JP6946455B2 - 周波数選択性要素を有するアンテナ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年４月３日に出願された、「Ａｎｔｅｎｎａ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」と題する、米国非仮特許出願第１５／９４４，４８２号に対する優先権を主張する。この文献は、１）２０１７年４月５日に出願された、「Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ」と題する、米国仮特許出願第６２／４８１，８２１号、２）２０１７年４月７日に出願された、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ」と題する、米国仮特許出願第６２／４８２，８０６号、及び、３）２０１７年５月１８日に出願された、「Ｃａｒｂｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する、米国仮特許出願第６２／５０８，２９５号の優先権を主張する。これら文献のすべては、本明細書により、すべての目的のために、参照することにより、組み込まれる。

データトラッキング及びモバイルコミュニケーションが幅広い様々な製品及び活動に組み込まれるにつれて、無線デバイスが社会の重要な部分となってきている。たとえば、無線認識（ＲＦＩＤ）システムが、輸送されている製品、経由地を通る車両、倉庫内または組立てライン上の在庫品、ならびに、動物及び人間でさえあるものなどの対象を、埋め込まれているか着用されているＲＦＩＤ追跡装置を介して、追跡及び識別するために、一般的に使用されている。モノのインターネット（ＩｏＴ）は、無線デバイスが使用される別の分野である。この分野では、ネットワーク化されたデバイスが、互いに情報を通信するために、ともに接続されている。ＩｏＴアプリケーションの実施例には、スマート器具、スマートホーム、ボイス制御されたアシスタント、ウェアラブル技術、ならびに、セキュリティ、エネルギ、及び環境のためのものなどの監視システムが含まれる。

多くのアプリケーションが、これら無線電子デバイスを非常に小型かつポータブルとすることを必要としており、それにより、デバイスに給電できる方式が制限されることがら、エネルギハーベスティング（ＥＨ）がしばしば、デバイスのための追加のエネルギ源として利用される。エネルギハーベスティングは、概略的には、エネルギハーベスティングの構成要素またはデバイスにより、意図的に、自然に、または、副産物もしくは副作用として、エネルギを放射または放出させる、様々なエネルギ源からエネルギを得るプロセスである。採取することができるエネルギのタイプには、他のエネルギの内で、電磁（ＥＭ）エネルギ、太陽エネルギ、熱エネルギ、風エネルギ、塩度勾配、及び運動エネルギが含まれる。たとえば、温度勾配が、動作している燃焼機関の周囲の領域に生じる。都会のエリアでは、ラジオ及びテレビの放送のために、大量のＥＭエネルギが環境内に存在する。エネルギハーベスティングの回路またはデバイスは、このため、これらタイプのエネルギ源からのエネルギレベルが高度に可変性であるか、信頼性のないものである場合があるとしても、これら領域または環境の中、上、または近位に配置して、これらエネルギ源の存在を利用することができる。たとえば、携帯電話、ＷｉＦｉネットワーク、及びテレビなどのＥＭ源から、無線周波数（ＲＦ）エネルギを取得するために、アンテナを使用することができる。エネルギハーベスティングは、電力事業会社により、配電網を通して特定の顧客に提供されるような、専用の、配線によって接続された電力伝達線を通して提供されるエネルギの直接的な供給とは、概して区別される。これらの各々は、エネルギ源に対して追加される電源負荷である。

いくつかの状況では、ハーベスティングに利用可能であるエネルギは、背景の、周囲の、または補足されたエネルギとしても知られている。これらエネルギは、受信デバイスに給電することを目的に、任意の特定の顧客または受信器に伝達することは特に意図されていない。背景または周囲のエネルギの実施例が、多くのタイプの電気デバイスまたは伝達線の、不可避の副作用または副産物として放射される、自然のＥＭ放射である。地面、空気、または衛星のラジオ送信機から放出される無線周波は、対照的に、遠距離通信の目的のための受信機によって使用されることが意図されている場合があるが、その無線周波エネルギ（このエネルギは、ＥＭ放射である）は、意図されていないエネルギハーベスティングの目的のために使用することも可能である。これら「故意ではない」状況では、エネルギハーベスティング回路は、単純に、エネルギ源に対する追加の電力付加となることなく、利用可能であれば、いつでも、または、どこでも、周囲のエネルギを取得する。他の状況では、専用の無線ＥＭエネルギトランスミッタを、広く放送されるか、特定方向に発せられるＥＭ放射に提供することができる。ここでは、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスによる意図的な採取または取得のために存在しているものと知られており、それにより、特定の電気デバイスのための「意図的な」無線電力伝達システムを提供する。しかし、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスの観点から、ＥＭエネルギトランスミッタからの意図的なＥＭ放射は、意図的な状況が、より信頼性のあるエネルギ源に繋がり得ることを除き、周囲の（意図的ではない）エネルギと同じであるか類似である。意図的に伝達されたエネルギと、意図的ではなく伝達されたエネルギとの両方を、エネルギハーベスティングのために使用することができる。

採取されたエネルギは、概して、ウェアラブル電子機器及び、無線センサデバイスまたはネットワークのいくつかのタイプで使用されるものなど、小さい、通常は無線の、通常は自律性の、電子回路、構成要素、またはデバイスにより、使用するために取得されるか、将来の使用のために貯蔵される。このため、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスは、通常は、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに電気的に接続されているか、組み込まれているか、別様に関連付けられている、低エネルギの電子回路または電子デバイスのための、非常にわずかな量の電力を供給する。これらエネルギハーベスティング回路は、ＥＨソースが、デバイス全体のための十分な電力を供給しないか、安定した電力を供給しないことから、通常は、デバイス上のバッテリに対する補助的な電力源である。

アンテナは、エネルギを効率的に収穫するための能力において、重要な役割を果たす。エネルギハーベスティングのためのアンテナ、ならびに、無線デバイス及びＩｏＴデバイスにおける通信のためのアンテナの開発が、サイズを最小にし、効率を向上させ、マルチバンドの周波数を達成し、また、様々なアンテナ材料を研究するために、研究に関係している。アンテナは、モバイルデバイスのためのハウジング内、埋込み式デバイス内、ならびに、スマートカード及びパッケージング上に組み込まれている。ＲＦＩＤアンテナは、しばしば、小型のはがして張る方式のラベルなどの、パッケージングまたは表示のためのラベルの表面上に添付される。いくつかのアンテナは、シルクスクリーンプリント、フレキソプリント、またはインクジェットプリントなどのプリントによって製造される。銀インクが、導電性構成要素のためにもっとも一般的に使用されるインクであるが、カーボンインク及びポリマベースのインクも使用される。無線デバイスがますます広まっていくにつれて、より効率的で、費用効果の高いアンテナが絶えず必要とされる。

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを有し、このアンテナは、複数のレッグ要素を有している。複数のレッグ要素は、導電インクを備えており、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の少なくとも１つは、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。

いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングシステムは、アンテナシステム及び電子回路を含んでいる。アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、カーボンベースの導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能である。選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。電子回路は、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有しており、ここで、電子回路は、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を第２のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の第１のレッグ要素は、受信された周波数と、第１のレッグ要素の第１の電気的インピーダンスとに依存する、第１の共振周波数の閾値を有している。第１の電気的インピーダンスは、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される材料特性に基づいている。第１のレッグ要素は、アンテナ経路長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ように、個別に除外可能であり、第１のレッグ要素は、受信された周波数が第１の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。

図１Ａ及び図１Ｂは、当該技術で既知である、アンテナ偏波を示す図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、いくつかの実施形態に係る、周波数選択性要素を有するアンテナの側断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、いくつかの実施形態に係る、アンテナのレッグ要素を選択または除外するための、材料チューニングの使用を示す側断面図である。 図４は、いくつかの実施形態に係る、材料チューニングされたレッグ要素を有する、平らな逆Ｆアンテナの斜視図である。 図５は、いくつかの実施形態に係る、デジタルチューニングを伴うレッグ要素を有する、平らな逆Ｆアンテナの斜視図である。 図６Ａから図６Ｃは、いくつかの実施形態に係る、デジタルチューニングを伴うレッグ要素に関する、アンテナ、及びＳパラメータのグラフである。 図７は、いくつかの実施形態に係る、共振周波数のカスタマイズを示すＳパラメータのグラフである。 図８Ａと図８Ｂとは、いくつかの実施形態に係る、誘電材料をプリントすることができる、マイクロストリップアンテナの平面図と側断面図とである。 図９は、いくつかの実施形態に係る、平らな逆Ｆアンテナ、及び、アンテナのゲイン応答を示す図である。 図１０は、いくつかの実施形態に係る、波状アンテナ、及び、アンテナのゲイン応答を示す図である。 図１１Ａから図１１Ｃは、いくつかの実施形態に係る、ボックス上にプリントされた平らなアンテナを示す図である。 図１２Ａと図１２Ｂとは、いくつかの実施形態に係る、３次元基板に組み込まれた、折り曲げられた逆Ｆアンテナの斜視図と側断面図とである。 図１３は、いくつかの実施形態に係る、Ｌスロットのデュアルバンドの平らな逆Ｆアンテナの斜視図である。 図１４は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、曲がった逆Ｆアンテナの斜視図である。 図１５は、いくつかの実施形態に係る、別の平らな逆Ｆアンテナの斜視図である。 図１６は、いくつかの実施形態に係る、矩形の、電磁的に結合されたパッチアンテナの斜視図である。 図１７は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、周波数選択性アンテナを製造するためのプロセスの概略図である。 図１８は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、周波数選択性アンテナシステムを製造するための方法のフローチャートである。 図１９は、当該技術で既知である、様々な紙基板上にプリントされた導電材料に関する電気抵抗のグラフである。 図２０は、いくつかの実施形態に係る、周波数選択性アンテナレッグ要素を選択及び除外するための電子回路のブロック図である。 図２１は、いくつかの実施形態に係る、様々なアンテナ構成に関する周波数応答のグラフである。

本開示は、複数のレッグ要素を有する、プリントアンテナを記載している。このアンテナでは、所望の周波数に関してアクティブとなるように、レッグ要素が、個別に選択可能であるか除外可能である。アンテナの様々な部分を利用することにより、アンテナの経路長、すなわち、アクティブである所与のアンテナパターンの部分を、特定の周波数に関するエネルギが採取されるように、調整することができる。すなわち、本アンテナは、動的に変更可能である共振周波数を有し、このアンテナでは、アンテナ要素が、経路長を変更するように、入れられるか外されるように切り替えられる。本アンテナシステムは、多くの周波数を認知することができる広帯域アンテナとして動作する。このアンテナでは、システムが、どの周波数がもっとも優勢な電力源であるかを見出し、受信する電力を最大にするために、アンテナシステムの構成要素及び要素を変更する。

いくつかの実施形態では、レッグ要素の選択は、特定の電気的インピーダンスを有するように、各レッグ要素をチューニングすることによって受動的に生じる。この特定の電気的インピーダンスは、ある共振周波数閾値に繋がり、この閾値より上では、レッグ要素は、もはや応答しない。電気的インピーダンスのチューニングは、異なる電磁的浸透性、誘電率、及び／または導電率を有するインクを使用するなど、レッグ要素を印刷するために使用される材料を調整することによって達成することができる。レッグ要素を製造するために使用される材料のタイプは、アンテナの周波数応答特性に影響するようにも、変化させることができる。アンテナがある周波数を受信すると、レッグ要素は、受信した周波数が、その特定のレッグ要素の共振周波数の閾値より下である場合にアクティブとなり、受信した周波数が閾値より上である場合、アクティブではなくなる。こうして、所与の時点におけるアクティブなレッグ要素の総経路長が、アンテナの全体の共振周波数を変化させる。

