成可能な第２のフィルタと
を備え、整流器が全波整流器、詳細にはスイッチング・モードのダイオードのみからなるブリッジ、たとえばグレーツブリッジである。

このような装置は、マイクロ波の分野では既に事実上公知のマイクロ波変換器の効率を改善する。したがって、この装置は、整流器を介した電流ソースと電圧ソースとの連結を満たす上記のようなフィルタの構造によらずとも、マイクロ波変換器の効率を改善する。

マイクロ波変換装置において、効率の改善は、特定のエネルギーを超えるマイクロ波の放出を防止する規格に関してとり分け重要である。
したがって、上記説明したようなソース間の連結によれば、レクテナ・タイプのマイクロ波変換器の場合、変換効率をさらに改善することができる。

さらに、第１のフィルタによるアンテナと整流器との間の本発明によるフィルタリングは、この周波数レンジのコンポーネントのサイズのために、低周波数では想定されていない。マイクロ波周波数において、インピーダンス整合の実施は、入射電波から受信アンテナを使用して最大量のエネルギーを抽出できるようにするために何よりも先になすべき主要な事柄であるが、この第１のフィルタは、とり分けそのインピーダンス整合の実施を可能にしている。

さらに、アンテナと整流器との間の電力の伝達を改善するために、第１のフィルタは、入力信号を受信するようになされた第１の入力電気コンポーネントを備えており、第１の入力電気コンポーネントはインダクタである。

この場合、アンテナは電圧源であるため、アンテナから出力された電流が遭遇する第１のコンポーネントは、電流発生器タイプのコンポーネントである。したがって、ソース間連結、つまり電圧発生器そしてその次の電流発生器という連結の特性を満たしたこの連結が電力伝達を改善している。

さらに、第１のフィルタと第２のフィルタとの間の電力伝達を改善するために、整流器は直接整流器であり、第１のフィルタは出力電気コンポーネントを備えており、出力電気コンポーネントはコンデンサである。また、第２のフィルタは、出力電圧を受け取るようになされた第２の入力電気コンポーネントを備えており、第２の入力電気コンポーネントはインダクタである。

同様に、整流器が直接整流器である場合、第１のフィルタの出力電気コンポーネントがインダクタで、第２のフィルタの第２の入力電気コンポーネントがコンデンサでもよい。
これによれば、整流器は直接整流器であり、整流器内にはエネルギー蓄積エレメントは存在していないため、ソース間連結、つまり電圧発生器そしてその次の電流発生器という連結が電力伝達を改善している。

また、変換装置を使用して負荷に給電する際に最大の電力伝達を得るために、本発明はさらに、上記装置と、直流電圧によって給電することができる負荷とを備えた電気機器に関しており、第１のフィルタ、整流器、第２のフィルタおよび負荷は、アンテナに接続された帰還アセンブリを形成している。帰還アセンブリは帰還インピーダンスを有しており、アンテナはアンテナ・インピーダンスを有している。このとき帰還アセンブリのサイズは、帰還インピーダンスと前記アンテナ・インピーダンスとが等しくなるように設定されている。

したがって、フィルタ、詳細にはフィルタのインピーダンスおよびコンデンサは、装置のインピーダンス整合がもたらされるように選択されている。それ自体が知られているように、帰還インピーダンスとアンテナのインピーダンスとの同等性が、アンテナと負荷との間のエネルギー伝達の最大化を可能にしている。

以下、本発明の一実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
図１に示されているように、電磁波１１を直流電圧に変換する装置１はアンテナ３を備えている。アンテナ３は、電磁波１１を交流電気信号に変換する。受信表面を広くするために複数のアンテナ３の連携を使用することができる。次に、交流電気信号が、高周波フィルタ４、交流信号を整流信号に変換する全波整流器５、および直流フィルタ６を介して装置１へ連続的に送信される。直流フィルタ６の出力部において直流電圧が生成される。次に、この直流電圧が負荷７に印加される。

電磁波１１は、たとえば、放出装置２によって生成されるマイクロ波信号１１である。この送信装置２は、たとえば、直流電圧発生器９、マイクロ波源８、および送信アンテナ１０を備えている。放出器２によって生成されたマイクロ波には、マイクロ波が伝播可能な開放環境中で容易に送信されるという利点があり、それが一定の距離を隔てた受信装置への送信を可能にしている。放出装置については当業者に公知であるため、詳細な説明は省略する。

