(57)【要約】      （修正有）【課題】収集効率を最大にして、様々な方向からの周囲ＲＦエネルギーを捕捉する無線周波数エネルギーハーベスティングシステムを提供する。【解決手段】無線周波数エネルギーハーベスティングシステム（ＲＦＨＳ）１００は、周囲無線周波数エネルギーを受信するとともに、これを受けて入力電力信号を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナ１０２と、フェーズドアレイアンテナと信号通信する電力ハーベスティングユニット（ＰＨＵ）１０４を含む。ＰＨＵは、フェーズドアレイアンテナと信号通信する整流器モジュール１２２及び整流器モジュールと信号通信する、バッテリ又はコンデンサである蓄電モジュール１２４、を含む。フェーズドアレイアンテナと信号通信する制御部１０６は、フェーズドアレイアンテナのアンテナビームの方向を制御することによって周囲無線周波数エネルギーの受信量を増大させる。【選択図】図１
2017153352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲ＲＦエネルギーを受信するとともに、これを受けて入力電力信号を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナと、
前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する電力ハーベスティングユニット（「ＰＨＵ」）であって、
前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する整流器モジュール、及び、
前記整流器モジュールと信号通信する、バッテリ又はコンデンサである蓄電モジュール、を含むＰＨＵと、
を含む無線周波数（ＲＦ）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）であって、
前記ＰＨＵは、前記入力電力信号を受信するとともに、これを受けて整流電力信号を生成するように構成されており、
ＲＦＨＳは、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する制御部をさらに含み、前記制御部は、前記フェーズドアレイアンテナのアンテナビームの方向を制御することによって前記周囲ＲＦエネルギーの受信量を増大させるように構成されている、ＲＦＨＳ。
【請求項２】
前記制御部は、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信するプロセッサを含む、請求項１に記載のＲＦＨＳ。
【請求項３】
前記制御部が、ソフトウェアモジュールをさらに含む構成、及び、
前記ＰＨＵが、前記蓄電モジュールと信号通信する電力閾値モジュールをさらに含む構成のうちの少なくとも１つを備える、請求項２に記載のＲＦＨＳ。
【請求項４】
前記フェーズドアレイアンテナは、
複数のアンテナ素子と、
複数の位相シフタと、
合成ネットワークとを含み、前記プロセッサは、前記合成ネットワーク及び前記複数の位相シフタと信号通信する、請求項３に記載のＲＦＨＳ。
【請求項５】
前記整流器モジュールは、少なくとも２つの量子トンネルダイオードを含み、前記ＲＦＨＳは、
前記制御部と信号通信するセンサーと、
二次アンテナと、
前記センサー、二次アンテナ、及び制御部と信号通信するトランスミッタと、
前記トランスミッタ及び制御部の両方と信号通信するトランスミッタ閾値モジュールと、
外部キュー閾値モジュールと、をさらに含み、
前記トランスミッタは送受信器で構成され、前記外部キュー閾値モジュールは、前記制御部及び前記送受信器と信号通信する、請求項４に記載のＲＦＨＳ。
【請求項６】
前記制御部と信号通信するセンサーと、
前記フェーズドアレイアンテナと信号通信するデュプレクサと、
前記センサー、デュプレクサ、及び制御部と信号通信するトランスミッタと、
前記トランスミッタ及び制御部の両方と信号通信するトランスミッタ閾値モジュールと、
外部キュー閾値モジュールと、をさらに含み、
前記トランスミッタは送受信器で構成され、前記外部キュー閾値モジュールは、前記制御部及び送受信器と信号通信する、請求項４に記載のＲＦＨＳ。
【請求項７】
ＲＦエネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）によって周囲無線周波数（「ＲＦ」）エネルギーを採取する方法であって、
