(57)【要約】システム及び方法は、無線周波数（ＲＦ）／マイクロ波／ミリメートル波電力からエネルギーを獲得する。このシステムは、少なくとも１つのアンテナ（２０２）及び少なくとも１つの整流器（２０６）を有する受信装置を含み、受信装置は、ＲＦ／マイクロ波／ミリメートル波電力を直流（ＤＣ）電気に変換する。このシステムは、（ａ）ＤＣ電気に基づいて受信装置を構成し、（ｂ）所望の負荷を受信装置に与え、（ｃ）ＤＣ電気を貯蔵する電力管理ユニットをも含む。ソフトウェア製品は、電力管理設計ソフトウェアと対話式に相互作用して、全体の結合された電力源及び電力管理効率に対して最適な電力源構成を選択し、用途に基づいて電力源回路を最適化し、適切なＤＣ網接続形態及び動作特性を選択し、電力源の互換性のため、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択することにより電力源を設計する。
2009513098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数（ＲＦ）受信装置であって、
１つ以上のアンテナ素子を有する第１の周期的または非周期的なアンテナアレイと、
該アンテナ素子の接続性を提供する導電体と
を含んでおり、
該第１の周期的または非周期的なアンテナアレイによる無線周波数エネルギーの選択的な受信は、該アンテナ素子の各々の寸法及びレイアウト、該接続性、及び、１つ以上の整流器への結合により決定される、ＲＦ受信装置。
【請求項２】
前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイは、一様な間隔を有する３つ以上のアンテナ素子を有する、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項３】
前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイは、非一様な間隔を有する３つ以上のアンテナ素子を有する、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項４】
前記アンテナ素子の各々は、それと統合された少なくとも１つの整流器を有する、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子の２つ以上は１つの整流器に結合する、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項６】
前記整流器がショットキダイオードである、請求項４または請求項５のＲＦ受信装置。
【請求項７】
前記整流器は、前記無線周波数エネルギーの周波数範囲及びターンオン電圧に基づいて選択される、請求項４または請求項５のＲＦ受信装置。
【請求項８】
前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイは、複数の偏極を受信するように構成されている、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項９】
前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイは、複数の周波数を受信するように構成されている、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１０】
前記アンテナ素子の各々の給電点は、該アンテナ素子の各々に対して所望の偏極に基づいて選択される、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１１】
前記アンテナ素子の各々の給電点は、該アンテナ素子の各々の所望のインピーダンスに基づいて選択され、該インピーダンスは整流器インピーダンスに一致するように選択される、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの整流器が各給電点に配置されている、請求項１０に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの整流器が各給電点に配置されている、請求項１１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの第２の周期的または非周期的なアンテナアレイ
を更に含み、
該第２の周期的または非周期的なアンテナアレイは、前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイの前記アンテナ素子と異なる１つ以上の第２のアンテナ素子を有しており、
前記導電体は前記第２のアンテナ素子の接続性を提供し、該第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイによるＲＦエネルギーの選択的な受信は、（ａ）該第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイの各アンテナ素子の寸法及びレイアウト、（ｂ）該第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイの該接続性、及び、（ｃ）該第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイの各アンテナ素子内の該整流器への結合により決定される、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１５】
前記第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイのアンテナ素子の寸法、形状及び基板特性は、受信される前記ＲＦエネルギーの周波数範囲を定義する、請求項１４に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイのアンテナ素子の接地面近傍と、該第１及び第２の周期的または非周期的なアンテナアレイのアンテナ素子の間隔とが、受信される前記ＲＦエネルギーの前記周波数範囲を定義する、請求項１５に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１７】
生体移植に用いることができるように、前記第１の周期的または非周期的なアンテナアレイ、整流器及び導電体を含む筐体を更に有する、請求項１に記載のＲＦ受信装置。
【請求項１８】
複数のアンテナ素子であって、該アンテナ素子の各々は、少なくとも１つの整流器を有しており、該複数のアンテナ素子から選択された第１組のアンテナ素子は第１寸法を有し、該複数のアンテナ素子から選択された第２組のアンテナ素子は第２寸法を有している、複数のアンテナ素子と、
該複数のアンテナ素子及び整流器の各々の接続性を提供する導電体と
を含む、再構成可能な無線周波数（ＲＦ）受信装置であって、
該複数のアンテナ素子によるＲＦエネルギーの選択的な受信は、該複数のアンテナ素子の寸法、形状、レイアウト及び基板特性、該接続性、並びに、該複数のアンテナ素子と１つ以上の整流器との結合により決定される、ＲＦ受信装置。
【請求項１９】
前記第１組及び第２組のアンテナ素子の給電点は、受信された前記ＲＦエネルギーの偏極を定義する、請求項１８に記載のＲＦ受信装置。
【請求項２０】
前記第１組及び第２組のアンテナ素子の形状、寸法、空間、基板特性及び接地面近傍は、受信された前記ＲＦエネルギーの前記周波数範囲を定義する、請求項１８に記載のＲＦ受信装置。
【請求項２１】
複数のアンテナ素子を有する周期的または非周期的なアンテナアレイであって、該周期的または非周期的なアンテナアレイの第１組のアンテナ素子は、第１の形状、寸法及び空間を有しており、該周期的または非周期的なアンテナアレイの第２組のアンテナ素子は、第２の形状、寸法及び空間を有している、周期的または非周期的なアンテナアレイと、
該第１組及び第２組のアンテナ素子の各々の接続性を提供する導電体と
を含む、再構成可能な無線周波数（ＲＦ）受信装置であって、
該非周期的なアンテナアレイによるＲＦエネルギーの選択的な偏極受信は、該アンテナ素子の方位及び給電点、該接続性、並びに、各アンテナ素子と１つ以上の整流器との結合により決定される、ＲＦ受信装置。
【請求項２２】
無線周波数（ＲＦ）を選択的に受信するシステムであって、
複数の第１アンテナ素子を有する第１の周期的または非周期的なアンテナアレイと、
該第１アンテナ素子の各々の接続性を提供する第１導電体と、
該第１の周期的または非周期的なアンテナアレイによるＲＦエネルギーの受信を選択するために第１制御信号に応答する１つ以上の第１スイッチを介して該第１導電体に再構成可能に接続された１つ以上の第１整流器と
を含む、システム。
【請求項２３】
