JP7041859B2 - Rectenna device - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波を介して電力を受電するレクテナ装置に関する。 The present invention relates to a rectenna device that receives electric power via electromagnetic waves.
地上や空中の送電機から伝送されるマイクロ波等の高周波電力を、飛行機、自動車、船等の移動体で受電することで電力を得るためにレクテナ装置が用いられる。 A rectenna device is used to obtain electric power by receiving high-frequency electric power such as microwaves transmitted from a transmitter on the ground or in the air by a moving body such as an airplane, an automobile, or a ship.
特に、飛翔体の駆動時間を長期化するためには、搭載するバッテリの容量を大きくすることは有効であるが、それに伴ってバッテリの重量も増加するため、根本的な解決手段とはならない。また、バッテリを回路に接続するために接続部が必須であるため、この接続部が故障要因となって、無人運用システムにおいて信頼性を高める際の課題となっている。 In particular, in order to prolong the driving time of the projectile, it is effective to increase the capacity of the mounted battery, but the weight of the battery also increases accordingly, so that it is not a fundamental solution. Further, since a connection portion is indispensable for connecting the battery to the circuit, this connection portion becomes a failure factor and is a problem in improving reliability in an unmanned operation system.
無人運用システムに適した充電システムとして、例えば非特許文献1には、アラミドハニカム材を基板及び構造部材として用い、パッチアンテナの背面の直近に整流回路を設けた表裏一体構造のレクテナ装置が示されている。このようなマイクロ波電力伝送技術を用いれば、接続部が不要なワイヤレス給電システムが構成できる。 As a charging system suitable for an unmanned operation system, for example, Non-Patent Document 1 shows a rectenna device having a front-back integrated structure in which an aramid honeycomb material is used as a substrate and a structural member and a rectifier circuit is provided in the immediate vicinity of the back surface of a patch antenna. ing. By using such microwave power transmission technology, it is possible to configure a wireless power transfer system that does not require a connection portion.
また、非特許文献2には、平衡二線構成のマイクロストリップアンテナとマイクロストリップ線路を用いたレクテナ装置が示されている。 Further, Non-Patent Document 2 discloses a rectenna device using a microstrip antenna having a balanced two-wire configuration and a microstrip line.
また、特許文献1には、レクテナとして用いることのできる円形マイクロストリップ構成のアンテナが示されている。 Further, Patent Document 1 shows an antenna having a circular microstrip configuration that can be used as a rectenna.
非特許文献1に示されているマイクロ波電力伝送技術によれば、5.8GHz帯で動作するレクテナとしては質量-出力電力比が非常に軽い1g/Wが得られる。 According to the microwave power transmission technology shown in Non-Patent Document 1, 1 g / W having a very light mass-output power ratio can be obtained as a rectenna operating in the 5.8 GHz band.
しかし、このような従来検討されているレクテナ装置は、地上で利用する装置と断面構造が基本的に同じであり、飛翔体に適用するために、その構成材料を軽量化しようとするものであった。つまり、飛翔体用途に適した放熱性が高く軽量なものは未だ提供されていない。例えば、特許文献1に示されているマイクロストリップ構成のレクテナ装置の場合は、アンテナと整流回路とを個別の基板で構成しているため、[アンテナ基板]-[接着シート]-[ハニカム基板]-[接着シート]-[回路基板]、という多層構造となる。この場合、アンテナの軽量化のためにハニカム構造材を用いるが、誘電体基板との接着のために接着シートが必要であるため、重量が増加し、製作工程が煩雑になるという課題がある。また、放熱性の面では、整流回路の損失により生じる熱を放熱する整流回路のグランド板がレクテナの断面における中間位置にあるため放熱性が悪い。さらに、軽量化のために整流回路基板を薄くすると、マイクロストリップ線路の導体損失が増加し、出力が低下するという課題もある。 However, such a conventional rectenna device has basically the same cross-sectional structure as a device used on the ground, and is intended to reduce the weight of its constituent material in order to apply it to a projectile. rice field. In other words, a lightweight product with high heat dissipation suitable for projectile applications has not yet been provided. For example, in the case of the rectenna device having a microstrip configuration shown in Patent Document 1, since the antenna and the rectifier circuit are composed of separate substrates, [antenna substrate]-[adhesive sheet]-[honeycomb substrate] -[Adhesive sheet]-[Circuit board], which is a multi-layer structure. In this case, a honeycomb structural material is used to reduce the weight of the antenna, but since an adhesive sheet is required for adhesion to the dielectric substrate, there is a problem that the weight increases and the manufacturing process becomes complicated. Further, in terms of heat dissipation, heat dissipation is poor because the ground plate of the rectifier circuit that dissipates heat generated by the loss of the rectifier circuit is located at an intermediate position in the cross section of the rectenna. Further, if the rectifier circuit board is made thin for weight reduction, there is a problem that the conductor loss of the microstrip line increases and the output decreases.
