(57)【要約】【課題】インピーダンス変換の変成比を低くすることができ、インピーダンス変換による損失を抑えることでＲＦ−ＤＣ変換効率の高いレクテナ装置を提供する。【解決手段】インピーダンスが回路の特性インピーダンスより高い高インピーダンスアンテナと、インピーダンス変換部またはさらにアンテナ平衡・不平衡変換部と、整流回路と、平滑用回路とを備え、高インピーダンスアンテナがシングルエンド出力であれば平衡・不平衡変換部でシングルエンドから差動への変換が行われ、高インピーダンスアンテナで受電した電波の高電圧が、変成比の低いインピーダンス変換部による高電圧化を介して整流回路に印加され、整流回路にて受電した電波を直流に変換して平滑用回路にて平滑された直流電力を取り出す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピーダンスが回路の特性インピーダンスより高い高インピーダンスアンテナと、
アンテナ平衡・不平衡変換部と、
インピーダンス変換部と、
差動で動作する整流回路と、
平滑用回路と、
を備え、
前記高インピーダンスアンテナはシングルエンド出力であり、前記高インピーダンスアンテナで受電した電波の高電圧が、前記平衡・不平衡変換部でシングルエンドから差動への変換と、変成比の低い前記インピーダンス変換部による高電圧化を介して前記整流回路に印加され、前記整流回路にて受電した電波を直流に変換して前記平滑用回路にて平滑された直流電力を取り出す、ことを特徴とするレクテナ装置。
【請求項２】
インピーダンスが回路の特性インピーダンスより高い高インピーダンスアンテナと、
インピーダンス変換部と、
差動で動作する整流回路と、
平滑用回路と、
を備え、
前記高インピーダンスアンテナは差動出力であり、前記高インピーダンスアンテナで受電した電波の高電圧が、変成比の低い前記インピーダンス変換部を介して前記整流回路に印加され、前記整流回路にて受電した電波を直流に変換して前記平滑用回路にて平滑された直流電力を取り出す、ことを特徴とするレクテナ装置。
【請求項３】
インピーダンスが回路の特性インピーダンスより高い高インピーダンスアンテナと、
インピーダンス変換部と、
シングルエンドで動作する整流回路と、
平滑用回路と
を備え、
前記高インピーダンスアンテナはシングルエンド出力であり、
前記高インピーダンスアンテナで受電した電波の高電圧が、変成比の低い前記インピーダンス変換部を介して前記整流回路に印加され、前記整流回路にて受電した電波を直流に変換して前記平滑用回路にて平滑された直流電力を取り出す、ことを特徴とするレクテナ装置。
【請求項４】
前記平衡・不平衡部およびインピーダンス変換部が、トランスで構成されたことを特徴とする請求項１に記載のレクテナ装置。
【請求項５】
前記整流回路が、ブリッジ型ダイオードで構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のレクテナ装置。
【請求項６】
前記整流回路が、ブリッジ型ダイオードで構成されたことを特徴とする請求項４に記載のレクテナ装置。
【請求項７】
前記整流回路が、シングルシャント型ダイオードで構成されたことを特徴とする請求項３に記載のレクテナ装置。
【請求項８】
前記整流回路を構成する各ダイオードが、ダイオードを複数直列接続した直列接続ダイオードで構成された高インピーダンスのものであることを特徴とする請求項５または７に記載のレクテナ装置。
【請求項９】
前記整流回路を構成する各ダイオードが、ダイオードを複数直列接続した直列接続ダイオードで構成された高インピーダンスのものであることを特徴とする請求項６に記載のレクテナ装置。
【請求項１０】
前記インピーダンス変換部が、使用する所望の高周波の周波数における１/４波長伝送線路で構成されたことを特徴とする請求項１，２，３，５，７，８のいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【請求項１１】
前記インピーダンス変換部は、π型またはＴ型のローパスフィルタで構成されたことを特徴とする請求項１，２，３，５，７，８のいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【請求項１２】