他の実施形態では、レッグ要素の選択は、その短絡回路のレッグ要素をともに電子的に切り替えることによって動的に生じ、それにより、レッグ要素を除外し、アンテナ経路長を低減する。電子的な切り替えは、アンテナのレッグ要素に結合された、マイクロプロセッサなどの電子回路によって達成される。

いくつかの実施形態では、レッグ要素のチューニング可能な共振周波数を、テーパが付されたセグメントを使用するなど、アンテナ要素の何学形状によって達成することができる。いくつかの実施形態では、誘電材料も、アンテナ全体の静電容量を調整するために、アンテナのレッグ要素間にプリントすることができる。

いくつかの実施形態では、本発明のアンテナは、２次元の平らな設計として構成することができる。平らなアンテナは、輸送ボックスなど、基板で形成された対象の、１つまたは複数の面上に延びることができる。

さらなる実施形態では、アンテナ自体が、基板内に組み込まれた、３次元（３Ｄ）の何学形状を有している。３Ｄアンテナは、基板の構成要素上にプリントされた複数の導電体を有している。ここでは、各構成要素は、ともに結合及び積層されて、基板を形成している。本３Ｄアンテナは、特有に、波状のボール紙の多層構造、及び、波状の層自体の３Ｄの特徴など、基板材料の３Ｄの特徴を利用する。３Ｄアンテナの実施形態は、２次元の（平らな）設計上のアンテナの表面積を増大させることができる。表面積が大きければ、採取することができるエネルギ量が増大し、及び／または、通信のための受信及び送信が向上する。３Ｄアンテナは、選択可能なレッグ要素を通して、アンテナの経路長を変更することにより、様々な周波数で動作するように調整することもできる。

本実施形態のアンテナは、ラベル、カード、及び、ボール紙などのパッケージなどの、紙ベースの材料を含む、様々な基板上か、ガラスまたはプラスチックなどの、紙ではない材料上にプリントすることができる。本発明のアンテナは、金属及びカーボンベースのインクなどの、任意の導電材料を使用してプリントすることができる。カーボンインクは、グラフェン及びカーボンナノオニオン、またはこれらの混合などの、構造化されたカーボンを含む場合がある。

本実施形態の特性には、本質的にフレキシブルなアンテナ技術と、向上されたＲＦＩＤレンジ及びフレキシビリティとが含まれる。本アンテナシステムの用途には、職員の遠隔測定用のバッジまたは衣類、グループのようなエネルギハーベスティング及び通信、独立した、及び、多数の、データ遠隔測定及びデータ収集、手動操作不要の輸送処理、荷役口での認可を含む在庫管理、位置及び内部コンテンツの管理、生鮮品の温度、湿度、衝撃などの監視、ならびに、内部製品または接続された回路の、エネルギハーベスティングされた給電または充電が含まれる。

本実施形態が、ダイポールアンテナに関して基本的に記載されるが、本コンセプトは、アレイアンテナ及びスロットアンテナを含む、任意のタイプのアンテナに適用される。通常は３００ＭＨｚから２４ＧＨｚの間の周波数で使用されるスロットアンテナは、このアンテナを取り付けることになる、どの表面からも、このアンテナを切り取ることができ、かつ、（ダイポールアンテナに類似の）概ね無指向性である放射パターンを有していることから、一般的である。スロットアンテナの偏波は線形である。スロットのサイズ、形状、及び、このスロット（キャビティ）の後方に何があるかにより、性能をチューニングするために使用することができる設計変数が与えられる。アンテナの指向性を増大させるために、解決策の１つが、反射器を使用することである。たとえば、ワイヤアンテナ（たとえば、半波長ダイポールアンテナ）を始点に、導電シートを、放射を前方向に向けるように、このアンテナの後方に配置することができる。指向性をさらに向上させるために、コーナの反射器が使用される場合がある。マイクロストリップまたはパッチアンテナが、これらを回路基板上に直接プリントできることから、ますます有用になってきている。

実施形態は、基本的にエネルギハーベスティングに関して記載され、ここでは、アンテナは、エネルギを吸収することによるエネルギハーベスタである。しかし、このコンセプトは、限定ではないが、デジタル信号、アナログ信号、音声信号、及びテレビ信号などの、すべてのタイプのデータの送信及び受信にも適用される。

従来のアンテナ
無線の２次元（２Ｄ）の平らなアンテナの受信を向上させるための設計上の因子が、最初に記載される。アンテナの設計における考慮事項の１つが、アンテナゲインである。単純に言えば、より高いゲインのアンテナにより、アンテナから受信される電力が増大する。アンテナがもっとも長いリーチを有することを確実にするために、高いゲインのアンテナの設計が必要である（たとえば、９ｄＢｉ以上）。手短に言えば、ゲインが高いと、アンテナのレンジが高くなり、またその逆も真である。別の考慮事項が、サイズ及び向きである。向きに関しては、任意のアンテナからの最適なレンジは、アンテナが、発生源に完全に向いているか、発生源に対して適切に向けられていることを確実にすることによって達成される。サイズに関しては、一般的な経験則として、小さいアンテナはレンジが短く、大きいアンテナはレンジが長い。受動的ＲＦＩＤアンテナは、数インチから５０フィートを越えるまで、アンテナのレンジが変化し得る。大きいアンテナが、小さいアンテナよりも広くに放送することから、概して、アンテナが大きければ、アンテナのレンジが大きくなる。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、アンテナ偏波は、２Ｄの（平らな）アンテナの設計における別の考慮事項である。偏波は、アンテナが発生する電磁場のタイプに関する。図１Ａに示す線形偏波は、単一の平面に沿う放射に関する。図１Ｂに示す円偏波は、放射された電力を２つの軸に分割し、このため、できるだけ多くの平面をカバーするように場を「スピン」する、アンテナに関する。アンテナが、発生源の偏波と整列している場合、吸収が向上される。ここでは、線形偏波のアンテナが、円偏波のアンテナよりも多くを受信する。さらに、線形アンテナに関し、２つ以上の軸にわたって電力が分割されないことから、線形アンテナの場は、比較可能なゲインにおいて、円アンテナの場よりも遠くに延び、こうして、アンテナ源と整列している場合、アンテナレンジをより長くすることが可能である。アンテナが、発生源の偏波と整列していない場合、円偏波のアンテナが、線形偏波のアンテナよりも広く拡大する場を有することになる。

抵抗力が、２Ｄアンテナ設計における、さらに別の考慮事項であり、導電体の抵抗力が増大すると、アンテナの受信が低減される。プリントアンテナが、パッケージの製造などの、材料製造ラインに完全に組み込むことができるＲＦＩＤ技術を達成するために、産業において考慮されてきている。しかし、プリントアンテナの欠点は、プリントアンテナのプリントされたトレースのバルクの導電率が、固体の金属よりも低いことから、その放射効率が、銅のアンテナに比べて低いことである。プリントアンテナの主な欠点は、固体金属からアンテナを製造することに比べると、アンテナの導電性が制限されることである。導電体及び導電性に関する基本的な規則により、導電体の厚さが増大するにつれて抵抗損が低減することが示されている。プリントされたインクのトレースが一様ではない場合であっても、同様の作用が、プリントされたトレースにも適用されることになる。所与の長さ及び幅であり、特定のインクの厚さでプリントされた電気伝達線が、長さに比例するとともに、トレースの幅及び厚さに反比例する全抵抗を有している。抵抗損は、インピーダンスのミスマッチによって生じるよりも、かなり重大に放射効率の損失に寄与する。このことは、以下の方程式によって表現される。

遠隔測定の要請が増え、無線電子機器の特性が発展すると、さらに多くの動作電力が必要とされる。向上された、大型のアンテナが、既存のアンテナと同じコストで、必要とされている。

周囲の環境において利用可能である様々な周波数を採取することが可能であるなど、エネルギハーベスティングの他の態様における向上も、遠隔測定及びＩｏＴの用途に関して望ましい。いくつかの慣習的なマルチバンドアンテナシステムは、アンテナとのインピーダンスマッチングを達成するために、整流回路を利用する。他の既知のアンテナ設計には、各アンテナが特定の周波数に関して設計された複数のアンテナが含まれている。このアンテナでは、回路は、異なるアンテナ間で切り替わる。別の既知のタイプのアンテナが、フラクタルパターンを利用する、フラクタル広帯域アンテナである。フラクタルパターンは、フラクタル設計において利用可能である様々な経路長に起因して、複数の周波数を同時に受信することを可能にする。しかし、これらフラクタルアンテナが広帯域であるが、信号電流が複数の周波数にわたって一度に広がることから、このアンテナの、個別の周波数の各々の受信状態が弱い。

周波数選択性レッグ要素を有するアンテナ
本実施形態のアンテナは、アンテナの共振周波数を調整することができるように、アンテナの経路長が変更可能である、単一のアンテナを含んでいる。たとえば、共振周波数は、周囲の環境において、その時点でもっとも強い信号を有するのがどの周波数かに応じて、動的に変化させることができる。このため、本アンテナは、エネルギハーベスティングにおける電力の最適化が可能である。

本アンテナは、連続した経路を形成する複数のレッグ要素を有している。ここで、１つまたは複数のレッグ要素は、除外することができる。すなわち、所望の共振周波数におけるアンテナの動作の間、アクティブではなくすることができる。アンテナは、たとえば、多くの周波数を同時に受信するフラクタルアンテナとは対照的に、特定の共振周波数のみでエネルギを集める。１つの周波数のみが採取されることから、アンテナは、高効率で動作する。採取されていた第１の信号が、もはや利用できないが、第２の信号の強度が増大している場合など、異なる周波数を、エネルギハーベスティングのためのターゲットとすることが望まれる場合、アンテナは、第２の信号の周波数に対応する、異なるアンテナ経路長を有するように調整することができる。

概して、アンテナの長さは、アンテナが設計の対象とする共振周波数の波長に対応するように設定される。たとえば、標準的なダイポールアンテナは、２つのロッドを有しており、このロッドの各々は、ターゲットの共振周波数の４分の１波長の長さである。ダイポールアンテナの全長は、半波長であり、このことは、ロッドの電圧及び電流の定常波に繋がる。定常波は、アンテナの供給ポイントからの電流が、４分の１波長のアンテナロッドを通って下がり、導電体（すなわち、アンテナロッド）の端部から反射され、アンテナロッドに沿って供給ポイントに戻る際の、全体の３６０度の位相変化によって生じる。波長λ（メートル）は、以下の方程式により、周波数ｆ（ＭＨｚ）に関連する。

このため、受信される周波数が高いと、アンテナの長さは短くなる。本実施形態は、この原理を、プリントされるレッグ要素によって可能にされる、選択可能なアンテナ要素に利用している。

