(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波（ＲＦ）エネルギーハーベスティング装置であって、
ほぼ平坦な表面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に共形的に固定して配置される、少なくとも１つの金属要素を含むメタマテリアル共振器アンテナであって、前記少なくとも１つの金属要素が、
第１のアンテナ端点から第１の中間点まで延在する第１の主アンテナ部と、
第２のアンテナ端点から第２の中間点まで延在する第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と均一な隙間距離で平行に離間して配置される、少なくとも１つの副アンテナ部であって、第３の中間点に配置される第１の端、および第４の中間点に配置される反対側の第２の端を有する、少なくとも１つの副アンテナ部と、
前記第１の中間点と前記第３の中間点との間に接続される第１の連結部と、
前記第２の中間点と前記第４の中間点との間に接続される第２の連結部と、を含み、
第１の取り込みＲＦ信号が、前記第１のアンテナ端点で生成され、第２の取り込みＲＦ信号が、前記第２のアンテナ端点で生成され、前記第１の取り込みＲＦ信号と前記第２の取り込みＲＦ信号とは、位相が互いに１８０°ずれるよう、前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部、ならびに前記少なくとも１つの副アンテナ部が、関連する帯域幅の範囲内のＲＦ周波数で共振するよう構成される、メタマテリアル共振器アンテナと、
前記第１のアンテナ端点および前記第２のアンテナ端点に連結される整流回路であって、前記第１の取り込みＲＦ信号および前記第２の取り込みＲＦ信号からの正電圧パルスを組み合わせて、出力ノードに送るよう構成される回路素子を含む整流回路と、を含む、ＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項２】
前記メタマテリアル共振器アンテナを形成する前記少なくとも１つの細長い金属構造体が、銀インク材料を含む、請求項１に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項３】
前記整流回路が、前記基板の前記表面上に共形的に固定して配置される複数の導電構造体をさらに含む、請求項１に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項４】
前記整流回路が、
前記第１のアンテナ端点と第１のノードとの間に連結される第１のダイオードと、
前記第２のアンテナ端点と前記第１のノードとの間に連結される第１のキャパシタと、
前記第１のノードと第２のノードとの間に連結される第２のダイオードと、をさらに含み、
前記第１のダイオードが、前記第２のダイオードより低い順電圧を有し、前記第１のダイオードが、前記第２のダイオードより低い逆電圧を有し、これにより、前記第１のノードで生成される第１の中間電圧には、前記第１のダイオードを介して送られる前記第１の取り込みＲＦ信号の正電圧パルスと、前記第１のキャパシタを介して送られる前記第２の取り込みＲＦ信号の正電圧パルスとの合計が含まれ、これにより、前記第１のノードから前記第２のダイオードを介して送られる正電圧パルスによって、前記第２のノードで第２の中間電圧が生成される、請求項３に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項５】
前記整流回路が、グライナッヘル回路を含む、請求項３に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項６】
前記アンテナが、左右対称の第１の金属要素および第２の金属要素を含む２部分から成るダイポールアンテナを含み、
前記第１の金属要素が、前記第１の主アンテナ部と、前記第１の連結部と、前記第１の連結部から前記第１のアンテナ端点に隣接して配置される第１の先端点まで延在する第１の副アンテナ部と、を含み、前記第１の主アンテナ部と前記第１の副アンテナ部とが、それらのアンテナ部の全長に沿って均一な間隔で離れるよう、前記第１の主アンテナ部と前記第１の副アンテナ部とが同心円状に配置され、
前記第２の金属要素が、前記第２の主アンテナ部と、前記第２の連結部と、前記第２の連結部から前記第２のアンテナ端点に隣接して配置される第２の先端点まで延在する第２の副アンテナ部と、を含み、前記第２の主アンテナ部と前記第２の副アンテナ部とが、それらのアンテナ部の全長に沿って均一な間隔で離れるよう、前記第２の主アンテナ部と前記第２の副アンテナ部とが同心円状に配置される、請求項１に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項７】
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、前記第１の副アンテナ部および前記第２の副アンテナ部とはそれぞれ、コーナ部で接続される少なくとも２つの直線部を含む、請求項６に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項８】
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、前記第１の副アンテナ部および前記第２の副アンテナ部とはそれぞれ、Ｌ形状のパターンを含む、請求項７に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項９】
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、前記第１の副アンテナ部および前記第２の副アンテナ部とはそれぞれ、相互接続される３つの直線部を含み、これらがＣ形状のパターンを形成する、請求項７に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１０】
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、前記第１の副アンテナ部および前記第２の副アンテナ部とはそれぞれ、連続曲線のワイヤー構造を含む、請求項６に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１１】
前記第１の連結部および前記第２の連結部のそれぞれが、線形形状のワイヤー構造を含む、請求項１０に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１２】
前記第１の連結部および前記第２の連結部のそれぞれが、段差形状のワイヤー構造を含み、前記段差形状のワイヤー構造は、前記第１の主アンテナ部の長さが、前記第１の副アンテナ部の長さと等しくなるように、かつ、前記第２の主アンテナ部の長さが、前記第２の副アンテナ部の長さと等しくなるように構成される、請求項１０に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１３】
前記アンテナが、単一の一体型金属要素を含み、前記単一の一体型金属要素が、
同一線上に配置され、前記第１のアンテナ端点と前記第２のアンテナ端点との間に画定される隙間だけ互いに離れる線形構造体をそれぞれ含む前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と平行に配置される前記副アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第１の端との間に接続される第１の半円部分と、前記第１の半円部分から前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第１の曲線端部分および第２の曲線端部分と、を含む第１の開環状パターンを含む前記第１の連結部と、
前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第２の端との間に接続される第２の半円部分と、前記第２の半円部分から前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第３の曲線端部分および第４の曲線端部分と、を含む第２の開環状パターンを含む前記第２の連結部と、を含む、請求項１に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１４】
前記単一の一体型金属要素が、
第２の副アンテナ部であって、第１の副アンテナ部が、前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と前記第２の副アンテナ部との間になるように、前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部、ならびに前記第１の副アンテナ部と平行に配置される前記第２の副アンテナ部と、