前記π型ローパスフィルタにおいて前記整流回路側の容量を前記整流回路の接合容量を用いて構成したことを特徴とする請求項１１に記載のレクテナ装置。
【請求項１３】
前記高インピーダンスアンテナが、折り返しダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を直流電力または直流信号に変換するレクテナ(rectenna：rectifying antenna)装置、特に整流器での交流または高周波から直流への変換効率の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレクテナ装置における高周波整流器として、ブリッジ型整流器がある。ブリッジ型整流器は、同一方向(例えば順方向)に２つのダイオードを直列接続したダイオード直列回路を２つ、同一方向に並列接続し、それぞれのダイオード直列回路のダイオード間の接続点を差動の入力端子とし、ダイオード直列回路間の接続点を出力端子としたブリッジ型ダイオードを備えている。信号源であるアンテナで受電した電波はトランスによりシングルエンドから差動に変換(平衡・不平衡変換)され、さらに高電圧に変換(インピーダンス変換)されて、上述のブリッジ型ダイオードに入力される。このブリッジ型ダイオードに入力された高周波の電波はダイオードの非線形動作と高調波処理により全波整流され、平滑用キャパシタを介して負荷抵抗に直流電力として出力される。このようにして、高効率に高周波(ＲＦ)から変換された直流(ＤＣ)が負荷に供給されることになる(例えば、下記特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７５７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレクテナ装置におけるブリッジ型整流器などからなる高周波整流器においては、インピーダンス変換の変成比を高くすることで、ダイオードなどの整流用素子に高電圧を印加し、ＲＦ(高周波)−ＤＣ(直流)変換効率の向上を図っていた。しかしながら、損失のないインピーダンス変換であれば変成比を高くするとＲＦからＤＣへのＲＦ−ＤＣ変換効率は高くなるが、実際には上記インピーダンス変換において損失を伴うために、変成比を高くすると損失が大きくなり、ＲＦ−ＤＣ変換効率の向上が図れなかった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解消するためになされたものであり、インピーダンス変換の変成比を低くすることができ、これによりインピーダンス変換による損失を抑えることで整流回路におけるＲＦ−ＤＣ変換効率の高いレクテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、インピーダンスが回路の特性インピーダンスより高い高インピーダンスアンテナと、アンテナ平衡・不平衡変換部と、インピーダンス変換部と、差動で動作する整流回路と、平滑用回路と、を備え、前記高インピーダンスアンテナはシングルエンド出力であり、前記高インピーダンスアンテナで受電した電波の高電圧が、前記平衡・不平衡変換部でシングルエンドから差動への変換と、変成比の低い前記インピーダンス変換部による高電圧化を介して前記整流回路に印加され、前記整流回路にて受電した電波を直流に変換して前記平滑用回路にて平滑された直流電力を取り出す、ことを特徴とするレクテナ装置等にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、インピーダンス変換部による変成比を小さくすることができ、損失を低くすることが可能となり、このため、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の一例の構成図である。
【図２】この発明でのトランスにおける変成比と挿入損失の関係を説明するための図である。
