JP6150330B2 - 共振周波数可変アンテナ及びそれを備えた電磁波エネルギー回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波エネルギーの回収技術に関し、特に、設置場所の電波環境等に応じて回収対象とする電磁波周波数を容易に変更することができる共振周波数可変アンテナ及びそれを備えた電磁波エネルギー回収装置に関する。

アンテナの共振周波数を調整するための種々の方法が知られている。例えば、下記特許文献１は、同調周波数等のアンテナ特性のバラツキを小さくする周波補正回路付き同調形アンテナモジュールを開示している。このアンテナモジュールは、受波素子（アンテナ素子）の一端に可変容量手段（可変容量ダイオードＶＣＤ）が接続されて構成される。可変容量手段に印加する電圧を調整して可変容量手段の容量値を変化させることにより、アンテナモジュールのアンテナ特性のバラツキが小さくなるように調整することができる。

また、下記特許文献２は、指向性制御又は周波数制御が容易な、移動体通信等に用いられる略平面構造のアンテナ装置を開示している。このアンテナ装置は、ループ状の給電素子とループ状の２つの無給電素子とから構成され、給電素子及び無給電素子のそれぞれには、可変リアクタンス素子（バリキャップダイオード、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等）が接続されている。可変リアクタンス素子に印加する電圧を変化させてリアクタンス値を調整することにより、各ループの実効波長を変更して指向性制御又は周波数制御することができる。

また、下記特許文献３は、アンテナ共振周波数を可変とすることにより広帯域で使用することができるアンテナ装置を開示している。このアンテナ装置は、アンテナ放射素子の裏面に、印加される電圧により比誘電率が変化する誘電体（例えば、比誘電率の電界依存特性を有するチタン酸バリウム等の強誘電体）を備えている。印加する電圧を変化させて誘電体の比誘電率を変化させることにより、アンテナ装置の共振周波数を変化させることができる。

また、下記特許文献４は、広帯域に適用可能な、単一の小型の平面アンテナを開示している。この平面アンテナは誘電体基板を含む。誘電体基板の両面には、それぞれ放射導体及び接地導体が配置され、平板の放射導体の周縁部にはスリット状の複数の切れ込みが形成され、各切れ込みを跨いでスイッチ素子（例えばＦＥＴ）が設けられる。制御回路からの出力信号により、各スイッチ素子の導通状態（オープン又はショート）を変化させて、アンテナの共振周波数を変化させることができる。

また、下記特許文献５は、放射素子を備えた誘電体板と、接地導体を備えた誘電体板との間の距離を変化させるための調整手段を有するアンテナを開示している。両誘電体板間の距離を変化させると、放射素子と接地導体との間の容量が変化するので、アンテナの共振周波数を調整することができる。

このような共振周波数の調整が必要な分野として、広い周波数帯域で実施されている地上デジタル放送の電波を受信するための携帯端末（携帯電話又はスマートフォン等）用の受信アンテナが挙げられる。地上デジタル放送の搬送波周波数は日本の地域によって異なるので、携帯端末が使用される場所で、アンテナの共振周波数を調整することにより、その地域の放送を携帯端末で視聴することが可能になる。

近年、環境中に存在する放送又は通信の電波を電力として回収するための研究がなされている。このような電磁波エネルギー回収用のアンテナに関しても、効率的に電波を受信するためには、回収を実施する地域の電波環境に応じて、アンテナの共振周波数を調整することが必要になる。

特開２００９−４９８６８号公報 特開２００６−３３９７６９号公報 特開平１１−１５４８２１号公報 特開平８−２４２１１８号公報 特開平９−１６２６３２号公報

共振周波数の調整方法のうち、特許文献１〜４に開示されているような電気的な調整方法では、調整のための電力が必要である。電磁波エネルギーの回収により得られる電力は微弱であることから、回収した電力を調整に使用することはできず、別途電源装置等を設けることが必要になる問題がある。

複数のアンテナをアレイ状に配列して、各アンテナ（コイル）によって回収される微小電力を合成することにより、回収される電力が大きくなれば、回収された電力の一部を調整のために使用可能になる。しかし、目的とする電気回路（以下、単に回路という）への供給量が少なくなる問題があり、電磁波エネルギー回収の趣旨に反することになる。

一方、アンテナに接続する素子を取替える方法、又は特許文献５に開示されている方法等の機械的な調整方法であれば、調整時に電力を消費することがなく、回収した電力の全てを目的の回路へ供給することができる。しかし、調整に時間及び手間がかかる問題がある。特に、複数のアンテナをアレイ状に配列した場合、各アンテナについて、手動で共振周波数を調整する必要があるので、アンテナの数が多いと、調整に時間及び手間がかかりコスト高となる。