複数の第２アンテナ素子を有する第２の周期的または非周期的なアンテナアレイであって、該第２アンテナ素子が該第１アンテナ素子と異なって寸法設定されている第２の周期的または非周期的なアンテナアレイと、
該第２アンテナ素子の各々の接続性を提供する第２導電体と、
該第２の周期的または非周期的なアンテナアレイによるＲＦエネルギーの受信を選択するために第２制御信号に応答する１つ以上の第２スイッチを介して該第２アンテナ素子に再構成可能に接続された１つ以上の第２整流器と
を更に含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１及び第２アンテナ素子の方位と前記１つ以上の第１及び第２整流器の接続性とが、受信された前記ＲＦエネルギーの偏極を規定する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１及び第２アンテナ素子の空間が一様である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１及び第２アンテナ素子の空間が一様でない、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１アンテナ素子の方位と前記第１整流器の接続性とが、受信された前記ＲＦエネルギーの偏極を規定する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２８】
少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整するシステムであって、
該可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換し、所望のインピーダンスを該少なくとも１つの供給源に与える調整電子機器と、
該貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する貯蔵装置と
を含む、システム。
【請求項２９】
前記貯蔵装置はキャパシタであり、前記調整電子機器は、該キャパシタ内に蓄積された電気に基づいて該貯蔵可能なＤＣ電気の電圧を変更する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記貯蔵装置はバッテリであり、前記調整電子機器は前記貯蔵可能なＤＣ電気の前記電圧を維持する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記可変ＤＣ電力の特性を検知する検知電子機器を更に含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記検知電子機器は前記少なくとも１つの供給源のうちの１つ以上の供給源の短絡電流及び開路電圧の双方または一方を検知する、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記検知電子機器は前記少なくとも１つの供給源のうちの１つ以上の供給源の電流及び電圧の１つ以上を検知する、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記検知電子機器は前記貯蔵可能なＤＣ電気の電流及び電圧を検知する、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３５】
供給源の数は２以上であり、該供給源を前記検知された特性に基づいて構成して前記調整電子機器に接続する選択電子機器を更に含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３６】
前記選択電子機器が複数のスイッチを含む、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
検知された特性が可変ＤＣ電力のレベルの減少を示す場合、前記スイッチが２つ以上の電力源を直列に再構成するように制御される、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記検知された特性が可変ＤＣ電力のレベルの増大を示す場合、前記スイッチが２つ以上の電力源を並列に再構成するように制御される、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記１つ以上の電力源は、ＲＦ受信装置、レクテナ、光‐電気変換素子、機械‐電気変換素子、熱‐電気変換素子及び化学‐電気変換素子の１つ以上を含む、請求項３１に記載のシステム。
【請求項４０】
前記調整電子機器は、前記可変ＤＣ電力の検知された特性に基づいて動作を変更する、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記調整電子機器は、商用ＤＣ‐ＤＣ電力コンバータを含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４２】
前記調整電子機器は、４スイッチバック‐ブーストコンバータ、２スイッチバック‐ブーストコンバータ、臨界導通モードで動作するブーストコンバータ、入力電圧に比例して入力電流を調整するように制御されるバックコンバータ、及び、スイッチドキャパシタコンバータの群から選択された第１タイプのＤＣ‐ＤＣコンバータを含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４３】
前記調整電子機器は、
前記少なくとも１つの供給源への適切な負荷のために所望の入力インピーダンスを達成するように動作される同期整流器またはダイオード整流器を用いる４スイッチまたは２スイッチの実装を用いる分離または非分離ステップアップ／ダウンコンバータ
を含み、
不連続導通モードは、一定の平均入力抵抗を達成して前記少なくとも１つの供給源への所望の負荷を達成するのに用いられる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４４】
前記分離または非分離ステップアップ／ダウンコンバータは、バック‐ブーストコンバータ、ｓｅｐｉｃ及びＣｕｋから成る群から選択される、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記４スイッチの実装は接地基準の供給源及び負荷を有する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４６】
前記２スイッチの実装はフローティング供給源を有する、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４７】
前記調整電子機器は、
前記少なくとも１つの供給源への適切な負荷のために所望の入力インピーダンスを達成するダイオードまたは同期整流器を用いる分離または非分離ステップアップコンバータ
を含み、
臨界導通モードは、一定の平均入力抵抗を達成して１つ以上の電力源への所望の負荷を達成するのに用いられる、請求項２８に記載のシステム。
【請求項４８】
前記分離または非分離ステップアップコンバータがブーストコンバータである、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記調整電子機器は、
前記少なくとも１つの供給源への適切な負荷のために所望の入力インピーダンスを達成するダイオードまたは同期整流器を用いる分離または非分離ステップダウンコンバータ
を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項５０】
前記分離または非分離ステップダウンコンバータはバックコンバータである、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記調整電子機器が、
前記少なくとも１つの電力源への適切な負荷のために所望の入力インピーダンスを維持するのに用いられる周波数及び構成制御で動作される単段または多段スイッチドキャパシタ（ＳＣ）コンバータ
を含み、
制御ループ内の最大及び最小周波数限界はＳＣ構成の変化の判断点として用いられ、該限界が各構成に対して一意的であるか、すべての動作モードに対して設定される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項５２】
前記調整電子機器は、前記可変ＤＣ電力および前記貯蔵装置の検知された特性に基づいて出力電圧をセットアップまたはセットダウンするように動作する、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５３】