図２Ａ及び図２Ｂは、周波数選択性要素のコンセプトを示す、アンテナの側断面図である。図２Ａ及び図２Ｂでは、アンテナ２００は、複数のレッグ要素２１０、２２０、及び２３０を有している。この複数のレッグ要素２１０、２２０、及び２３０は、ともに、たとえば、ダイポールアンテナの１つのアームとしての役割を果たすことができる。レッグ要素が、本開示では、レッグセグメントとも称される場合があることに留意されたい。ダイポールアンテナの第２のアームを形成するために、端部２０１において接地平面（図示せず）に接続されている。この端部２０１は、レッグセグメント２１０の端部である。レッグセグメント２１０は、長さＬ_１を有し、レッグセグメント２２０は、長さＬ_２を有し、レッグセグメント２３０は、長さＬ_３を有している。長さＬ_１、Ｌ_２、及びＬ_３は、この実施形態では、すべて互いに異なるものとして図示されているが、他の実施形態では、これらの長さは、すべて同じである場合があるか、同じ長さと異なる長さとの組合せである場合がある。また、アンテナ２００が、線形であるものとして記載されているが、アンテナ２００は、限定ではないが、湾曲形状、らせん形状、または傾斜が付けられた曲げ部を有するものなどの、任意の形状である場合がある。

図２Ａでは、レッグ要素２１０、２２０、及び２３０のすべてがアクティブであり、これにより、アンテナ経路長が、Ｌ_Ａｅｆｆ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３となっている。図２Ｂでは、要素２３０が除外されており、それにより、アンテナ経路長が、Ｌ_Ａｅｆｆより短いＬ_Ｂｅｆｆ＝Ｌ_１＋Ｌ_２に低減されている。周波数が、方程式２に関し、波長に反比例しており、Ｌ_Ａｅｆｆ＞Ｌ_Ｂｅｆｆであることから、すべての要素がアクティブである、図２Ａのモードで動作するアンテナは、レッグ要素２３０がアクティブではない、図２Ｂのモードの同じアンテナよりも低い周波数で共振する。このため、図２Ａ及び図２Ｂは、アーム内の１つまたは複数のレッグ要素の異なる組合せを利用することにより、アンテナアームのアクティブな長さを変化させることが、アンテナの共振周波数をシフトさせることを示している。

本明細書に開示のいずれの実施形態においても、このコンセプトが、周波数応答をさらにカスタマイズするために、アンテナ要素の寸法の調整と組み合わせて利用され得る。たとえば、レッグ要素の幅は、その長さに沿ってテーパを付すことができる。

本実施形態は、基板と、この基板上のアンテナとを有するアンテナシステムを開示している。このシステムでは、アンテナが複数のレッグ要素を有している。複数のレッグ要素は、導電インクを備えており（すなわち、導電材料でプリントされている）、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の少なくとも１つは、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。共振周波数は、複数のレッグ要素における、除外されたレッグ要素がアクティブではないことに起因して、アンテナ経路長を低減することによって変更される場合がある。いくつかの実施形態では、導電インクは、カーボンベースであり、基板は紙を備えている。いくつかの実施形態では、アンテナはエネルギハーベスタである。

周波数選択性材料チューニング
いくつかの実施形態では、レッグ要素は、レッグ要素の材料を調整することによって選択されるか除外される。このことは、電気的インピーダンス、そしてひいては、レッグ要素の周波数応答に影響する。

インピーダンスは、交流電流が要素を通って流れることがどれだけ難しいかを示している。この周波数ドメインでは、インピーダンスは、アンテナが誘導子として作用することに起因して、実数部分と虚数部分とを有する複素数である。虚数部分は、アンテナの周波数ｆ及びインダクタンスＬに基づく、誘導リアクタンス成分Ｘ_Ｌである。

受信する周波数が増大すると、リアクタンスも増大し、それにより、特定の周波数の閾値においては、（要素のインピーダンスが、たとえば１００オームより高くなる場合に）この要素は、もはやアクティブではなくなる。インダクタンスＬは、材料の電気的インピーダンスＺによって影響される。ここで、Ｚは、以下の関係により、透磁率μ及び誘電率εの材料特性に関連する。

このため、アンテナの材料特性のチューニングにより、電気的インピーダンスＺが変化し、このことは、インダクタンスＬに影響し、そしてひいては、リアクタンスＸ_Ｌに影響する。

本実施形態は、特有に、異なるインダクタンスを有するレッグ要素が異なる周波数応答を有することになることを確認する。すなわち、高いインダクタンスＬ（電気的インピーダンスＺに基づく）を有するアンテナ要素が、より低いインダクタンスを有する別のアンテナ要素よりも低い周波数で、特定のリアクタンスに達することになる。方程式３から、より高い周波数に比べ、より低い周波数（たとえば、２０ＭＨｚから１００ＧＨｚ）では、インピーダンスは低い。高いインピーダンスのレッグ要素よりも低いインピーダンスを有するアンテナのレッグ要素は、アクティブとなり、所望の周波数に関する共振に合うように、アンテナの経路長を増大させるために利用される（方程式２に関する）。周波数が増大するにつれて、要素のインピーダンスが、特定の共振周波数の閾値において、増大し、アクティブではなくなる、すなわち、無視されて、アンテナの経路長を効果的に短縮し、共振周波数を変更する。周波数応答に基づくレッグ要素の選択または除外は、電子的に制御する必要なく、材料自体の特性に起因して受動的に行われる。周波数選択性の材料チューニングの、この新規のコンセプトは、アクティブ要素によって形成されるアンテナ経路長を調整することにより、アンテナの最適な共振のチューニングに作用するために使用される。いくつかの実施形態では、アンテナの応答は、アンテナ材料の導電率σによっても影響され得る。

本実施形態は、透磁率、誘電率、及び導電率の、これら材料の特性を利用して、特定の共振周波数の閾値の結果となるように、特定の電気的インピーダンスを有する各レッグ要素を設計する。換言すると、アンテナ材料のチューニングは、エネルギハーベスティング及び電力伝達性能を最大にするための広帯域アンテナ要素を形成するために使用される。結果として得られる「メタアンテナ（ｍｅｔａ−ａｎｔｅｎｎａ）」は、基板にフィットすることができるアンテナ長さの物理的な制限によってのみ制限されるように、メガヘルツからギガヘルツまでのレンジなど、様々な周波数に対し、わずかな増加量で良好にチューニングすることができる。レッグ要素の周波数応答をアンテナの材料へと設計することにより、アンテナは、特有に、受動的に選択可能であるか除外可能であるレッグ要素を有している。すなわち、マイクロプロセッサなどの電子回路は、アンテナの経路長を変更するためには必要ない。代わりに、特定のレッグ要素が、このレッグ要素が設計される対象である特定の周波数において、自然にオンまたはオフにされることになる。

図３Ａ及び図３Ｂは、アンテナのレッグ要素を選択または除外するための、材料チューニングの使用の実施形態を示す側断面図である。図２Ａ及び図２Ｂのアンテナ２００と同様に、図３Ａ及び図３Ｂのアンテナ３００は、複数のレッグセグメント３１０、３２０、及び３３０を有している。レッグセグメント３１０、３２０、及び３３０は、アンテナの１つのアームを形成することができ、一方、第２のアーム（たとえば、接地平面）は、レッグセグメント３１０の端部において、端部３０１で接続されている。レッグセグメント３１０は、長さＬ_１及び透磁率μ_１を有し、レッグセグメント３２０は、長さＬ_２及び透磁率μ_２を有し、レッグセグメント３３０は、長さＬ_３及び透磁率μ_３を有している。長さＬ_１、Ｌ_２、及びＬ_３は、この実施形態では、すべて互いに異なるものとして図示されているが、他の実施形態では、これらの長さは、すべて同じである場合があるか、同じ長さと異なる長さとの組合せである場合がある。また、アンテナ３００が、線形であるものとして記載されているが、限定ではないが、湾曲形状、らせん形状、または傾斜した形状などの、他の形状が使用され得る。

アンテナ３００の長さに沿う透磁率は選別されており、ここで、μ_１がμ_２より小であり、μ_２がμ_３より小であるように、（端部３０１における）接地平面から離れると、透磁率が増大する。透磁率が、インダクタンス、そしてひいては周波数応答に影響する電気的インピーダンスに比例することから、レッグ要素３３０、そしてひいてはレッグ要素３２０は、周波数が増大するにつれて、除外されることになり、したがって、アンテナ３００の経路長を減少させる。換言すると、レッグ要素３２０及び３３０の各々に関し、対応する共振周波数の閾値が存在する。この閾値より上では、レッグ要素３２０または３３０の周波数応答が、レッグ要素３２０または３３０がアクティブで、アンテナ３００に寄与するのに十分なレベルでは、電気を通さないレッグ要素３２０または３３０の結果となる。このため、レッグ要素３３０の共振周波数の閾値より大であるが、レッグ要素３２０の共振周波数の閾値未満である、受信された周波数においては、レッグ要素３３０は、その結果として得られるインピーダンスのレベルが高いことに起因して、アクティブではなくなることによって除外され、レッグ要素３２０が、その結果として得られるインピーダンスが低いことに起因して、アクティブとされることによって選択される。さらに、受信した周波数が、レッグ要素３２０の共振周波数の閾値の上の、さらに高いレベルである場合、レッグ要素３２０も、その結果として得られるインピーダンスのレベルが高いことに起因して、アクティブではなくなることによって除外されることになる。

たとえば、図３Ａでは、ＥＭ信号の受信された周波数は、レッグ要素３１０、３２０、及び３３０のすべての、結果として得られるインピーダンスが十分に低くなることに関して、十分に低く、それにより、レッグ要素３１０、３２０、及び３３０のすべてがアクティブであるようになっている。すなわち、図３Ａにおける受信された周波数は、レッグ要素３１０、３２０、及び３３０の共振周波数の閾値未満である。したがって、アンテナの経路長はＬ_Ａｅｆｆ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３であり、アンテナは、４分の１波長Ｌ_Ａｅｆｆに対応する共振周波数を有している。図３Ｂは、受信された周波数が図３Ａのものよりも高く、レッグ要素３３０の、結果として得られるインピーダンスが、レッグ要素がアンテナ３００に寄与するには高すぎるように、十分に高くなっている状況を示している。このため、図３Ｂでは、レッグ要素３３０は、アクティブではなく、ここで、受信された周波数は、レッグ要素３３０の共振周波数の閾値より高い。アンテナ経路長は、Ｌ_Ａｅｆｆより短いＬ_Ｂｅｆｆ＝Ｌ_１＋Ｌ_２にのみへと低減されている。図３Ｂのアンテナは、図３Ａのアンテナよりも高い共振周波数を有することになる。

図３Ａ及び図３Ｂは、複数のレッグ要素の第１のレッグ要素が、受信された周波数に依存する第１の共振周波数の閾値を有する、アンテナの実施形態を示している。第１のレッグ要素は、受信された周波数が第１の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。いくつかの実施形態では、複数のレッグ要素の第２のレッグ要素は、受信された周波数に依存する第２の共振周波数の閾値を有しており、第２の共振周波数の閾値は、第１の共振周波数の閾値より大であり、第２のレッグ要素は、受信された周波数が第２の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される。第２のレッグ要素は、受信された周波数が第２の共振周波数の閾値より大である場合に、第１のレッグ要素に加えて受動的に除外され得、アンテナ経路長を減少させる。いくつかの実施形態では、第１の共振周波数の閾値は、第１のレッグ要素の第１の電気的インピーダンスに基づき、第２の共振周波数の閾値は、第２のレッグ要素の第２の電気的インピーダンスに基づく。第２の電気的インピーダンスは、材料特性の差異に起因して、第１の電気的インピーダンスとは異なっている。材料特性は、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される。