したがって、本発明は、電磁波エネルギーの回収に使用されるアンテナの共振周波数を、電力を消費することなく容易に調整することができる共振周波数可変アンテナ、及びそれを備えた電磁波エネルギー回収装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に係る共振周波数可変アンテナは、電磁波エネルギーの回収に使用される共振周波数可変アンテナである。この共振周波数可変アンテナは、誘電部材で形成された基板と、基板の両面のうちの一方の面に形成された導電性部材と、導電性部材に配置された複数のポートとを備え、複数のポートの各々は、外部の電磁波により導電性部材に発生する交流の電気信号を回収するための受電ポートとして機能するように設定され得る。

受電ポートとして使用され得る複数のポートを備えることにより、どのポートを受電ポートとして使用するかに応じて、アンテナの共振周波数を変更することができる。したがって、このアンテナを使用すれば、電磁波エネルギーを効率的又は選択的に回収することが可能になる。

好ましくは、複数のポートのうちの１つのポートのみが、受電ポートとして機能するように設定される。

これにより、電磁波エネルギーを選択的に回収することが容易になる。

より好ましくは、導電性部材の全体形状は、所定の軸を対称軸とする線対称な環状であり、複数のポートは、対称軸の一方の側に配置されている。

これにより、アンテナ設計時の導電性部材におけるポートの位置の決定が容易になる。

さらに好ましくは、複数のポートの各々は、導電性部材を電気的に２つの部分に分離する機能、及び、分離された２つの部分を電気的に接続する機能を有する第１の切換部と、電気信号を出力するための２つの出力部をそれぞれ、分離された２つの部分に電気的に接続する機能、及び、電気的に接続されている出力部と導電性部材の部分とを、電気的に分離する機能を有する第２の切換部とを備える。

これにより、アンテナの共振周波数をより広い範囲で変更することができ、設置場所でのアンテナの調整能力をより向上することができる。

本発明の第２の局面に係る電磁波エネルギー回収装置は、上記の共振周波数可変アンテナと、ポートから出力される交流の電気信号を整流して出力する整流部とを備える。

これにより、電磁波エネルギーを効率的又は選択的に回収することが可能になる。

好ましくは、電磁波エネルギー回収装置は、ポートと整流部との間に、不平衡な電気信号を伝送する伝送部と、導電性部材に発生する平衡な電気信号を不平衡な電気信号に変換する変換部とを備え、変換部の一端は、ポートに接続され、変換部の他端は、伝送部の一端に接続され、伝送部の変換部に接続されない他端は、整流部に接続される。

これにより、整流部の位置をアンテナから離して配置することができ、配線が容易になり、設置時の自由度が高くなる。

本発明の第３の局面に係る共振周波数可変アンテナは、電磁波エネルギーの回収に使用される共振周波数可変アンテナである。この共振周波数可変アンテナは、誘電部材で形成された基板と、基板の両面のうち一方の面に形成された複数の同じ形状の導電性部材とを備える。複数の導電性部材の各々には複数のポートが備えられ、複数のポートの各々は、外部の電磁波により導電性部材に発生する交流の電気信号を回収するための受電ポートとして機能するように設定され得る。

このように、複数の導電性部材を配列してアレイアンテナを構成することにより、電磁波エネルギーの回収に使用された場合、より大きい電磁波エネルギーを回収することができる。

本発明の第４の局面に係る電磁波エネルギー回収装置は、上記のアレイアンテナを用いた共振周波数可変アンテナと、複数の導電性部材の各々に１対１に接続され、交流の電気信号を整流して出力する整流部と、複数の整流部の出力信号を合成して出力する合成部とを備える。

これにより、より大きい電磁波エネルギーを回収することができる。

好ましくは、電磁波エネルギー回収装置は、ポートと整流部との間に、不平衡な電気信号を伝送する伝送部と、導電性部材に発生する平衡な電気信号を不平衡な電気信号に変換する変換部とを備え、変換部の一端は、ポートに接続され、変換部の他端は、伝送部の一端に接続され、伝送部の変換部に接続されない他端は、整流部に接続される。