電磁波１１を受ける装置１において、アンテナ３と整流器５との間に配置された高周波フィルタ４の機能は、アンテナから見たインピーダンスを整合させることである。このインピーダンス整合については、以下でより詳細に説明する。

次に、図２に示されている図１の受信装置１の様々な電気コンポーネントの特定の実施形態について説明する。
アンテナ３は、電圧発生器Ｅ１および抵抗性インピーダンスＲ１によってモデル化することができる。インピーダンスＲ１は、たとえば５０オームに等しい。

高周波フィルタ４は、アンテナ３のインピーダンスＲ１に直列に接続されたインダクタＬ２、およびアンテナ３に並列に配置されたコンデンサＣ２を備えている。高周波フィルタ４は低域通過フィルタである。高周波フィルタ４の出力は、全波整流器５に接続されている。この全波整流器５は、グレーツ（Ｇｒａｅｔｚ）ブリッジであり、２つのダイオードの２本のアームにわたって分配された４つのダイオードのセットを備えている。ブリッジの入力は、これらの２本のアームの各々に位置している。この全波整流器５のダイオードは、スイッチング・モードで、それ自体は公知の方法で機能している。

直流フィルタ６は、整流器５の出力部に配置されており、整流器５に直列に接続されたインダクタＬ１、および整流器５に並列に接続されたコンデンサＣ１を備えている。このフィルタ６は低域通過フィルタである。

直流フィルタ６は、抵抗Ｒ２でモデル化可能な負荷７に供給する直流電圧を生成することができる。
負荷７の値は、装置１によって供給されるコンポーネントの消費に基づいて計算される。たとえば、５ボルトで１０ｍＷを消費するコンポーネントの場合、２５００オームの抵抗Ｒ２が取られることになる。

コンデンサＣ１、Ｃ２およびインダクタＬ１、Ｌ２は、最大電力伝達が得られるよう、ソース間の連結の原理に従うように配置されている。
電力電子工学のこの公知の原理は、性質が異なるソースのみを直接、あるいは直接変換器を介して接続することができるということ、つまり、エネルギー蓄積器を必要とすることなく接続することができるということを意味している。この条件を満たさない場合、それは電力伝達が最適ではない、ということが分かっている。

したがって、本発明によれば、アンテナをモデル化している発生器Ｅ１および抵抗器Ｒ１は、電圧発生器を構成している。フィルタ４の前段部分にインダクタＬ２が配置されており、したがってフィルタ４は、アンテナ３から見れば電流発生器である。また、インダクタＬ１は、フィルタ６の前段部分に配置されており、したがってフィルタ４から見ればフィルタ６は電流発生器であり、フィルタ４自体は、Ｃ２における出力電圧の発生器である。整流器５は直接変換器であり、本発明によるソース間の連結条件を確実に満たしており、良好な電力伝達の獲得を可能にしている。

この装置の他の実施形態によれば、他のインダクタおよびコンデンサを配置することによってフィルタ４，６の次数を大きくすることができる。これらの実施形態では、これらのインダクタおよびコンデンサも、電圧ソース／電流ソースの連結を満たすように配置されている。詳細には、フィルタ４の出力コンポーネントがインダクタである場合、フィルタ６の入力コンポーネントをコンデンサにすることによってソース間のこの連結条件が満たされる。

アンテナと負荷との間のエネルギーの伝達を改善するために、負荷７に接続されると、装置１のインピーダンス整合が実施される。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２およびインダクタＬ１，Ｌ２のサイズは、このインピーダンス整合がもたらされるように設定されている。図３に示されている、高周波フィルタ４、直流フィルタ６、および負荷７のコンポーネントは、このアセンブリの等価抵抗がアンテナ３の抵抗Ｒ１に等しくなるように、つまりＲ_ｅｑ＝Ｒ１になるようにサイズ設定されている。図１に示されている、高周波フィルタ４、整流器５、直流フィルタ６、および負荷７は、整合させるべき帰還インピーダンス（ｒｅｔｕｒｎｅｄ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を有する帰還アセンブリ１２を形成している。

ダイオード整流器５によって導入される非線形性のため、コンポーネントＬ１，Ｃ１，Ｃ２，Ｌ２の値を解析によって計算することは不可能であり、したがって回路計算ソフトウェアが使用されることが好ましい。

本出願人は、５０オームの純抵抗性内部インピーダンスを使用してアンテナの良好なインピーダンス整合を達成することができるコンポーネントＬ１，Ｃ１，Ｌ２，Ｃ２の値を決定した。