前記調整電子機器はパルスモードで動作し、パルス幅が動作期間を示し、パルス周波数が動作周波数を示す、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記パルスモードに用いられる前記パルス幅及び周波数は、前記可変ＤＣ電力および前記貯蔵装置の検知された特性に基づいて選択される、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記制御回路の構成要素は、動作していない場合にその電源がダウンされる、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５６】
前記調整電子機器は、前記群から選択される第２タイプのＤＣ‐ＤＣ変換モジュールを更に含み、前記第１及び第２のＤＣ‐ＤＣコンバータは、前記可変ＤＣ電力の検知された特性に基づいて動作するように選択される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項５７】
前記調整されたＤＣ電気は、脳に移植する医療装置と、脊髄に移植する医療装置と、心電図信号を検知する医療装置と、脳波信号を検知する医療装置と、筋電図信号を検知する医療装置と、蝸牛に移植する医療装置と、血糖値を検知する医療装置と、神経及び細胞を刺激する医療装置と、環境有害性センサと、建物及び構造の制御及び自動化のための工業用及び商業用センサ及び装置と、臨界領域センサと、支援技術装置と、航空機装置と、海洋装置と、衛星装置と、小売業環境装置と、火災センサ及び装置と、セキュリティセンサ及び装置との群から選択された電子装置に供給される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項５８】
前記システムは、生体移植を可能にするようにカプセル化される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項５９】
ＲＦ電力からエネルギーを獲得するシステムであって、
少なくとも１つのアンテナ及び少なくとも１つの整流器を有する受信装置であって、該ＲＦ電力を直流電気に変換する受信装置と、
（ａ）該ＤＣ電気に基づいて該受信装置を構成し、（ｂ）所望の負荷を該受信装置に与え、（ｃ）該ＤＣ電気を貯蔵する、電力管理ユニットと
を含む、システム。
【請求項６０】
前記ＲＦ電力はマイクロ波電力である、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６１】
前記ＲＦ電力はミリメートル波電力である、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６２】
前記電力管理ユニットは、最初に前記ＤＣ電気を貯蔵に適する電気に変換する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６３】
前記受信装置は二重化直交直線偏極素子で構成されている、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６４】
各直交直線偏極素子は少なくとも１つの整流器を有する、請求項６３に記載のシステム。
【請求項６５】
前記受信装置は二重化直交円偏極素子で構成されている、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６６】
各直交円偏極素子は少なくとも１つの整流器を有する、請求項６５に記載のシステム。
【請求項６７】
前記受信装置は複数の素子を有する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項６８】
前記複数の素子は周期的または非周期的なアレイとして構成されている、請求項６７に記載のシステム。
【請求項６９】
前記複数の素子の各々は特定の周波数範囲を受信するように選択され、これにより、前記受信装置が該特定の周波数範囲の各々を受信する、請求項６７に記載のシステム。
【請求項７０】
前記複数の素子の一部は互いに交互配置されて前記受信装置の寸法を減少させる、請求項６９に記載のシステム。
【請求項７１】
外部の電子装置は、脳に移植する医療装置と、脊髄に移植する医療装置と、心電図信号を検知する医療装置と、脳波信号を検知する医療装置と、筋電図信号を検知する医療装置と、蝸牛に移植する医療装置と、血糖値を検知する医療装置と、神経及び細胞を刺激する医療装置と、環境有害性センサと、建物及び構造の制御及び自動化のための工業用及び商業用センサ及び装置と、臨界領域センサと、支援技術装置と、航空機装置と、海洋装置と、衛星装置と、小売業環境装置と、火災センサ及び装置と、セキュリティセンサ及び装置との群から選択される、請求項５９に記載のシステム。
【請求項７２】
前記システムは、ある環境内に封止されたセンサに給電する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項７３】
前記システムは、レーダ電力を獲得する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項７４】
前記システムは、前記システムに給電する以外の目的のために生成された無線信号を獲得する、請求項５９に記載のシステム。
【請求項７５】
ＲＦエネルギーを利用可能な直流ＤＣ電気に変換する方法であって、
少なくとも１つのレクテナを用いて該ＲＦエネルギーを受信する工程と、
該少なくとも１つのレクテナに所望のインピーダンス負荷をかける工程と、
該受信された電力を貯蔵装置に転送する工程と、
該貯蔵された電力を調整して該ＤＣ電気を供給する工程と
を含む、方法。
【請求項７６】
前記受信されたＲＦエネルギーの特性を検知して、前記受信された電力を変換する前記方法を決定する工程を更に含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記ＲＦエネルギーを受信する前記工程は、複数のレクテナを用いて該ＲＦエネルギーを受信する工程を含み、各レクテナは、特定の周波数の該ＲＦエネルギーを受信するように構成される、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記ＲＦエネルギーを受信する前記工程は、複数のレクテナを用いて該ＲＦエネルギーを受信する工程を含み、各レクテナは、特定の極性の該ＲＦエネルギーを受信するように構成される、請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
可変低電力ＤＣ電気を利用可能な直流電気に変換する方法であって、
該可変低電力ＤＣ電気の特性を検知する工程と、
該可変低電力ＤＣ電気を、貯蔵に適する電気に変換するために、該検知された特性に基づいてＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール及び動作特性を選択する工程と、
該変換された電気を適切な貯蔵装置に貯蔵する工程と、
該貯蔵された電気を調整して利用可能なＤＣ電気を供給する工程と
を含む、方法。
【請求項８０】
コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有するソフトウェア製品であって、該命令はコンピュータにより実行されると、ＲＦ波からエネルギーを獲得するシステムを設計する工程を実行し、
レクテナ設計ソフトウェアと相互作用して、全体の結合されたレクテナ及び電力管理装置効率に対して所望のレクテナ構成を選択する工程と、
適切なコンバータ接続形態を解く工程と、
選択されたレクテナ構成と、指定された入射電力特性にわたる出力特性とに基づいて最大効率のコンバータ構成要素及び動作状態を選択する工程と、
所定のシステム特性にわたる全システム最大効率に対して適切な制御手段及び設定を選択する工程と
を含む、ソフトウェア製品。
【請求項８１】
レクテナを設計する方法であって、
該レクテナの素子寸法を利用可能な領域、入射放射電力レベル及び動作周波数範囲に基づいて選択する工程と、
動作のＲＦ環境に基づいて素子偏極を選択する工程と、
伝搬媒体及び周波数範囲に基づいてレクテナ材料を選択する工程と、
必要とされた出力電力レベル、利用可能な電力貯蔵、動作負荷サイクル及び利用可能な空間に基づいてレクテナアレイの形状及び寸法を選択する工程と、
入射電力レベルと、選択された素子寸法とに基づいて各整流器に接続される素子の数を選択する工程と、
対象とする用途に適するレードームを選択する工程と
を含む、方法。
【請求項８２】
コンピュータ可読媒体に記憶された命令を含むソフトウェア製品であって、該命令はコンピュータにより実行されると、レクテナを設計する工程を実行し、
電力管理設計ソフトウェアを用いて、全体の結合されたレクテナ及び電力管理効率に対して最適なレクテナ構成を選択する命令と、
用途に基づいて整流器回路を最適化する命令と、
最適化された整流器回路に基づいて整流器回路接続形態を解く命令と、