フェーズドアレイアンテナによって周囲ＲＦエネルギーを受信することと、
前記周囲ＲＦエネルギーの受信を受けて、前記フェーズドアレイアンテナによって入力電力信号を生成することと、
整流器モジュールによって前記入力電力信号を整流して整流電力信号を生成することと、
前記整流電力信号を、蓄電モジュールに蓄積して、対応する量の蓄積電位エネルギーを、前記整流器モジュールと信号通信する前記蓄電モジュール内に生成することと、を含み、前記整流電力信号を蓄電モジュールに蓄積することは、整流電力信号をバッテリ又はコンデンサに蓄積することを含み、
蓄積された整流電力信号を前記蓄電モジュールから送信することをさらに含む、方法。
【請求項８】
前記フェーズドアレイアンテナ及び電力閾値モジュールと信号通信状態にある制御部によって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量に基づいて、前記フェーズドアレイアンテナにおける方向制御がなされるアンテナビームを形成することと、
前記制御部によって前記アンテナビームの方向制御を行うこととをさらに含み、
前記制御部は、前記アンテナビームの方向制御によって、前記フェーズドアレイアンテナが受信する周囲ＲＦエネルギー量が増える場合に、前記フェーズドアレイアンテナの方向制御を行うべきであると判定する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
整流器モジュールによって前記入力電力信号を整流して整流電力信号を生成することは、少なくとも２つの量子トンネルダイオードによって前記入力電力信号を整流することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記センサーから、トランスミッタによってセンサーデータを送信することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記蓄電モジュールと信号通信する電力閾値モジュールによって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が、所定の第１閾値よりも大きいかどうかを判定することと、
前記蓄電モジュール内の前記蓄積電位エネルギーの量が第１閾値以上である場合に、蓄積された整流電力信号をセンサーに送信することと、
前記蓄電モジュールと信号通信するトランスミッタ閾値モジュールによって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が、所定の第２閾値よりも大きいかどうかを判定することをさらに含み、
前記センサーから前記トランスミッタによってセンサーデータを送信することは、前記蓄電モジュール内の前記蓄積電位エネルギーの量が前記所定の第２閾値より大きい場合に、前記センサーから前記トランスミッタによってセンサーデータを送信することを含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、無線周波数エネルギーハーベスティング（harvesting)システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レクテナは、整流アンテナ（rectifying antenna）であり、アンテナに照射される周囲電磁エネルギーを直流（「ＤＣ」）の電気に変換するために用いられるタイプのアンテナである。シンプルなレクテナ装置の一例として、無線周波数（「ＲＦ」）ダイオードが端子間に接続されたダイポールアンテナがある。動作において、ダイポールアンテナは、例えば当該ダイポールアンテナに入射する周囲からの電磁エネルギーを受信する。周囲電磁エネルギーは、ダイポールアンテナに交流電流（「ＡＣ電流」）を誘起し、この電流が、ＲＦダイオードに送られる。ＲＦダイオードは、ダイポールアンテナに誘起された交流電流を整流し、直流電流を生成する。直流電流は、ＲＦダイオードの端子間に接続された負荷に電力を供給する。レクテナ用のＲＦダイオードの例としては、ショットキーダイオードが一般的である。ショットキーダイオードは、電圧降下が小さく且つ高速という電気的特性を有することにより、直流電流及び交流電流の伝導やダイオードのスイッチングによる電力損失が小さいからである。
【０００３】