本出願人が決定した値は、次の通りである。
Ｌ１＝３．５ｎＨ
Ｃ１＝４８ｐＦ
Ｌ２＝６．２ｎＨ
Ｃ２＝０．３ｐＦ
これらの値は、２．４５ＧＨｚの周波数で入射する電波１１で機能し、かつ、負荷７のＲ２の値が５００オームで機能するように決定された。アンテナにおける入射波１１が１３０Ｖ／ｍである場合、負荷７で得られる電力は７３ｍＷである。

図４は、図１に示されている受信装置１における負荷７のターミナルで回生される、負荷７の抵抗Ｒ２を関数とした電力を示すグラフである。
図４の曲線１３は、１３０Ｖ／ｍのアンテナ３の入射場１１に対応している。曲線１４は、１００Ｖ／ｍのアンテナ３における入射場１１に対応している。曲線１５は、７５Ｖ／ｍのアンテナ３における入射場１１に対応している。曲線１６は、５０Ｖ／ｍのアンテナ３における入射場１１に対応している。

Ｌ１＝３．５ｎＨ
Ｃ１＝４８ｐＦ
Ｌ２＝６．２ｎＨ
Ｃ２＝０．３ｐＦ
これらの値は、２．４５ＧＨｚの周波数で入射する電波１１で機能するように決定された。

本発明による装置１によって得られる効率により、詳細にはマイクロ波源から良好な効率で直流電圧発生器に供給することができる。
本発明は、とりわけリモート給電に適用することができ、また、ローミング装置のエネルギー・ターミナルまたはリモートで充電するためのエネルギー・ターミナルに挿入することができる。また、本発明は、マイクロシステムの電源に適用することができる。

マイクロ波電磁源に結合された電磁波を直流電圧に変換する本発明の装置の全体図。 電磁波を直流電圧に変換する本発明の一実施形態の装置の一例の電気線図。 図２の回路とインピーダンス等価な電気回路の電気線図。 図１の装置における負荷のターミナル部分で回生される電力を負荷抵抗の関数として示すグラフ。

Claims (2)

1. マイクロ波の電磁波（１１）を直流電圧に変換する装置（１）であって、予め設定された負荷インピーダンスを有する負荷（７）に接続された前記装置（１）において、
   第１の抵抗を有する電圧源としての、前記マイクロ波の電磁波（１１）を入力電気信号に変換可能な少なくとも１つのアンテナ（３）であって、前記電磁波（１１）は、マイクロ波レンジの波であり、前記少なくとも１つのアンテナが前記マイクロ波を変換するように構成される、前記少なくとも１つのアンテナ（３）と、
   前記少なくとも１つのアンテナ（３）に接続され、前記入力電気信号をフィルタし、フィルタ信号を生成する第１の高周波低域通過フィルタ（４）であって、第１のフィルタインピーダンスを有する前記第１の高周波低域通過フィルタ（４）と、
   前記第１の高周波低域通過フィルタ（４）に接続され、前記フィルタ信号を整流し、出力電圧を生成する全波整流器（５）であって、スイッチングモードで機能するダイオードで構成されたグレーツブリッジである前記全波整流器（５）と、
   前記全波整流器（５）に接続され、第２のフィルタインピーダンスを有する第２の低域通過フィルタ（６）であって、前記出力電圧をフィルタして前記直流電圧を、第１のフィルタおよび第２のフィルタが配置され、且つ前記負荷（７）に対して生成する第２の低域通過フィルタ（６）と
   を備え、
   前記第１のフィルタ（４）が前記全波整流器に対して電圧発生器であり、
   前記第２のフィルタ（６）が前記全波整流器に対して電流発生器であり、
   前記第１のフィルタインピーダンスおよび前記第２のフィルタインピーダンスの大きさは、前記全波整流器以外の前記第１のフィルタ、前記第２のフィルタ、および負荷のアセンブリの等価抵抗が前記第１の抵抗と等しくなるように設定される、装置（１）。
2. 前記マイクロ波の電磁波（１１）を直流電圧に変換する請求項１に記載の装置と、予め設定された負荷インピーダンスを有する負荷（７）とを備える電気機器であって、
   前記直流電圧によって前記負荷（７）に給電可能であり、前記第１のフィルタインピーダンスおよび前記第２のフィルタインピーダンスの大きさは、前記全波整流器以外の前記第１のフィルタ、前記第２のフィルタ、および負荷のアセンブリの等価抵抗が前記第１の抵抗と等しくなるように設定される、電気機器。

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