これにより、整流部の位置をアンテナから離して配置することができ、配線が容易になり、設置時の自由度が高くなる。

本発明によれば、アンテナの共振周波数を、電力を消費することなく、容易に調整可能な共振周波数可変アンテナを実現することができる。

この共振周波数可変アンテナを使用すれば、設置場所の電波環境に応じて電磁波エネルギーを効率的又は選択的に回収することが可能な、電磁波エネルギー回収装置を実現することができる。この電磁波エネルギー回収装置は、設置場所での共振周波数の調整に時間及び手間がかからず、コストを低減することができる。

また、電磁波エネルギーの回収により得られる電力は微弱であることから、できるだけ広い帯域で電磁波エネルギーを回収できることが好ましい。その一方で、特定の周波数の電磁波エネルギーについては回収しないことが要望されることがある。例えば、放送の周波数帯域の電磁波エネルギーは回収してもよいが、携帯電話は使用可能な状態を維持することが要望される場合、即ち、携帯電話の周波数帯域の電磁波エネルギーを回収しないことが要望される場合がある。本願発明は、そのような要望に容易に対応することができる。

本発明の実施の形態に係る電磁波エネルギー回収装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る共振周波数可変アンテナを示す正面図である。 図２に示した共振周波数可変アンテナのポートの構成の一例を示す斜視図である。 ポートを構成する可動部の裏面を示す平面図である。 図３に示したポートが受電ポートとして使用されない状態を示す正面図である。 図４に示したポートを受電ポートとするための切換途中の状態を示す正面図である。 図３に示したポートが受電ポートとして使用される状態を示す正面図である。 ポートに必要な機能を示す回路図である。 図２に示した共振周波数可変アンテナを用いて構成されたアレイアンテナを示す正面図である。 アレイアンテナを使用する場合の電磁波エネルギー回収装置の概略構成を示すブロック図である。 円形のループアンテナを使用した共振周波数可変アンテナを示す正面図である。 シミュレーションを行なった共振周波数可変アンテナを示す平面図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る電磁波エネルギー回収装置１００は、アンテナ１０２、変換部１０４、整流部１０６、及び出力部１０８を備えている。変換部１０４は、アンテナ１０２の受電ポートに接続され、平衡回路であるアンテナ１０２により発生した平衡な電気信号を、不平衡な電気信号に変換する。変換部１０４と整流部１０６とは、不平衡回路である導電線（図示せず）により接続されている。不平衡な導電線は、例えば、所定の特性インピーダンスを有する同軸ケーブルであり、変換部１０４は、例えば公知のバランである。

整流部１０６は、不平衡な導電線に接続され、電磁波との相互作用によってアンテナ１０２に発生し、変換部１０４及び導電線を介して伝達される交流信号を直流信号に変換（整流）する。同軸ケーブル等の不平衡線によって信号が伝送されるので、整流部１０６をアンテナ１０２から離して任意の位置に配置することができる。整流には公知技術を使用すればよく、整流部は公知回路により実現することができる。

出力部１０８は、整流部１０６の出力電力を、目的の負荷１１０に応じた電圧又は電流に変換して負荷１１０に供給する。出力部１０８は、目的の負荷１１０に応じた電圧及び電流を供給するための回路であればよく、公知の電圧変換回路及び電流変換回路によって構成すればよい。出力部１０８は、コンデンサ又は２次電池等の蓄電装置を備えてもよい。

電磁波エネルギー回収装置１００は、上記のように構成されることにより、アンテナ１０２の周囲の電磁波によって、アンテナ１０２に発生した電力を回収して出力部１０８から、負荷１１０に供給することができる。電磁波エネルギー回収装置１００により効率的に電磁波エネルギーを回収するためには、設置場所の電波環境に応じて、アンテナ１０２の共振周波数を適宜変更することが好ましい。

図２にアンテナ１０２の一例を示す。アンテナ１０２は、平板状の基板１２０と、基板１２０の一方の面に配置された帯状の導電性部材（以下、導電性パターンという）１２２と、導電性パターン１２２の途中に配置されたポート部２００とを備える。ポート部２００は、複数のポートで構成される。図２には、３つのポート、即ち第１ポート２０２、第２ポート２０４、及び第３ポート２０６を示しているが、これに限定されず、２つ、又は４つ以上のポートを備えていてもよい。

基板１２０は、材質が一様な樹脂（即ち、誘電率が空間的に一様）等の誘電体である。導電性パターン１２２は、例えば導電性の高い銅等の金属を用いて、平面形状が全体として、線対称な矩形の環状に形成されている。導電性パターン１２２は、ポート部２００に対向する位置にギャップ１３０を備えている。基板１２０には、例えば公知のプリント配線基板用の板（ガラスエポキシ板、ガラスコンポジット板、紙エポキシ板、又は紙フェノール板等）を使用することができる。その場合、導電性パターン１２２は、エッチング等により、銅等の金属箔として基板１２０上に形成することができる。