また、非特許文献2に示される平衡二線構成ではアンテナと整流回路とを同一面に構成できるが、導体面積が小さいため、やはり放熱性に適さない、という課題がある。 Further, in the balanced two-wire configuration shown in Non-Patent Document 2, the antenna and the rectifier circuit can be configured on the same surface, but there is a problem that the antenna and the rectifier circuit are not suitable for heat dissipation because the conductor area is small.
このように、軽量で、かつ放熱性が高く、製造が容易なレクテナ装置は未だ提供されていない。 As described above, a rectenna device that is lightweight, has high heat dissipation, and is easy to manufacture has not yet been provided.
そこで、本発明の目的は、軽量で、かつ放熱性が高く、製造が容易なレクテナ装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a rectenna device that is lightweight, has high heat dissipation, and is easy to manufacture.
本発明のレクテナ装置は、
第1誘電体層と、この第1誘電体層に接する第1導体層と、第2誘電体層を介して第1誘電体層から平行に離間する第2導体層と、を備える。そして、第1導体層は、主線路とグランド導体パターンとで構成されるコプレーナ導波路と、主線路に接続されたコプレーナ導波路給電パッチアンテナと、主線路に接続された入力フィルタパターン及び出力フィルタパターンと、を有し、第1導体層の表面に、入力フィルタパターンと出力フィルタパターンとの間で、主線路とグランド導体パターンとの間に繋がる整流素子が設けられている。
The rectenna device of the present invention is
It includes a first dielectric layer, a first conductor layer in contact with the first dielectric layer, and a second conductor layer separated in parallel from the first dielectric layer via the second dielectric layer. The first conductor layer includes a coplanar waveguide composed of a main line and a ground conductor pattern, a coplanar waveguide feeding patch antenna connected to the main line, and an input filter pattern and an output filter connected to the main line. A rectifying element having a pattern and connecting between the main line and the ground conductor pattern between the input filter pattern and the output filter pattern is provided on the surface of the first conductor layer.
従来のマイクロストリップ構造では誘電体基板の薄型化に伴って伝送損失が増加するが、上記構造では、主線路と、この主線路に繋がる回路とがコプレーナ導波路構造となるため、損失とは無関係に、薄型化による軽量化が可能となる。また、従来のマイクロストリップアンテナと整流回路との貼り付け構造では、放熱面が外気接触面から複数層に亘って内部に位置する構造であるのに対し、上記構造では、コプレーナ導波路の主線路及びグランド導体パターンが外気に接する面に配置されるため、放熱効率が非常に高い。 In the conventional microstrip structure, the transmission loss increases as the dielectric substrate becomes thinner, but in the above structure, the main line and the circuit connected to the main line form a coplanar waveguide structure, so that the loss is irrelevant. In addition, it is possible to reduce the weight by making it thinner. Further, in the conventional structure in which the microstrip antenna and the rectifier circuit are attached, the heat dissipation surface is located inside from the outside air contact surface to a plurality of layers, whereas in the above structure, the main line of the Coplanar waveguide is used. And since the ground conductor pattern is arranged on the surface in contact with the outside air, the heat dissipation efficiency is very high.
本発明によれば、軽量で、かつ高い放熱性を備えることで、質量-出力電力比の高いレクテナ装置が得られる。また、構造が簡素であるので、製造が容易なレクテナ装置が得られる。また、質量-出力電力比の高いレクテナ装置を備えることで、例えば飛翔体の全質量に対する受電部の質量比が小さくなるので、飛翔体への他の搭載物の重量比を高めることができる。 According to the present invention, a rectenna device having a high mass-output power ratio can be obtained by being lightweight and having high heat dissipation. Moreover, since the structure is simple, a rectenna device that is easy to manufacture can be obtained. Further, by providing the rectenna device having a high mass-output power ratio, for example, the mass ratio of the power receiving unit to the total mass of the projectile becomes small, so that the weight ratio of other loads on the projectile can be increased.