前記第１の副アンテナ部の前記第１の端と前記第２の副アンテナ部の第１の端との間に接続される第３の半円部分と、前記第３の半円部分から前記第１の副アンテナ部と前記第２の副アンテナ部との間の空間に延在する第５の曲線端部分および第６の曲線端部分と、を含む第３の開環状パターンを含む第３の連結部と、
前記第１の副アンテナ部の前記第２の端と前記第２の副アンテナ部の第２の端との間に接続される第４の半円部分と、前記第４の半円部分から前記第１の副アンテナ部と前記第２の副アンテナ部との間の前記空間に延在する第７の曲線端部分および第８の曲線端部分と、を含む第４の開環状パターンを含む第４の連結部と、をさらに含む、請求項１３に記載のＲＦエネルギーハーベスティング装置。
【請求項１５】
複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置を含む高周波（ＲＦ）エネルギーハーベスティングシステムであって、各ＲＦエネルギーハーベスティング装置が、
基板の表面上に共形的に固定して配置される、少なくとも１つの金属要素を含むメタマテリアル共振器アンテナであって、前記少なくとも１つの金属要素が、
第１のアンテナ端点から第１の中間点まで延在する第１の主アンテナ部と、
第２のアンテナ端点から第２の中間点まで延在する第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と均一な隙間距離で平行に離間して配置される、少なくとも１つの副アンテナ部であって、第３の中間点に配置される第１の端、および第４の中間点に配置される反対側の第２の端を有する、少なくとも１つの副アンテナ部と、
前記第１の中間点と前記第３の中間点との間に接続される第１の連結部と、
前記第２の中間点と前記第４の中間点との間に接続される第２の連結部と、を含み、
第１の取り込みＲＦ信号が、前記第１のアンテナ端点で生成され、第２の取り込みＲＦ信号が、前記第２のアンテナ端点で生成され、前記第１の取り込みＲＦ信号と前記第２の取り込みＲＦ信号とは、位相が互いに１８０°ずれるよう、前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部、ならびに前記少なくとも１つの副アンテナ部が、関連する帯域幅の範囲内のＲＦ周波数で共振するよう構成される、メタマテリアル共振器アンテナと、
前記第１のアンテナ端点および前記第２のアンテナ端点に連結される整流回路であって、前記第１の取り込みＲＦ信号および前記第２の取り込みＲＦ信号から出力ノードに正電圧パルスを送るよう構成される回路素子を含む整流回路と、を含み、
前記複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置が、互いに連結されて、組合せシステム出力電圧を生成する、ＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項１６】
前記整流回路のそれぞれが、
前記第１のアンテナ端点と第１のノードとの間に連結される第１のダイオードと、
前記第２のアンテナ端点と前記第１のノードとの間に連結される第１のキャパシタと、
前記第１のノードと第２のノードとの間に連結される第２のダイオードであって、前記第１のダイオードが、前記第２のダイオードよりも低い順電圧を有し、前記第１のダイオードが、前記第２のダイオードよりも低い逆電圧を有する、第２のダイオードと、
前記第２のノードと出力ノードとの間に連結される出力制御回路であって、前記第２のノードで生成される第２の中間電圧を直流（ＤＣ）出力電圧に変換するよう構成される出力制御回路と、を含み、
前記複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置が、互いに連結されて、組合せシステム出力電圧を生成する、請求項１５に記載のＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項１７】
前記複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置の全ての前記出力ノードが、共通のシステム出力ノードに接続される、請求項１６に記載のＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項１８】
前記ＲＦエネルギーハーベスティング装置のそれぞれの前記アンテナが、左右対称の第１の金属要素および第２の金属要素を含む２部分から成るダイポールアンテナを含み、
前記第１の金属要素が、前記第１の主アンテナ部と、前記第１の連結部と、前記第１の連結部から前記第１のアンテナ端点に隣接して配置される第１の先端点まで延在する第１の副アンテナ部と、を含み、前記第１の主アンテナ部と前記第１の副アンテナ部とが、それらのアンテナ部の全長に沿って均一な間隔で離れるよう、前記第１の主アンテナ部と前記第１の副アンテナ部とが同心円状に配置され、
前記第２の金属要素が、前記第２の主アンテナ部と、前記第２の連結部と、前記第２の連結部から前記第２のアンテナ端点に隣接して配置される第２の先端点まで延在する第２の副アンテナ部と、を含み、前記第２の主アンテナ部と前記第２の副アンテナ部とが、それらのアンテナ部の全長に沿って均一な間隔で離れるよう、前記第２の主アンテナ部と前記第２の副アンテナ部とが同心円状に配置される、請求項１６に記載のＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項１９】
第１の前記ＲＦエネルギーハーベスティング装置の前記第２のアンテナ端点が、第２の前記ＲＦエネルギーハーベスティング装置の前記出力ノードに接続されるよう、前記複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置が直列に接続される、請求項１６に記載のＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２０】
前記ＲＦエネルギーハーベスティング装置のそれぞれの前記アンテナが、単一の一体型金属要素を含み、前記単一の一体型金属要素が、
同一線上に配置され、前記第１のアンテナ端点と前記第２のアンテナ端点との間に画定される隙間だけ互いに離れる線形構造体をそれぞれ含む前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と平行に配置される前記副アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第１の端との間に接続される第１の半円部分と、前記第１の半円部分から前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第１の曲線端部分および第２の曲線端部分と、を含む第１の開環状パターンを含む前記第１の連結部と、
前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第２の端との間に接続される第２の半円部分と、前記第２の半円部分から前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第３の曲線端部分および第４の曲線端部分と、を含む第２の開環状パターンを含む前記第２の連結部と、を含む、請求項１９に記載のＲＦエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２１】
少なくとも１つの金属要素を含むメタマテリアル共振器アンテナであって、前記少なくとも１つの金属要素が、
第１のアンテナ端点から第１の中間点まで延在する第１の主アンテナ部と、
第２のアンテナ端点から第２の中間点まで延在する第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と均一な隙間距離で平行に離間して配置される、少なくとも１つの副アンテナ部であって、第３の中間点に配置される第１の端、および第４の中間点に配置される反対側の第２の端を有する、少なくとも１つの副アンテナ部と、
前記第１の中間点と前記第３の中間点との間に接続される第１の連結部と、
前記第２の中間点と前記第４の中間点との間に接続される第２の連結部と、を含み、
第１の取り込み信号が、前記第１のアンテナ端点で生成され、第２の取り込み信号が、前記第２のアンテナ端点で生成され、前記第１の取り込み信号と前記第２の取り込み信号とは、位相が互いに１８０°ずれるよう、前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部、ならびに前記少なくとも１つの副アンテナ部が、関連する帯域幅の範囲内の周波数で共振するよう構成され、
前記メタマテリアル共振器アンテナを形成する前記少なくとも１つの細長い金属要素が、銀インク材料を含む、メタマテリアル共振器アンテナ。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの金属要素が、単一の一体型金属要素を含み、前記単一の一体型金属要素が、
同一線上に配置され、前記第１のアンテナ端点と前記第２のアンテナ端点との間に画定される隙間だけ互いに離れる線形構造体をそれぞれ含む前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部および前記第２の主アンテナ部と平行に配置される前記副アンテナ部と、