たとえばＰ−Ｎ接合、ＰＩＮ、及びショットキーダイオードのような市販のダイオードは、いずれもターンオン電圧が０．３０〜０．４０ボルト以上である。これらのターンオン電圧は高すぎるため、照射される周囲電磁エネルギーが、低残留ＲＦエネルギー又は超低残留ＲＦエネルギーであるような環境では、レクテナによって捕捉したエネルギーの大部分を変換することができない。これらのエネルギーは低すぎるため、ダイオードを起動するのに十分な高さの電圧を生成可能な電流を誘起できないからである。このような状況において、入射する周囲電磁エネルギーが低すぎてダイオードを起動するのに十分な高さの電圧を生成できない場合、この捕捉された入射周囲電磁エネルギーは、熱として消耗されることになる。
【０００４】
残念ながら、これでは、最近のニアゼロ（near-zero）エネルギー消費（「Ｎゼロ」）センサーへの電力供給に用いることができたかもしれないエネルギーを、無駄にしていることになる。現在では、様々な無線センサーネットワーク用に、多くのＮゼロセンサーが開発されている。これらのＮゼロセンサーは、航空宇宙ビークル、健康管理システム、及びデータ収集システムのための様々なパラメータを監視する。また、航空宇宙ビークルの場合、これらのＮゼロセンサーは、航空宇宙ビークル内のアクセス不可能な領域、あるいは、容易にはアクセスできない領域に配置されることがある。また、航空宇宙ビークルにおけるＮゼロセンサーの位置及びＮゼロセンサーの合計数（数千個になる場合もある）は、Ｎゼロセンサーを物理的な電気ワイヤに、どれだけ接続できるかによって制限され、これは、ワイヤの総重量及び航空宇宙ビークル内に必要な配線経路によって決まるものである。従って、低残留エネルギー又は超低残留ＲＦエネルギー環境で動作することができる無線高効率ＲＦエネルギー整流システムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
無線周波数（ＲＦ）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）が開示されている。ＲＦＨＳは、フェーズドアレイアンテナ、電力ハーベスティングユニット（「ＰＨＵ」）、及び、制御部を含む。フェーズドアレイアンテナは、ＰＨＵ及び制御部の両方と信号通信する。制御部は、ＰＨＵとも信号通信する。フェーズドアレイアンテナは、周囲ＲＦエネルギーを受信するとともに、これを受けて入力電力信号を生成するように構成されている。ＰＨＵは、整流器モジュール及び蓄電モジュールを含む。整流器モジュールは、フェーズドアレイアンテナ及び蓄電モジュールと信号通信する。ＰＨＵは、入力電力信号を受信するとともに、これを受けて整流電力信号を生成するように構成されている。制御部は、受信する周囲ＲＦエネルギーの量を増やすために、フェーズドアレイアンテナのアンテナビームの方向を制御するように構成されている。概して、アンテナビームの方向を制御することにより、ＲＦＨＳは、収集効率を最大にして、フェーズドアレイアンテナによって、チューニングに使用するエネルギーを最小限に抑えつつ、様々な方向からの周囲ＲＦエネルギーを捕捉するように構成されている。
【０００６】
動作の一例として、ＲＦＨＳは、周囲ＲＦエネルギーを採取する方法を行う。当該方法は、フェーズドアレイアンテナによって周囲ＲＦエネルギーを受信することと、周囲ＲＦエネルギーの受信を受けて、フェーズドアレイアンテナによって入力電力信号を生成することと、整流器モジュールによって入力電力信号を整流して整流電力信号を生成することと、整流電力信号を蓄電モジュールに蓄積して、対応する量の蓄積電位エネルギーを蓄電モジュール内に生成することと、を含む。当該プロセスでは、次に、電力閾値モジュールによって、蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が、所定の閾値よりも大きいかどうかを判定し、蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が当該所定の閾値以上であれば、蓄積された整流電力信号をセンサーに送信する。
【０００７】
少なくとも２つの量子トンネルダイオードを用いる、ＲＦＨＳの実施形態の別の例も開示している。この例においては、ＲＦＨＳは、周囲ＲＦエネルギーを受信し、これを受けて入力電力信号を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナと、フェーズドアレイアンテナと信号通信する少なくとも２つの量子トンネルダイオードとを含む。少なくとも２つの量子トンネルダイオードは、入力電力信号を受信し、これを受けて整流電力信号を生成するように構成されている。