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の第１のレッグ要素は、受信された周波数と、第１のレッグ要素の第１の電気的インピーダンスとに依存する、第１の共振周波数の閾値を有している。第１の電気的インピーダンスは、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される材料特性に基づいている。第１のレッグ要素は、アンテナ経路長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ように、個別に除外可能である。第１のレッグ要素は、受信された周波数が第１の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。特定の実施形態では、複数のレッグ要素の第２のレッグ要素が、受信された周波数と、第２のレッグ要素の第２の電気的インピーダンスに依存する第２の共振周波数の閾値を有しており、第２の共振周波数の閾値は、第１のレッグ要素と比較した材料特性の差異に起因して、第１の共振周波数の閾値より高い。第２のレッグ要素は、受信された周波数が第２の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される。

図４は、アンテナ４００の斜視図を示しており、標準的な平らな逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）設計の材料チューニングのコンセプトを実施している。アンテナ４００の実施形態は、接地平面４０５と、アンテナ４００のセグメントである複数のレッグ要素４０１とを有している。レッグ要素４０１は、第１のレッグ要素４１０及び第２のレッグ要素４２０を含んでいる。第１のレッグ要素４１０は、透磁率μ_１を有しており、第２のレッグセグメント４２０は、透磁率μ_２を有しており、μ_１＞μ_２である。レッグ要素４１０は、破線のボックス４１５によって示すように、その共振周波数の閾値より高い、受信された高い周波数においては、利用可能にはならない。この理由は、レッグ要素４１０のインピーダンスが高くなりすぎるためである。換言すると、十分に高い周波数では、レッグ要素４１０は応答せず、電流は、レッグ要素４１０とレッグ要素４２０との間の交差部で反射する。このため、「Ｆ」形状の経路に沿うアンテナ経路長は短縮され、共振周波数が増大する。より高い周波数では、レッグ要素４２０も、インピーダンスが高くなりすぎることから、利用不可能になり、それにより、電流が流れる際に沿うアンテナ経路長は、長さがさらに短縮されるようになっている。すなわち、破線のボックス４１５及び４２５のエリアは、除外されて、共振周波数を増大させる。

アンテナの長さに沿う材料特性を変更する能力は、アンテナをプリントすることにより、特有に可能にされる。プリントは、たとえば、インクジェットプリント、フレキソプリント、またはシルクスクリーンプリントの方法によって実施することができる。いくつかの実施形態では、材料の導電率は、アンテナに沿って変化する。カーボンベースのインクを使用する実施例では、炭素同素体のタイプ（たとえば、グラフェン、カーボンナノオニオンなど）は、レッグ要素間で変化させることができるか、同素体の導電率を変化させることができる（たとえば、低密度のグラフェンは、より密度の高いグラフェンよりも低い導電率を有する）。いくつかの実施形態では、材料の透磁率は、レッグ要素の周波数の閾値に影響するように、変化させることができる。たとえば、強磁性体材料（たとえば酸化鉄）は、低周波数（たとえば、５００ｋＨＺから５００ＭＨＺ）で使用することができ、常磁性体材料（たとえば、鉄シリサイド）は、高周波数（たとえば、５００ｋＨＺから５ＧＨＺ）で使用することができ、あるいは、反強磁性体材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、誘電率が、誘電率のみで、または、導電率及び透磁率と組み合わせて、レッグ要素の所望のインピーダンス値を達成するように、チューニングすることができる。

通常は、慣習的なアンテナ要素は、関連する導電率が特定の共振周波数に影響する、単一のタイプの材料で形成されている。対照的に、本実施形態のアンテナ材料は、プリントされる。ここでは、プリントインクは、共振周波数に関してアクティブであるアンテナの経路長を変更することにより、その共振周波数に影響するように、単一のアンテナのサブセクション内の可変特性によってカスタマイズすることができる。材料特性のカスタマイズは、レッグの透磁率、誘電率、及び／または導電率の変更によって達成することができる。このアンテナ材料の調整は、エネルギの受信及び送信が向上したケースにおいて、アンテナ及び／またはマッチングネットワークの要素を、さらに変更することがなくなり得る。

周波数選択性デジタルチューニング
異なる周波数に応答するようにアンテナ材料をチューニングすることによる、経路長の変更に加え、いくつかの実施形態では、アンテナの経路長を、レッグ要素を電子的に選択または除外することによって変更することができる。図５は、図４に類似のＰＩＦＡの設計のアンテナ５００を示している。ここでは、アンテナ５００は、１つのアンテナアームとしての役割を果たす接地平面５０５と、第２のアンテナアームとしての役割を果たす複数のレッグ要素５０１とを有している。複数のレッグ要素５０１は、第１のレッグ要素５１０、第２のレッグ要素５２０、及び第３のレッグ要素５３０を含んでいる。レッグ要素５１０、５２０、及び５３０は、レッグ要素５１０とレッグ要素５２０との間の隙間５６０、及び、レッグ要素５２０とレッグ要素５３０との間の隙間５６１など、レッグ要素間に隙間を伴って、蛇行したパターンを形成する平行なセグメントである。電気接続部５１５、５２５、及び５３５は、レッグ要素間の交差部において、レッグ要素５１０、５２０、及び５３０のそれぞれの端部に接続されている。電気接続部５１５、５２５、及び５３５は、マイクロプロセッサなど、電子回路５５０に電気的に結合された電気リードである。本開示の「チューニング回路」セクションで記載された電子回路５５０は、レッグ要素をともに短絡させて、これらレッグ要素を除外することができる。たとえば、接続部５１５及び５２５は、レッグ要素５１０がレッグ要素５２０に対して短絡されて、レッグ要素５１０の存在を効率的に除去（すなわち、除外）するように、電子回路によってブリッジさせることができる。

図６Ａから図６Ｃは、アンテナ５００が共振する周波数を変更するように、レッグ要素がどのように除外され得るかを示している。Ｓパラメータ（Ｓ１，１）のグラフが、レッグ要素の様々な組合せに関して示されている。図６Ａでは、アンテナ５００全体が使用されている。ここでは、すべてのレッグ要素５０１が選択されており、アクティブである。共振周波数は、図６Ａでは２．４２ＧＨｚである。図６Ｂでは、レッグ要素５１０は、ブランクエリア５１７によって示されるように、機能的に除去されている。このレッグ要素５１０の除外は、接続部５１５と接続部５２５とを、電子回路５５０を使用してともにブリッジすることによって達成され、こうして、レッグ要素５１０をレッグ要素５２０に対して短絡させる。図６Ｂにおいて、結果として得られるアンテナ経路長は、図６Ａのアンテナ全体より短く、したがって、中心の周波数は、より高く、２．４７５ＧＨｚにシフトする。図６Ｃでは、レッグ要素５１０とレッグ要素５２０とは両方とも、ブランクエリア５１７とブランクエリア５２７とによって示されるように、除去されている。レッグ要素５１０及び５２０は、接続部５１５、５２５、及び５３５をともにブリッジすることにより、除外されており、こうして、レッグ要素５１０、５２０、及び５３０を互いに対して短絡させる。図６Ｃのアンテナ経路長が、図６Ａまたは図６Ｂよりもさらに短くなっているにも関わらず、周波数は予測されるほど増大しないが、低く、２．３４ＧＨｚにシフトする。この理由は、Ｆ形状の設計において平行なレッグ要素を除去すること（たとえば、隙間５６０及び５６１に起因する静電容量の影響の除去）に起因して、静電容量が低減されたためである。こうして、アンテナ全体の幾何学形状（たとえば、蛇行形状、螺旋状、線形）が、所望の共振周波数に関し、アンテナを調整するように、選択可能なレッグ要素と組み合わせて使用することができる、静電容量の影響を生じ得ることを見ることができる。

図５、及び、図６Ａから図６Ｃは、アンテナシステムが、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有する電子回路を有する実施形態を示している。電子回路は、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を第２のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。

いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングシステムは、アンテナシステム及び電子回路を含んでいる。アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、カーボンベースの導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。電子回路は、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有しており、ここで、電子回路は、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を第２のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第１のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。

いくつかの実施形態では、電子回路は、周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、この複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、共振周波数を設定する識別回路と、複数のレッグ要素の内のレッグ要素を選択または除外することにより、共振周波数に対応するように、アンテナ経路長を調整する、接続部と通信している切替回路と、を含んでいる。特定の実施形態では、識別回路は、共振周波数を、複数の利用可能な周波数の内の、もっとも高い電力レベルを有する周波数となるように設定する、マイクロプロセッサを備えている。

いくつかの実施形態では、材料チューニングの実施形態と、電子的な切替えの実施形態とを、組み合わせて使用することができる。たとえば、図４の異なる透磁率のレッグ要素は、図５の電気的なリード接続部を有することもできる。各方法を合わせることは、実施することができる共振周波数応答の変化の、さらなるカスタマイズに繋がり得る。このことは、たとえば、図７のＳパラメータのグラフ７００によって示されている。このカーブは、様々な長さの線形アンテナに関するＳ（１，１）の応答を示している。ここでは、カーブ７１０は、１の単位長さを示し、カーブ７２０は、２の単位長さに関するものであり、カーブ７３０は、３の単位長さに関するものであり、カーブ７４０は、０．７５の単位長さに関するものであり、カーブ７５０は、０．５の単位長さに関するものである。見ることができるように、共振周波数のピークは、アンテナ長さが異なっていることに起因して、互いに対してシフトする。カーブ７１５は、カーブ７１０の１つの共振ピークに関する、電気的な切り替えと組み合わせての材料チューニングの使用を示している。すなわち、カーブ７１０の狭い共振ピークは、デジタルチューニングが材料チューニングと合わせられた際に、広げられる。換言すると、要素を電子的に除外することによって形成されるアンテナ長さは、依然として、特定の共振周波数応答に繋がることになるが、材料チューニングが合同して使用される場合、これら共振周波数周りのより広いバンドの応答を伴う。見ることができるように、本アンテナは、特定の周波数周りの共振周波数レンジを含む、特定の周波数で動作するように組み立てられた共振器としての役割を果たすことができる。

静電容量チューニング
さらなる実施形態では、誘電材料は、アンテナの静電容量を変更するように、アンテナの構造内及び／または基板内にプリントすることができる。たとえば、プリントされた誘電要素は、複数のレッグ要素の内の２つのレッグ要素間で利用することができる。この静電容量チューニングのコンセプトは、図８Ａ及び図８Ｂに示すマイクロストリップアンテナ８００によって示されている。ここで、図８Ａは平面図であり、図８Ｂは側断面図である。パッチアンテナ８１０は、マイクロストリップ伝達線８２０によって給電され、このパッチアンテナ８１０とマイクロストリップ伝達線８２０との両方は、基板８３０の表面上に取り付けられている。接地平面８４０は、基板８３０の反対側に取り付けられている。パッチアンテナ８１０、マイクロストリップ伝達線８２０、及び接地平面８４０は、高い導電率の金属（通常は、慣習的なアンテナでは銅）で形成されている。パッチアンテナ８１０は、長さＬと、幅Ｗとの寸法を有している。基板８３０は、誘電率ε_ｒを有する、厚さｈの誘電回路基板である。