第１〜第３ポート２０２〜２０６は、アンテナの受電ポートとして機能することができる。第１〜第３ポート２０２〜２０６は、導電性パターン１２２の線対称軸の一方の側（線対称軸上を含む。図２では右側）に配置されている。

図３〜図７に第１ポート２０２の一例を示す。第２ポート２０４及び第３ポート２０６も同様に構成されている。

第１ポート２０２は、導電性のリード１４０及び１４２、可動部１５０、ガイド１６０及び１６２、並びに、導電性パターン１２２の一部を含んで構成されている。第１ポート２０２において、導電性パターン１２２は、２つの部分（以下、パターン片という）１２４及び１２６に分割され、所定の間隔をあけて配置されている。リード１４０及び１４２と可動部１５０とは、基板１２０の、導電性パターン１２２が形成された面に配置されている。

２つのリード１４０及び１４２は、相互に離隔して配置され、電気的に直接接続されていない。リード１４０及び１４２の一端はそれぞれ、パターン片１２４及び１２６に近接して配置され、リード１４０及び１４２の他端は変換部１０４に接続される。図３において、パターン片１２４及び１２６、並びに、リード１４０及び１４２の端部を破線で示している。

図４を参照して、可動部１５０は、絶縁性の基部１５８と、導電性の接続片１５２、１５４、及び１５６とから構成されている。接続片１５２、１５４、及び１５６は、基部１５８の、基板１２０側の面に配置されている。ガイド１６０及び１６２は、基板１２０に固定され、可動部１５０がスライド移動可能なように、可動部１５０の両側を保持する。

図５は、可動部１５０が、その可動範囲の一端、即ち、ガイド１６０及び１６２の一方の端部に位置する状態を示す。この状態では、接続片１５２はパターン片１２４及び１２６に当接し（当接部分を斜線で示す）、接続片１５４はリード１４０のみに当接し、接続片１５６はリード１４２のみに当接している。即ち、パターン片１２４及び１２６が電気的に接続され、リード１４０及び１４２は、パターン片１２４及び１２６から電気的に分離された状態である。したがって、第１ポート２０２が、図５に示した状態であれば、外部の電磁波によって導電性パターン１２２に交流電流が発生しても、交流電流は、リード１４０及び１４２を介して変換部１０４に伝送されることはない。即ち、第１ポート２０２は、受信ポートとして機能しない。この状態のポートをＯＦＦ状態という。

可動部１５０を、図５の状態から矢印の方向に移動させると、図６に示す状態を経由して、図７の状態になる。図６においては、接続片１５２は、パターン片１２４及び１２６から離れ、接続片１５４及び１５６はそれぞれ、リード１４０及び１４２との当接を維持しているが、パターン片１２４及び１２６に当接するには至っていない。

図７は、可動部１５０が、その可動範囲の他端、即ち、ガイド１６０及び１６２の他方の端部に位置する状態を示す。この状態では、接続片１５２はパターン片１２４及び１２６から離れ、接続片１５４はパターン片１２４及びリード１４０に当接し、接続片１５６はパターン片１２６及びリード１４２に当接している（当接部分を斜線で示す）。即ち、パターン片１２４及び１２６は電気的に分離され、リード１４０はパターン片１２４に電気的に接続され、リード１４２はリード１４２に電気的に接続された状態である。したがって、第１ポート２０２が、図７に示した状態であれば、外部の電磁波によって導電性パターン１２２に発生した交流電流は、リード１４０及び１４２を介して変換部１０４に伝送される。即ち、第１ポート２０２は、受信ポートとして機能する。この状態のポートをＯＮ状態という。

このように、第１ポート２０２は、可動部１５０を、図５及び図６に示した矢印方向に変位させることにより、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態に設定される。第２ポート２０４及び第３ポート２０６も第１ポート２０２と同様に構成されており、アンテナ１０２によって電磁波エネルギーが回収されるときには、第１〜第３ポート２０２〜２０６の何れか１つがＯＮ状態に設定され、残りはＯＦＦ状態に設定される。