全波電磁シミュレーションを用いて、最適化された整流器回路、偏極、入射放射電力レベル及び周波数に基づいてアンテナ接続形態を解く命令と、
全波電磁シミュレーション及び高周波回路シミュレーションの組み合わせを用いてＲＦ周波数のＤＣ網を解く命令と、
適切な結合されたアンテナ及び整流器接続形態を選択する命令と、
適切なＤＣ網接続形態及び動作特性を選択する命令と、
適切なアレイ構成を選択する命令と、
ＲＦ互換性のため、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択する命令と
を含む、ソフトウェア製品。
【請求項８３】
コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有するソフトウェア製品であって、該命令はコンピュータにより実行されると、電力源からエネルギーを獲得するシステムを設計する工程を実行し、
電力源設計ソフトウェアと相互作用して、命令の結合された電力源及び電力管理装置効率に対して１つ以上の所望の電力源を選択する命令と、
適切なコンバータ接続形態を解く命令と、
選択された電力源構成と、指定された入射電力特性にわたる出力特性とに基づいて最大効率の動作状態及びコンバータ構成要素を選択する命令と、
所定のシステム特性にわたる全システム最大効率に対して適切な制御手段及び設定を選択する命令と
を含む、ソフトウェア製品。
【請求項８４】
コンピュータ可読媒体に記憶された命令を含むソフトウェア製品であって、該命令はコンピュータにより実行されると、電力源を設計する工程を実行し、
電力管理設計ソフトウェアと対話式に相互作用して、全体の結合された電力源及び電力管理効率に対して最適な電力源構成を選択する命令と、
用途に基づいて電力源回路を最適化する命令と、
適切なＤＣ網接続形態及び動作特性を選択する命令と、
電力源互換性のため、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択する命令と
を含む、ソフトウェア製品。
【請求項８５】
少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整するシステムであって、
該可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換する調整電子機器であって、正の抵抗性負荷を該少なくとも１つの供給源に与える調整電子機器と、
該貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する貯蔵装置と
を含み、
該正の抵抗性負荷は、入力電力レベルの範囲にわたって該供給源の最適な負荷抵抗に対応する、システム。
【請求項８６】
前記調整電子機器が、
【化１】
2009513098.tif 000003
及び、
【化２】
2009513098.tif 000004
に基づく、請求項８５に記載のシステム。
【請求項８７】
少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整する統合コンバータであって、
該可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換し、正の抵抗性負荷を該少なくとも１つの供給源に与える調整電子機器と、
該調整電子機器の接続形態及びスイッチング周波数を制御する制御器と、
該貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する貯蔵装置と
を含み、該制御器は、獲得されたエネルギーを貯蔵する間にレクテナから電力を抽出するために該スイッチング周波数及び接続形態の１つ以上を適応的に調整する、統合コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、米国仮特許出願第６０／７２９，３７８号（２００５年１０月２１日出願）および米国仮特許出願第６０／７６０，０４０号（２００６年１月１７日出願）の優先権を主張し、両方の米国仮特許出願は、参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
小型であって、動作のために低レベルの電力で足りるセンサ及び送信器は、動作環境に立ち入ることなしに情報を収集するのに用いられることが多い。例えば、バッテリにより給電される検知及び送信装置は生体組織内に外科的に移植されて、この検知及び送信装置が移植された身体の特性を検知し送信することができる。
【０００３】
このようなセンサ内に用いられるバッテリの寿命は、バッテリを定期的に取り替えるために追加の外的処置を必要とすることが多い。これと同様に、センサ及び送信装置が、制御された環境または危険な環境内に配置されている場合、定期的にバッテリを取り替えることは、多大な時間を必要とし、かつ費用のかかる作業であることが多い。
【０００４】
遠隔のセンサ及び送信装置において用いるために無線周波数（「ＲＦ」）波からエネルギーを獲得することができる。この機能の一例としてＲＦ識別（「ＲＦＩＤ」）タグが挙げられ、ＲＦＩＤタグは、ＲＦ波から（例えば、ＲＦＩＤタグを読み取るように動作する送信装置から）電力を引き出し、この電力を用いて識別信号を送信する。この技術の１つの欠点は、一般的にＲＦＩＤタグが短距離上のみで動作することである。
【０００５】
レクテナ（ｒｅｃｔｅｎｎａ）は、整流器を含むアンテナである。すなわち、レクテナはＲＦ波を受信し、これらのＲＦ波を整流し、直流（「ＤＣ」）電気を生成する。レクテナにより生成されたＤＣ電気は、レクテナ設計、ＲＦ波周波数、ＲＦ波偏極、及び、レクテナに入射するＲＦ波電力レベルに依存する。一般的に、レクテナから出力されるＤＣ電気は、受電装置（ｐｏｗｅｒｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）（例えば、センサ、マイクロプロセッサ、送信器など）にＤＣ電気が供給される前に調整電子機器により調整される。ＲＦ波の特性が変化する場合、レクテナから出力されるＤＣ電気も変化する。このことは、受電装置に対して一定の電気出力を維持しようとする調整電子機器によるレクテナへの負荷が原因で電力変換効率に影響を及ぼす。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（概要）
一実施形態では、無線周波数（ＲＦ）受信装置は、１つ以上のアンテナ素子を有する第１の周期的または非周期的なアンテナアレイを有する。導電体はアンテナ素子の接続性を提供し、これにより、第１の周期的または非周期的なアンテナアレイによる無線周波数エネルギーの選択的な受信は、アンテナ素子の各々の寸法及びレイアウト、接続、及び、１つ以上の整流器への結合により決定される。
【０００７】
別の実施形態では、再構成可能な無線周波数（ＲＦ）受信装置は複数のアンテナ素子を有し、アンテナ素子の各々は少なくとも１つの整流器を有し、複数のアンテナ素子から選択された第１組のアンテナ素子は第１寸法を有し、複数のアンテナ素子から選択された第２組のアンテナ素子は第２寸法を有する。導電体は複数のアンテナ素子及び整流器の各々の接続性を提供し、これにより、複数のアンテナ素子によるＲＦエネルギーの選択的な受信は、複数のアンテナ素子の寸法、形状、レイアウト及び基板特性、接続性、並びに、複数のアンテナ素子と１つ以上の整流器との結合により決定される。
【０００８】
別の実施形態では、無線周波数（ＲＦ）を選択的に受信するシステムは、複数の第１アンテナ素子を有する周期的または非周期的なアンテナアレイを有する。導電体は第１組及び第２組のアンテナ素子の各々の接続性を提供し、これにより、非周期的なアンテナアレイによるＲＦエネルギーの選択的な偏極受信（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ）は、アンテナ素子の方位及び給電点、接続、並びに、各アンテナ素子と１つ以上の整流器との結合により決定される。
【０００９】
別の実施形態では、システムは、少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整する。このシステムは、可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換して所望のインピーダンスを少なくとも１つの供給源に与える調整電子機器と、貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する貯蔵装置とを含む。
【００１０】