図1(A)は、本発明の実施形態に係るレクテナ装置100の平面図、図1(B)はその断面図である。
1 (A) is a plan view of the
レクテナ装置100は、第1回路基板10と、第2回路基板20と、スペーサ31とを備える。
The
第1回路基板10は、絶縁体基材11に銅箔12が張り合わされたものであり、例えばガラス・エポキシ基板(FR-4基板)である。銅箔12は、後述する所定のパターンにパターンニングされている。
The
第2回路基板20は、絶縁体基材21に銅箔22が張り合わされたものであり、例えばガラス・エポキシ基板(FR-4基板)である。銅箔22には特別なパターンニングは施されていない。つまり全面銅箔である。
The
スペーサ31は、第1回路基板10と第2回路基板20との間に一定間隔で平行に保って、空隙30を確保する。このスペーサ31は、第1回路基板10と第2回路基板20との間に挟まれる、桟状又は枠状の低誘電率の絶縁体材で構成される。
The
上記第1回路基板10の絶縁体基材11は本発明の「第1誘電体層」に相当し、第1回路基板10の銅箔12は本発明の「第1導体層」に相当する。また、第2回路基板20の銅箔22は本発明の「第2導体層」に相当する。上記空隙30は本発明の「第2誘電体層」に相当する。
The
図1(A)に表れているように、第1回路基板10の銅箔12には、主線路SLとグランド導体パターンGNDとでコプレーナ導波路が構成されている。また、銅箔12には、45度方向に対向するノッチNを有する円形のパッチPが形成されている。主線路SLはパッチPに接続されている。このパッチPと、グランド導体パターンGNDと、絶縁体基材11及び空隙30と、によって、コプレーナ導波路(Coplanar waveguide)給電パッチアンテナPAが構成されている。このコプレーナ導波路給電パッチアンテナ(以下、単に「パッチアンテナ」と言う。)PAの作用については後に詳述する。
As shown in FIG. 1A, the
主線路SLには入力フィルタパターンF1及び出力フィルタパターンF2が接続されている。入力フィルタパターンF1は、主線路SLから直交方向に突出するスタブST11,ST12で構成されている。また、出力フィルタパターンF2は、主線路SLから直交方向に突出するスタブST21,ST22で構成されている。これらスタブST11,ST12,ST21,ST22はいずれも1/4波長開放スタブである。 The input filter pattern F1 and the output filter pattern F2 are connected to the main line SL. The input filter pattern F1 is composed of stubs ST11 and ST12 protruding in the orthogonal direction from the main line SL. Further, the output filter pattern F2 is composed of stubs ST21 and ST22 protruding in the orthogonal direction from the main line SL. These stubs ST11, ST12, ST21, and ST22 are all 1/4 wavelength open stubs.
第1回路基板10の表面には、入力フィルタパターンF1と出力フィルタパターンF2との間で、主線路SLとグランド導体パターンGNDとの間に繋がる整流素子3が実装されている。この整流素子3は例えばショットキーバリアダイオードである。
On the surface of the
レクテナ装置100は、図1(A)、図1(B)に示す方向で上面から入射する電磁波を受ける。その際、第2導体層としての銅箔22は、上面から受けた電磁波を上面方向に反射させ、パッチアンテナPAの利得を高める。空隙30が大きいほど、アンテナの体積が大きくなるので、アンテナの利得は高まる。レクテナ装置100全体におけるスペーサ31の重量割合は小さいので、空隙30を大きくするためにスペーサ31を大きくしても、レクテナ装置100全体の重量増加は小さい。
The
図2(A)は、上記パッチアンテナPA部分の平面図、図2(B)は、図2(A)におけるB-B部分の断面図である。 2 (A) is a plan view of the patch antenna PA portion, and FIG. 2 (B) is a cross-sectional view of the BB portion in FIG. 2 (A).