【０００８】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴、及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を検討することによって、当業者に一層明らかになるであろう。それら追加のシステム、方法、特徴、及び利点は、本記載及び本発明の範囲に包含されるとともに、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、以下の図面を参照することにより、より理解されるであろう。図面における要素は、必ずしも正確な縮尺率で描かれておらず、本発明の原理を説明するにあたって強調を加えている。図面において、異なる図面に共通する部分は、同様の参照数字で示している。
【００１０】
【図１】本開示による、実施形態の一例の無線周波数（「ＲＦ」）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）のシステムブロック図である。
【図２】本開示による別の実施形態の一例のＲＦＨＳシステムブロック図である。
【図３】本開示によるさらに別の実施形態の一例のＲＦＨＳのシステムブロック図である。
【図４】本開示による図１〜図３に示したフェーズドアレイアンテナの実施形態の一例のシステムブロック図である。
【図５】本開示による、図１〜図３に示した整流器モジュールのシステムブロック図である。
【図６Ａ】本開示による、順方向バイアスにおける量子トンネルダイオードのエネルギーバンドの実施形態の一例の概略図である。
【図６Ｂ】本開示による、逆方向バイアスにおける量子トンネルダイオードのエネルギーバンドの実施形態の一例の概略図である。
【図７】本開示による量子トンネルダイオードの電流−電圧特性プロットのグラフである。
【図８】本開示による、図６Ａ、図６Ｂ、及び図７に示した例の量子トンネルダイオードのターンオン値の電流密度対電圧特性のプロットのグラフである。
【図９】本開示による、ＲＦＨＳによって周囲ＲＦエネルギーを採取する方法の実施形態の一例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
高効率フェーズドアレイを用いたＲＦエネルギーのハーベスティング及び転送のための無線周波数（「ＲＦ」）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）が開示される。ＲＦＨＳは、フェーズドアレイアンテナ、電力ハーベスティングユニット（「ＰＨＵ」)、及び、制御部を含む。フェーズドアレイアンテナは、ＰＨＵ及び制御部の両方と信号通信する。制御部は、ＰＨＵとも信号通信する。フェーズドアレイアンテナは、周囲ＲＦエネルギーを受信し、これを受けて、入力電力信号を生成するように構成されている。ＰＨＵは、整流器モジュール及び蓄電モジュールを含む。整流器モジュールは、フェーズドアレイアンテナ及び蓄電モジュールと信号通信する。ＰＨＵは、入力電力信号を受信し、これを受けて、整流電力信号を生成するように構成されている。制御部は、フェーズドアレイアンテナのアンテナビームの方向を制御することによって、受信する周囲ＲＦエネルギーを増やすように構成されている。概して、アンテナビームの方向を制御することにより、ＲＦＨＳは、収集効率を最大にして、フェーズドアレイアンテナによって、チューニングに使用するエネルギーを最小限に抑えつつ、様々な方向からの周囲ＲＦエネルギーを捕捉するように構成されている。
【００１２】
さらに、ＲＦＨＳの実施形態の別の例も開示しており、これは、少なくとも２つの量子トンネルダイオードを用いたものである。この例においては、ＲＦＨＳは、周囲ＲＦエネルギーを受信し、これを受けて入力電力信号を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナと、フェーズドアレイアンテナと信号通信する少なくとも２つの量子トンネルダイオードとを含む。これら少なくとも２つの量子トンネルダイオードは、入力電力信号を受信し、これを受けて整流電力信号を生成するように構成されている。
【００１３】