図２に示したアンテナ１０２の共振周波数は、主に基板１２０の誘電率及び厚さと、導電性パターン１２２の形状及び寸法とによって決まる。導電性パターン１２２の形状及び寸法は、第１〜第３ポート２０２〜２０６の位置及びそのＯＮ／ＯＦＦ状態によって影響を受ける。したがって、第１〜第３ポート２０２〜２０６の位置は固定であるが、第１〜第３ポート２０２〜２０６の何れがＯＮ状態（その他のポートはＯＦＦ状態）に設定されるかにより、アンテナ１０２の共振周波数を変更することができる。後述するように、アンテナ１０２を構成する各部の条件が決まれば、数値計算によるシミュレーション又は実験により、共振周波数を予め求めることができる。したがって、アンテナ１０２が設置される、電波環境に応じて適切なポートを受電ポートとして決定することができ、電磁波エネルギーを効率的に回収することができる。また、回収する電磁波の周波数に関する要望に応じて、適切なポートを受電ポートとして決定することもできる。例えば、所定の周波数帯域の電磁波エネルギーを回収の対象から除外し、即ち所定の周波数帯域の電磁波には影響を与えずに、それ以外の周波数の電磁波エネルギーを回収することも可能になる。

なお、第１〜第３ポート２０２〜２０６と変換部１０４との接続に関して、第１〜第３ポート２０２〜２０６のそれぞれに対して変換部１０４を備えていれば、即ち３つの変換部を備える場合には、第１〜第３ポート２０２〜２０６の各リードを、対応する変換部に直接接続すればよい。例えば、第１ポート２０２に関しては、リード１４０及び１４２を、対応する変換部に直接接続すればよい。一方、１つの変換部１０４を使用する場合には、第１〜第３ポート２０２〜２０６のうち受電ポートになるポートのリードのみを変換部１０４に接続し、その他のポートのリードを変換部１０４に接続しない回路を備えていればよい。そのような回路は、導電線とスイッチとにより適宜設計され得る。

上記では、図４に示したように、接続片１５４及び１５６を接続片１５２の下方に配置して、可動部１５０を上下方向にスライドさせる場合を説明したが、これに限定されない。例えば、接続片１５４及び１５６の間隔を図４と同じ間隔に維持して、接続片１５４及び１５６を、接続片１５２の右側又は左側に配置してもよい。このとき、接続片１５２の上端と、接続片１５４及び１５６の上端とを、上下方向に関してほぼ同じ位置になるように配置すれば、可動部１５０を左右にスライドさせることによって、上記と同様に、ポートをＯＮ状態又はＯＦＦ状態に設定することができる。

上記では、可動部１５０の位置を変位させる機構としてガイド１６０及び１６２を使用する場合を説明したが、これに限定されない。種々の機構が可能である。例えば、図３〜図７において、ガイド１６０及び１６２の代りに、基部１５８の中央に、可動方向に平行に長穴を設け、長穴を通した複数のボルト等により、基部１５８を基板１２０に、可動可能に固定する機構であってもよい。

上記では、基板１２０の導電性パターン１２２が配置される面（便宜上、表面という）に、可動部及びリードを備えたポートが配置される場合を説明したが、これに限定されない。ポートを、基板１２０の表面ではなく、裏面に配置してもよい。その場合、例えば、基板１２０の、導電性パターン１２２のパターン片１２４及び１２６の端部が位置する部分に、表面と裏面とを接続する導電性のビア（ｖｉａ）を形成し、裏面に接続端子を配置し、パターン片１２４及び１２６の端部と接続端子とをビアで接続すればよい。

上記では、第１ポート２０２を受電ポートとして使用しない場合、パターン片１２４及び１２６を接続する場合を説明したが、接続しなくてもよい。パターン片１２４及び１２６を、リード１４０及び１４２に接続されずに、相互に分離された状態にするには、例えば、可動部１５０を、図６に示した状態にすればよい。パターン片１２４及び１２６を分離することによって、アンテナ１０２の共振周波数が変化するが、その場合に関しても予めシミュレーション又は実験よって共振周波数特性を取得しておけば、それを用いて、設置環境又は要望に応じて適切なポートを受電ポートに決定することができる。

即ち、ポートの機能は、機械的スイッチを用いて、図８のように示すことができる。機械的スイッチには、ジャンパピン等による着脱機構も含まれる。図５の状態（第１ポート２０２がＯＦＦ状態）は、スイッチ３４０がＯＮ、スイッチ３４２及び３４４がＯＦＦである状態に対応する。図７の状態（第１ポート２０２がＯＮ状態）は、スイッチ３４０がＯＦＦ、スイッチ３４２及び３４４がＯＮである状態に対応する。図６の状態（第１ポート２０２がＯＦＦ状態）は、スイッチ３４０、３４２及び３４４が全てＯＦＦである状態に対応する。