図2(B)に示すように、パッチPとグランド導体パターンGNDとの間隙をGap、パッチPと対向するグランド導体パターンGNDとの間隔をd、でそれぞれ表すと、
上記間隔dが約0.03波長であるとき、概略Gap > 2d であれば、パッチアンテナ(マイクロストリップアンテナ)として作用する。また、パッチPに対向するグランド導体パターンGNDが無ければ無指向性のスロットアンテナ(Folded dipole)として作用する。
As shown in FIG. 2B, the gap between the patch P and the ground conductor pattern GND is represented by Gap, and the distance between the patch P and the ground conductor pattern GND facing the patch P is represented by d.
When the above interval d is about 0.03 wavelength, if Gap> 2d, it acts as a patch antenna (microstrip antenna). Further, if there is no ground conductor pattern GND facing the patch P, it acts as an omnidirectional slot antenna (Folded dipole).
本実施形態では、コプレーナ導波路の特長を維持しつつアンテナ放射効率を高めるために、間隔dを約0.25波長として、G << d とする。動作としてはスロットアンテナに近いと想定されるが、ここでは「コプレーナ導波路からの給電によるパッチ形状の放射素子を持つアンテナ」という意味で「コプレーナ導波路給電パッチアンテナ」という。 In this embodiment, in order to improve the antenna radiation efficiency while maintaining the characteristics of the Coplanar waveguide, the interval d is set to about 0.25 wavelength and G << d. The operation is assumed to be similar to that of a slot antenna, but here it is called a "coplanar waveguide feeding patch antenna" in the sense of "an antenna having a patch-shaped radiating element fed from a coplanar waveguide".
図3は、図1(A)、図1(B)、に示したレクテナ装置100を機能別にブロック化して表した構成図である。パッチアンテナPAによるアンテナと直流負荷との間に、入力フィルタパターンF1による入力フィルタ、整流素子3、及び出力フィルタパターンF2による出力フィルタが縦続接続されている。
FIG. 3 is a configuration diagram showing the
入力フィルタF1は受電周波数(送電機から伝送される電磁波の周波数)のみ通過する低域通過フィルタや帯域通過フィルタである。この入力フィルタF1の作用は次のとおりである。 The input filter F1 is a low frequency pass filter or a band pass filter that passes only the received frequency (frequency of the electromagnetic wave transmitted from the transmitter). The operation of this input filter F1 is as follows.
・整流素子3の非線形な電圧-電流特性によって発生される高調波を遮断し、パッチアンテナPAからの高調波の再放射を抑止する。
-The harmonics generated by the non-linear voltage-current characteristics of the rectifying
・パッチアンテナPAと整流素子3とのインピーダンスを整合させる。
-Match the impedance of the patch antenna PA and the rectifying
つまり、整流素子3から入力フィルタF1側をみたインピーダンスは、受電周波数においてパッチアンテナPAのインピーダンスであり、受電周波数の高調波周波数において実質的に開放である。
That is, the impedance seen from the rectifying
出力フィルタF2は直流成分のみ通過する低域通過フィルタや帯域阻止フィルタである。この出力フィルタF2の作用は次のとおりである。 The output filter F2 is a low frequency pass filter or a band blocking filter that passes only a DC component. The operation of this output filter F2 is as follows.
・直流負荷側への受電周波数成分及びその高調波成分を遮断する。 -Cut off the power receiving frequency component and its harmonic component to the DC load side.
・整流素子3と直流負荷とのインピーダンスを整合させる。
-Match the impedance of the rectifying
つまり、整流素子3から出力フィルタF2側をみたインピーダンスは、直流において直流負荷のインピーダンスであり、受電周波数の偶数次高調波周波数において実質的にショート、受電周波数の奇数次高調波周波数において実質的に開放である。
That is, the impedance seen from the rectifying
整流素子3は入力フィルタF1と出力フィルタF2との間に設けられている。整流素子3と出力フィルタF2との間隔はRF信号の基本周波数で1/4波長又はその付近に相当する長さである。入力されるRF信号の基本波は出力フィルタで全反射され、整流素子3の接続位置で定在波が腹となる。また、整流素子3から出力フィルタ側を見たインピーダンスが3f,5f,…の奇数次高調波に対してはオープン、2f,4f,…の偶数次高調波に対してはショートに見えることで、その高調波の合成により整流素子3に半波倍電流が流れ、倍電圧整流動作する。
The rectifying
なお、第2回路基板20は、第2導体層としての銅箔22を保持するために用いているだけである。銅箔22は絶縁体基材21の下面側にあってもよい。また、第2回路基板20に代えて、反射板として作用する金属メッシュや金属箔を設けてもよい。
The
ここで、比較例のレクテナ装置と対比して本実施形態のレクテナ装置の特長を列挙する。比較例のレクテナ装置は、伝送路がマイクロストリップライン構造のレクテナを備えるものである。 Here, the features of the rectenna device of the present embodiment are listed in comparison with the rectenna device of the comparative example. In the rectenna device of the comparative example, the transmission line includes a rectenna having a microstrip line structure.