動作の一例として、ＲＦＨＳは、周囲ＲＦエネルギーを採取（ハーベスティング：harvesting）する方法を実行する。当該方法は、フェーズドアレイアンテナによって周囲ＲＦエネルギーを受信し、当該周囲ＲＦエネルギーの受信を受けて、フェーズドアレイアンテナによって入力電力信号を生成し、整流器モジュールによって入力電力信号を整流して整流電力信号を生成し、整流電力信号を蓄電モジュールに蓄積して、これに対応する量の蓄積電位エネルギーを蓄電モジュール内に生成する。このプロセスでは、次に、蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が所定の閾値より大きいかどうかを、電力閾値モジュールによって判定し、蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーが所定の閾値以上であれば、蓄積された整流電力信号をセンサーに送る。
【００１４】
図１には、本開示の実施形態の一例による、高効率フェーズドアレイを用いたＲＦエネルギーの採取及び転送のための、無線周波数（「ＲＦ」）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）１００のシステムブロック図を示している。ＲＦＨＳ１００は、フェーズドアレイアンテナ１０２、電力ハーベスティングユニット（「ＰＨＵ」）１０４、及び制御部１０６を含む。本実施例において、ＰＨＵ１０４は、それぞれ信号経路１０８及び１１０を介して、フェーズドアレイアンテナ１０２及び制御部１０６の両方と信号通信する。また、制御部１０６も、信号経路１１２を介して、フェーズドアレイアンテナ１０２と信号通信する。
【００１５】
フェーズドアレイアンテナ１０２は、複数のアンテナ素子（図示せず）、位相シフタ（図示せず）、及び、フェーズドアレイアンテナ１０２の複数のアンテナ素子の合成された放射パターンからアンテナビーム１１４を形成するように構成された合成ネットワーク（図示せず）を含む。本実施例において、複数の位相シフタにおける個々の位相シフタは、複数のアンテナ素子における対応する個々のアンテナ素子と信号通信する。複数の位相シフタは、複数の位相シフタにおける個々の位相シフタが、複数のアンテナ素子における対応するアンテナ素子にもたらす相対位相関係に基づいて、フェーズドアレイアンテナ１０２のアンテナビームを、方向１１６に誘導（すなわち方向制御）するように構成されている。フェーズドアレイアンテナ１０２は、フェーズドアレイアンテナ１０２の表面に入射する周囲ＲＦエネルギー１１８を受信し、これを受けて入力電力信号１２０を生成するように構成されており、当該信号は、信号経路１０８を介してＰＨＵ１０４に送られる。一般的に、フェーズドアレイアンテナ１０２は、特定のＲＦ周波数帯域に合わせた設計に基づいて周囲ＲＦエネルギー１１８を受信するように構成されている。
【００１６】
本実施例において、フェーズドアレイアンテナ１０２は、フェーズドアレイアンテナ１０２の表面に入射する周囲ＲＦエネルギー１１８から最大量のエネルギーを採取できるよう、自律（autonomous）サーチモードで動作するように構成することができる。効率の最適化のために、複数の位相シフタにおける各位相シフタは、電力を消費せずに設定を保持することができる低電力位相シフタであってもよい。単純な実施形態の一例として、フェーズドアレイアンテナ１０２は、合計９個のアンテナ素子を有する３×３個アンテナ素子のフェーズドアレイアンテナであり、各アンテナ素子は、放射アンテナ（図示せず）と、ＰＨＵ１０４と信号通信する合成ネットワーク（図示せず）に接続された位相シフタ（図示せず）とを含む。
【００１７】
ＰＨＵ１０４は、整流器モジュール１２２及び蓄電モジュール１２４を含み、これらは、信号経路１２６を介して、互いに通信する。動作においては、ＰＨＵ１０４は、入力電力信号１２０を受信し、これを受けて、整流電力信号１２８を生成するように構成されており、当該整流電力信号は、信号経路１１０を介して、他の装置、モジュール、回路、又はコンポーネントに送られるものである。整流器モジュール１２２は、一般的に、例えば２つのショットキーダイオード、２つのトンネルダイオード、又は２つの量子トンネルダイオードなどの少なくとも２つの低電力ダイオードの組み合わせである。本実施例において、少なくとも２つの量子トンネルダイオードを用いることによって、ＲＦＨＳ１００は、超低レベルの周囲ＲＦエネルギー１１８を受信し、さらに、整流電力信号１２８を生成することができる。本実施例において、超低レベルとは、ミリボルト以下の範囲であり、これは、ターンオン電圧が０．４〜０．５ボルトのショットキーダイオードとは異なり、量子トンネルダイオードのターンオン電圧も、ミリボルト以下の範囲であるからである。