別の実施形態では、システムは、無線周波数（ＲＦ）／マイクロ波／ミリメートル波電力からエネルギーを獲得する。このシステムは、少なくとも１つのアンテナ及び少なくとも１つの整流器を有する受信装置を含み、受信装置はＲＦ／マイクロ波／ミリメートル波電力を直流（ＤＣ）電気に変換する。このシステムは、電力管理ユニットをも有し、この電力管理ユニットは、（ａ）ＤＣ電気に基づいて受信装置を構成し、（ｂ）所望の負荷を受信装置に与え、（ｃ）ＤＣ電気を貯蔵する。
【００１１】
別の実施形態では、方法は無線周波数（ＲＦ）エネルギーを利用可能な直流（ＤＣ）電気に変換し、この方法は、少なくとも１つのレクテナを用いてＲＦエネルギーを受信する工程と、少なくとも１つのレクテナに所望のインピーダンスをかける工程と、受信された電力を貯蔵装置に転送する工程と、貯蔵された電力を調整してＤＣ電気を生成する工程とを含む。
【００１２】
別の実施形態では、方法は可変低電力ＤＣ電気を利用可能な直流（ＤＣ）電気に変換し、この方法は、可変低電力ＤＣ電気の特性を検知する工程と、可変低電力ＤＣ電気を、貯蔵に適する電気に変換するために、検知された特性に基づいてＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール及び動作特性を選択する工程と、変換された電気を適切な貯蔵装置に貯蔵する工程と、貯蔵された電気を調整して利用可能なＤＣ電気を生成する工程とを含む。
【００１３】
別の実施形態では、ソフトウェア製品は、コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有し、命令がコンピュータにより実行されると、ＲＦ波からエネルギーを獲得するシステムを設計する工程を実行し、レクテナ設計ソフトウェアと相互作用して、全体の結合されたレクテナ及び電力管理装置効率に対して所望のレクテナ構成を選択する工程と、適切なコンバータ接続形態（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）を解く工程と、選択されたレクテナ構成および指定された入射電力特性にわたる出力特性に基づいて最大効率のコンバータ構成要素及び動作状態を選択する工程と、所定のシステム特性にわたる全システム最大効率に対して適切な制御手段及び設定を選択する工程と、を含む。
【００１４】
別の実施形態では、方法はレクテナを設計し、この方法は、レクテナの素子寸法を利用可能な領域、入射放射電力レベル及び動作周波数範囲に基づいて選択する工程と、動作のＲＦ環境に基づいて素子偏極を選択する工程と、伝搬媒体及び周波数範囲に基づいてレクテナ材料を選択する工程と、必要とされる出力電力レベル、利用可能な電力貯蔵、動作負荷サイクル及び利用可能な空間に基づいてレクテナアレイの形状及び寸法を選択する工程と、入射電力レベルと、選択された素子寸法とに基づいて各整流器に接続される素子の数を選択する工程と、対象とする用途に適するレードームを選択する工程とを含む。
【００１５】
別の実施形態では、ソフトウェア製品は、コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有し、命令がコンピュータにより実行されると、レクテナを設計する工程を実行する。この方法は、電力管理設計ソフトウェアを対話式に用いて、全体の結合されたレクテナ及び電力管理効率に対して最適なレクテナ構成を選択する命令と、用途に基づいて整流器回路を最適化する命令と、最適化された整流器回路に基づいて整流器回路接続形態を解く命令と、全波電磁シミュレーションを用いて、最適化された整流器回路、偏極、入射放射電力レベル及び周波数に基づいてアンテナ接続形態を解く命令と、全波電磁シミュレーション及び高周波回路シミュレーションの組み合わせを用いてＲＦ周波数のＤＣ網を解く命令と、適切な結合されたアンテナ及び整流器接続形態を選択する命令と、適切なＤＣ網接続形態及び動作特性を選択する命令と、適切なアレイ構成を選択する命令と、ＲＦ互換性のため、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択する命令とを含む。
【００１６】
別の実施形態では、ソフトウェア製品は、コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有し、命令がコンピュータにより実行されると、電力源からエネルギーを獲得するシステムを設計する工程を実行し、電力源設計ソフトウェアと相互作用して、全体の結合された電力源及び電力管理装置効率に対して１つ以上の所望の電力源を選択する命令と、適切なコンバータ接続形態を解く命令と、選択された電力源構成と、指定された入射電力特性にわたる出力特性とに基づいて最大効率の動作状態及びコンバータ構成要素を選択する命令と、所定のシステム特性にわたる全システム最大効率に対して適切な制御手段及び設定を選択する命令と、を含む。
【００１７】
別の実施形態では、ソフトウェア製品は、コンピュータ可読媒体に記憶された命令を有し、命令がコンピュータにより実行されると、電力源を設計する工程を実行し、電力管理設計ソフトウェアと対話式に相互作用して、全体の結合された電力源及び電力管理効率に対して最適な電力源構成を選択する命令と、用途に基づいて電力源回路を最適化する命令と、適切なＤＣ網接続形態及び動作特性を選択する命令と、電力源互換性のため、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択する命令とを含む。
【００１８】
別の実施形態では、システムは少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整する。調整電子機器は、可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換し、正の抵抗性負荷を少なくとも１つの供給源に与える。貯蔵装置は貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する。正の抵抗性負荷は、入力電力レベルの範囲にわたって供給源の最適な負荷抵抗に対応する。
【００１９】
別の実施形態では、統合コンバータは少なくとも１つの供給源から可変ＤＣ電力を収集し、調整する。調整電子機器は、可変ＤＣ電力を貯蔵可能なＤＣ電気に変換し、正の抵抗性負荷を少なくとも１つの供給源に与える。制御器は、調整電子機器の接続形態及びスイッチング周波数を制御する。貯蔵装置は貯蔵可能なＤＣ電気を貯蔵する。制御器は、獲得されたエネルギーを貯蔵する間にレクテナから電力を抽出するためにスイッチング周波数及び接続形態の１つ以上を適応的に調整する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（図面の詳細な説明）
図１は、電力源１０２および制御インピーダンス、電圧または電流電力制御器１０４を含む電力獲得システム１００の一実施形態を示す。電力獲得システム１００は、受電装置１０６に給電するように図示されている。例えば、受電装置１０６は、センサ及び／または送受信器装置である。電力源１０２は、レクテナ、太陽電池、圧電装置または他の電力収集装置の１つ以上を表し得る。
【００２１】
電力制御器１０４は、エネルギー貯蔵部分１０８、エネルギー結合部分１１０及びエネルギー管理部分１１２を有するように図示されている。エネルギー貯蔵部分１０８は、例えばバッテリまたはキャパシタであって、エネルギー貯蔵部分１０８は、図示のように電力制御器１０４内に存在するか、または、本発明の範囲から逸脱することなしに電力制御器１０４の外部に存在しうる。
【００２２】
エネルギー管理部分１１２はエネルギー結合部分１１０に指示して、電力源１０２から受信したエネルギーを、エネルギー貯蔵部分１０８により貯蔵するのに適する形態へ変換する。従って、エネルギー結合部分１１０は、電力源１０２から受信したＤＣ電圧をエネルギー貯蔵部分１０８内に貯蔵するのに適するように、電力源１０２から受信したＤＣ電圧を変更するＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１１６を含むことができる。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１１６は、ステップアップ電圧コンバータまたはステップダウン電圧コンバータを表し得る。あるいは、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１１６は、複数の異なる種類のＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを含むことができ、これは、電力源１０２から受信したＤＣ電気を、エネルギー貯蔵部分１０２による貯蔵に適した形態へ変換する。
【００２３】