[特性インピーダンスの主要パラメータ]
比較例のレクテナ装置では、主線路と、この主線路の反対面に形成されたグランド導体パターンとの間に生じる容量が特性インピーダンスを定める主要パラメータである。そのため、誘電体層の厚みを任意に薄くすることはできない。これに対し、本実施形態のレクテナ装置では、主線路SLと、この主線路SLと同一面にあるグランド導体パターンGNDとの間に生じる容量が特性インピーダンスを定める主要パラメータであって、誘電体層の厚みには影響を受けないので、全体に薄型化できる。
[Main parameters of characteristic impedance]
In the rectenna device of the comparative example, the capacitance generated between the main line and the ground conductor pattern formed on the opposite surface of the main line is the main parameter that determines the characteristic impedance. Therefore, the thickness of the dielectric layer cannot be arbitrarily reduced. On the other hand, in the rectenna device of the present embodiment, the capacitance generated between the main line SL and the ground conductor pattern GND on the same surface as the main line SL is the main parameter that determines the characteristic impedance, and is the dielectric layer. Since it is not affected by the thickness of the track, it can be made thinner as a whole.
[50Ω線路幅の計算例]
誘電体層の厚みを0.1mm、誘電体層の比誘電率を3.2、導体パターン(銅箔)の厚みを18μmとすると、比較例のレクテナ装置では、50Ω線路を構成するために主線路の幅は0.22mmとなるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、主線路とグランド導体パターン間の間隙を0.15mmとすれば、主線路の線幅は3mmとなる。このように、主線路の線幅を大きくできる。つまり、誘電体基板の厚みを薄くする場合、マイクロストリップラインでは線路幅も細くなって導体損失の増加を招くが、コプレーナ導波路では、主線路とグランド導体パターンとの間隙の調整によって線路幅をより広く定められるため、マイクロストリップラインと比較して低損失な回路を構成できる。
[Calculation example of 50Ω line width]
Assuming that the thickness of the dielectric layer is 0.1 mm, the relative permittivity of the dielectric layer is 3.2, and the thickness of the conductor pattern (copper foil) is 18 μm, in the rectener device of the comparative example, the width of the main line is used to form a 50Ω line. Is 0.22 mm, whereas in the rectener device of the present embodiment, if the gap between the main line and the ground conductor pattern is 0.15 mm, the line width of the main line is 3 mm. In this way, the line width of the main line can be increased. That is, when the thickness of the dielectric substrate is reduced, the line width is also narrowed in the microstrip line, which causes an increase in conductor loss, but in the Coplanar waveguide, the line width is adjusted by adjusting the gap between the main line and the ground conductor pattern. Since it is defined more widely, it is possible to construct a circuit having a lower loss than that of a microstrip line.
[整流回路の配置]
比較例のレクテナ装置では、アンテナが形成された基板と、整流回路が構成された基板とを貼り合せるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、基板の放熱面であるアンテナ形成面に整流回路を一体的に構成するので、全体の薄型化・軽量化が図れる。
[Arrangement of rectifier circuit]
In the rectenna device of the comparative example, the substrate on which the antenna is formed and the substrate on which the rectifier circuit is formed are bonded together, whereas in the rectenna device of the present embodiment, the rectifier circuit is formed on the antenna forming surface which is the heat dissipation surface of the substrate. Because it is integrally configured, the overall thickness and weight can be reduced.