接地平面８４０、または、アンテナ８１０及び伝達線８２０によって形成されたマイクロストリップの厚さは、決定的に重要ではない。通常、高さｈは、作動波長よりもかなり低いが、波長の０．０２５（波長の１／４０）よりもかなり短いものとすべきではなく、そうでなければ、アンテナの効率が低減されることになる。

パッチアンテナ８１０の動作周波数は、長さＬによって判定される。中心周波数ｆ_ｃ（すなわち、共振周波数）は、おおよそ、以下によって与えられる。

こうして、アンテナ８００の共振周波数は、基板８３０の誘電率によって影響される。図８Ｂの実施形態では、誘電体層８５０は、基板８３０の集合的な誘電率を変更するように、基板８３０の前面（及び／または後面）上にプリントすることができる。他の実施形態では、基板８３０は、段ボール構造など、層状である場合があり、ここで、誘電要素は、ボール紙の外側表面のいずれかの上、及び／または、ボール紙の中間層内（たとえば、波状層上）にプリントすることができる。プリントされた誘電体を利用することにより、一意的に、静電容量、そして最終的には、アンテナの周波数応答を調整するための、材料の特性及び寸法の良好なチューニングが可能になる。

いくつかの実施形態では、プリントされた誘電要素は、アンテナの周波数応答をカスタマイズするために、レッグ要素間で利用することができる。たとえば、図５に戻ると、隙間５６０及び／または隙間５６１は、プリントされた誘電インクを使用して形成することができる。インクの特性は、レッグ要素間に特定の静電容量を形成するように、カスタマイズすることができる。プリントされた誘電体の寸法も、プリントプロセスによって制御することができる。

基板上の２Ｄアンテナ
アンテナ設計の実施例を、ここで提供する。このアンテナ設計では、上述の周波数選択性の特性を、基板上のプリントアンテナとともに実施することができる。平らな（２Ｄ）アンテナを、最初に記載する。

図９は、図４及び図５に関して前述した、ＰＩＦＡ設計として構成されたアンテナ９００を示している。ＰＩＦＡアンテナ９００は、１つの導電体としての役割を果たすＦ形状のアンテナ９０１と、このダイポール設計における別の導電体の役割を果たす接地平面９０５とを有している。アンテナ９００に関する、例示的なアンテナゲイン応答９１０（ｄＢｉ）は、２．４４３ＧＨｚのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）の周波数でモデル化されており、すべての方向において一様な放射パターンを示している。換言すると、アンテナゲイン応答９１０は、このアンテナ９００が、実質的に任意の方向に放出するか、任意の方向から受信することができる、受信または送信に関する指向性を有している。

図１０は、直交する平らなアーム１００１とアーム１００２との、同一の対を２つ有する、波状アンテナ１０００を示している。アーム１００１及び１００２の各々は、本開示の材料チューニングの実施形態、電子的に切り替え可能な実施形態、及び／または、静電容量チューニングの実施形態で記載したように、選択可能なレッグ要素を有して構成することができる。アーム１００１及び１００２の各々の縁部は、周方向の対数周期の角度セクタθの、二等分線１００５を越えて前後にスイングする、波状カーブである。アーム１００１、１００２の各々は、二等分線１００５の一方側での幾何学的に類似のセルの交互に並んだシークエンスである。セクタ角度θは、１８０度以上に達し得、それにより、隣接するアームのセルが差し込まれるが、接触しないようになっている。各アームの何学形状は、２つの角度、対数周期の成長定数、並びに、内側の半径及び外側の半径によって完全に特定されている（ＤｕＨａｍｅｌ、及びＦｉｌｉｐｏｖｉｃ ＆ Ｃｅｎｃｉｃｈによる既知の技術に記載されている）。高性能の波状アンテナは、通常、自己相補的であり、動作する周波数帯にわたって安定した放射パターン及びインピーダンスを達成するように、タイトに巻かれている。応答１０１０と応答１０２０とが、２つの設計において示されている。２．７５ＧＨｚの共振周波数のアンテナが、応答１０１０に示され、５ＧＨｚの共振周波数が応答１０２０に示されている。

図１１Ａから図１１Ｃは、輸送ボックスなどの対象１１２０の、隣接する２つの側部１１２２と側部１１２４との上にプリントされた、平らなアンテナ１１１０を示している。アンテナ１１１０の、２つのアンテナアーム１１０１とアンテナアーム１１０５と（すなわち導電体）は、たとえば、ＰＩＦＡ設計の接地平面及びＦ形状の要素である場合がある。図１１Ｂ及び図１１Ｃは、要素１１０１の長さを、（図７のグラフのように）所望の共振周波数に関して変更することができることを示しており、この実施形態では、アンテナ要素（アーム）１００１の経路長は、図１１Ｃよりも図１１Ｂの方が短い。アンテナの経路長の変化は、アンテナアーム１１０１内のレッグ要素を除外することによって達成される場合がある。

ＰＩＦＡ及び波状アンテナの幾何学形状が既知であるが、図９及び図１０は、本実施形態の周波数選択性アンテナ設計が、単純なものから複雑なものまで、幅広い様々な幾何学形状に適用できることを示している。本アンテナがプリントされていることから、一般的なアンテナよりもさらに複雑な幾何学形状が達成可能である。図１１Ａから図１１Ｃは、本開示のアンテナが、偏波を向上させるためのものなど、３Ｄの方式で構成することができることを示している。

基板上の３Ｄアンテナ
本周波数選択性プリントアンテナは、アンテナ構成要素を、表面上への電気的にアクティブなレイヤリング、及び、電磁場の受信のための、基板の中間層として組み込むことにより、３Ｄ構造として実施することもできる。一般的なアンテナの受信を向上させるために、アンテナのサイズ、数、及び寸法は、本実施形態では向上されている。本明細書のいくつかの実施形態が、段ボールなど、パッケージングに関する基板を記載するが、紙、ガラス、プラスチックを含む、多層の基板の他のタイプも、本開示の範囲に含まれる。

いくつかの実施形態では、基板材料自体は、２Ｄまたは３Ｄのエネルギデバイスである。慣習的なアンテナにおけるような、基板の外側にプリントされたアンテナに過ぎないものではなく、真の２Ｄ／３Ｄエネルギハーベスタである。本開示の、周波数選択性アンテナ技術は、多層材料の層内に組み込まれており、段ボール箱などのパッケージングのタイプを含んでいる。本アンテナ技術は、ＲＦＩＤ及び発展したエレクトロニクスに給電するように、遠隔測定及びエネルギハーベスティングに関するＲＦ受信の目的のための導電材料及び誘電材料を利用する。アンテナは、たとえば、９１５ＭＨｚまたは２．４５ＧＨｚに関するＲＦエネルギハーベスティング機能を提供するなどの、エネルギハーベスティングまたは通信か、他の適切であるか利用可能な電磁エネルギ源のために使用することができる。

３Ｄの特徴を、アンテナ構成要素を曲げるなどにより、２Ｄアンテナに追加して、アンテナの受信を向上させることができることが知られている。しかし、曲げられた材料は、通常、曲げによって歪められた場合に、アンテナの入力インピーダンスが変化することから、抵抗値の低減に起因して、より高い損失を生じる。

本実施形態では、曲げられたアンテナ材料における抵抗値の低減は抑制されており、それにより、構造の曲げにより、マッチングアンテナ全体のインピーダンスを向上させるように調整することができる３Ｄの効果を提供するようになっており、全体の性能が向上する。ボール紙などの３Ｄ構造の層を、導電体及び誘電体として使用して、共振空洞を形成することにより、高い受信性能のみならず、複数の周波数を可能にする。３Ｄ構造を介して、結果として性能が向上すると、抵抗の制限を、構造の設計において緩和することができる。

図１２Ａは、折り曲げられた逆Ｆアンテナ１２００（ＦＩＦＡ）の斜視図を示しているが、基板に組み込むことができる３Ｄ構造として実施されている。図１２Ｂは、部分側断面図である。アンテナアーム１２１０は、前述のような周波数選択性要素を伴って構成することができる、放射要素である。アンテナアーム１２１０は、基板１２３０の第１の層１２３１上の頂部金属被覆層１２１２と底部金属被覆層１２１４とから形成されている（明確化のために、図１２Ａでは基板１２３０が示されていないことに留意されたい）。スロット１２１６は、金属被覆層１２１２と金属被覆層１２１４との両方からエッチングされており、アンテナアーム１２１０をサブパッチ１２１８に分離している。３つのサブパッチ１２１８を形成する、層１２１２及び１２１４の各々の２つのスロット１２１６が、単純化のために、図１２Ｂに示されているが、他の構成が可能である（たとえば、５つのサブパッチ、または、任意の適切な数のサブパッチ）。バイア１２１９が、金属被覆層１２１２と金属被覆層１２１４とを接続している。アンテナが適切に作動するために、アンテナアーム１２１０は、接地平面１２４０の上方の特定の高さに設けられており、供給ピン１２８０及び短絡ピン１２９０によって支持され、放射アンテナ要素１２１０の頂部金属被覆層１２１２と底部金属被覆層１２１４とを接続するとともに、下の接地平面１２４０へと繋がっている。接地平面１２４０は、図１２Ｂには、基板１２３０の第２の層１２３２の内側表面上に示されているが、外側表面（すなわち、第２の層１２３２の外側表面）上にあるものとすることもできる。動作時には、リードワイヤ１２８５が、アンテナ１２００からの出力信号を収集するように、供給ピン１２８０との電気接続を提供する。

図１２Ｂでは、基板１２３０は、波状中間物として実施された３Ｄ構造である。たとえば、第１の層１２３１は、第１の線形ボードとすることができ、第２の層１２３２は、第１の層１２３１上に積層された第２の線形ボードとすることができ、第１の層１２３１と第２の層１２３２との間の隙間Ｇには、中間層１２３３が存在する。中間層１２３３は、この実施形態では、縦溝のある、波状の層として示されている。基板１２３０の設計では、隙間Ｇは、アンテナアーム１２１０と接地平面１２４０との間の所望の高さに従ってカスタマイズすることができる。さらなる実施形態では、プリントされた誘電構成要素は、隙間Ｇ内にある、第１の層１２３１、第２の層１２３２、及び中間層１２３３の任意の層上など、アンテナ１２００の集合的な静電容量を調整するように、隙間Ｇ内に挿入することができる。いくつかの実施形態では、中間層１２３３の各部は、レッグ要素を選択及び除外するように、電子回路に電気接続することができるように、導電材料でプリントすることができる。これらプリントされた導電要素１２３５ａ及び１２３５ｂの実施例が、中間層１２３３の、上方表面と下側表面とのそれぞれに示されている。

いくつかの実施形態では、接地平面１２４０は、シールド要素として使用することができる。たとえば、基板１２３０が、輸送コンテナへと形成される段ボールである場合、基板１２３０は、第２の線形ボード１２３２が、箱の外部上にあるように、向けることができる。第２の線形ボード１２３２をカバーする接地平面１２４０を有する、コンテナの任意の部分は、コンテナ内の内容物のための電磁シールドを有することになる。接地平面１２４０が、図１２Ｂに示すような第２の線形ボード１２３２の内側表面上か、第２の線形ボード１２３２の外側表面（第２の線形ボード１２３２の外側）上にある場合があることに留意されたい。