前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第１の端との間に接続される第１の半円部分と、前記第１の半円部分から前記第１の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第１の曲線端部分および第２の曲線端部分と、を含む第１の開環状パターンを含む前記第１の連結部と、
前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部の第２の端との間に接続される第２の半円部分と、前記第２の半円部分から前記第２の主アンテナ部と前記副アンテナ部との間の空間に延在する第３の曲線端部分および第４の曲線端部分と、を含む第２の開環状パターンを含む前記第２の連結部と、を含む、請求項２１に記載のメタマテリアル共振器アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多帯域での高周波（ＲＦ）エネルギーハーベスティングに関し、より詳細には、低コストで適応性のあるＲＦエネルギーハーベスティング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レクテナ（整流アンテナ）とは、電波エネルギーを直流電流に変換するために用いられる特別なタイプのアンテナである。レクテナは、電力を電波で送信する無線電力伝送システム内で使用される。典型的なレクテナ素子は、ダイポールアンテナと、そのダイポール素子の両端に接続されるダイオードで構成される。アンテナ内で電波から誘導される交流電流（ＡＣ）をダイオードが整流して、直流（ＤＣ）電源を作り、この電源を用いて、ダイオードの両端に接続される負荷に電力を供給する。ショットキーダイオードは、電圧降下が最も低く、スイッチング速度が最も速いという特性を有し、そのため、伝導とスイッチングによる電力損失が最も低いことから、レクテナには、このショットキーダイオードが通常用いられている。大型のレクテナは、このような数多くのダイポール素子のアレイで構成されている。
【０００３】
効率的にＲＦエネルギーを取り込むレクテナを開発することに対するモチベーションは、非常に大きい。情報を送るための高周波（ＲＦ）信号の使用が増えることで、ＲＦエネルギーがほとんどいたるところに存在するようになってきた。さらに、送られてくるＲＦ信号が使用されないと、そのＲＦ信号のエネルギーは周囲物質に吸収されて失われてしまい、ＲＦ信号の未使用分（すなわち、受信機が受信・変換しなかったＲＦ信号）は基本的に「無駄」となる。したがって、遠隔装置／携帯用装置のための電源を供給する以外に、未使用の周囲ＲＦエネルギーを効率的に再変換することができる、好適なレクテナがあれば、バッテリやその他のリモート電源に取って代わり、エネルギーの需要全体を減らすことが可能となる。
【０００４】
従来のレクテナは、ＲＦエネルギーをＤＣ電力に変換することができるが、周囲ＲＦエネルギーの大部分を取り込むことはできない。従来のＲＦレクテナでは、ＲＦの高い出力密度のレベル（一般に、１Ｗ／ｍ２より高い）のもとで、使用可能なＤＣ電圧を生成することだけが可能であり、したがって、従来のＲＦレクテナは、無線電力伝送システム内で使用されている。というのも、この無線電力伝送システムでは、専用の高出力トランスミッタによって、十分に高いＲＦエネルギーが生成されているからである。通常、周囲ＲＦエネルギーは非常に弱く（ｍＷからμＷまで）、したがって、エネルギーハーベスティングを行うために、従来のＲＦレクテナを使用することは、遠隔地では不十分であることが証明されている。また、従来のレクテナ装置は、単一の周波数帯用（すなわち、狭い帯域のＲＦ信号を取り込む）のアンテナ、および大型の整流回路を使用しているため適応性がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、周囲ＲＦエネルギーを確実に取り込むことが可能であり、低コストで高い変換効率を有し、電気的に小型のＲＦレクテナを提供することである。具体的には、本発明の目的は、異なるＲＦ周波数に対応できるよう適用可能で、それにより広い範囲のＲＦ信号の供給源を用いる、遠隔装置（例えば、センサ）用のエネルギーの生成を容易にするアンテナを含み、低いエネルギーレベル（すなわち、数十ｍＷ以下）を有する多帯域のＲＦ信号エネルギーを取り込むことが可能な、ＲＦエネルギーハーベスティング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電気的に小型で、完璧に近いＲＦエネルギーの吸収が可能な、新規なメタマテリアル共振器アンテナを用いた、空間効率の良いＲＦエネルギーハーベスティング装置（レクテナ）に関する。このメタマテリアル共振器アンテナは１つ以上の金属構造体を含み、これらの金属構造体が、プリンテッドエレクトロニクス技術を用いる、低コストでの製造を容易にする方法で、基板上に共形的に固定されて配置されている（例えば、導電性インク（例えば、銀のインク）を印刷することにより形成される、あるいは、金属層を付着／エッチングすることにより形成される）。このメタマテリアル共振器アンテナを形成する少なくとも１つの金属構造体は、２つの主アンテナ部と、少なくとも１つの副アンテナ部と、を含み、アンテナ構造全体が関連する帯域幅の範囲内のＲＦ周波数で共振するよう、これらの主アンテナ部および副アンテナ部は、離間され（平行に）、折り曲げられて配置され、２つの連結部で接続され、かつ、２つのアンテナ端点で取り込まれ生成されるＲＦ信号の位相が互いに１８０°ずれるよう構成されている。本明細書に記載されているようなメタマテリアル共振器アンテナは、高いインピーダンスを有し、完璧に近い吸収特性を示すよう調整可能である。この整流回路は、アンテナ端点に連結され、取り込まれる２つのＲＦ信号から発生する正電圧パルスを組み合わせて、使用可能な出力電圧を生成するよう構成される回路素子（１つ以上のダイオード、キャパシタ、インダクタ、および／または抵抗）を含む。いくつかの実施形態では、メタマテリアル共振器アンテナの構成により、より大きいアンテナの空き空間内により小さいアンテナをネストし易くし、これにより、装置の実装面積（サイズ）を著しく変更することなく、ＲＦ周波数の広い範囲の信号を取り込み易くし、これにより、既存のＲＦ信号（例えば、周囲のＷｉ−Ｆｉ信号からのＲＦ信号）または専用の充電用ＲＦ供給源のどちらかを用いて、広く分散するＩＣ装置（例えば、センサ、プロセッサなど）に遠隔的に電力供給を容易にする、非常に適応性のあるプラットフォームが供給される。さらに、メタマテリアル共振器アンテナの構成は、基板上に形成され、異なるＲＦ周波数用に構成が可能なため、本発明では、低コストの可撓性プラスチック基板、および費用効率の良いプリンテッドエレクトロニクス技術を用いて、ＲＦエネルギーハーベスティング装置を低コストで容易に製造でき、これにより、製造コスト全体を最小限に抑えると同時に、使用可能なエネルギーに変換可能なＲＦ周波数帯域を最大にする。
【０００７】
本発明の実施形態に従うと、整流回路は、導電構造体を含み、これらの導電構造体は、さらに製造コストを最小限にするために、アンテナと共に基板の表面に共形的に配置されている（すなわち、同じインクジェット印刷の作業中に生成される）。ある実施形態では、使用可能な出力電圧を生成するために、この整流回路は、従来の倍電圧回路（例えば、グライナッヘル回路）を用いて、２つの取り込まれるＲＦ信号を組み合わせる。現在のところ好ましい実施形態では、この整流回路は、２種類の異なるゼロバイアスショットキーダイオード、およびキャパシタを用い、これらの回路素子は、最小限のエネルギー損失で出力電圧を生成するよう、取り込まれる２つのＲＦ信号を組み合わせるよう構成される。本発明のメタマテリアル共振アンテナをこれらの新規な整流回路と組み合わせると、これらのＲＦエネルギーハーベスティング装置は、高いエネルギー変換効率を示すようになる。
【０００８】
本発明の種々の実施形態に従うと、メタマテリアル共振器アンテナは、双方で左右対称の２つの金属要素の２部分から成る新規なダイポールアンテナの構成を用いて実装される。この場合では、各金属要素は、主アンテナ部のうちの一方と、連結部のうちの一方と、連結部からアンテナ端点のうちの一方に隣接する先端点まで延在する副アンテナ部の一部と、を含む。これらの主アンテナ部と副アンテナ部の一部は、同心円状に配列され（すなわち、均一な間隔で離れるように）、これにより、取り込まれるＲＦ信号の所望の特性がもたらされる。一連の特定の実施形態のうちの１つでは、これらの主アンテナ部と副アンテナ部の一部は、１つ以上の９０°の角度（コーナ）で接続される直線の（線形）ワイヤー部により形成され、アンテナを「チューニング」して目標のＲＦ周波数で共振させるために、直線部のうちの１つ以上の長さを長くすることが必要である、または、２または３つの相互接続部を用いることが必要である。この構成を用いると、アンテナの実装面積をほとんど増やすことなく、アンテナを「チューニング」して、広いＲＦ周波数範囲の信号を取り込むことができる。他の実施形態では、これらの主アンテナ部と副アンテナ部の一部は、連結部により接続される同心曲線の（例えば、半円）ワイヤー部により形成される。ある実施形態では、この連結部は、段差形状のワイヤーを用いて実装され、これにより、主アンテナ部と副アンテナ部が同一の長さを有することが可能となる。