[グランド導体パターンの配置]
比較例のレクテナ装置では、多層基板の中心部にグランド導体パターンが配置されるのに対し、本実施形態のレクテナ装置では、基板の、外気に接する放熱面であるアンテナ形成面にグランド導体パターンが形成されるので、放熱性が高まる。つまり、コプレーナ導波路の導体損失や、入力フィルタパターンF1、出力フィルタパターンF2及び整流素子3による整流回路での損失によって熱が発生するが、これらの発熱部は外気に晒されているので、放熱効率が非常に高い。また、ハニカム構造材を用いたり、誘電体基板との接着のために接着シートを用いたりする必要がないため、全体に軽量化され、製造も容易となる。
[Arrangement of ground conductor pattern]
In the rectenna device of the comparative example, the ground conductor pattern is arranged in the center of the multilayer board, whereas in the rectenna device of the present embodiment, the ground conductor pattern is placed on the antenna forming surface of the board, which is the heat dissipation surface in contact with the outside air. Since it is formed, heat dissipation is improved. That is, heat is generated by the conductor loss of the Coplanar waveguide and the loss in the rectifier circuit by the input filter pattern F1, the output filter pattern F2 and the
[整流素子接続構造]
比較例のレクテナ装置では、整流素子をグランド導体パターンに接続するためにスルーホールを設ける必要があるのに対し、本実施形態のレクテナ装置ではスルーホールは不要である。
[Rectifier element connection structure]
In the rectenna device of the comparative example, it is necessary to provide a through hole in order to connect the rectifying element to the ground conductor pattern, whereas in the rectenna device of the present embodiment, the through hole is unnecessary.
次に、複数のレクテナを備えるレクテナ装置の例について示す。 Next, an example of a rectenna device including a plurality of rectennas will be shown.
図4は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置のブロック図である。図1(A)、図1(B)では、レクテナ装置の一つの単位について示したが、図4に示すように、複数のレクテナ装置の整流回路の出力を接続することでレクテナアレイシステムを構成する。 FIG. 4 is a block diagram of a rectenna device in which a plurality of rectennas arranged in an array are connected. In FIGS. 1A and 1B, one unit of the rectenna device is shown, but as shown in FIG. 4, the rectenna array system is configured by connecting the outputs of the rectifier circuits of a plurality of rectenna devices. do.
図4において、レクテナの整流回路出力を複数個並列接続したものを複数組構成し、この複数組を直列接続してレクテナ制御回路に接続している。レクテナ制御回路は、各レクテナが最も高い効率で動作するように、レクテナ制御回路の入力インピーダンスを制御する。 In FIG. 4, a plurality of sets of rectenna rectifier circuit outputs connected in parallel are configured, and the plurality of sets are connected in series and connected to the rectenna control circuit. The rectenna control circuit controls the input impedance of the rectenna control circuit so that each rectenna operates with the highest efficiency.
図5は、アレイ配置された複数のレクテナを備えるシステムのブロック図である。図4に示した例とは異なり、レクテナの整流回路出力を複数個直列接続したものを複数組構成し、この複数組を並列接続したものである。 FIG. 5 is a block diagram of a system with a plurality of rectennas arranged in an array. Unlike the example shown in FIG. 4, a plurality of sets of rectenna rectifier circuit outputs connected in series are configured, and the plurality of sets are connected in parallel.
このように、複数のレクテナをどのように接続するかは種々であるが、各レクテナが最も高い効率で動作するように、接続構造を適宜定めればよい。 As described above, how to connect a plurality of rectennas varies, but the connection structure may be appropriately defined so that each rectenna operates with the highest efficiency.
図6は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置101の平面図である。断面図については図示を省略しているが、基本的な構造は図1(B)に示したとおりである。
FIG. 6 is a plan view of the
レクテナ装置101においては、第1回路基板10の上面に形成された主線路SLとグランド導体パターンGNDとでコプレーナ導波路が構成されている。また、レクテナ装置101は、円形のパッチPとグランド導体パターンGNDと、パッチPと対向するグランド導体パターンとを含む、複数のコプレーナ導波路給電パッチアンテナPAが構成されている。
In the
主線路SLには入力フィルタパターンF1及び出力フィルタパターンF2が接続されている。入力フィルタパターンF1は、主線路SLから直交方向に突出するスタブST11,ST12,ST13,ST14で構成されている。また、出力フィルタパターンF2は、主線路SLから直交方向に突出するスタブST21,ST22で構成されている。 The input filter pattern F1 and the output filter pattern F2 are connected to the main line SL. The input filter pattern F1 is composed of stubs ST11, ST12, ST13, and ST14 protruding in the orthogonal direction from the main line SL. Further, the output filter pattern F2 is composed of stubs ST21 and ST22 protruding in the orthogonal direction from the main line SL.