図１３は、Ｌスロットのデュアルバンドの平らな逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）１３００の斜視図である。アンテナ１３００は、アンテナアーム１３１０、接地平面１３４０、供給ピン１３８０、及び短絡回路プレート１３９０としての役割を果たす、矩形の平らな要素を含んでいる。短絡回路プレート１３９０は、図１３では、複数の短絡回路ピンとして例示されている。平らな要素（アンテナアーム１３１０）と接地平面１３４０との間の短絡回路プレート１３９０は、通常、短絡される平らな要素の側部よりも狭い。ＬスロットのＰＩＦＡスタイルのアンテナアーム１３１０は、アンテナ１３００が調整可能な共振周波数を有することを可能にするように、その中に組み込まれた周波数選択性レッグ要素を有することができる。アンテナ１３００は、図１２Ａ及び図１２Ｂに関して記載したものと類似の方式で、３Ｄ基板に組み込むこともできる。図１３は、アンテナゲイン応答１３０３をも示している。アンテナゲイン応答１３０３では、アンテナ１３００は、接地プレート１３４０に対して平行な平面において、放射方向において、一様に放射している。

図１４は、プリントされた、曲がった逆Ｆアンテナ１４００の斜視図である。アンテナ１４００は、誘電体１４３０上のエッチングされた金属線を有しており、曲げられた逆Ｆ形状のアンテナアーム１４１０を形成している。Ｆの外側の叉は、供給ピン１４８０により、誘電体１４３０の後面上に位置する接地平面（この図には見られない）の縁部に対して短絡している。接地平面は、誘電体の一セクション、すなわち、曲げられた逆Ｆのアーム１４１０の直下に来ないセクションをカバーしている。アンテナアーム１４１０は、供給ピン１４８０により、第２の叉において、接地平面の縁部に関して供給される。曲げられた逆Ｆのスタイルのアンテナアーム１４１０は、アンテナ１４００が調整可能な共振周波数を有することを可能にするように、その中に組み込まれた周波数選択性レッグ要素を有することができる。アンテナ１４００は、図１２Ａ及び図１２Ｂに関して記載したものと類似の方式で、３Ｄ基板に組み込むこともできる。図１４は、アンテナゲイン応答１４０３をも示している。アンテナゲイン応答１４０３では、アンテナ１４００は、接地プレート１３４０に対して平行な平面において、放射方向において、一様に放射している。

図１５は、別の平らな逆Ｆアンテナ１５００の斜視図を示している。この図では、このＰＩＦＡスタイルは、設計のさらに別の実施例であり、この設計には、周波数選択性レッグ要素を３Ｄ構造として組み込むことができる。アンテナ１５００は、通常、アンテナアーム１５１０、接地平面１５４０、及び、平らな要素の短絡された側部の幅よりも狭い幅の短絡回路プレート１５９０としての役割を果たす、矩形の平らな要素を含んでいる。供給ピン１５８０も示されており、アンテナ１５００によって受信される、周波数信号に関する供給ポイントとしての役割を果たす。アンテナゲイン応答１５０３ａが、対応するＳ（１，１）の応答のプロットであるグラフ１５０３ｂで示されている。

図１６は、矩形の、電磁的に結合されたパッチアンテナ１６００の斜視図である。ＥＭ結合したパッチアンテナ１６００は、電磁的に結合したパッチ要素１６１０と供給ライン１６８０とを有している。パッチ要素１６１０は、２つの誘電体の基板１６３０の上方誘電体１６３１の頂部に位置している。２つの誘電体の基板１６３０は、下方誘電体１６３２をも含んでいる。供給ライン１６８０は、上方誘電体基板１６３１と下方誘電体基板１６３２との間にあり、パッチ１６１０の下に延びている。バンド幅は、厚い基板１６３０（２つの誘電構造が、単一の層よりも厚い）の頂部上にパッチ要素１６１０を有することによって向上され、一方、スプリアス放射が、接地平面１６４０の近くに位置する供給ライン１６８０を有することにより、制限されている。接地平面１６４０は、誘電体１６３２の後面上にある。周波数選択性レッグ要素は、パッチ要素１６１０に組み込むことができ、全体のアンテナ１６００は、基板材料に組み込まれた３Ｄ構造として構築することができる。アンテナゲイン応答１６０３も示されている。

図１２Ａ／Ｂから図１６は、本開示の周波数選択性レッグ要素を、３Ｄ構造として組み込むことができる、既知のタイプのアンテナの実施例である。いくつかの実施形態では、３Ｄ構造は、波状中間物など、多層の基板に実施することができる。使用される場合がある、波状構造の実施例には、単一の面、単一の壁、２つの壁、及び３つの壁が含まれる。単一の層、２つの層、または、さらに多くの層を、高受信アンテナシステムとなるように、追加することができる。基板の構成要素上に個別に堆積された層は、最終的な構造へと、積層するか接着することができる。いくつかの実施形態では、基板層をともに接着するために使用される接着剤も、中間層内のプリントされた誘電体の使用などにより、アンテナの集合的な静電容量を変更することによって、アンテナの周波数応答を調整するために利用することができる。

図１２Ｂによって示されるものなどの、いくつかの実施形態では、アンテナのための基板には、第１の層と、この第１の層に積層された第２の層と、第１の層と第２の層との間の隙間にある中間層とが含まれている。複数のレッグ要素は、第１の層上にあり、この複数のレッグ要素が、アンテナの第１のアンテナアームを形成している。アンテナは、第２の層上の第２のアンテナアーム（たとえば、ダイポールアンテナのための接地平面）と、中間層上の導電体（たとえば、導電要素１２３５ａ及び１２３５ｂ）とをさらに含み、導電体が、第２のアンテナアームを複数のレッグ要素に電気的に結合している。特定の実施形態では、多層基板は、ボール紙とすることができ、中間層は、波状中間物である。いくつかの実施形態では、基板の第１の層と第２の層との間の隙間は、第１のアンテナアームと第２のアンテナアームとの間の誘電体としての役割を果たす。いくつかの実施形態では、隙間の特性は、アンテナの作用に影響するようにカスタマイズすることができる。たとえば、隙間の距離、及び、隙間内の物質（たとえば、空気、中間層のための基板材料、及び、隙間に挿入される誘電体）の特性は、アンテナの静電容量の影響、そしてひいては、アンテナの周波数応答を変更することができる。

一般的な波状中間物にある、縦溝の構成（波の平面に対して垂直なｚ方向に延びるｘ−ｙ平面内の波のパターン）など、様々なタイプの３Ｄの特徴が、基板で利用され得る。しかし、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向における波、または、様々なタイプの波のパターンなど、他の３Ｄの特徴が可能である。概して、本開示の実施形態で使用される３Ｄの特徴は、シャープな縁部がアンテナ内の電気経路における不連続部を生じることから、湾曲した遷移部を有するものとする。いくつかの実施形態では、基板の３Ｄの特徴は、アンテナの共振周波数にも寄与するようにも設計することができる。たとえば、中間層が、切替回路への電気接続としての役割を果たすように、この中間層上にプリントされた電気伝導線を有する場合、波の周期は、採取されるか送信されることが望まれている共振周波数に従って設計することができる。

パッケージング材料を実施例として使用すると、本アンテナをパッケージングコンテナに組み込むことにより、エネルギハーベスティングに関する機能性を著しく増大させることが可能になる。サンプルの構成として、８０％のエリアに、アンテナ材料が組み込まれている、１ｆｔ^２の側部を有する小さいボックスに関し、パッケージングコンテナは、約２．６ボルトにおいて、０．５ミリアンペアから１ミリアンペアの大きさで提供することができる。貯蔵デバイスを低コストの超コンデンサのように使用することで、この電流量が、慣習的なエネルギハーベスティングデバイスよりも著しく多くの機能（メモリを含む）に給電することができる。向上された機能性の用途の実施例は、輸送の間、パッケージの温度を記録することである。

３Ｄプリントアンテナの製造
図１７は、プリントされた、周波数選択性アンテナを製造するための例示的なプロセスの概略図である。図１７の概略図は、３Ｄアンテナのパッケージング材料を示しているが、このプロセスは、２Ｄ（たとえば、単一層）の基板にも適用される。図１８は、対応するフローチャートである。図１７及び図１８のいくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングデバイスは、プリントされたパッケージング材料を含んでおり、電気伝導性材料は、パッケージング材料シートにプリントされている。プリントされたパッケージング材料は、パッケージングコンテナに形成される。

図１７の実施例では、基板材料は、カードストック１７２０であり、このカードストック１７２０上に、マルチジェットフュージョンプロセス１７１０を使用することなどにより、アンテナ材料がプリントされる。図１７の実施形態では、プリントされたカードストックが波状にされ、最終的な構造の層が、接着などにより、プロセス１７３０において組み立てられる。プロセス１７３０は、第１のライナ１７３１、波状ローラ１７３２、接着剤塗布機１７３３、圧力ローラ１７３４、ヒータローラ１７３５、及び第２のライナ１７３６を示している。第１のライナ１７３１は、図１２Ｂの中間層１２３３に対応しており、第２のライナ１７３６は、図１２Ｂの第１の層１２３１または第２の層１２３２とすることができる。別のライナ（図示せず）が、図１２Ｂの他のライナ（第２の層１２３２または第１の層１２３１）を形成するために追加される。

概略的な実施形態では、プリントされたパッケージング材料は、複数の層を含むことができ、ここで、組み立てられた層は、共振空洞を形成することなどにより、アンテナの共振周波数に影響する寸法及び材料特性を有することができる。結果として得られるパッケージング１７４０は、図１７に示す段ボールコンテナなど、３Ｄエネルギハーベスティングデバイス（または、送信及び／または受信デバイス）である。様々な実施形態では、より大であるエリアが利用可能であることに起因して、平らなアンテナを使用することができ、あるいは、多層（３Ｄ）デバイスを、用途に応じて使用することができる。

いくつかの実施形態では、アンテナがプリントされる基板は、シートまたはフィルムの形態の、紙ベースまたはプラスチックベースの基板など、室温におけるその自然な状態では、柔軟性がある。いくつかの実施形態では、基板は、ガラスまたはプラスチック材料に関する加熱された状態など、１つの状態では、所望の３Ｄの何学形状に形成することができるが、基板は、室温においては、固くなり、柔軟性がなくなる。様々な実施形態では、基板は、パッケージング、ラベル、チケット、及び識別カードなどの用途で使用するための、使い捨てにできる、及び／または、生物分解性である、低コストの材料とすることができる。紙、またはプラスチックの基板が、これら低コストの用途では特に有用であり得る。

図１８は、たとえば、エネルギハーベスティングシステムとすることができる、周波数選択性アンテナシステムを製造するための例示的方法のフローチャート１８００である。ステップ１８１０では、基板が提供される。基板は、単一層の材料とすることができるか、３Ｄ構造を有する多層材料とすることができる。ステップ１８２０は、導電インクを使用して基板上にアンテナをプリントすることを含んでおり、アンテナは、連続した経路を形成する複数のレッグ要素を備えている。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。アンテナは、基板材料の単一の表面上にプリントされた平らなアンテナとすることができるか、様々なアンテナ構成要素が基板の層内に組み込まれた３Ｄ構造とすることができる。選択可能／除外可能なレッグ要素は、材料チューニング（たとえば、インクに使用される導電材料のタイプ、及び／または、透磁率、誘電率、及び導電率などの材料特性の調整）、電子的に切替え可能な接続、プリントされた誘電要素、レッグ要素の寸法（たとえば、テーパが付された幅）、またはこれらの任意の組合せを使用して、様々な共振周波数の閾値に関して調整することができる。１８２０におけるプリントには、いくつかの実施形態では、誘電インクを使用した誘電構成要素をプリントすることを含むことができる。