エネルギー結合部分１１０は、複数の電力源１０２が電力を制御インピーダンス電力制御器１０４へ供給する場合、電力源１０２からのＤＣ入力を結合するように動作するオプションのＤＣ結合回路１１４を有するように更に図示されている。ＤＣ結合回路１１４は、複数の電力源１０２の接続性を構成するためにエネルギー管理部分１１２により選択された１つ以上のスイッチを含むことができる。例えば、電力源１０２が、複数のアンテナ素子（例えば、図２のアンテナ素子２０２）を有するレクテナアレイ（例えば、レクテナアレイ２００）である場合、非周期的なレクテナから受信された電力の検知された特性に依存して、エネルギー管理部分１１２は、最適な動作のためにアンテナ素子を直列及び／または並列に構成するようにＤＣ結合回路１１４を制御することができる。特に、入射ＲＦ波の電力レベル、周波数及び偏極が変化すると、エネルギー管理部分１１２は、エネルギー獲得効率を改善するようにレクテナアレイの接続を再構成することができる。
【００２４】
また、エネルギー管理部分１１２は、受電装置１０６の電力要件を示す信号１１８を介して受電装置１０６から情報を受信することができる。この情報は、エネルギー結合部分１１０を最適に構成するようにエネルギー管理部分１１２により用いられる。
【００２５】
次の例では、電力源１０２は１つ以上のレクテナにより表されている。しかし、図示のレクテナの代わりに、他の電力源も用いることができる。
【００２６】
図２には、接地された基板２０４上に配置された９個の正方形のパッチアンテナ素子２０２を示す１つの例示的な周期的かつ一様なレクテナアレイ２００を示す。各アンテナ素子２０２は整流器２０６を有し、これによりレクテナ２０８を形成する。図面を明瞭とするために、周期的なレクテナアレイ２００の相互接続は示されていない。各アンテナ素子の寸法及びレイアウト、各アンテナ素子と各整流器との接続、並びに基板特性は、レクテナアレイ２００により受信された無線周波数波の偏極及び周波数範囲を決定する。
【００２７】
本発明の範囲から逸脱することなしに代替アンテナ設計でアレイ２００を形成することができる。更に、追加の整流器は、本発明の範囲から逸脱することなしに整流器２０６に並列または直列に接続することができる。
【００２８】
図３は、１つの例示的な非周期的かつ非一様なレクテナアレイ３００を示しており、このレイアウトは、基板３０４上に形成された第１寸法の５つのパッチアンテナ素子３０２を有し、各アンテナ素子３０２は、レクテナ３１２を形成するように整流器３０６を有する。非周期的なレクテナアレイ３００は、基板３０４上に形成された第２寸法のパッチアンテナ素子３０８も有し、アンテナ素子３０８は整流器３１０を有し、これによりレクテナ３１４を形成する。レクテナ３１２は、第１周波数範囲の無線周波数波を受信するように設計されており、レクテナ３１４は、第２周波数範囲の無線周波数波を受信するように設計されている。従って、非周期的かつ非一様なレクテナアレイ３００は、第１周波数範囲内と第２周波数範囲内との双方の無線周波数波を受信することができる。
【００２９】
追加または別個のレクテナをアレイ３００に含めることができる。各アンテナ素子の寸法、レイアウト及び種類、並びに、各アンテナ素子と各整流器との接続は、非周期的かつ非一様なレクテナアレイ３００により受信された無線周波数波の偏極及び周波数範囲を決定する。
【００３０】
図２及び図３に示されていないが、周期的なレクテナアレイ２００内のレクテナ２０８の接続と非周期的なレクテナアレイ３００内のレクテナ３１２，３１４の接続とは、各レクテナアレイに入射された無線周波数波と、レクテナアレイの所望の電力出力とに基づくことができる。例えば、レクテナ２０８を直列または並列に接続することができる。
【００３１】
受信された周波数範囲及び電力レベルに基づく適切な整流器接続形態及び整流装置の選択は、これらレクテナアレイの効率的な動作に対しても重要である。
【００３２】
複数の周期的または非周期的、一様または非一様なレクテナアレイを用いてＲＦエネルギーを獲得することができる。例えば、異なる寸法のアンテナ素子を各々有する（すなわち、各々が、異なる周波数範囲及び／または偏極のＲＦ波を受信する）２つの周期的なレクテナアレイからの出力を結合して図１の制御インピーダンス（またはＤＣ入力パラメータ）電力制御器１０４により調整することができる。
【００３３】
レクテナアレイ（例えば、図２の周期的なレクテナアレイ２００）を、動作中、再構成することもできる。例えば、レクテナアレイ２００の出力が低いとエネルギー管理部分１１２が決定した場合、エネルギー管理部分１１２は、（例えば、ＤＣ結合回路１１４を用いて）レクテナアレイ２００の接続を変更して出力電圧を増大させるようにエネルギー結合部分１１０に指示する。例えば、ＤＣ結合回路１１４は、電力源１０２への接続の動的な構成を可能にするスイッチング構成要素（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、中継器など）を含む。
【００３４】
レクテナアレイの出力電力が高いとエネルギー管理部分１１２が決定した場合、エネルギー管理部分１１２は、レクテナアレイ２００のアンテナ素子を並列接続及び／または直列接続の組み合わせに再構成し、これにより、変動する出力電圧及び電流を減少させるようにエネルギー結合部分１１０に指示することができる。
【００３５】
１つ以上のレクテナアレイの接続は、例えば、１つ以上のアンテナ素子の出力電圧、開路電圧、短絡電圧、出力電流及び出力電力の１つ以上に基づく。類似の電流を生成する複数群のアンテナ素子を直列に接続することができ、その一方で、類似の電圧を生成する複数群のアンテナ素子を並列に接続することができる。電力制御器１０４の動作パラメータも、１つ以上のアンテナ素子及び／または他の電力源の出力電圧、開路電圧、短絡電圧、出力電流及び出力電力のうちの１つ以上に基づき得る。
【００３６】
制御インピーダンス電力制御器１０４は、入力電力の特性を監視する１つ以上の感知回路を含むことができる。
【００３７】
２つ以上のアンテナ素子からのＲＦ電力が整流前に結合されるようにレクテナアレイを設計することができる。
【００３８】
以下に説明する図１５、図１６及び図１８は、所望のインピーダンスを１つ以上の電力源（例えば、図１の電力源１０２、図２の周期的なレクテナアレイ２００及び図３の非周期的なレクテナアレイ３００）に与える例示的な回路を示す。一般的に、従来技術のＤＣ‐ＤＣコンバータは逆抵抗性負荷をかける。すなわち、入力電力が減少すると、入力電力源に与えられる抵抗は減少し、これにより、入力源に更なる負荷をかける。他方では、入力電力レベルが変化すると同時に、制御インピーダンス電力制御器１０４は、入力源に与えられる抵抗をほぼ一定レベルに維持する。エネルギー獲得効率を改善するために、例えば、入力電力が増大したときに、供給源に与えられる抵抗が増大する正抵抗負荷をエミュレートすることにより、所望のインピーダンス、入力電圧または入力電流をエミュレートするように、電力源の検知された状態に基づいて制御インピーダンスも変更することができる。
【００３９】
電力制御器１０４の回路の選択は所望の用途に依存する。エネルギー獲得の高効率が要求される場合には、入力電力の特性を検知する追加の回路を含めることができ、その一方で、電力源が充分な電力を供給する場合、高効率は必要なく、簡単化された回路を用いることが可能である。
【００４０】
ＲＦ電力源１０２と共に用いるために、代替電力源が組み合わされ得る。例えば、ＲＦ波レクテナアレイ、機械的発電機及び太陽電池を、結合回路１１４及び電力制御器１０４への入力部分として用いることができる。そして、電力制御器１０４は、エネルギー獲得効率を改善するために、検知された入力特性及び／または所望の出力要件に応じて、これら入力部分を動的に構成することができる。特に、互いに対してバイアスをかけるようにエネルギー源を組み合わせ、その結果として、全体のエネルギー獲得効率を増大させることができる。オプションとして、受電装置１０６は、電力需要を示すフィードバックをエネルギー管理部分１１２へ供給することができる。従って、エネルギー管理部分１１２は、必要な電力を供給するのに必要とされる電力入力接続を構成することができる。
【００４１】
電力制御器１０４は、全体のエネルギー獲得効率を増大させるために、エネルギー貯蔵部分１０８からエネルギーを１つ以上の電力源１０２の出力へ転送することもできる。例えば、バイアス印加を改善するようにレクテナのＤＣ出力へエネルギーを転送することができ、その結果として、エネルギー獲得効率を改善する。
【００４２】