【図３】この発明によるレクテナ装置の整流回路のダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１４】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１５】この発明の実施の形態１によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１６】この発明の実施の形態２によるレクテナ装置の一例の構成図である。
【図１７】この発明の実施の形態２によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【図１８】この発明の実施の形態２によるレクテナ装置の別の例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
通常マイクロ波などの高周波回路では回路の特性インピーダンス規格である例えば５０Ωまたは７５Ωで整合がとられ、各要素回路の接続が行われるが、この発明のレクテナ装置では例えば、インピーダンスが特性インピーダンス規格である例えば５０Ωまたは７５Ωより高い高インピーダンスアンテナ(すなわちレクテナ装置の回路の特性インピーダンス規格より高いインピーダンスを有する高インピーダンスアンテナ)と、インピーダンス変換部と、整流回路と、平滑用回路とを備え、高インピーダンス系で動作させることにより、インピーダンス変換部による損失を低減する。すなわち、高インピーダンスアンテナを使用することにより、インピーダンス変換部による変成比を小さくすることができ、損失を低くすることが可能となるため、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得ることができる。
【００１０】
以下、この発明によるレクテナ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレクテナ装置の一例の構成図である。図１において、レクテナ装置は、使用回路の特性インピーダンス規格の例えば５０Ωまたは７５Ωより高いインピーダンスＺｓを有する高インピーダンスアンテナ１と、インピーダンス変換部と平衡・不平衡変換部を構成するトランス２と、整流回路を構成するブリッジ型ダイオード３ａと、平滑用回路を構成する平滑用キャパシタ４とを備える。
【００１２】
高インピーダンスアンテナ１の出力端子はトランス２の一次巻線２０１の一端に接続され、一次巻線２０１の他端は短絡(接地)されている。トランス２の二次巻線２０２の両側の差動の出力端子はブリッジ型ダイオード３ａに接続されている。差動のブリッジ型ダイオード３ａは、同一方向(例えば順方向)に２つのダイオードＤａ，Ｄｃ、ダイオードＤｂ，Ｄｄをそれぞれ直列接続したダイオード直列回路を２つ、同一方向に並列接続してなる。ダイオード直列回路のダイオードＤａ，Ｄｃ間、ダイオードＤｂ，Ｄｄ間のそれぞれの接続点は、トランス２の二次巻線２０２の両側の差動の出力端子に接続され差動の入力端子となる。２つのダイオード直列回路間の両側の接続点は出力端子として平滑用キャパシタ４の両側端子にそれぞれ接続される。負荷５は平滑用キャパシタ４と並列に接続され、直流(ＤＣ)(直流電力)が得られる。
【００１３】
次に動作について説明する。高インピーダンスアンテナ１にて受電した高周波(ＲＦ)電波は、高インピーダンスアンテナ１のインピーダンスＺｓが高いために高電圧となる。この高電圧のＲＦがトランス２の一次側に入力され、シングルエンドから差動に変換(平衡・不平衡変換)されるとともに、１：ｎの変圧比により、さらにｎ倍の電圧となって二次側から出力(インピーダンス変換)される。
【００１４】
図２はこの発明でのトランスにおける変成比と挿入損失の関係を示す図である。図２に示すようにトランス２では変圧比ｎの増大とともに直列抵抗による損失(挿入損失)が生じる。これによりＲＦ−ＤＣ変換効率の向上を抑圧してしまう。この損失量はトランス２の入力及び出力端子に接続されるインピーダンスとその比に依存することから、高インピーダンスアンテナ１のインピーダンスが高く、変圧比ｎが小さいために、低損失で変圧される。トランス２の出力を受けてブリッジ型ダイオード３ａはＲＦを整流することで直流(ＤＣ)成分を発生させ、さらに平滑用キャパシタ４により平滑されたＤＣ成分のみを出力する。
【００１５】