【００１８】
動作において、整流器モジュール１２２は、入力電力信号１２０を受信し、これを整流することによって、内部整流電力信号１３０を生成する。内部整流電力信号は、信号経路１２６を介して、蓄電モジュール１２４に送られる。蓄電モジュール１２４は、例えば低電力でも充電可能なバッテリ又はコンデンサであり、（整流器モジュール１２２によって生成された）内部整流電力信号１３０を蓄積し、整流電力信号１２８を出力するように構成されている。整流電力信号は、蓄積された内部整流電力信号１３０から蓄電モジュール１２４内に蓄積されたエネルギーによって生成されるものである。
【００１９】
制御部１０６は、プロセッサ１３２、及び、信号経路１３６を介してプロセッサ１３２と信号通信するソフトウェアモジュール１３４を含む。プロセッサ１３２は、任意の低電力プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）、マイクロコントローラ、又は他の同様のデバイスであってもよい。動作において、制御部１０６は、（信号経路１１０を介して）整流電力信号１２８の一部を受信し、整流電力信号１２８の当該一部を用いて、プロセッサ１３２及びソフトウェアモジュール１３４を含めた制御部１０６への給電が行われる。すると、プロセッサ１３２は、フェーズドアレイアンテナ１０２のアンテナビーム１１４のビーム方向制御１１６を行う。概して、プロセッサ１３２は、周囲ＲＦエネルギー１１８の受信量を増大させ、好ましくは最大化及び／又は最適化する方向１１６に、アンテナビーム１１４を方向制御するように構成されている。プロセッサ１３２は、フェーズドアレイアンテナ１０２内の個々の位相シフタの位相状態を制御することによって、この方向制御を行う。概して、プロセッサ１３２は、ソフトウェアモジュール１３４に格納されているソフトウェアを用いて、フェーズドアレイアンテナ１０２を制御するとともに、アンテナビーム１１４を所与の方向１１６に方向制御するために必要な動作を行う。制御部１０６は、さらに、ＰＨＵ１０４によって生成される電力（整流器モジュール１２２からの内部整流電力信号１３０としての電力、及び／又は、蓄電モジュール１２４からの整流電力信号１２８としての電力のいずれか）の量を監視することによって、アンテナビーム１１４の方向１１６が、周囲ＲＦエネルギー１１８から十分な電力を受信する方向かどうかを判定する。十分な電力を受信していない場合、制御部１０６は、周囲ＲＦエネルギー１１８をより良好に受信できるようアンテナビーム１１４の方向１１６をシフト（すなわち方向制御）するために、フェーズドアレイアンテナ１０２内の複数の位相シフタの位相の変更を開始する。
【００２０】
動作において、制御部１０６は、ＰＨＵ１０４によって生成される電力量を監視するとともに、周囲ＲＦエネルギー１１８の受信量を増大させることによってＰＨＵ１０４によって生成される電力量を増大させるべく、フェーズドアレイアンテナ１０２のアンテナビーム１１４の方向１１６を制御するプロセスを、継続的に行うことができる。すなわち、制御部１０６は、フェーズドアレイアンテナ１０２によって最大量の電力を捕捉できるように、周囲ＲＦエネルギー１１８を生成している放射源（図示せず）に向かう方向１１６に、アンテナビーム１１４の方向を向けることができる。制御部１０６は、電力閾値モジュール（図示せず）を用いて、ＰＨＵ１０４によって生成される電力量を監視することができる。本実施例において、ソフトウェアモジュール１３４は、プロセッサ１３２用の任意の必要なソフトウェアコードを保存するように構成された低電力記憶装置及び／又はメモリ装置であってもよい。
【００２１】