各ポートが図８のような構成であれば、スイッチ３４２及び３４４によってポートをＯＮ状態又はＯＦＦ状態に設定することとは独立に、スイッチ３４０によって、ポートにおける導電性パターン１２２の接続状態をオープン又はショートにすることができる。例えば、３つのポートを使用する場合、第１ポートをＯＮ状態に設定するときには、第２及び第３ポートをＯＦＦ状態に設定するので、導電性パターンの第２及び第３ポートでの接続状態（ショート又はオープン）は、表１に示したように４種類の組合せが可能である。表１において、パターンとは導電性パターンを意味する。第２又は第３ポートをＯＮ状態にする場合にも同様である。したがって、３つのポートの何れかを受電ポートとして使用する場合、アンテナの共振周波数パターン（後述する反射率の周波数特性）を合計１２種類の中から選択することができ、電磁波エネルギーの回収対象とする周波数又は回収対象から除外する周波数の選択肢が広くなる。

上記では、１つのアンテナ１０２を使用して電磁波エネルギーを回収する場合を説明したが、これに限定されない。図２に示したアンテナ１０２を複数平面上に配置してもよい。また、図９に示すように複数の導電性パターンを、１枚の基板上にアレイ状に配列したもの（以下、アレイアンテナという）を使用してもよい。アレイアンテナ１６０は、材質が一様な樹脂（即ち、誘電率が空間的に一様）により形成された基板１６２と、基板１６２の一方の表面に配列された、同じ形状の複数の導電性パターン１２２とを備えている。各導電性パターン１２２には、ポート部２００が配置されている。各導電性パターン１２２、ポート部２００、及びそれらの背面部分の基板１６２は、図２のアンテナ１０２に対応し、図２〜図７を参照して上記したように構成されているので、説明を繰返さない。便宜上、ここでは、導電性パターン１２２、ポート部２００、及びそれらの背面部分の基板１６２を、まとめてアンテナ１０２と表記する。

図９のアレイアンテナ１６０を使用して電磁波を回収する場合、電磁波エネルギー回収装置３００は、図１０に示すように構成される。即ち、電磁波エネルギー回収装置３００は、アレイアンテナ１６０を構成する複数のアンテナ１０２、複数の変換部１０４、複数の整流部１０６、合成部３０２、及び出力部１０８を備えている。対応するアンテナ１０２、変換部１０４、及び整流部１０６の接続は、図１と同様である。

合成部３０２は、複数の整流部１０６から出力される直流信号（直流電圧又は直流電流）を合成する。複数の整流部１０６の相互接続は、直列接続であっても、並列接続であっても、さらには、直列接続と並列接続とを混在させた接続であってもよい。交流の場合（特に高周波である場合）には、配線パターンによる影響を受けるが、整流部１０６の出力は直流であるので、配線パターンの影響をほとんど受けず、任意の配線が可能である。

出力部１０８は、合成部３０２の出力電力を、目的の負荷１１０に応じた電圧又は電流に変換して負荷１１０に供給する。電磁波エネルギー回収装置３００は、アレイアンテナ１６０を用いていることにより、図１の電磁波エネルギー回収装置１００よりも大きい電力を出力することができる。

基板１６２へのアンテナ１０２の配置は、図９に示したような格子状の配置に限定されず、任意である。即ち、図９では、複数のアンテナ１０２が、同じ方向を向くように格子状に配置されているが、このような配置に限定されない。アンテナの向き及びアンテナ相互の配置は、各アンテナの共振周波数が影響を受けず、受電ポートに変換部１０４を接続することができる配置であればよい。例えば、図９において、偶数番目の列のアンテナの位置を、奇数番目の列のアンテナに対して、列方向に隣接するアンテナの間隔の１／２だけずらして配列してもよい。また、図９において、偶数番目の行のアンテナの位置を、奇数番目の行のアンテナに対して、行方向に隣接するアンテナの間隔の１／２だけずらして配列してもよい。また、図９において、一部のアンテナを、列方向に反転させて配置してもよい。また、図９において、一部のアンテナを、行方向に反転させて配置してもよい。

上記では、アンテナ１０２が、矩形のループアンテナである場合を説明したが、これに限定されない。例えば、図１１に示すような円形のループアンテナであってもよい。ループアンテナの導電性パターン３２０の途中に、受電ポートとして使用され得る複数のポートが配置されている。図１１では、図２と同様に３つのポート３２２、３２４及び３２６が配置されている。ポート３２２、３２４及び３２６は、例えば、図３〜図７を参照して上記したように構成される。