【０００９】
本発明のその他の種々の実施形態に従うと、メタマテリアル共振器アンテナは、端が丸い細長い長方形の形状を有する単一の連続金属構造体により形成される、新規な「レーストラック型」の構成を用いて実装され、丸い端の「カーブ」の一部は、内部の「内側」領域に延在する。これらの場合では、これらの主アンテナ部は、同一線上でアンテナ端点から互いに反対方向（例えば、下方と上方に）に延在し、単一の副アンテナ部が、主アンテナ部と平行に離間されて配置され、一対の「開環状」の連結部を用いて、主アンテナ部と副アンテナ部とを接続し、これにより、それぞれの「開環状」の連結部からレーストラックの「内側」部分に延在する曲線端部を含むレーストラック形状の構造が形成される。この構成では、２部分から成るアンテナの設計（上記の）より大幅に高い範囲でＲＦ信号を取り込み、さらに、隣接する曲線の端点を分離する間隔を変更することにより、あるいは、アンテナに構造に１つ以上の付加的な「レーストラック」を加えることにより「チューニング可能」であることが発見された。
【００１０】
本発明は、さらに、メタマテリアル共振器アンテナを含む複数のＲＦエネルギーハーベスティング装置と、関連する整流回路とが相互接続して、組合せ出力電圧を生成するシステムにも関する。
【００１１】
本発明のこれらの特徴、およびその他の特徴、様態ならびに利点は、以下の説明、付随する請求項、および添付図面を参照することで、より良く理解することが可能である。以下、添付図面について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従った、ＲＦエネルギーハーベスティング装置の上面斜視図である。
【図２】図２は、本発明の特定の実施形態に従った、２部分から成るアンテナの第１の構成を含むＲＦエネルギーハーベスティング装置の上面斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２の２部分から成るアンテナを含むＲＦエネルギーハーベスティング装置の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡのＲＦエネルギーハーベスティング装置をネストの構成で３つ含むＲＦエネルギーハーベスティングシステムの概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の別の特定の実施形態に従った、２部分から成るアンテナの構成の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の別の特定の実施形態に従った、２部分から成るアンテナの構成の概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の別の特定の実施形態に従った、２部分から成るアンテナの構成の概略図である。
【図５】図５は、本発明の他の特定の実施形態に従った、２部分から成るアンテナを用いる、ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の別の特定の実施形態に従った、２部分から成る曲線のアンテナの構成の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の別の特定の実施形態に従った、２部分から成る曲線のアンテナの構成の概略図である。
【図７】図７は、本発明の他の特定の実施形態に従った、「レーストラック型」のメタマテリアル共振器アンテナの上面図である。
【図８】図８は、図７の「レーストラック型」のアンテナを含むＲＦエネルギーハーベスティング装置の概略図である。
【図９】図９は、本発明の他の特定の実施形態に従った、「レーストラック型」のアンテナを用いた、ＲＦエネルギーハーベスティングシステムの概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の別の実施形態に従った、２ループの「レーストラック」のアンテナの上面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の別の実施形態に従った、３ループの「レーストラック」のアンテナの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ＲＦエネルギーハーベスティングの改良に関する。以下の説明は、当業者が、特定の用途およびその要求事項との関連で提供される通り、本発明を作成し、使用できるようになるよう提示される。本明細書で使用されている用語「連結される」および「接続される」は以下の通り定義される。用語「接続される」は、例えば、通常の集積回路製造技術によって形成される金属線を介する、２つの回路素子間の直接接続を示すために使用される。一方、用語「連結される」は、２つの回路素子間の直接接続または間接接続のどちらかを示すために用いられる。例えば、連結された２つの素子は、金属線を介して直接接続している、あるいは、仲介回路素子（例えば、キャパシタ、抵抗、インダクタ、またはトランジスタのソース端子／ドレイン端子）を介して間接的に接続されている。当業者にとっては、好ましい実施形態に対する種々の修正形態は明らかであり、本明細書で規定される一般原理は、その他の実施形態にも適用可能である。したがって、本発明は、図示・説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、本明細書で開示される原理および新規な特徴の最も広い範囲と一致するものと意図される。
【００１４】
図１には、本発明の一般的な実施形態に従った、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００の上面斜視図が示されている。ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００では、新規なメタマテリアル共振器アンテナ１２０、および整流回路１３０が用いられる。
【００１５】
メタマテリアル共振器アンテナ１２０は、少なくとも１つの金属構造体１２３を含み、これらの金属構造体は、プリンテッドエレクトロニクス技術を用いて、低コストの製造を容易にする方法で、基板１０１に共形的に固定して配置されている（例えば、導電性（例えば、銀）インクを印刷することにより、あるいは、金属層を付着／エッチングすることにより形成される）。金属構造体１２３は、２つの主アンテナ部１２３−１１および１２３−１２、ならびに少なくとも１つの副アンテナ部１２３−２を含み、これらの主アンテナ部および副アンテナ部は、離間（平行に）され、折り曲げられた構成で配置され、２つの連結部１２３−３１および１２３−３２により接続される。具体的には、第１の主アンテナ部１２３−１１は、第１のアンテナ端点１２１から第１の中間点１２３−１１Ａまで延在し、第２の主アンテナ部１２３−１２は、第２のアンテナ端点１２２から第２の中間点１２３−２１Ａまで延在する。副アンテナ部１２３−２は、第１の主アンテナ部および第２の主アンテナ部と、平行にかつ均一な隙間距離Ｓで離間されて配置され、この副アンテナ部１２３−２は、第３の中間点１２３−１２Ａに配置される第１の端と、第４の中間点１２３−２２Ａに配置される反対側の第２の端と、を有する。第１の連結部１２３−３１は、第１の中間点１２３−１１Ａと第３の中間点１２３−１２Ａとの間に接続され、第２の連結部１２３−３２は、第２の中間点１２３−２１Ａと第４の中間点１２３−２２Ａとの間に接続される。また、これらの連結部は、主アンテナ部および副アンテナ部よりも大幅に短い。これらのアンテナ部はそれぞれ、厚さＴ（例えば、８ミクロン）および線幅ＬＷ（例えば、２．５ｍｍ）を有する細長い金属線の構造体から成る。主アンテナ部１２３−１１および１２３−１２、ならびに副アンテナ部１２３−２の長さ全体を調整することにより、アンテナ構造全体を調整して目標の帯域幅の範囲内のＲＦ周波数で共振させ、アンテナ端点１２１で取り込まれ生成されるＲＦ信号Ｖ１２１と、アンテナ端点１２２で取り込まれる生成されるＲＦ信号Ｖ１２２とは、位相が互いに１８０°ずれるよう構成される。メタマテリアル共振器アンテナ１２０は、電気的に小型であり、特定の整流回路と組み合わせることで、完璧に近いＲＦエネルギーの吸収を容易にする。本発明に従って製造されるメタマテリアル共振器アンテナ（以下に説明する）の利点は、高いインピーダンスを有し、完璧に近い吸収特性を示すよう調整可能であるということである。整流回路１３０は、アンテナ端点１２１／１２２に連結され、回路素子（１つ以上のダイオード、キャパシタ、インダクタ、および／または抵抗）を含み、これらの回路素子が、取り込まれる２つのＲＦ信号Ｖ１２１およびＶ１２２から生成される正電圧パルスを組み合わせて、使用可能な出力電圧ＶＯＵＴを生成するよう構成される。いくつかの実施形態では、メタマテリアル共振器アンテナの構成により、より大きいアンテナの空き空間により小さいアンテナを容易にネストし、これにより、装置の実装面積（サイズ）を著しく変更することなく、広いＲＦ周波数範囲の信号が取り込み易くなる。その結果、既存のＲＦ信号（例えば、周囲のＷ���−Ｆｉ信号からのＲＦ信号）または専用の充電用ＲＦ供給源のどちらかを用いて、広く分散するＩＣ装置（例えば、センサ、プロセッサなど）への遠隔的な電力供給を容易にする、非常に適応性のあるプラットフォームが供給される。さらに、メタマテリアル共振器アンテナの構成は、基板上に形成され、異なるＲＦ周波数用の構成が可能なため、本発明では、低コストの可撓性プラスチック基板、および費用効率の良いプリンテッドエレクトロニクス技術を用いて、ＲＦエネルギーハーベスティング装置の低コストでの製造が簡単になり、これにより、製造コスト全体を最小限に抑えると同時に、使用可能なエネルギーに変換可能なＲＦ周波数帯域を最大にする。
