JP6849778B1 - 無線送電器、および無線受電器 - Google Patents
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Abstract
Description
ワイヤレスセンサネットワークやウェアラブル端末においては、電源としてボタン電池などの一次電池、リチウムイオン電池等の二次電池のほか、太陽電池等のエナジーハーベスト素子等が使用されている。ここで、電池を用いる場合は、電池の交換や充電が必要である。一方、太陽電池等のエナジーハーベストデバイスは、電池交換は不要であるが、高コストであり、供給電力が環境に左右される。これらの電源に関する問題は、IoTデバイスの普及への障壁となっている。
現在、電力供給を行う送電局を複数に分散化させた、分散型ワイヤレス電力伝送(WPT:Wireless Power Transfer/Transmission)が検討されている。図1に、分散型WPTの概要図が示される。
送電局が複数存在する場合、各送電局が発振する電波を受信する受電端末は、受信した電波を合成して受け取ることになる。ここで、各送電局が送信する電波の周波数がそれぞれ等しく、また、各送電局から送信された電波の位相が受電アンテナにおいて等しい位相で受信される(位相差が0である)場合に、受電端末による受電電力は最大となることが知られている。すなわち、無線給電の効率を高めるためには、各送電局が送信する電波の周波数および位相を最適化する必要がある。
図2は、バックスキャッタの仕組みを示す概念図である。複数の送電局1Aおよび1Bは、同じ周波数(例えば920MHz)で、電波(連続波)を送信する。受電端末2はアンテナ21でこの電波(連続波)を受信するが、アンテナ21からの反射が発生する。このアンテナ21からの反射を、受電端末2が備えるバックスキャッタ変調回路23が変調することにより、バックスキャッタ(変調波)が生成される。図示した例においては、受電端末2に入射した920MHzの電波に対して、ミキサ(乗算器)として動作するバックスキャッタ変調回路23が、32khzの変調をかける。その結果、受電端末2のアンテナ21から送電局1Aおよび1Bへと戻る反射には、920MHz−32kHzの変調波と、920MHz+32kHzの変調波が含まれる。
図3は、本開示の無線電力伝送システム500を示すシステムブロック図である。無線電力伝送システム500は、2以上の無線送電器1Aおよび1Bと、1以上の無線受電器2とを備えている。2以上の無線送電器1Aおよび1Bは、有線または無線で相互に接続されていてよい。
次に、無線受電器2の構成例を説明する。無線受電器2は、電波を受信するアンテナ21と、アンテナ21が受信した信号を整流する整流回路22と、バックスキャッタ変調回路23と、逆流防止回路の一例であるダイオード24と、蓄電回路25と、負荷26とを備える。アンテナ21は整流回路22の入力に接続される。ダイオード24の一端がバックスキャッタ変調回路23に接続される。ダイオード24の他端が蓄電回路25および負荷26に接続される。整流回路22とダイオード24の間にバックスキャッタ変調回路23が接続される。
図4は、バックスキャッタ変調回路23を備えた無線受電器2の構成例を示す回路図である。回路図における各構成要素の配置は図3に示したものとほぼ同様であるため、図3に示したものと同じ構成要素については同じ参照番号を付して説明を簡略化あるいは省略し、相違点について説明する。
図5は、バックスキャッタ変調回路23を備えた無線受電器2の変形例を示す回路図である。図4に示した回路構成と、図5に示した回路構成とは、ほぼ共通している。そこで、これら両者に共通する部分については説明を簡略化あるいは省略し、相違点について説明する。
次に、無線電力伝送システム500が備える複数の無線送電器1(図3参照)において、アンテナ15から送信される電波の位相を最適化(以下、単に「位相最適化」)するための処理例を説明する。図6は、各無線送電器1の位相最適化についてのフローチャートである。
無線送電器1の制御装置17が、バックスキャッタ信号の強度が最大になるように移相回路13を制御する位相最適化処理は、複数の態様が存在する。図7は、第1の位相最適化処理を示すフローチャートである。
次に、図8に基づいて、第2の位相最適化処理について説明する。第2の位相最適化処理も、1つの無線送電器1についての処理であり、図6のステップSt2に相当する。
次に、図9に基づいて、第3の位相最適化処理について説明する。第3の位相最適化処理も、1つの無線送電器1についての処理であり、図6のステップSt2に相当する。
図10は、複数の無線送電器1を1つずつ順番に位相最適化していった場合の、無線受電器2が受け取る合成電力(受電電力)を示す概念図である。図の例では、4つの無線送電器EN0、EN1、EN2、EN3について、1つずつ順番に位相最適化を行っている(図6のフローチャート参照)。無線送電器EN0、EN1、EN2、EN3がそれぞれ位相最適化処理を終えるごとに、時間(図10下部のグラフの横軸)につれて、受電電力(図10下部のグラフの縦軸)が段階的に増大している。
図11は、複数の無線送電器1の間での周波数同期処理の実験例を示すブロック図である。図示したように、無線送電器1に相当する機器SDRが複数設けられ、機器SDRが備える複数のトランスミッタ(TX1、TX2)から送信された電力を合成し、これを測定する実験が行われた。