レッグ要素が動的に選択可能／除外可能である実施形態に関し、ステップ１８３０では、電子回路が、アンテナに結合されている。電子回路は、アンテナのレッグ要素に対する接続部を有し、それにより、レッグ要素を個別に制御することができるようになっている。電子回路は、周囲の環境内の利用可能な周波数をサーチし、各周波数の電力レベルを分析することができる。いくつかの実施形態では、電子回路は、どの周波数がもっとも強力な電力源となるかに基づき、ターゲットとなる共振周波数を選択する場合がある。他の実施形態では、電子回路は、電子回路及びアンテナに関連付けられたユーザまたはデバイスによって受信されるように、特性を持たせられた波長に従って、ターゲットとなる共振周波数を選択する場合がある。アンテナがエネルギハーベスティングアンテナである実施形態では、本方法は、エネルギ貯蔵構成要素をアンテナに結合することを伴う、ステップ１８４０をも含んでいる。エネルギ貯蔵構成要素は、アンテナによって受信されたエネルギを貯蔵し、また、たとえば、バッテリまたはコンデンサとすることができる。ステップ１８５０では、デバイスは、エネルギ貯蔵構成要素に結合されており、それにより、デバイスには、アンテナによって採取されたエネルギによって給電することができるようになっている。

プリントインク
慣習的な銀またはカーボンのインクを含む、様々なタイプのインクを、本発明のアンテナシステムをプリントするために使用することができる。いくつかの実施形態では、アンテナをプリントするためのインクは、高い導電率を得るように、カーボン（たとえば、グラフェンなど）と金属との混合物とすることができる。いくつかの実施形態では、アンテナは、新規のマイクロ波プラズマ及び熱分解の設備及び方法によって形成された、特徴的なカーボン材料、及び、カーボン材料の複合材料を含む、プリント可能な導電性カーボンで形成されている。このカーボン材料は、たとえば、「Ｃａｒｂｏｎ Ａｌｌｏｔｒｏｐｅｓ」と題する、米国特許第９，８６２，６０６号、及び、「Ｓｅｅｄｌｅｓｓ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎ Ａｌｌｏｔｒｏｐｅｓ」と題する、米国特許出願第１５／７１１，６２０号に開示されたカーボン材料などである。これら文献の両方は、本出願の出願人が所有しており、本明細書により、参照することによって完全に組み込まれる。プリント構成要素の様々な実施形態のためのカーボン材料のタイプには、限定ではないが、多層フラーレン、グラフェン、グラフェンオキシド、硫黄ベースのカーボン（たとえば、硫黄が溶け、散乱したカーボン）、及び、金属を含むカーボン（たとえば、ニッケルが注入されたカーボン、銀のナノ粒子を有するカーボン、金属を有するグラフェン）が含まれる。グラフェン及び／またはカーボンナノオニオンなどの、明確な構造を有するカーボンの混合物も、使用することができる。２つ以上のタイプのカーボンを、材料特性、そしてひいては、各レッグ要素の共振周波数の閾値をチューニングするために、アンテナのレッグ要素に利用することができる。

いくつかの実施形態では、インクは、チューニング可能な、多層の球形のフラーレン、及びそのハイブリッドの形態を含み、フラーレンは、このフラーレンを提供するために使用される分解プロセスのパラメータ（たとえば、熱分解またはマイクロウェーブの分解）によってチューニング可能である、物理的構造を有している。慣習的なカーボンインクを、高度に導電性とすることができるが、いくつかの従来の材料は、高いゲインで、低コストで、プリント可能なデバイスを真に提供するために必要である、固有の静電容量特性及び誘電特性が欠如している。さらに、これら材料で通常は見られる高レベルの不純物は、１）信号のＲＦ及び電力のＲＦの送信及び受信の、固有の周波数を動的に制御及びチューニングすること、２）単一、または複数のデバイスに向けて、所望の方向（複数可）で、ＲＦエネルギを動的に向ける能力を可能にすること、ならびに、３）２つ以上のデバイス間での通信と、電力の送信との、両方をサポートするために、実質的なレベルに全体のゲインを向上させることのために、他の材料との継続的なドーピングまたは組込みを防止する。本実施形態では、チューニング可能であるカーボンは、幅広い様々な適切な基板上に効果的にプリントされる一方で、幅広い様々な適用可能なインクの組成に組み込むことができ、また、これら障害を克服するために必要な性能を提供することができる。これらカーボン材料及びアンテナは、多様な機能をサポートすることもできる。様々な目的の形態のＲＦの、同時の、または複合的な送信と受信とを、切替え要素及び／または一次的な変調を使用して、エネルギハーベスティング、信号送信、またはその両方に利用することができる。制御ハードウェアの補助により、これらアンテナは、信号の暗号解読に加え、ベースキャリアまたは側波帯の周波数エネルギの実際のハーベスティングをサポートすることができる。

いくつかの実施形態では、プリント可能なインクは、視覚的ディスプレイ構成要素上の材料の層内で使用するためのものなど、透過性である。

いくつかの実施形態では、誘電インクは、本開示において前述したように、本アンテナシステムにおいて誘電要素をプリントするために使用される場合がある。誘電インクのための誘電材料の実施例には、限定ではないが、無機誘電体（たとえば、酸化アルミニウム、タンタル酸化物、及び二酸化チタン）、ならびに、ポリマ誘電体（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、及びポリカーボネート）が含まれる。

いくつかの実施形態では、磁気誘電（ＭＤ）インクは、アンテナ要素を形成するために、本アンテナシステムで使用することができる。磁気誘電インクは、基板とプリントアンテナとの間の層を形成するためにも使用することができ、アンテナ効率の向上、及び、アンテナの小型化を可能にし、また、アンテナが任意のタイプの基板上で動作できるように、デカップリング材料としての役割を果たす。材料における、アンテナの小型化技術は、アンテナサイズにおける、材料の電磁パラメータの影響に基づいている。電気的波長λは、以下のように、屈折率の値に反比例する。

方程式６では、ｃは光速であり、ｆ_ｒはアンテナの共振周波数である。方程式７は、誘電率εと透磁率μとの各々が、実数部分（ε’及びμ’）と虚数部分（ε’’及びμ’’）とを有し、虚数部分は、周波数に関することを示している。方程式６に見ることができるように、材料の特性により、所与の共振周波数に関するアンテナのサイズを判定することができる。慣習的に、アンテナ基板またはスーパーストレートのための高誘電率の材料は、アンテナの小型化のために使用される。しかし、基板材料の相対誘電率を増大させることには、バンド幅が狭く、効率が低い欠点がある。これら欠点は、電界が、高誘電率の領域に残り、発散されないという事実から来ている。高い誘電率の媒体内の低い特性インピーダンスも、インピーダンスマッチングに関する問題に繋がる。

対照的に、１より大のε_ｒ及びμ_ｒを有するＭＤ材料は、高誘電率の材料上のアンテナよりも良好なアンテナ性能を伴って、アンテナサイズを低減することができる。既知の研究によれば、相対的な透磁率を適切に増大させることにより、マイクロストリップアンテナのサイズが効率的に低減されることに繋がる。インピーダンスのバンド幅は、小型化の後に維持することができる。キャビティモデルを使用することで、損失の多いＭＤ材料上に置かれたパッチアンテナの放射効率及びバンド幅は、これらＭＤ材料が、アンテナサイズの低減において、有効でであることが示されている。この技術から、相対的な誘電率が、放射効率及びバンド幅に負の影響を有し、一方、相対的な透磁率は、放射効率とバンド幅との両方に正の影響がある。ＭＤ材料の様々なアンテナ設計により、アンテナの放射効率及びバンド幅を損なうことなく、アンテナサイズを低減することができることが示されている。本実施形態は、特定の構成に関する透磁率及び誘電率の材料特性を一意的にチューニングすることにより、磁気誘電材料の使用を、アンテナ設計にさらに適用することができる。たとえば、ＭＤ材料特性は、アンテナレッグ要素に関する特定の共振周波数を有するように、または、ＭＤ要素を、アンテナ要素と基板との間のデカップリング層とするように、チューニングすることができる。

図１９は、導電性コーティングを様々な紙上に使用した、複数のテストサンプルに関する電気抵抗（オーム）の従来技術からのグラフ１９００である。グラフ１９００のＸ軸によって示すように、複数のサンプルをテストした。コーティングは、コート紙（カーブ１９１０）、クラフト紙（カーブ１９２０）、様々なタイプの段ボール（Ｅ段（カーブ１９３０）、Ｂ段（カーブ１９４０）、及びＣ段（カーブ１９５０））、ならびに、商業用のラベル（カーブ１９６０）上に直接プリントした。このグラフ１９００は、異なる紙上の同じ導電性コーティングが、抵抗値に大きく影響することを示している。前述の方程式１に関し、ハーベスティングの効率は、抵抗値に大きく依存している。実験により、より低い抵抗値が、より良好なハーベスティングアンテナの性能を提供することが明確に示されている。通常、ボール紙上に直接プリントされた材料は、より高い抵抗値をもたらす。本開示のいくつかの実施形態では、上述の特有のカーボンを特に使用する、特定のインク材料の使用が、この課題を解決する。いくつかの実施形態では、アンテナ材料のためのインクは、様々な紙のタイプに関し、低い抵抗値を達成するようにチューニングすることができる。

チューニング回路
いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングの回路もしくはデバイス、または、電子デバイス全体の性能は、継続的に、または、所定の頻度もしくはインターバルで実施される、エネルギハーベスティングの最適化手順によって最適化される。そのようなチューニング回路のソフトウェア及び／またはハードウェアの構成要素は、採取されたエネルギの、絶対的な入力エネルギレベル（または、このエネルギから発生する電気電力レベル）を監視または判定する。ソフトウェア及び／またはハードウェアの構成要素は、利用可能であるもっとも高いエネルギ入力レベルに関する、動作可能な電圧のサーチを実施するように、インピーダンスマッチング構成要素、アンテナ構造要素、及び負荷要素を調整もする。たとえば、利用可能なもっとも高いエネルギ入力レベルを探す入力／出力（Ｉ／Ｏ）制御は、アンテナ要素のレッグ、アンテナインピーダンスマッチング要素、負荷マッチング要素、またはこれら要素の任意の組合せを、システム回路に入れるように、または回路から外すように切り替えることによって実施することができ、その後に、上述のように、貯蔵されたエネルギレベル、及び／または、減少量のインジケータをチェックする。もっとも高いエネルギ入力レベルに繋がる、これら要素の構成は、こうして、エネルギハーベスティングの最適化手順が繰り返されるまで、エネルギハーベスティングの回路またはデバイス、及び、電子デバイス全体の動作のために選択される。電子回路が、エネルギハーベスティングに関して記載されているが、他の実施形態では、電子回路は、ユーザによって設計されるようなもの、または、電子回路が関連付けられるデバイスなど、受信されることになる特定の周波数をサーチすることができる。