【００１６】
再度図１を参照すると、整流回路１３０は導電構造体１３３−１〜１３３−４を含み、これらの導電構造体は、製造コストをさらに最小に抑えるために、基板の表面１０２上に共形的に配置されている（すなわち、アンテナ１２０を形成するときと同じインクジェット印刷作業中に生成される）。現在のところ好ましい例示的な実施形態では、整流回路１３０は、異なる２種類のゼロバイアスショットキーダイオードＤ１およびＤ２、ならびにキャパシタＣ１を用い、これらの回路素子が、取り込まれる２つのＲＦ信号Ｖ１２１およびＶ１２２を組み合わせて、最小限のエネルギー損失で、出力電圧ＶＯＵＴを生成するよう構成される。具体的には、第１のダイオードＤ１は、導電構造体１３３−１を介して、第１のアンテナ端点１２１と第１のノードＮ１（この場合、導電構造体１３３−３により実装される）との間に連結される。キャパシタＣ１の第１の端子は導電構造体１３３−２を介して、第２のアンテナ端点１２２に連結され、第２の端子は導電構造体１３３−３（ノードＮ１）に接続される。第２のダイオードＤ２は、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２（導電構造体１３３−４より実装される）との間に接続される。第２のキャパシタＣ２は、第１のアンテナ端点１２１とノードＮ２との間に連結され、ある実施形態では、導電構造体１３３−１は、接地またはその他の電圧源に連結される。例示的な実施形態では、ダイオードＤ１は、（第１の）ゼロバイアスショットキーダイオードを用いて実装され、このショットキーダイオードは、非常に低い順電圧（例えば、１２０ｍＶ以下）、１．０Ｖ以下のピーク逆電圧、および５ｋΩの逆電流抵抗を有する。ダイオードＤ２は、（第２の）ゼロバイアスショットキーダイオードを用いて実装され、このショットキーダイオードは、１５０ｍＶ以下の順電圧（すなわち、ダイオードＤ１の順電圧以上の順電圧）、少なくとも２．０Ｖのピーク逆電圧（すなわち、ダイオードＤ１のピーク逆電圧より高いピーク逆電圧）、および少なくとも１０ｋΩの逆電流抵抗（すなわち、ダイオードＤ１の逆電流抵抗より高い逆電流抵抗）を有する。キャパシタＣ１およびＣ２は、ディスクリート（例えば、表面実装型）のキャパシタ構造体、または製造されたキャパシタ構造体（例えば、プリンテッドエレクトロニクスを用いて）のどちらかであり、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴの特性（電流と電圧）によって決定される値を有し、実際の実施形態では、１０ｐＦの電気容量値を有する。この構成では、第１のノードＮ１で生成される第１の中間電圧は、第１のダイオードＤ１を介して送られる第１のＲＦ信号Ｖ１２１の正電圧パルスと、第１のキャパシタＣ１を介して送られる第２のＲＦ信号Ｖ１２２の正電圧パルスとを合計する正電圧パルスを含む。この構成では、第１のノードＮ１から第２のダイオードＤ２を介して送られる正電圧パルスに従って、第２の中間電圧が第２のノードＮ２で生成される。本発明のメタマテリアル共振器アンテナを、この新規な整流回路と組み合わせることで、ＲＦエネルギーハーベスティング装置が、従来の整流回路を用いたときよりも高いエネルギー変換効率を示すようになる。しかし、他の実施形態（図示せず）では、本発明のメタマテリアル共振��アンテナと従来の整流回路（例えば、グライナッヘル回路などの倍電圧回路を用いて、取り込まれる２つのＲＦ信号を組み合わせる）を含むＲＦエネルギーハーベスティング装置を有益に用いて、使用可能な出力電圧を生成することもできる。
【００１７】
図２には、可撓性プラスチック基板１０１Ａの上面１０２Ａに共形的に配置されている、金属構造体により形成される、２部分から成る開放Ｃ形状のアンテナ１２０Ａを含む、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ａの上面斜視図が示されている。アンテナ１２０Ａは、双方で左右対称の２つの金属要素１２３Ａ−１および１２３Ａ−２で構成される、２部分から成るダイポールアンテナ機構の第１の例である。金属要素１２３Ａ−１は、第１のアンテナ端点１２１Ａから延在する第１の主アンテナ部１２３Ａ−１１と、主アンテナ部１２３Ａ−１１の端に取り付けられる第１の連結部１２３Ａ−１３と、連結部１２３Ａ−１３から第１のアンテナ端点１２１Ａに隣接して配置される第１の先端点１２３Ａ−１３Ａまで延在する第１の副アンテナ部１２３Ａ−１２と、を含む。なお、第１の主アンテナ部１２３Ａ−１１と第１の副アンテナ部１２３Ａ−１２は、これらの第１の主アンテナ部１２３Ａ−１１と第１の副アンテナ部１２３Ａ−１２が、アンテナ部の全長に沿って均一な間隔ＧＳで離間されるよう同心円状に配置される。同様に、第２の金属要素１２３Ａ−２は、第２のアンテナ端点１２２Ａから延在する第２の主アンテナ部１２３Ａ−２１と、第２の連結部１２３Ａ−２３と、第２の連結部１２３Ａ−２３から第２のアンテナ端点１２２Ａに隣接して配置される第２の先端点１２３Ａ−２３Ａまで延在する第２の副アンテナ部１２３Ａ−２２と、を含み、第２の主アンテナ部１２３Ａ−２１と第２の副アンテナ部１２３Ａ−２２も、同心円状に配置され、これらのアンテナ部の全長に沿って、間隔ＧＳで離間される。金属要素１２３Ａ−１と金属要素１２３Ａ−２は共同で、３方に面する中央領域１２７を囲む開放Ｃ形状のパターンを形成する。
【００１８】
図３Ａには、図２に示されるＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ａの概略図が示されており、装置１００Ａでは、下記に記載する他の実施形態の説明を分かり易くするために、簡単な線の構造を用いて、開放Ｃ形状型の２部分から成るアンテナ１２０Ａが示されている。つまり、図３Ａでは、一般的な整流回路１３０Ａに連結される、簡略化した形態のアンテナ１２０Ａが示され、主アンテナ部１２３Ａ−１１および１２３Ａ−２１、副アンテナ部１２３Ａ−１２および１２３Ａ−２２、ならびに連結部１２３Ａ−１３および１２３Ａ−２３が実線で示されている。さらに図３Ａに示されている通り、主アンテナ部１２３Ａ−１１および１２３Ａ−２１と、副アンテナ部１２３Ａ−１２および１２３Ａ−２２とはそれぞれ、コーナ部で接続される少なくとも２つの直線部を含む。例えば、図３Ａの上部を参照すると、第２の主アンテナ部１２３Ａ−２１は、コーナ（９０°の角度）部１２３Ａ−２１Ａにより接続される、２つの直線部１２３Ａ−２１１および１２３Ａ−２１２を含む。
【００１９】
図３Ｂには、３つのＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ａ−１、１００Ａ−２、および１００Ａ−３をネストの構成で含む、ＲＦエネルギーハーベスティングシステム２００Ａの概略図が示されており、この図により、アンテナ１２０Ａ（上記の）の開放Ｃ形状の構成の利点が示されている。具体的には、装置１００Ａ−１、１００Ａ−２、および１００Ａ−３はそれぞれ、開放Ｃ形状のアンテナ１２０Ａ−１、１２０Ａ−２、および１２０Ａ−３を含み、これらの開放Ｃ形状のアンテナ１２０Ａ−１、１２０Ａ−２、および１２０Ａ−３はそれぞれ、関連する整流回路１３０Ａ−１、１３０Ａ−２、および１３０Ａ−３に連結され、これらの整流回路が、例えば、図５を参照して下記に説明する並列構成と同様の構成を用いて、組合せシステム出力電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳの生成を容易にする。図３Ｂに示される通り、上記の開放Ｃ形状の構成を用いて、メタマテリアル共振アンテナを形成することの利点は、異なるサイズの複数のアンテナを同心円状に「ネスト」することで、装置／システム全体の実装面積を増やすことなく、広いＲＦ周波数範囲に渡るＲＦエネルギーを取り込むことが可能になることである。つまり、アンテナ１２０Ａ−１、１２０Ａ−２、および１２０Ａ−３はサイズが異なるため、それぞれ異なるインダクタンスを有し、それゆえ、異なるＲＦ周波数で共振する。アンテナ１２０Ａ−２および１２０Ａ−３をアンテナ１２０Ａ−１の実装面積の内側にネストすることにより、システム２００Ａは、アンテナ１２０Ａで必要な基板領域を増やすことなく、単独のアンテナ１２０Ａ−１で可能なＲＦ周波数の範囲より広い範囲に渡るエネルギーの取り込みを容易にする。