入力電力状態が変化する場合、入力電力特性を一致させるために、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１１６を複数のコンバータから選択することができる。図４は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ４０４及びオプションのＤＣ結合回路４０６を含む１つの例示的なエネルギー結合部分４０２を示す。ＤＣ結合回路４０６は、図１のＤＣ結合回路１１４を表し得る。エネルギー結合部分４０２は、図１のエネルギー結合部分１１０を表し得る。例えば、ＤＣ‐ＤＣコンバータ４０４の各々は、４スイッチバック‐ブーストコンバータ、２スイッチバック‐ブーストコンバータ、臨界導通モードで動作するブーストコンバータ、入力電流または電圧を対応の入力電圧または電流の関数として調整するように制御されるバックコンバータ、及び、スイッチドキャパシタコンバータの１つを表すことができる。ＤＣ‐ＤＣコンバータ４０４は、エネルギー貯蔵部分１０８に用いられる貯蔵装置の種類及び入力電力特性に基づいて選択可能である。入力電力特性が変化すると、エネルギー管理部分１１２は、必要に応じて代替ＤＣ‐ＤＣコンバータを選択することができる。
【００４３】
入力電力状態が変化する場合、エネルギー管理部分１１２は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１１６の動作特性を変更し、コンバータのエミュレートされた入力インピーダンスを電力源１０２への所望の負荷に一致させることができる。例えば、電力源１０２の検知された開路電圧、電力源１０２の短絡電流、電力源１０２の動作電圧及び電流、並びに、電力源１０２の出力電力の１つ以上に基づいて、適切な抵抗をエミュレートするようにＤＣ‐ＤＣコンバータ１１６の特性を調整することができる。
【００４４】
図５は、一実施形態にしたがう、可変電力ＤＣ電気を使用可能なＤＣ電気に変換する１つの処理５００を示すフローチャートである。処理５００は、例えば、図１の制御器１０４により実行される。工程５０２では、処理５００は可変低電力ＤＣ電気の特性を検知し、次に、工程５０４では、検知された特性に基づいてＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール及び動作特性を選択して、可変電力ＤＣ電気を、貯蔵に適した電気に変換する。工程５０６では、貯蔵に適する電気を貯蔵する。例えば、電気を図１のエネルギー貯蔵部分１０８に貯蔵することができる。次に、貯蔵されたエネルギーを利用可能な電気に調整する。例えば、エネルギー貯蔵部分１０８からのエネルギーを、受電装置１０６へのＤＣ電気として調整し、供給する。
【００４５】
図６は、エネルギーを電力源から獲得するシステムを設計する１つの処理６００を示すフローチャートである。工程６０２では、処理６００は、電力源設計ソフトウェアと相互作用して電力源構成を選択する。工程６０４では、処理６００は適切なコンバータ接続形態を解く。工程６０６では、処理６００は、コンバータ構成要素及び動作状態を選択する。工程６０８では、処理６００は、適切な制御手段及び設定を選択する。
【００４６】
図７は、レクテナを設計する１つの処理７００を示すフローチャートである。工程７０２では、処理７００は、利用可能な領域、入射放射電力レベル及び動作周波数範囲に基づいてレクテナの素子寸法を選択する。工程７０４では、処理７００は、動作のＲＦ環境に基づいて素子偏極を選択する。工程７０６では、処理７００は、伝搬媒体及び周波数範囲に基づいてレクテナ材料を選択する。工程７０８では、処理７００は、必要とされた出力電力レベル、利用可能な電力貯蔵、動作負荷サイクル及び利用可能な空間に基づいてレクテナアレイの形状及び寸法を選択する。工程７１０では、処理７００は、対象とする用途に適するレードームを選択する。
【００４７】
図８は、レクテナを設計する別の例示的な処理８００を示すフローチャートである。工程８０２では、処理８００は、電力管理設計ソフトウェアを用いて、全体の結合されたレクテナ及び電力管理効率に対して最適なレクテナ構成を対話式に選択する。工程８０４では、処理８００は、選択されたレクテナ回路を用途に基づいて最適化する。工程８０６では、処理８００は、最適化された整流器回路に基づいて整流器回路接続形態を解く。工程８０８では、処理８００は、全波電磁シミュレーションを用いて、最適化された整流器回路、偏極、入射放射電力レベル及び周波数に基づいてアンテナ接続形態を解く。工程８１０では、処理８００は、全波電磁シミュレーション及び高周波回路シミュレーションの組み合わせを用いてＲＦ周波数においてＤＣ網を解く。工程８１２では、処理８００は、結合されたアンテナ及び整流器の接続形態を選択する。工程８１４では、処理８００は適切なレクテナアレイ構成を選択する。工程８１６では、処理８００は、ＲＦ互換性のために、パッケージのシミュレーションに基づいて電力管理装置と統合する適切なパッケージを選択する。
【００４８】
図９は、電力源からエネルギーを獲得するシステムを設計する１つの処理９００を示すフローチャートである。工程９０２では、処理９００は、電力源設計ソフトウェアと相互作用して、全体の結合された電力源及び電力管理装置効率に対して１つ以上の所望の電力源を選択する。工程９０４では、処理９００は、適切なコンバータ接続形態を解く。工程９０６では、処理９００は、選択された電力源構成と、指定された入射電力特性にわたる出力特性とに基づいて最大効率の動作状態及びコンバータ構成要素を選択する。工程９０８では、処理９００は、所定のシステム特性にわたる全システム最大効率に対して適切な制御手段及び設定を選択する。
【００４９】
図１０には、１つの例示的なレクテナ及びセンサシステム１０００のブロック図を示す。特に、システム１０００はレクテナアレイ１００２、ＤＣ電力処理部分１００４、センサクエリー電子機器１００６、情報処理部分１００８及び圧電センサアレイ１０１０を有する。一例では、システム１０００は、航空機内の疲労からの構造的欠陥を検知するのに用いられる。レクテナアレイ１００２は、航空機の適度な曲線に適合させることができる可撓性基板上に形成されている。
【００５０】
図１１には、ＡＤＳレクテナ１１０１の例示的なモデル１１００及びレイアウト１１５０を示す。モデル１１００は、アンテナ１１０２、ダイオード１１０４、インダクタ１１０６、キャパシタ１１０８及び抵抗器１１１０を有するように示されている。レイアウト１１５０に示すように、キャパシタ１１０８を表す商業用集中素子キャパシタ１１５８と、インダクタ１１０６を表す小型の直径０．２４ｍｍワイヤ１１５６とは、必要なインピーダンスをレクテナ１１０１の出力フィルタに供給する。レクテナ１１０１の出力電圧は可変抵抗器にまたがって測定され、ＤＣ電力はＶ２／Ｒとして計算される。
【００５１】
図１２は、レクテナ１１０１のシミュレートされた出力電力と、測定された出力電力とを出力抵抗の関数として示す例示的なグラフ１２００、並びに、レクテナ１１０１のシミュレートされた出力電圧と、測定された出力電圧とを出力抵抗の関数として示す例示的なグラフ１２５０である。
【００５２】
図１３は、＋１５Ｖ及び−１５Ｖの出力を獲得する１つの例示的なＤＣ電力処理回路１３００を示すブロック図である。回路１３００は、例えば、図示されていないが、図１１のレクテナ１１０１のアレイにより給電される。
【００５３】
図１４は、回路１３００の測定されたＤＣ出力電力を、レクテナアレイに対して入射された放射の偏極角に対して示す１つの例示的なグラフ１４００、並びに、回路１３００のＤＣ出力電力及び効率を、レクテナアレイにより受信された電力に対して示す１つの例示的なグラフ１４５０である。
【００５４】
図１５は、可変周波数臨界導通モード（ＣＲＭ；ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ）のブーストコンバータ用の１つの例示的な回路１５００を示す。図１６は、固定周波数不連続導通モード（ＤＣＭ；ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ）のバック‐ブーストコンバータ用の１つの例示的な回路１６００を示す。フローティング入力電力源のため、回路１５００，１６００の双方において２スイッチ実施形態が可能であることに留意すべきである。図１７の波形１７００，１７５０に示すように、コンバータ回路１５００，１６００を高入力電力レベルで連続して動作することができ、または、低電力レベルでパルスモードにおいて動作することができる。
【００５５】
特に、図１７の波形１７００は、図１５の回路１５００の定常状態動作下のインダクタ電流を示す。回路１５００の第１遷移では、ｔｏｎ中、トランジスタＱ１はターンオンされ、Ｑ２はターンオフされ、この場合、インダクタ電流は時間と共に零からｉｐｋまで上昇する。この遷移の後、Ｑ１はターンオフされ、Ｑ２はターンオンされてエネルギーを負荷に移動させる。この第２遷移は、インダクタ電流が零に降下するまで継続する。このことが生じると、第１遷移が繰り返される。このモードにおいて、回路１５００のコンバータは、低周波期間Ｔ１ｆの特定の負荷サイクルｋに対して実行する。ｋＴ１ｆではコンバータはターンオフされ、Ｔ１ｆで再度始動される。ｋまたはｔｏｎを調整することにより、供給源により見られるエミュレートされた入力抵抗は変更される。最適なレクテナ負荷に一致するように、エミュレートされた入力抵抗を変更することは、エネルギー獲得を最大化する。