上記のように、アンテナの導電性パターンが線対称な形状であれば、複数のポートを対象軸の一方の側に配置させることにより、所定の共振周波数を有するように、又は所定の共振周波数を有さないように、各ポートの位置を決定することが比較的容易である。しかし、アンテナ１０２は、複数のポートを有していればよく、導電性パターンは線対称でなくてもよく、何ら対称性を有しない形状であってもよい。複数のポートを有していれば、電磁波との相互作用によって発生する交流信号を取出すポートを変更することにより、アンテナの共振周波数を変更することができるので、回収する電磁波エネルギーの周波数を選択することができる。

上記では、アンテナ（導電性パターン）１０２に生じた平衡な信号を、不平衡な導電線（例えば同軸ケーブル）を介して整流部１０６に伝送するために、変換部１０４を備える場合を説明したが、変換部１０４はなくてもよい。変換部１０４を用いない場合、不平衡な導電線を介さずに、アンテナ（導電性パターン）１０２の受電ポート（リード）を直接整流部１０６の入力に接続すればよい。このとき、整流部１０６は受信ポートの近傍に配置することが好ましい。

上記では、複数のポートのうちの１つのポートのみを受信ポートとして使用する場合を説明したが、同時に複数のポートを受信ポートとして使用してもよい。その場合にも、予めシミュレーション又は実験によって共振周波数の情報を予め取得しておけば、電波環境又は要望に応じて、どのポートを受電ポートとして使用するかを、容易に決定することができる。

上記の共振周波数可変アンテナを備えた電磁波エネルギー回収装置は、複数のポートのそれぞれを受電ポートとする場合の共振周波数の情報と共に提供されることが好ましい。電磁波エネルギー回収装置の設置場所では、電波環境及び回収する周波数に関する要求を考慮して、提供された情報に基づき、受電ポートとして使用するポートを決定する。

複数のポートのそれぞれを受電ポートとする場合の共振周波数の情報とは、各ポートのＯＮ／ＯＦＦ状態の情報（例えば、フラグのセット）と、ＯＮ状態のポートでの反射特性のグラフ（後述の図１１参照）で構成される。したがって、特定の周波数帯域の電磁波を回収したくない場合には、その帯域での反射値が大きいグラフを選択すれば、そのグラフに対応するフラグのセットから、各ポートのＯＮ／ＯＦＦ状態が決まる。なお、電磁波エネルギー回収装置の出荷時の各ポートのＯＮ／ＯＦＦ状態が容易に分かるようにしておくことが好ましい。

以下に、シミュレーション結果を示し、本発明の有効性を示す。

矩形アンテナの共振周波数に関して、数値計算によるシミュレーションを行なった。図１２に示すように、基板４００の表面に、導電性パターン４０２、及び受電ポートとして第１〜第３ポート４１０〜４１４が配置されていると仮定して、給電部（受電ポート）への入力信号の周波数を所定範囲で変化させて、給電部における反射率（ｄＢ）を計算した。反射率｜Ｓ１１｜は、入射信号強度で反射信号強度を除して得られる値である。｜Ｓ１１｜が小さいほど、給電部に入射した信号が反射されずに通過することになる。これは、アンテナを受信に使用する場合も同じである。

導電性パターン４０２の寸法条件に関しては、縦の長さａが８０ｍｍ、横の長さｂが１８０ｍｍ、ギャップ間隔ｇが２０ｍｍ、幅ｗが５ｍｍであるとした。基板４００は、比誘電率が３．５、縦の長さが１００ｍｍ、横の長さが２００ｍｍ、厚さが１．５ｍｍの平板であり、導電性パターン４０２は基板４００の中央に配置されているとした。導電性パターン４０２の中心線（対称軸）から第１〜第３ポート４１０〜４１４までの距離ｄ１〜ｄ３はそれぞれ、ｄ１＝１０ｍｍ、ｄ２＝４５ｍｍ、ｄ３＝６０ｍｍとした。

第１〜第３ポート４１０〜４１４のうち何れか１つが、給電部として機能し、その部分で導電性パターン４０２がオープンになっており、その他のポートの部分の導電性パターン４０２はショートしているとした。

第１及び第２ポートのそれぞれを給電部として、シミュレーションした結果を図１３に示す。アンテナが共振して、反射率｜Ｓ１１｜の値が−１０ｄＢ以下となる周波数範囲を、濃く塗りつぶして示している。