図３に、整流回路のダイオードの電流(Ｉｄ)−電圧(Ｖｄ)特性を示す。ブリッジ型ダイオード３ａにおける整流動作は、図３に示すダイオードの非線形性により生じる。ブリッジ型ダイオード３ａに高電圧が印加されると、順方向の立ち上がり電圧(Ｖｔ)と比べて逆方向電圧が大きくなるため、ＤＣ成分(|ＶＬ|：出力直流電圧−ＶＬの絶対値)が大きくなり、ＲＦ−ＤＣ変換効率の向上が図れる。図３中、Ａがダイオード印加電圧波形、Ｂが変換効率向上に寄与する部分、Ｃが変換効率低下要因となる部分を示す。
【００１６】
以上のように、実施の形態１によれば、高インピーダンスアンテナ、トランス、ブリッジ型ダイオード、および平滑用キャパシタを備え、高インピーダンスアンテナの出力端子とトランスの入力端子が接続され、トランスの差動の出力端子がブリッジ型ダイオードの２つの入力端子にそれぞれ接続され、ブリッジ型ダイオードの２つの出力端子が平滑用キャパシタの２つの端子にそれぞれ接続され、負荷が平滑用キャパシタと並列に接続されているので、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得ることができる。
【００１７】
また図４に示すように、平衡・不平衡変換部６とインピーダンス変換部７を別々の回路で構成してもよい。平衡・不平衡変換部６は例えば、シングルエンドから差動に変換する回路からなる。インピーダンス変換部７は例えば、トランス、ローパスフィルタ、使用する所望の高周波(波長λ)で１／４波長の電気長を有する１／４波長伝送線路等のいずれかからなる。
【００１８】
また図５に示すように、高インピーダンスアンテナを、差動出力の高インピーダンスアンテナ１ａとし、トランスを、平衡・不平衡変換を行わずインピーダンス変換のみを行う入力側、出力側共に差動のトランス２ａで構成してもよい。
【００１９】
また図６に示すように、整流回路を、ブリッジ型ダイオードではなく、シングルシャント型ダイオード３ｂとし、トランスを、平衡・不平衡変換を行わずインピーダンス変換のみを行う入力側、出力側共にシングルエンドのトランス２ｂで構成してもよい。この場合、平滑用キャパシタ、負荷も共にシングルエンドの平滑用キャパシタ４ａ、負荷５ａとなる。
【００２０】
さらに図７および図８に示すように、図５、図６において、ブリッジ型ダイオード、シングルシャント型ダイオードの各ダイオードをそれぞれ、ダイオードを複数直列接続した直列接続ダイオードＤＤａ〜ＤＤｄ、ＤＤ１としたブリッジ型ダイオード３ａａ、シングルシャント型ダイオード３ｂｂとして、インピーダンスを高くしてもよい。
【００２１】
図４におけるインピーダンス変換部７は、図９のように、差動出力の高インピーダンスアンテナ１ａの場合に、アンテナ１ａの出力端子とブリッジ型ダイオード３ａの間の伝送線にそれぞれに直列に挿入された使用する所望の高周波において１／４波長の電気長を有する１／４波長伝送線路２１，２２であってもよい。
【００２２】
また図１０のように、回路全体がシングルエンドの回路の場合に、シングルエンドの高インピーダンスアンテナ１の出力端子とシングルシャント型ダイオード３ｂの間の伝送線に直列に挿入された使用する所望の高周波において１／４波長の電気長を有する１／４波長伝送線路２１であってもよい。
【００２３】
また図１１のように回路全体が差動の場合に、集中定数であるπ型ローパスフィルタ２５であってもよい。π型ローパスフィルタ２５は、入力側、出力側それぞれの２本の伝送線間に接続されたキャパシタ２１３，２１４と、２本の伝送線それぞれのキャパシタ２１３，２１４の接続点間に直列に挿入されたそれぞれインダクタ２１１，２１２からなる。
【００２４】
また図１２のように回路全体がシングルエンドの回路の場合に、π型ローパスフィルタ２５ａであってもよい。π型ローパスフィルタ２５ａは、入力側と出力側で伝送線とグランド間に接続されたキャパシタ２１３，２１４と、伝送線のキャパシタ２１３，２１４の接続点間に直列に挿入されたインダクタ２１１からなる。
【００２５】
また図１３のように回路全体が差動の場合に、Ｔ型ローパスフィルタ２６であってもよい。Ｔ型ローパスフィルタ２６は、伝送線間に接続されたキャパシタ２１３と、各伝送線におけるキャパシタ２１３の接続点の両側にそれぞれ直列に挿入されたインダクタ２１１ａ，２１１ｂ、インダクタ２１２ａ，２１２ｂからなる。