【００２０】
図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃには、３種類の付加的な２部分から成るダイポールアンテナの構成の概略図が示されており、これらの図面には、本発明の別の特定の実施形態に従った、アンテナのインダクタンスを調整するための、他のアプローチ（すなわち、図３Ｂに示されているアンテナサイズを大きくする以外の）が示される。各場合では、主アンテナ部および副アンテナ部は、相互接続される３つの直線部を含み、これらのアンテナ部が共同でＣ形状のパターンを形成する。これらの３つの直線部の寸法を変えることにより、メタマテリアル共振器アンテナを調整して、異なるインダクタンス値を実現させることで、アンテナを変化させて、異なるＲＦ周波数で共振させる（これにより、それらの周波数からエネルギーを集める）。例えば、図４Ａを参照すると、アンテナ１２０Ｂは、主アンテナ部１２３Ｂ−１１および１２３Ｂ−２１と、副アンテナ部１２３Ｂ−１２および１２３Ｂ−２２と、を含み、これらのアンテナ部は、アンテナ１２０Ａ（図２）を参照して上記に記載した同様の方法で、連結部１２３Ｂ−１３および１２３Ｂ−２３により接続されている。アンテナ１２０Ｂの全長Ｌおよび幅Ｘ１がアンテナ１２０Ａ（図２）と同じと仮定すると、主アンテナ部および副アンテナ部にそれぞれ、第３の（垂直な）部分を加えることにより、アンテナ全体の実装面積をほとんど変えることなく、あるいは、実装面積の最小限の変化で、アンテナ１２０Ｂのインダクタンスを調整して、異なるインダクタンスが実現可能であることを図４Ａは示している。例えば、第２の主アンテナ部１２３Ｂ−２１は、相互接続される３つの直線部１２３Ｂ−２１１、１２３Ｂ−２１２、および１２３Ｂ−２１３を含み、これらの直線部が、Ｃ形状のパターンを形成し、アンテナの垂直な部分１２３Ｂ−２１３を加えることにより、アンテナ１２０Ｂ全体の実装面積を増やすことなく、主アンテナ部１２３Ｂ−２１の全長を長さＹ１だけ伸ばす。図４Ｂには、これらの第３の（垂直な）部分をさらに伸ばすことにより、さらに調整が行われていることが示されている。アンテナ１２０Ｃは、３つの部分から成る主アンテナ部１２３Ｃ−１１および１２３Ｃ−２１と、副アンテナ部１２３Ｃ−１２および１２３Ｃ−２２と、を含み、これらのアンテナ部は、アンテナ１２０Ｂ（図４Ａ）と同様の方法で、連結部１２３Ｃ−１３および１２３Ｃ−２３により接続されているが、付加的な部分を伸ばすことにより、アンテナ１２０Ｃのインダクタンスを変更する。具体的には、第２の主アンテナ部１２３Ｃ−２１は、相互接続される３つの直線部１２３Ｃ−２１１、１２３Ｃ−２１２、および１２３Ｃ−２１３を含み、アンテナの垂直な部分１２３Ｃ−２１３が長さＹ２を有し、この長さＹ２により、アンテナ１２０Ｃ全体の実装面積を増やすことなく、アンテナ１２０Ｃのインダクタンスをアンテナ１２０Ｂのインダクタンスよりも増やしている。図４Ｃには、アンテナ１２０Ｄが示されており、このアンテナ１２０Ｄは、主アンテナ部１２３Ｄ−１１および１２３Ｄ−２１、ならびに副アンテナ部１２３Ｄ−１２および１２３Ｄ−２２の水平部分を幅Ｘ２に伸ばすことにより、さらに高いインダクタンスを実現している。例えば、第２の主アンテナ部１２３Ｄ−２１は、相互接続される３つの直線部１２３Ｄ−２１１、１２３Ｄ−２１２、および１２３Ｄ−２１３を含み、アンテナの水平部分１２３Ｄ−２１２が、幅Ｘ２を有し、この幅Ｘ２により、アンテナ１２０Ｃ全体の実装面積を著しく増やすことなく、アンテナ１２０Ｄのインダクタンスをアンテナ１２０Ｃのインダクタンスよりも増やしている。
【００２１】
図５には、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｅ−１、１００Ｅ−２、および１００Ｅ−３を含むＲＦエネルギーハーベスティングシステム２００Ｅの概略回路図が示されており、これらの装置が、共通の接地源と共通のシステム出力ノードとの間で互いに並列接続されて、システム出力電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳの電流レベルを最大にする。組み合わせられるシステム出力電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳの生成を容易にするために、装置１００Ｅ−１、１００Ｅ−２、および１００Ｅ−３は、同様の整流回路１３０Ｅ−１、１３０Ｅ−２、および１３０Ｅ−３をそれぞれ含み、これらの整流回路が、組合せを容易にするよう最適化されて、各出力電圧ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ３を供給する。整流回路１３０Ｅ−１、１３０Ｅ−２、および１３０Ｅ−３はそれぞれ、図１を参照して上記に説明した通り構成される、ダイオードＤ１およびＤ２、ならびにキャパシタＣ１を含む。さらに、整流回路１３０Ｅ−１、１３０Ｅ−２、および１３０Ｅ−３は、ノードＮ２で生成される中間電圧をＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ３に変換するよう構成される、出力制御回路１３５Ｅ−１、１３５Ｅ−２、および１３５Ｅ−３をそれぞれ含むという点において同様である。これらの出力電圧を容易に組み合わせるために、出力制御回路１３５Ｅ−１、１３５Ｅ−２、および１３５Ｅ−３は、キャパシタＣ１と基本的に同じ電気容量を有する（第２の）キャパシタＣ２と、第３のダイオードＤ３と、蓄積キャパシタＣ４と、それぞれを含み、これらの回路素子は、システム出力ノードＶＯＵＴ−ＳＹＳでＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ１〜ＶＯＵＴ３を組み合わせるために、各ＤＣ出力電圧を蓄積するよう構成される。例えば、出力制御回路１３５Ｅ−１を参照すると、ダイオードＤ３が、ノードＮ２とノードＮ３（整流回路１３０Ｅ−１の出力ノードとして機能する）との間に接続され、蓄積キャパシタＣ４の第１の端子は、ノードＮ３に接続され、抵抗Ｒ２は、蓄積キャパシタＣ４の第２の端子と第１のアンテナ端点１２１Ａとの間に接続されている（例えば、印加接地電位に）。実際の実施形態では、ダイオードＤ２を実装するために用いられるダイオード素子と同じダイオード素子（例えば、アメリカ合衆国カリフォルニア州サンタクララ所在のアジレント・テクノロジー社製のＨＳＭＳ２８５０表面実装型ゼロバイアス・ショットキ・ディテクタ・ダイオード）を用いてダイオードＤ３は実装される。キャパシタＣ３は、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴの特性（電流および電圧）、およびシステム出力ノードに印加されるシステム電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳのサイズおよび特性に従って、サイズが決められる容量素子を用いて実装される。例示的な実際の実施形態では、上述のダイオード素子の数値およびキャパシタ素子の数値を用いることにより、キャパシタＣ３は１００ｐＦの電気容量を有し、抵抗Ｒ２は１Ωの公称抵抗値を有する。出力制御回路１３５Ｅ−２および１３５Ｅ−３は、出力制御回路１３５Ｅ−１と同一に構成される。
【００２２】
図５に示される実施形態の様態に従うと、装置１００Ｅ−１、１００Ｅ−２、および１００Ｅ−３はそれぞれ、異なる２部分から成るダイポールメタマテリアル共振器アンテナ１２０Ａ、１２０Ｂ、および１２０Ｃを含み、これにより、装置１００Ｅ−１、１００Ｅ−２、および１００Ｅ−３は、異なる周波数を有するＲＦエネルギーを出力電圧ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２、およびＶＯＵＴ３に変換するよう構成される。２部分から成るダイポールメタマテリアル共振器アンテナ１２０Ａ、１２０Ｂ、および１２０Ｃは、上記に詳細に説明されている。アンテナ１２０Ａ、１２０Ｂ、および１２０Ｃはそれぞれ構成（サイズ）が異なるため、各アンテナは、共振する周波数での十分なＲＦエネルギーの有用性に依存して、出力電圧を生成する。したがって、システム２００Ｅは、３種類の異なるアンテナの構成を用いることで、単一のアンテナを用いることで可能な範囲よりもさらに広いＲＦ周波数範囲に渡って、出力電流を生成するよう構成される。
【００２３】
図６Ａおよび図６Ｂにはそれぞれ、本発明の別の特定の実施形態に従った、曲線の２部分から成るメタマテリアル共振器アンテナ１２０Ｆおよび１２０Ｇの概略図が示されている。上記の直線部分を有する実施形態と同様に、アンテナ１２０Ｆは、双方で左右対称の２つの金属要素１２３Ｆ−１および１２３Ｆ−２を含み、アンテナ１２０Ｇは、同様の２つの金属要素１２３Ｇ−１および１２３Ｇ−２を含む。これらの金属要素はそれぞれ、同心の連続曲線の（例えば、ほぼ半円の）主アンテナ部および副アンテナ部のワイヤー部を含み、これらのアンテナ部は、短い連結部により接続されている。