第1回路基板10の表面には、入力フィルタパターンF1と出力フィルタパターンF2との間で、主線路SLとグランド導体パターンGNDとの間に繋がる整流素子3が実装されている。
On the surface of the
上記パッチアンテナPA、入力フィルタパターンF1、整流素子3、及び出力フィルタパターンF2によって一つのレクテナが構成されている。受電周波数(基本波)の短絡点である出力フィルタF2と、隣接するパッチアンテナPAのパッチPとの間の電気長Lは1/4波長となるように設計されている。このことで、上記隣接するパッチアンテナPAから出力フィルタF2側を見込むインピーダンスは無限大(開放)となる。したがって、コプレーナ導波路への直流電圧の重畳が可能となる。
One rectenna is composed of the patch antenna PA, the input filter pattern F1, the rectifying
このようにして、レクテナの出力フィルタF2の出力を、隣接するレクテナのパッチPに接続することでレクテナを直列接続することができる。 In this way, the rectennas can be connected in series by connecting the output of the output filter F2 of the rectenna to the patch P of the adjacent rectennas.
各レクテナの出力は、第1回路基板10の端部等に設けられたDCバスラインBusへ接続される。図6に示す範囲では、直列接続された2つのレクテナがDCバスラインBusに並列接続されている。
The output of each rectenna is connected to the DC bus line Bus provided at the end of the
なお、例えばチップキャパシタを実装することなく、開放スタブによって整流電圧が平滑されるように構成することで、低損失で電力変換効率の高いレクテナが構成される。また、実質的に放熱面側に形成された導体パターンのみで構成されるため、より軽量、薄型のレクテナ装置が構成される。さらに、チップキャパシタ及びその半田付けが不要であるので、コスト、製作性、信頼性の面でも優れる。 It should be noted that, for example, by configuring the rectified voltage to be smoothed by the open stub without mounting a chip capacitor, a rectenna with low loss and high power conversion efficiency is configured. Further, since it is substantially composed of only the conductor pattern formed on the heat radiation surface side, a lighter and thinner rectenna device is configured. Further, since the chip capacitor and its soldering are not required, it is excellent in terms of cost, manufacturability, and reliability.
このようにして、複数のレクテナが二次元平面にアレイ化されたレクテナ装置が構成できる。 In this way, a rectenna device in which a plurality of rectennas are arrayed in a two-dimensional plane can be configured.
図7は、パッチアンテナの構造が図6に示したものとは異なるレクテナ装置102の平面図である。このレクテナ装置102が備えるパッチアンテナPAは、方形状のパッチPを備える直線偏波のコプレーナ導波路給電パッチアンテナである。その他の構成は図6に示したレクテナ装置101と同様である。このレクテナ装置102における偏波方向は第1回路基板10の短辺方向である。このように、直線偏波のパッチアンテナを備えるレクテナ装置についても同様にアレイ化できる。
FIG. 7 is a plan view of the
図8は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置103の平面図である。図6に示したレクテナ装置101とは、パッチアンテナと主線路との接続構造が異なる。図8に示す例では、連続する主線路SLの所定位置から複数のパッチアンテナPAが引き出されている。つまり、いずれのパッチアンテナPAについても、各パッチPから引き出された給電線路が主線路SLに接続されている。
FIG. 8 is a plan view of the
上記パッチアンテナPA、入力フィルタパターンF1、整流素子3、及び出力フィルタパターンF2によって一つのレクテナが構成されている。受電周波数(基本波)の短絡点である出力フィルタF2と、隣接するパッチアンテナPAのパッチPの主線路SLへの接続部との間の電気長Lは1/4波長となるように設計されている。このことで、上記隣接するパッチアンテナPAの給電線路から出力フィルタF2側を見込むインピーダンスは無限大(開放)となる。その他の構成は図6に示したレクテナ装置101と同様である。
One rectenna is composed of the patch antenna PA, the input filter pattern F1, the rectifying
図9は、アレイ配置された複数のレクテナを接続したレクテナ装置104の平面図である。図7に示したレクテナ装置102とは、パッチアンテナと主線路との接続構造が異なる。図9に示す例では、連続する主線路SLの所定位置から複数のパッチアンテナPAが引き出されている。このレクテナ装置104が備えるパッチアンテナPAは、方形状のパッチPを備える直線偏波のコプレーナ導波路給電パッチアンテナである。このレクテナ装置104における偏波方向は第1回路基板10の短辺方向である。このように、直線偏波のパッチアンテナを備えるレクテナ装置についても同様にアレイ化できる。