【００５６】
回路１５００では、入力電圧源はＶｇとして示され、出力エネルギーはキャパシタまたはマイクロバッテリのようなエネルギー貯蔵素子に貯蔵される。電圧Ｖｚｅｒｓは、インダクタ電流の零交差を検出するために比較器により用いられる検知点である。オプションとして、追加の制御回路により、動作入力電力レベルを検出し、ｋを設定するために開路電圧Ｖｏｃまたは短絡電流Ｉｓｃを用いることができる。コンバータが臨界導通モードで動作している間、ゲート駆動信号ｇａｔｅｎ，ｇａｔｅｐは本質的に同じ信号である。しかし、ｋＴ１ｆの後、これら双方はそれぞれのＭＯＳＦＥＴの駆動をオフにする。従って、ｇａｔｅｎは低電圧信号であり、ｇａｔｅｐは高電圧信号である。Ｃ１，Ｃ２は入力及び出力フィルタキャパシタである。ダイオードＱ２を用いてエネルギー貯蔵素子をプリチャージし、そして、零エネルギーから始動させることができる。インダクタ電流の零交差点及びパラメータｔｏｎ，Ｔ１ｆ，ｋが与えられると、このブーストコンバータの制御回路はゲート駆動信号を生成する。このことは、例えば、図１８に示された例示的な回路１８００を用いて達成される。
【００５７】
電力段からの電圧Ｖｚｅｒｓは、接地点に結合された負の入力端を有する比較器への正の入力である。ほとんどの場合、Ｖｚｅｒｓは負の電圧である。比較器による零交差の検出は、ワンショット回路からの、幅ｔｏｎを有するパルスをトリガーする。このパルスは２つのＯＲゲートを介し、その後、ｇａｔｅｎ，ｇａｔｅｐとして回路１５００に受け渡される。ＯＲゲートのｇａｔｅｐへの第２入力は、ｋＴ１ｆ後、論理ハイである低周波発振器からの信号である。これにより、この時点の後、Ｑ１，Ｑ２の双方がオフであることが保証される。また、コンバータが、制御電力損失を減少させる動作にない場合、期間Ｔ１ｆで動作する低周波発振器は、比較器及びワンショット回路を電源オフし、その後、それらへ電力を戻すために同じ信号を供給する。
【００５８】
図１９の式１９５０から分かるように、ブーストコンバータが連続して動作する場合、ｋ＝１であるので、エミュレートされた抵抗Ｒｅｍｕｌａｔｅｄはｔｏｎだけに依存する。このことは、制御回路を簡単化する。なぜならば、比較器及びワンショット回路を検出する零交差だけが用いられからである。しかし、これら回路は、低入力電力であっても連続してオンにされる。低周波数の負荷サイクル制御方法の実施は、入力電力レベルに応じて時々、回路の一部を電源オフさせることができる。コンバータが動作中にない場合、制御回路内のピーク電力追跡構成要素は入力源の開路電圧Ｖｏｃをサンプリングする。これらの構成要素は短絡電流Ｉｓｃもサンプリングすることができる。これらの値は、ｋまたはｔｏｎを調整し、ひいてはＲｅｍｕｌａｔｅｄを最適なインピーダンス負荷に変更するのに用いることができる。低電力レベルの動作が望まれる場合、これら追加の制御ブロックを実施することができる。
【００５９】
従来技術の極めて低い電力レベル用の電力コンバータは、基板への寄生漏洩電流及び寄生容量が理由で低い効率を有する。これらの制限は、ＲＦ処理を用いて効率良くエネルギーを獲得する一連の統合されたコンバータを開発することによって除去される。この処理は、インダクタ用の厚い上部金属層と高抵抗率基板とを有する完全に空乏化したシリコンオンインシュレータ（ＦＤ‐ＳＯＩ）に基づいて行われる。電力を処理するこの処理の主な利点は、従来のＣＭＯＳシリコン処理の場合の１０００倍も低く寄生容量を減少させることである。このような低寄生性は、（小型の構成要素寸法を可能にする）極めて低い電力レベル、かつ何百ｋＨｚもの周波数であっても高効率動作を容易にする。寄生容量が小さいので、極めて低い電力レベルで高効率を有する単一の２段スイッチドキャパシタ（ＳＣ）回路で、統合された電力コンバータＩＣを構成することができる。
【００６０】
図２０には、１つの例示的な２段ＳＣ接続形態２０００を示す。スイッチ（Ｓ１〜Ｓ１１）ごとにオンチップバッファを設けることができ、外部の制御ロジック（例えば、制御器２００２）を用いてスイッチング構成を決定することができる。接続形態２０００は、１／３から３までの比にわたって入力電圧（Ｖｉｎ）から出力電圧（Ｖｏｕｔ）への８つの異なる電力変換比を生成する。外部の制御チップは、獲得されたエネルギーを出力キャパシタ（Ｃｓｔｏｒａｇｅ）へ貯蔵する間、取り付けられたレクテナから最大電力を連続して抽出するようにスイッチング周波数及び接続形態を適応的に調整する。出力キャパシタ電圧が構築されると、コンバータは、接続形態を介してレクテナの最適な負荷及び高効率を維持するように配列される。
【００６１】
前記の方法及びシステムにおいて本発明の範囲から逸脱することなしに変更を行うことができる。従って、前記の説明に含まれた事柄、または、添付図面に示された事柄は例示として理解されるべきであって、限定する意味に解釈すべきでないことに留意すべきである。以下の請求項は、本明細書に記述されたすべての一般的な特徴及び具体的な特徴、ならびに本発明の方法及びシステムの範囲の全記述を対象とするものであり、これらは、言葉の問題として本発明の範囲に含まれると言える。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、電力源および制御インピーダンス、電圧または電流電力の制御器を含む電力獲得システムの一実施形態を示す。
【図２】図２は、１つの例示的な周期的かつ一様なレクテナアレイを示す。
【図３】図３は、１つの例示的な非周期的かつ非一様なレクテナアレイを示す。
【図４】図４は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを含む例示的なエネルギー結合部分を示す。
【図５】図５は、可変電力ＤＣ電気を、使用可能なＤＣ電気に変換する１つ例示的な処理を示すフローチャートである。
【図６】図６は、エネルギーを電力源から獲得するシステムを設計する１つの処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、レクテナを設計する１つの処理を示すフローチャートである。
【図８】図８は、レクテナを設計する別の例示的な処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、電力源からエネルギーを獲得するシステムを設計する１つの例示的な処理を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、１つの例示的なレクテナ及びセンサシステムの実施形態の１つの例示的なブロック図を示す。
【図１１】図１１は、レクテナの例示的なモデル及びレイアウトを示す。
【図１２】図１２は、図１１のレクテナのシミュレートされた出力電力と、測定された出力電力とを出力抵抗の関数として示す例示的なグラフ、並びに、図１１のレクテナのシミュレートされた出力電力と、測定された出力電圧とを出力抵抗の関数として示す例示的なグラフである。
【図１３】図１３は、＋１５Ｖ及び−１５Ｖの出力を獲得する１つの例示的なＤＣ電力処理回路を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、図１３の回路の測定されたＤＣ出力電力を、レクテナアレイ上に入射された放射の偏極角に対して示す１つの例示的なグラフ、並びに、図１３の回路のＤＣ出力電力及び効率を、レクテナアレイにより受信された電力に対して示す１つの例示的なグラフである。
【図１５】図１５は、可変周波数臨界導通モード（ＣＲＭ）のブーストコンバータ用の１つの例示的な回路を示す。
【図１６】図１６は、一定周波数不連続導通モード（ＤＣＭ）のバック‐ブーストコンバータ用の１つの例示的な回路を示す。
【図１７】図１７は、図１５のコンバータ回路の動作を表す２つの例示的な波形を示す。
【図１８】図１８は、図１５の回路用にゲート駆動信号を生成する１つの例示的な回路を示す。
【図１９】図１９は、図１５の回路の動作を定義する２つの例示的な式を示す。
【図２０】図２０は、一実施形態の１つの例示的な２段適応可能スイッチングキャパシタ接続形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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