【００２４】
図６Ａを参照すると、アンテナ１２０Ｆの金属要素１２３Ｆ−１は、アンテナ端点１２１Ｆから（第１の）中間点１２３Ａ−１１Ａまで延在する曲線の主アンテナ部１２３Ｆ−１１と、中間点１２３Ｆ−１１Ａから中間点１２３Ｆ−１２Ａまで延在する直線の連結部１２３Ｆ−１３と、第２の中間点１２３Ｆ−１２Ａから先端点１２４Ｆ−１３Ａまで延在する曲線の副アンテナ部１２３Ｆ−１２と、を含む。曲線の主アンテナ部１２３Ｆ−１１と曲線の副アンテナ部１２３Ｆ−１２は、これらのアンテナ部が全長に沿って均一な間隔ＧＳで離間されるよう同心円状に配置される。同様に、金属要素１２３Ｆ−２は、アンテナ端点１２１Ｆから直線の連結部１２３Ｆ−２３まで延在する曲線の主アンテナ部１２３Ｆ−２１と、連結部１２３Ｆ−２３から先端点１２４Ｆ−２３Ａまで延在する曲線の副アンテナ部１２３Ｆ−２２と、を含み、曲線の主アンテナ部１２３Ｆ−２１と曲線の副アンテナ部１２３Ｆ−２２が、同心円状に配置される。
【００２５】
図６Ｂを参照すると、アンテナ１２０Ｇの金属要素１２３Ｇ−１も、アンテナ端点１２１Ｇから中間点１２３Ａ−１１Ａまで延在する曲線の主アンテナ部１２３Ｇ−１１と、中間点１２３Ｇ−１１Ａから中間点１２３Ｇ−１２Ａまで延在する直線の連結部１２３Ｇ−１３と、第２の中間点１２３Ｇ−１２Ａから先端点１２４Ｇ−１３Ａまで延在する曲線の副アンテナ部１２３Ｇ−１２と、を含み、曲線の主アンテナ部１２３Ｇ−１１と曲線の副アンテナ部１２３Ｇ−１２は同心円状に配置される。金属要素１２３Ｇ−２は、アンテナ端点１２２Ｇから直線の連結部１２３Ｇ−２３まで延在する曲線の主アンテナ部１２３Ｇ−２１と、連結部１２３Ｇ−２３から先端点１２４Ｇ−２３Ａまで延在する曲線の副アンテナ部１２３Ｇ−２２と、を含み、曲線の主アンテナ部１２３Ｇ−２１と曲線の副アンテナ部１２３Ｇ−２２とは、同心円状に配置されている。アンテナ１２０Ｇは、下記の点において、アンテナ１２０Ｆとは異なる。アンテナ１２０Ｆの連結部１２３Ｆ−１３および１２３Ｆ−２３は、直線の（線形形状の）ワイヤー構造により実装されるが、一方、アンテナ１２０Ｇの連結部１２３Ｇ−１３および１２３Ｇ−２３は、主アンテナ部１２３Ｇ−１１および１２３Ｇ−２１の長さが、第１の副アンテナ部１２３Ｇ−１２および１２３Ｇ−２２の長さと等しくなるように構成される、２つの連結部の段差形状を有するワイヤー構造を含み、これにより、アンテナの性能が向上する。
【００２６】
図７には、本発明の別の特定の実施形態に従った、「レーストラック型」のメタマテリアル共振器アンテナ１２０Ｈの上面図が示されている。上記の２部分から成るダイポールの実施形態とは異なり、アンテナ１２０Ｈは、単一の部品から成る（一体型、連続した）金属要素１２３Ｈを有し、この金属要素が、「レーストラック」の第１の側面に配置される（第１および第２の）主アンテナ部１２３Ｈ−１１および１２３Ｈ−１２と、「レーストラック」の第２の側面に配置される副アンテナ部１２３Ｈ−２と、「レーストラック」の２つの「カーブ」を形成する２つの開環状の連結部１２Ｈ−３１および１２３Ｈ−３２と、を含む。主アンテナ部１２３Ｈ−１１および１２３Ｈ−１２は、線形の金属構造体であり、これらの金属構造体は、同一線上に配置され、第１のアンテナ端点１２１Ｈと第２のアンテナ端点１２２Ｈとの間に画定される隙間ＧＷだけ離れている。つまり、図７を参照すると、主アンテナ部１２３Ｈ−１１は、端点１２１Ｈから第１の中間点１２３Ｈ−１１Ａまで下に向かってまっすぐ延在し、主アンテナ部１２３Ｈ−２１は、端点１２２Ｈから第２の中間点１２３Ｈ−２１Ａまで上に向かって延在する。副アンテナ部１２３Ｈ−２は、連続する金属構造体であり、主アンテナ部１２３Ｈ−１１および１２３−１２と距離Ｓで離間して平行に配置され、第３の中間点１２３Ｈ−１２Ａと第４の中間点１２３Ｈ−２２Ａとの間の長さＬのほぼ全体に渡って延在する。連結部１２３Ｈ−３１は、主アンテナ部１２３Ｈ−１１の下端と副アンテナ部１２３Ｈ−２の下端との間（すなわち、中間点１２３Ｈ−１１Ａと中間点１２３Ｈ−１２Ａとの間）に接続される半円部分１２３Ｈ−３１１と、半円部分１２３Ｈ−３１１から空間１２７に延在する（すなわち、主アンテナ部１２３Ｈ−１１と副アンテナ部１２３Ｈ−２との間の領域に延在する）（第１および第２の）曲線端部分１２３Ｈ−３１２および１２３Ｈ−３１３と、を含む。連結部１２３Ｈ−３２は、第２の主アンテナ部１２３Ｈ−１２の上端と副アンテナ部１２３Ｈ−２の上端との間（すなわち、中間点１２３Ｈ−２１Ａと中間点１２３Ｈ−２２Ａとの間）に接続される半円部分１２３Ｈ−３２１と、半円部分１２３Ｈ−３２１から空間１２７に延在する（第３および第４の）曲線端部分１２３Ｈ−３２２および１２３Ｈ−３２３と、を含む。その結果、「レーストラック型」アンテナの構成により、アンテナ１２０Ｈは、関連する帯域幅の範囲で共振して、アンテナ端点１２１Ｈで生成される取り込まれるＲＦ信号の位相と、アンテナ端点１２２Ｈで生成される取り込まれるＲＦ信号の位相が互いに１８０°ずれるようになる。アンテナ１２０Ｈの利点は、この「レーストラック型」アンテナの構成が、上記の２部分から成るダイポールアンテナの構成よりも、大幅に高い周波数範囲に渡ってＲＦ信号を取り込むことが発見されたことである。２部分から成る構成と同様に、アンテナ１２０Ｈのインピーダンスは、アンテナの実装面積（サイズ）を増減させることにより、チューニング可能である。これに加えて、「レーストラック型」アンテナの構成では、曲線端部分間の隙間（例えば、曲線端部分１２３Ｈ−３２２と曲線端部分１２３Ｈ−３２３との間���距離）を変更することにより、あるいは、下記でさらに詳細に説明する通り、アンテナ構造に１つ以上の付加的な「レーストラックのループ」を加えることにより、実装面積全体を変更させることなく、「チューニング」がさらに容易になる。実際の実施形態では、本発明者により、８μｍの厚さと２．５ｍｍの線幅ＬＷを有するアンテナ部を載せたＰＥＴ基板（厚さ２５０μｍ）に銀のインク（１０μΩ／ｃｍ）を塗布して、「レーストラック型」アンテナが作成され、そのレーストラック構造は、１２０ｍｍの直線部分の長さＬと、６．４５ｍｍの内半径ｒの連結部と、を含み（すなわち、約５．８インチのアンテナ全長を有する）、その曲線端部は、６０°の開口角度φ、および２．５ｍｍの隙間幅ＧＷで形成された。その結果作成された構造では、９１４ＭＨｚのピーク効率で共振し、約８２５ＭＨｚ〜１０５０ＭＨｚの範囲で受信した電力は１０％未満の損失しか示していないことが分かった。
【００２７】
図８には、図７の「レーストラック型」メタマテリアル共振器アンテナ１２０Ｈを含むＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈの概略図が示されている。この場合では、整流回路１３０Ｈは、取り込まれるＲＦ信号を整流回路１３０Ｈのその他の素子に適切に送信し易くするために必要な２つのディスクリート・インダクタＬ１ＨおよびＬ２Ｈを含む。具体的には、インダクタＬ１Ｈが、第１のアンテナ端点１２１ＨとダイオードＤ１との間に連結され、インダクタＬ２Ｈが、アンテナ端点１２２ＨとキャパシタＣ１との間に連結される。ある実施形態では、インダクタＬ１ＨおよびＬ２Ｈは同じ（共通の）インダクタンス値を有し、アンテナ１２０Ｈと、整流回路１３０Ｈの素子（すなわち、キャパシタＣ１、ダイオードＤ１およびＤ２、出力制御回路１３５Ｈ）とを有するバランスのとれた回路を形成している。このような回路は、「ＲＥＣＴＩＦＹＩＮＧ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＦＯＲ  ＭＵＬＴＩＢＡＮＤ  ＲＡＤＩＯ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  （ＲＦ）  ＥＮＥＲＧＹ  ＨＡＲＶＥＳＴＩＮＧ」（代理人整理番号第２０１４０４４３号ＵＳ０１（ＸＣＰ−２０３−１）号）と題する同時係属中の米国特許出願シリアル番号第１４／５８２，００２号明細書で開示されている構成のどれかを用いて実装可能である。
【００２８】