FIG. 9 is a plan view of the
図8に示したレクテナ装置103及び図9に示したレクテナ装置104では、パッチPの放射部に主線路SLが接続されないので、パッチPに対する主線路SLの接続によるアンテナ特性の影響が少ない。そのため、汎用的な設計が可能となる。
In the
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。例えば、図1(A)、図1(B)に示した例において、第1回路基板10と第2回路基板20との間を、比重量の小さな発泡性の樹脂シートで埋めてもよい。また、第2回路基板20を用いないで、上記発泡性の樹脂シートの下面に第2導体層としての銅箔を貼付してもよい。さらに、樹脂シートを設けることなく、金属メッシュや金属箔を設けてもよい。
Finally, the description of the embodiments described above is exemplary in all respects and not restrictive. Modifications and changes can be made as appropriate for those skilled in the art. For example, in the examples shown in FIGS. 1A and 1B, the space between the
Bus…DCバスライン
F1…入力フィルタパターン
F2…出力フィルタパターン
GND…グランド導体パターン
N…ノッチ
P…パッチ
PA…コプレーナ導波路給電パッチアンテナ
SL…主線路
ST11,ST12,ST13,ST14…スタブ
ST21,ST22…スタブ
3…整流素子
10…第1回路基板
11…絶縁体基材(第1誘電体層)
12…銅箔(第1導体層)
20…第2回路基板
21…絶縁体基材
22…銅箔(第2導体層)
30…空隙(第2誘電体層)
31…スペーサ
100~104…レクテナ装置
Bus ... DC bus line F1 ... Input filter pattern F2 ... Output filter pattern GND ... Ground conductor pattern N ... Notch P ... Patch PA ... Coplanar waveguide feeding patch antenna SL ... Main line ST11, ST12, ST13, ST14 ... Stub ST21, ST22 ...
12 ... Copper foil (first conductor layer)
20 ...
30 ... Void (second dielectric layer)
31 ... Spacer 100-104 ... Rectenna device
Claims (4)
前記第1導体層は、主線路とグランド導体パターンとで構成されるコプレーナ導波路と、前記主線路に接続されたコプレーナ導波路給電パッチアンテナと、前記主線路に接続された入力フィルタパターン及び出力フィルタパターンと、を有し、
前記第1導体層の表面に、前記入力フィルタパターンと前記出力フィルタパターンとの間で、前記主線路と前記グランド導体パターンとの間に繋がる整流素子が設けられ、
前記コプレーナ導波路給電パッチアンテナのパッチと前記グランド導体パターンとの間隙は、前記パッチと前記パッチに対向する前記第2導体層との間隔より小さく、
前記パッチと前記パッチに対向する前記第2導体層との間隔は四分の一実効波長である、
ことを特徴とするレクテナ装置。 A first dielectric layer, a first conductor layer in contact with the first dielectric layer, and a second conductor layer separated in parallel from the first dielectric layer via a second dielectric layer which is a gap are provided. Prepare,
The first conductor layer includes a coplanar waveguide composed of a main line and a ground conductor pattern, a coplanar waveguide feeding patch antenna connected to the main line, and an input filter pattern and an output connected to the main line. With a filter pattern,
On the surface of the first conductor layer, a rectifying element connected between the input filter pattern and the output filter pattern and between the main line and the ground conductor pattern is provided .
The gap between the patch of the Coplanar waveguide feeding patch antenna and the ground conductor pattern is smaller than the distance between the patch and the second conductor layer facing the patch.
The distance between the patch and the second conductor layer facing the patch is a quarter effective wavelength .
A rectenna device that features that.
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