図１３から、第１又は第２ポートを受電ポートとした場合、それぞれ異なる周波数帯域で、反射率｜Ｓ１１｜の値が−１０ｄＢ以下になっていることが分かる。したがって、特定の周波数帯域の電磁波エネルギーを回収しないようにするためには、その周波数帯域において反射率｜Ｓ１１｜の値が比較的大きいポートを使用すればよい。

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。

１００、３００ 電磁波エネルギー回収装置
１０２ アンテナ
１０４ 変換部
１０６ 整流部
１０８ 出力部
１１０ 負荷
１２０ 基板
１２２、３２０ 導電性パターン
１２４、１２６ パターン片
１３０ ギャップ
１４０、１４２ リード
１５０ 可動部
１５２、１５４、１５６ 接続片
１５８ 基部
１６０、１６２ ガイド
２００ ポート部
２０２ 第１ポート
２０４ 第２ポート
２０６ 第３ポート
３０２ 合成部
３４０、３４２、３４４ スイッチ

Claims (8)

1. 電磁波エネルギーの回収に使用される共振周波数可変アンテナであって、
   誘電部材で形成された基板と、
   前記基板の両面のうち一方の面に形成された導電性部材と、
   前記導電性部材に配置された複数のポートとを備え、
   複数の前記ポートの各々は、外部の電磁波により前記導電性部材に発生する交流の電気信号を回収するための受電ポートとして機能するように設定され得、
   複数の前記ポートの各々は、さらに、
   前記導電性部材を電気的に２つの部分に分離する機能、及び、分離された２つの前記部分を電気的に接続する機能を有する第１の切換手段と、
   前記電気信号を出力するための２つの出力手段をそれぞれ、分離された２つの前記部分に電気的に接続する機能、及び、電気的に接続されている前記出力手段と前記部分とを、電気的に分離する機能を有する第２の切換手段とを備える、共振周波数可変アンテナ。
2. 複数の前記ポートのうちの１つのポートのみが、前記受電ポートとして機能するように設定される、請求項１に記載の共振周波数可変アンテナ。
3. 前記導電性部材の全体形状は、所定の軸を対称軸とする線対称な環状であり、
   複数の前記ポートは、前記対称軸の一方の側に配置されている、請求項１又は２に記載の共振周波数可変アンテナ。
4. 請求項１から３の何れかに記載された共振周波数可変アンテナと、
   前記ポートから出力される交流の前記電気信号を整流して出力する整流手段とを備える、電磁波エネルギー回収装置。
5. 前記ポートと前記整流手段との間に、不平衡な電気信号を伝送する伝送手段と、前記導電性部材に発生する平衡な電気信号を不平衡な電気信号に変換する変換手段とをさらに備え、
   前記変換手段の一端は、前記ポートに接続され、
   前記変換手段の他端は、前記伝送手段の一端に接続され、
   前記伝送手段の前記変換手段に接続されない他端は、前記整流手段に接続される、請求項４に記載の電磁波エネルギー回収装置。
6. 電磁波エネルギーの回収に使用される共振周波数可変アンテナであって、
   誘電部材で形成された基板と、
   前記基板の両面のうち一方の面に形成された複数の同じ形状の導電性部材とを備え、
   複数の前記導電性部材の各々は、複数のポートを備え、
   複数の前記ポートの各々は、外部の電磁波により前記導電性部材に発生する交流の電気信号を回収するための受電ポートとして機能するように設定され得、
   複数の前記ポートの各々は、さらに、
   前記導電性部材を電気的に２つの部分に分離する機能、及び、分離された２つの前記部分を電気的に接続する機能を有する第１の切換手段と、
   前記電気信号を出力するための２つの出力手段をそれぞれ、分離された２つの前記部分に電気的に接続する機能、及び、電気的に接続されている前記出力手段と前記部分とを、電気的に分離する機能を有する第２の切換手段とを備える、共振周波数可変アンテナ。
7. 請求項６に記載された共振周波数可変アンテナと、
   複数の前記導電性部材の各々に１対１に接続され、交流の前記電気信号を整流して出力する整流手段と、
   複数の前記整流手段の出力信号を合成して出力する合成手段とを備える、電磁波エネルギー回収装置。
8. 前記ポートと前記整流手段との間に、不平衡な電気信号を伝送する伝送手段と、前記導電性部材に発生する平衡な電気信号を不平衡な電気信号に変換する変換手段とを備え、
   前記変換手段の一端は、前記ポートに接続され、
   前記変換手段の他端は、前記伝送手段の一端に接続され、
   前記伝送手段の前記変換手段に接続されない他端は、前記整流手段に接続される、請求項７に記載の電磁波エネルギー回収装置。

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