図９には、３つの装置１００Ｈ−１、１００Ｈ−２、および１００Ｈ−３からなるＲＦエネルギーハーベスティングシステム２００Ｈの概略図が示され、これらの装置は、「レーストラック型」メタマテリアル共振器アンテナ１２０Ｈ−１〜１２０Ｈ−３をそれぞれ含む。また、少なくとも１つのＲＦエネルギーハーベスティング装置の第２のアンテナ端点が、隣接するＲＦエネルギーハーベスティング装置の出力ノードに接続されるように、装置１００Ｈ−１、１００Ｈ−２、および１００Ｈ−３の出力端子は直列接続されている。開示された実施形態の様態に従うと、各ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−１〜１００Ｈ−３は、ほぼ同一の「レーストラック」アンテナの構成を含む。例えば、装置１００Ｈ−１は、上記の通り、関連する帯域幅の範囲内のＲＦ周波数で共振する「レーストラック」アンテナ１２０Ｈ−１を含む。装置１００Ｈ−２は、アンテナ１２０Ｈ−２を含み、装置１００Ｈ−３は、アンテナ１２０Ｈ−３を含む。アンテナ１２０Ｈ−２および１２０Ｈ−３の構成は、アンテナ１２０Ｈ−１の構成とほぼ同一である（すなわち、３つのアンテナ全てが、同じＲＦ周波数で共振し、ほぼ同じ量のエネルギーを生成するように）。各ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−１〜１００Ｈ−３は、ほぼ同一の整流回路も含む。例えば、装置１００Ｈ−１は、整流回路１３０Ｈ−１を含み、この整流回路が、アンテナ端点１２１Ｈ−１と第１のノードＮ１との間に連結される第１のダイオードＤ１と、端点１２２Ｈ−１とノードＮ１との間に連結される第１のキャパシタＣ１と、ノードＮ１と第２のノードＮ２との間に接続される第２のダイオードＤ２と、を含む。整流回路１３０Ｈ−１も、出力制御回路１３５Ｈ−１を含み、この出力制御回路が、ノードＮ２に連結され（すなわち、第３のダイオードＤ３と、キャパシタＣ１と同じ電気容量を有する第２のキャパシタＣ２と、蓄積キャパシタＣ４と、を介して）、ノードＮ２で生成される中間電圧をＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ１に変換するよう構成される。同様に、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−２は、整流回路１３０Ｈ−２を含み、この整流回路が、ダイオードＤ１およびＤ２と、キャパシタＣ１と、出力制御回路１３５Ｈ−２（ダイオードＤ３、キャパシタＣ２、およびＣ４を含む）と、を含み、この出力制御回路１３５Ｈ−２が、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ２を生成する。また、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−３は、整流回路１３０Ｈ−３を含み、この整流回路が、ダイオードＤ１およびＤ２と、キャパシタＣ１と、出力制御回路１３５Ｈ−３（ダイオードＤ３、キャパシタＣ２、およびＣ４を含む）と、を含み、この出力制御回路１３５Ｈ−３がＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ３を生成する。
【００２９】
システム２００Ｈにより実装される直列接続の構成によると、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２、およびＶＯＵＴ３を組み合わせて、システムの出力電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳを最大にするよう、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−１〜１００Ｈ−３は互いに接続される。具体的には、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−２の第１のアンテナ端点１２１Ｈ−２が、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−３の出力ノードに接続し（すなわち、装置１００Ｈ−２の接地面がＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ３となるように）、これにより、装置１００Ｈ−２の出力ノードで生成されるＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ２の電圧レベルが、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ３により、「上昇」される。同様に、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−１のアンテナ端点１２１Ｈ−１が、ＲＦエネルギーハーベスティング装置１００Ｈ−３の出力ノードに接続し、これにより、装置１００Ｈ−１の出力ノードで生成される出力電圧ＶＯＵＴ１のＤＣ電圧レベルは、ＤＣ出力電圧ＶＯＵＴ２およびＶＯＵＴ３により、「上昇」される。したがって、システムの出力電圧ＶＯＵＴ−ＳＹＳの電圧レベルは、直列の配列により、最大になる。
【００３０】
図示されてはいないが、この「レーストラック型」アンテナの構成は、図３Ｂを参照して上記に説明した構成と同様のネストの装置の構成でも用いることが可能であることは理解されよう。
【００３１】
図１０Ａおよび図１０Ｂには、本発明の別の実施形態に従った、２ループの「レーストラック型」メタマテリアル共振器アンテナ１２０Ｊの上面図、および３ループの「レーストラック型」メタマテリアル共振器アンテナの上面図がそれぞれ示されている。「レーストラック」形状の長さと半径を変更することにより、かつ曲線端部分（上記の）の間の隙間の距離を変更することにより、レーストラックアンテナのインピーダンスを調整すること以外に、１つ以上の付加的な「ループ」構造を加えることにより（すなわち、下記に記載する通り、単一の一体型金属アンテナ構造が、２つ以上の「ループ」を含むように）、アンテナのインピーダンスを調整することも可能である。
【００３２】
図１０Ａを参照すると、図７を参照して上記に説明した実施形態と同様に、アンテナ１２０Ｊは、第１の「ループ」構造体を含み、この第１のループ構造体が、端点１２１Ｊおよび１２２Ｊからそれぞれ延在する主アンテナ部１２３Ｊ−１１および１２３Ｊ−１２と、（第１の）副アンテナ部１２３Ｊ−２１と、（第１および第２の）円形連結部１２３Ｊ−３１および１２３Ｊ−３２とにより形成される領域１２７−１を囲み、これらのアンテナ部が、図７を参照して上記に説明したように構成されている。さらにアンテナ１２０Ｊは、第２の「ループ」構造体を含み、この第２のループ構造体が、第１の副アンテナ部１２３Ｊ−２１と、主アンテナ部１２３Ｊ−１１および１２３Ｊ−１２、ならびに第１の副アンテナ部１２３Ｊ−２１と平行に配置される第２の副アンテナ部１２３Ｊ−２２（すなわち、第１の副アンテナ部１２３Ｊ−２１が、主アンテナ部１２３Ｊ−１１および１２３Ｊ−１２と第２の副アンテナ部１２３Ｊ−２２との間になるように）と、第１の副アンテナ部１２３Ｊ−２１の第１の下端と第２の副アンテナ部１２３Ｊ−２２の第１の下端との間に接続される第３の半円部分１２３Ｊ−３３１、ならびに第３の半円部分１２３Ｊ−３３１から領域１２７−２に延在する（第５および第６の）曲線端部分１２３Ｊ−３３２および１２３Ｊ−３３３を含む（第３の）連結部１２３Ｊ−３３と、副アンテナ部１２３Ｊ−２２の上端と副アンテナ部１２３Ｊ−２１の上端との間に接続される第４の半円部分１２３Ｊ−３４１、ならびに半円部分１２３Ｊ−３４１から空間１２７−２に延在する（第７および第８の）曲線端部分１２３Ｊ−３４２および１２３Ｊ−３４３を含む（第４の）連結部１２３Ｊ−３４と、により形成される領域１２７−２を囲む。第２の「ループ」構造体を加えることにより、アンテナ１２０Ｊのインダクタンス全体が、アンテナ１２０Ｈ（図７）のインダクタンスよりも増え、これにより、アンテナ１２０Ｈとは異なるＲＦ周波数で共振するようアンテナ１２０Ｊを調整することができる。
【００３３】
図１０Ｂを参照すると、図１０Ａを参照して説明した実施形態と同様に、アンテナ１２０Ｋは、第１の「ループ」構造体、および第２の「ループ」構造体を含み、第１のループ構造体が、端点１２１Ｋおよび１２２Ｋからそれぞれ延在する主アンテナ部１２３Ｊ−１１および１２３Ｊ−１２と、（第１の）副アンテナ部１２３Ｊ−２１と、（第１および第２の）円形連結部１２３Ｊ−３１および１２３Ｊ−３２と、により形成され、第２のループ構造体が、（第１の）副アンテナ部１２３Ｊ−２１と、（第２の）副アンテナ部１２３Ｊ−２２と、（第３および第４の）円形連結部１２３Ｊ−３３および１２３Ｊ−３４と、により形成される。さらに、アンテナ１２０Ｊは、第３の「ループ」構造体を含み、この第３のループ構造体が、（第２の）副アンテナ部１２３Ｊ−２２と、（第３の）副アンテナ部１２３Ｊ−２３と、副アンテナ部１２３Ｊ−２２および１２３Ｊ−２３の下端に接続する（第５の）連結部１２３Ｊ−３５と、副アンテナ部１２３Ｊ−２２および１２３Ｊ−２３の上端に接続する（第６の）連結部１２３Ｊ−３６と、により形成されている。第３の「ループ」構造体を加えることにより、アンテナ１２０Ｋのインダクタンス全体がアンテナ１２０Ｊ（図１０Ａ）のインダクタンスよりもさらに増える。
【００３４】
本発明のＲＦエネルギーハーベスティング装置／システムの製造に関連する製造コストは、上記のプリント技術を用いることにより、最小限に抑えられているが、本明細書に記載される恩恵の多くは、その他の製造技術を用いることでもたらされ得る。例えば、アンテナ、および整流回路は、剛性の基板上での通常のプリント回路基板の製造方法、または可撓性基板での通常のプリント回路基板の製造方法のうちのどちらを用いても製造可能である。あるいは、装置およびシステムは、機械加工または焼結法によっても製造可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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