図12は、複数の無線送電器の間での周波数同期処理の実験例を示すブロック図である。図12に示した実験例におけるブロック構成は、図11に示した実験例におけるブロック構成とほぼ同様であるので、異なる部分のみを説明し、同様の部分については説明を簡略化または省略する。
図13は、バックスキャッタ信号に変調をかける位置についての実験例を示す概念図である。既に説明したように、無線受電器2のアンテナ21は周波数fc(例えば920MHz)の電波を受信(グラフの「入力電力」)して、周波数fc±fmに変調されたバックスキャッタを反射(グラフの「RF電圧」)する。この変調に係る周波数fmを、整流回路22の後段である点Aと、整流回路22の内部にある点Bとにそれぞれ入力し、前記入力電力と前記RF電圧との間の関係をグラフ化した。
2 無線受電器
11 基準周波数発振器
12 逓倍器
13 移相回路
14 アンプ
15 アンテナ
16 バックスキャッタ信号受信機
17 制御装置
21 アンテナ
22 整流回路
23 バックスキャッタ変調回路
231 インピーダンス変調素子
232 波形整形回路
233 発振回路
24 ダイオード
25 蓄電回路
26 負荷
27 逆流防止回路
272 ノンオーバラップ制御回路
500 無線電力伝送システム
Claims (11)
- マイクロ波を用い、複数設けられる無線送電器の一つであって、
前記複数の無線送電器それぞれが、
電波を送信するアンテナと、
前記アンテナにより送信される電波の移相量を変える移相回路と、
少なくとも前記移相回路を制御する制御装置と、
前記複数の無線送電器から同時に送信された電波を受信した無線受電器によって、前記受信した電波に応じて生成されたバックスキャッタ信号を受信するバックスキャッタ信号受信機と、
を備え、
前記複数の無線送電器のうち1つずつ順番に、前記制御装置は、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大になるように前記移相回路を制御する位相最適化処理を実行する、
無線送電器。 - 前記制御装置は、山登り法を用いて、前記位相最適化処理を実行する、
請求項1に記載の無線送電器。 - 前記制御装置は、前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相θ0を基準として線形に2πだけ単調増加または単調減少させ、前記2πの移相変化が終了するまでの時間をt1とし、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大となるまでの時間をt2とし、2π(t2/t1)+θ0とするように前記位相最適化処理を実行する、
請求項1または請求項2に記載の無線送電器。 - 前記制御装置は、前記移相回路の設定位相を、前記移相回路のある時点での設定位相θ0を基準として時間t1の間に線形に2πだけ単調増加または単調減少させたのち、一定のt0の時間位相の変化を行わず、その後前記単調増加または単調減少とは逆の方向に、時間t1の間に線形に2πだけ前記移相回路の設定位相を変動させ、前記無線送電器が受信する前記バックスキャッタ信号の強度が最大となる1度目の時刻と2度目の時刻の差分をt2とし、前記バックスキャッタ信号の強度が最小となる1度目の時刻と2度目の時刻の差分をt3としたとき、2π(1−(t2−t0)/(2t1))+θ0または2π(0.5−(t3−t0)/(2t1))+θ0とするように前記位相最適化処理を実行する、
請求項1または請求項2に記載の無線送電器。 - 基準周波数の信号を逓倍する逓倍器を備え、
前記アンテナは、前記逓倍器によって逓倍された電波を送信する、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の無線送電器。 - 基準周波数の信号を発振する基準周波数発振器を備え、
前記基準周波数発振器が発振した信号が前記逓倍器に入力される、
請求項5に記載の無線送電器。 - 前記基準周波数発振器が発振した信号を外部に出力する出力部を備える、
請求項6に記載の無線送電器。 - 基準周波数の信号が入力される入力部を備える、
請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の無線送電器。 - 前記アンテナが円偏波アンテナである、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の無線送電器。
- マイクロ波を用い、請求項1記載の無線送電器から送信される電波を受信するアンテナと、前記アンテナが受信した信号を整流する整流回路と、逆流防止回路と、バックスキャッタ変調回路と、蓄電回路と、負荷とを備え、
前記バックスキャッタ変調回路が発振回路及びインピーダンス変調素子を備え、
前記アンテナが前記整流回路の入力に接続され、
前記整流回路の出力が前記インピーダンス変調素子に接続され、
前記逆流防止回路の一端が前記インピーダンス変調素子に接続され、他端が前記蓄電回路および前記負荷に接続され、前記インピーダンス変調素子が前記発振回路により駆動されている、
無線受電器。 - 前記バックスキャッタ変調回路が、発振回路と波形整形回路とを更に備え、
前記波形整形回路は、前記発振回路から入力されたクロックの波形を、デューティ比のより低い波形へと整形して、前記インピーダンス変調素子に入力する、
請求項10に記載の無線受電器。
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