【００２６】
また図１４のように回路全体がシングルエンドの回路の場合に、Ｔ型ローパスフィルタ２６ａであってもよい。Ｔ型ローパスフィルタ２６ａは、伝送線とグランド間に接続されたキャパシタ２１３と、伝送線のキャパシタ２１３の接続点の両側に直列に挿入されたインダクタ２１１ａ，２１１ｂからなる。
【００２７】
また、図１５のπ型ローパスフィルタ２５ｂのように、図１１のπ型ローパスフィルタ２５において、ブリッジ型ダイオード３ａ側のキャパシタ２１４を、図１５で破線で示すように、ブリッジ型ダイオード３ａの接合容量で代用または接合容量の一部を用いることで省略してもよい。
【００２８】
また従来と同様に、整合回路、フィルタ、高調波処理回路等を備えてさらにＲＦ−ＤＣ変換効率の向上を図ってもよい。
なお、高インピーダンスアンテナ１のインピーダンスの上限に関しては、ブリッジ型ダイオード等のダイオードに印加される電圧がブレークダウン電圧を超えないように、高インピーダンスアンテナとインピーダンス変換の変圧比ｎを設定する。
【００２９】
実施の形態２．
図１６はこの発明の実施の形態２によるレクテナ装置の一例の構成図である。この実施の形態では、高インピーダンスアンテナは、折り返しダイポールアンテナ１ｂで構成される。その他の構成については、図１から図１５の構成を適用すること可能であり、図１６は図５に対応する。
【００３０】
次に動作について説明すると、基本的動作は実施の形態１と同じである。使用する所望の高周波(波長λ)の１／２波長のダイポールアンテナと平行に備えた１／２波長の伝送線路のそれぞれの両端を接続した構成である折り返しダイポールアンテナ１ｂは、図１６に示す使用する所望の高周波の１／２波長の伝送線路の幅Ｗ１とダイポールアンテナの幅Ｗ２を等しくすることで約３００Ωと通常のダイポールアンテナの約４倍の高インピーダンスとなる。その出力は差動で取り出すことが可能であり、トランス２ａに入力される。
【００３１】
以上のように、実施の形態２によれば、高インピーダンスアンテナとして折り返しダイポールアンテナ１ｂを用いることで、インピーダンス変換の変成比を低くすることができ、ＲＦ−ＤＣ変換効率の向上が図れる。
【００３２】
また、図１７に示すように、折り返しダイポールアンテナ１ｂにおいて直流経路を阻止するために、折り返しダイポールアンテナ１ｂとトランス２ａの間で、各伝送線に直列にキャパシタ７１，７２を挿入してもよい。
【００３３】
また、図１８に示すように、一端を短絡(接地)してシングルエンド出力の折り返しダイポールアンテナ１ｃとしてもよい。この場合、これに対応してトランスはインピーダンス変換と平衡・不平衡変換を行うトランス２とし、折り返しダイポールアンテナ１ｃの出力端子とトランス２の間の伝送線にキャパシタ７１を直列に挿入する。
【００３４】
なおこの発明は上記各実施の形態で図示したそれぞれの実施例の構成に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むものである。
【符号の説明】
【００３５】
１，１ａ  高インピーダンスアンテナ、１ｂ，１ｃ  折り返しダイポールアンテナ、２，２ａ，２ｂ  トランス、３ａ，３ａａ  ブリッジ型ダイオード、３ｂ，３ｂｂ  シングルシャント型ダイオード、４，４ａ  平滑用キャパシタ、５，５ａ  負荷、６  平衡・不平衡変換部、７  インピーダンス変換部、２１，２２  １／４波長伝送線路、２５，２５ａ，２５ｂ  π型ローパスフィルタ、２６，２６ａ  Ｔ型ローパスフィルタ、７１，７２  キャパシタ、２０１  一次巻線、２０２  二次巻線、２１１，２１２，２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ  インダクタ、２１３，３１４  キャパシタ、Ｄａ〜Ｄｄ  ダイオード、ＤＤａ〜ＤＤｄ，ＤＤ１  直列接続ダイオード。
【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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