図２０は、エネルギハーベスティングの最適化を制御するための回路及びプロセッサを含む、電子回路２０００の実施形態を示している。電子回路２０００は、たとえば、マイクロプロセッサとすることができる。電子回路２０００は、周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、この複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、所望の周波数を設定する、周波数識別回路２０１０を含んでいる。電子回路２０００はまた、複数のレッグ要素を選択または除外するように、アンテナ２０５０内のレッグ要素の個別の接続部と通信する、切替回路２０２０を含んでいる。こうして、電子回路２０００は、様々なアンテナレッグ要素、及び、電子回路２０００内に同様に存在する場合もある様々なインピーダンスマッチング要素、または電子回路２０００内に同様に存在する場合もある負荷マッチング要素２０３０を入れる、及び／または外すように切り替える（すなわち、電気的に短絡させて外すか、直列または並列にともに接続する）。この方式で、エネルギハーベスティングの最適化手順の下で動作するソフトウェア及び／またはハードウェアの構成要素は、アンテナレッグ要素に関する、一連の様々な接続部の構成を生み出す。電子回路２０００は、インピーダンスマッチング要素及び負荷を制御すること、ならびに、各構成に関する採取されたエネルギの絶対的な入力エネルギレベルを判定することもできる。アンテナ２０５０が、エネルギハーベスティングアンテナである実施形態では、システムは、アンテナ２０５０が受信したエネルギを貯蔵するために使用することができるエネルギ貯蔵構成要素２０６０をも含んでいる。エネルギ貯蔵構成要素２０６０は、たとえば、バッテリまたはコンデンサとすることができる。エネルギ貯蔵構成要素２０６０は、アンテナ２０５０によって採取されたエネルギによって給電される、デバイス２０７０に接続されている。

異なる構成のために、これらアンテナレッグ要素及びインピーダンスマッチング要素を入れる、及び／または外すように切り替えることは、図２１の例示的グラフ２１００に示すように、様々なバンド幅及び周波数の受信を達成する。図２１では、実線２１１０と破線２１２０とが、異なる最大のエネルギハーベスティングの状況に関する、２つの例示的な構成の結果を示している。所与のエネルギハーベスティングの状況に関する、もっとも高いエネルギ入力レベルに繋がる構成は、こうして、電力が供給される、エネルギハーベスティングの回路またはデバイス、及び、電子デバイス全体の動作のために選択される。エネルギハーベスティングの最適化手順は、継続的または定期的に繰り返される。この理由は、周囲の環境において利用可能である周波数の変化、または、アンテナの物理的な向きの変化に起因して、エネルギハーベスティングの状況がどの瞬間においても潜在的に変化し得るためである。

エネルギハーベスティングの最適化手順は、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスが使用されることになる環境が、通常は未知であり、潜在的に変化し得ることから、有用である。このため、利用可能なＥＭ放射の周波数は未知である。任意の適切なＥＭ周波数におけるＥＭ放射は、環境内に存在する場合がある。同じ環境において一般的に使用される２つの周波数が、９１５ＭＨｚと２．４５ＧＨｚとであるが、多くの他の周波数信号も存在する場合がある。しかし、どの周波数が、もっとも高い振幅または電力レベルの信号を有することになるか、そしてひいては、エネルギハーベスティングの最適な候補になるかは、前もって知られていない。最初の時点では、たとえば、第１の周波数における第１の信号が、非常に高い振幅または電力レベルで存在する場合があるが、第２の周波数における第２の信号が、かなり低い振幅または電力レベルを有する場合があり、それにより、第１の信号のみが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに有用であるようになっている。しかし、第２の時点では、第２の信号が、より高い振幅または電力レベルで存在する場合があり、一方、第１の信号は、より低い振幅または電力レベルを有し、それにより、第２の信号のみが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに有用であるようになっている。さらに別の時点では、両方の信号が、有用な振幅または電力レベルを有して存在する場合がある。換言すると、異なる時点においては、１つまたは複数の周波数における１つまたは複数の信号の様々な組合せが、有用な振幅または電力レベルで環境内に存在する場合がある。

有用な信号の周波数が未知であるという事実の結果として、任意の所与の環境内、または、任意の所与の時点における、最大のエネルギハーベスティング能力に必要とされる適切なアンテナ構成も、同様に未知となる。この理由は、各アンテナが、通常は、特定の周波数または周波数帯のみ、信号を受信するようにチューニングされているためである。同様に、アンテナに電気的に接続された関連する回路の（インピーダンスマッチングのために必要とされる）適切なインピーダンスも未知である。したがって、エネルギハーベスティングの最適化手順により、エネルギハーベスティングの回路もしくデバイス、及び／または、電子デバイス全体の関連する電子回路が、様々な組合せまたは構成で、様々なアンテナ要素及びインピーダンスマッチング要素に入れる、及び外すように切り替わることが可能になり、それにより、環境内の有用な信号の周波数のすべて（または、ほぼすべて、ほとんど、または顕著な部分）の最適な受信のために、アンテナ全体をチューニングする。それにより、有用なエネルギのハーベスティング（または、このエネルギからの電力の生成）が、任意の所与の状況または環境に関して最大化されるか最適化されるようになっている。

エネルギの最適化は、ＩＣデバイスを組み込んだ実施形態に関して特に良好に適している。この実施形態では、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスのための電子機器が、同じＩＣダイ内、及び、同じプラットフォームパッケージング内で、様々な論理デバイス（たとえば、ある程度の処理ができるマイクロプロセッサまたはＡＳＩＣデバイス）とともに組み込まれている。エネルギハーベスティングの回路またはデバイスのための電子機器には、概して、限定ではないが、他のものの中でも、インピーダンスマッチング回路、整流回路、調整回路、及び電荷調整回路（たとえば、コンデンサまたはバッテリなど、貯蔵デバイスのためのもの）が含まれる。様々な論理デバイスのための電子機器には、概して、限定ではないが、他のものの中で、知的機能を実施するために、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、コプロセッサ、ＡＳＩＣ、縮小命令セットコンピューティング（ＲＩＳＣ）プロセッサ、アドバンスドＲＩＳＣマシン（ＴＭ）（ＡＲＭ）プロセッサ、及び、より低いレベルの論理が含まれる。様々な論理デバイスのための電子機器は、概して、たとえば、ブルートゥース低エネルギ（ＢＬＥ：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ）の規格、近距離無線通信（ＮＦＣ）のプロトコル、ＺＩＧＢＥＥ（登録商標）の条項、ＷｉＦｉの規格、ＷＩＭＡＸの規格などに係るものなどの、通信構成要素をも含むことができる。

開示の発明の実施形態を詳細に参照され、その１つまたは複数の実施例が、添付図面に示されている。各実施例は、本技術の限定としてではなく、本技術の説明のために提供されている。実際、本明細書が、本発明の特定の実施形態に関して詳細に記載されているが、前述の記載を理解すると、当業者が、これら実施形態に対する変更、変形、及び均等を容易に考案し得ることを理解されたい。たとえば、１つの実施形態の一部として図示されるか記載された特徴は、さらに追加の実施形態を得るために、別の実施形態とともに使用される場合がある。このため、本発明の主題が、添付の特許請求の範囲、及びその均等の範囲内にある、そのような変更及び変形のすべてをカバーすることが意図されている。本発明に対する、これら及び他の変更及び変形は、添付の特許請求の範囲により明確に説明されている、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によって実施され得る。さらに、当業者には、前述の記載が、もっぱら例示的ものであり、本発明を限定することは意図していないことを理解されたい。

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に配置された第１の導電インクを含むとともに、前記第１の導電インクの第１の材料特性に少なくとも部分的に基づく第１の共振周波数の閾値を有する、第１のアンテナ要素と、
   前記基板上に配置された第２の導電インクを含むとともに、前記第２の導電インクの第２の材料特性に少なくとも部分的に基づく、前記第１の共振周波数の閾値とは異なる第２の共振周波数の閾値を有する、前記第１のアンテナ要素に結合された第２のアンテナ要素と、を備え、
   前記第１のアンテナ要素が、前記第１の共振周波数の閾値よりも大である周波数においてアクティブではないように構成されており、
   前記第２のアンテナ要素が、前記第２の共振周波数の閾値よりも大である周波数においてアクティブではないように構成されている、アンテナシステム。
2. 前記第１のアンテナ要素が、前記第１の導電インクの前記第１の材料特性に少なくとも部分的に基づく第１の電気的インピーダンスを含んでおり、
   前記第２のアンテナ要素が、前記第２の導電インクの前記第２の材料特性に少なくとも部分的に基づく第２の電気的インピーダンスを含んでいる、請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 前記第１のアンテナ要素において電流の通る経路の長さは、前記第１の共振周波数の閾値より大である周波数を有する信号を前記第１のアンテナ要素が受信したことに応じて、減少するように構成されている、請求項１に記載のアンテナシステム。
4. 前記第１の材料特性と前記第２の材料特性との各々が、透磁率、誘電率、または導電率の少なくとも１つを含んでいる、請求項１に記載のアンテナシステム。
5. 前記基板が、第１の層、第２の層、および、前記第１の層と前記第２の層との間に配置された中間層を備えている、請求項１に記載のアンテナシステム。
6. 前記第１のアンテナ要素および前記第２のアンテナ要素が、前記第１の層上に配置されている、請求項５に記載のアンテナシステム。
7. 前記第２の層上に配置された接地面をさらに備えている、請求項６に記載のアンテナシステム。
8. 前記第１のアンテナ要素と前記第２のアンテナ要素との間に配置された誘電要素をさらに備えている、請求項１に記載のアンテナシステム。
9. 前記第１の導電インクおよび前記第２の導電インクが、カーボンベースの導電インクである、請求項１に記載のアンテナシステム。
10. アンテナシステムであって、
    基板上に配置された第１の導電インクを含むとともに、第１の共振周波数の閾値を有する第１のアンテナ要素と、
    前記基板上に配置された第２の導電インクを含むとともに、前記第１の共振周波数の閾値とは異なる第２の共振周波数の閾値を有する、前記第１のアンテナ要素に結合された第２のアンテナ要素と、
    前記第１の共振周波数の閾値よりも大である周波数を有する信号を受信したことに応じて、前記第１のアンテナ要素を１つ以上の他のアンテナ要素に対して短絡させることにより、前記第１のアンテナ要素をアクティブにさせず、かつ、前記第２の共振周波数の閾値よりも大である周波数を有する信号を受信したことに応じて、前記第２のアンテナ要素を前記１つ以上の他のアンテナ要素に対して短絡させることにより、前記第２のアンテナ要素をアクティブにさせないように構成された、前記第１のアンテナ要素および前記第２のアンテナ要素に結合された、電子回路と、を備えた前記アンテナシステム。
11. 前記第１の共振周波数の閾値が、前記第１の導電インクの材料特性に基づいており、前記第２の共振周波数の閾値が、前記第２の導電インクの材料特性に基づいている、請求項１０に記載のアンテナシステム。
12. 前記第１の導電インクの前記材料特性と、前記第２の導電インクの前記材料特性との各々が、透磁率、誘電率、または導電率の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のアンテナシステム。
13. 前記第２のアンテナ要素において、電流の通る経路の長さが、前記第２のアンテナ要素が前記第２の共振周波数の閾値より大である周波数を有する信号を受信したことに応じて減少するように構成されている、請求項３に記載のアンテナシステム。

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