動作の一例において、ＲＦＨＳ１００を用いて、信号経路１１０を介してＰＨＵ１０４と信号通信する１つ又は複数のセンサー１３８に、電力供給することができる。これらのセンサー１３８は、航空宇宙ビークル、健康管理システム、及びデータ収集システムの様々なパラメータを監視するように構成された、エネルギー消費がニアゼロの（「Ｎｚｅｒｏ」）センサーであってもよい。ＰＨＵ１０４は、整流電力信号１２８の一部を、信号経路１１０を介してセンサー１３８に送信することによって、センサー１３８に電力供給する。センサー１３８は、その周囲環境内での事象又は変化を検知して、これに対応するセンサー出力信号１４０を供給する、１つ又は複数の装置（通常はトランスデューサ）である。本実施例において、センサー１３８は、信号経路１４４を介して、トランスミッタ１４２と信号通信することができ、トランスミッタ１４２は、それぞれ信号経路１１０、１４８を介して、ＰＨＵ１０４及び二次アンテナ１４６と信号通信することができる。センサー１３８は、センサー出力信号１４０を、（信号経路１４４を介して）トランスミッタ１４２に送り、トランスミッタ１４２は、センサー出力信号１４０を、送信センサー出力信号１５０として、二次アンテナ１４６を介して送信する。送信センサー出力信号１５０は、例えば、センサー１３８からのセンサー出力信号を監視するように構成された遠隔の監視システム（図示せず）に送信される。本実施例において、トランスミッタ１４２は、信号経路１１０を介して整流電力信号１２８の一部を受信することによって、電力供給される。任意ではあるが、センサー１３８及びトランスミッタ１４２は、ＲＦＨＳ１００の一部としてもよい。
【００２２】
ＲＦＨＳ１００が有するあるいはＲＦＨＳに関連付けられている回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスは、互いに信号通信すると述べているが、ここでの信号通信とは、回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスが、別の回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスに対して信号を送受信することを可能にする、回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイス間のあらゆる種類の通信及び／又は接続を意味する。通信及び／又は接続は、１つの回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスから、別の回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスに信号及び／又は情報が移動することを可能にする、回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイス間の任意の信号経路に沿うものであってよく、無線又は有線の信号経路を含む。信号経路は、例えば、導電性ワイヤ、電磁波導波ガイド、ケーブル、取り付けや電磁的もしくは機械的連結がなされた端子、半導電性又は誘電性の材料又はデバイス、あるいは他の同様の物理的な接続もしくは連結などの、物理的なものであってもよい。また、信号経路は、自由空間（電磁波伝播の場合）あるいはデジタル部品間の情報経路などの非物理的なものであってもよく、この場合、通信情報は、１つの回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスから、別の回路、コンポーネント、モジュール、及び／又はデバイスに、直接的な電磁接続を介することなく、様々なデジタルフォーマットで送られる。
【００２３】
図２には、本開示による別の実施形態の一例によるＲＦＨＳ２００のシステムブロック図を示している。図１に示したＲＦＨＳ１００の例と同様に、本実施例におけるＲＦＨＳ２００も、フェーズドアレイアンテナ１０２、ＰＨＵ２０２、及び、制御部１０６を含む。ただし、図１に示したＰＨＵ１０４とは異なり、本実施例のＰＨＵ２０２は、整流器モジュール１２２、蓄電モジュール１２４に加えて、電力閾値モジュール２０４を含む。本実施例において、電力閾値モジュール２０４は、信号経路２０６を介して、蓄電モジュール１２４と信号通信する。また、電力閾値モジュール２０４は、信号経路２０８を介して、プロセッサ１３２、センサー１３８、及び、トランスミッタ１４２とも、信号通信する。ＲＦＨＳ２００は、概して図１に示したＲＦＨＳ１００と同様に動作するが、異なる点として、本実施例においては、電力閾値モジュール２０４が、ＰＨＵ２０２が整流電力信号１２８を出力する前に、蓄電モジュール１２４内に蓄積されたエネルギーの量を監視するように構成されている。動作の一例において、電力閾値モジュール２０４は、例えば、蓄電モジュール１２４によって生成される整流電力信号１２８の電圧の大きさを、所定の電圧閾値と比較することによって、蓄電モジュール１２４の蓄積エネルギー量を継続的に監視する。所定の電圧閾値は、例えば、３．６ボルトである。整流電力信号１２８の電圧の大きさが、所定の電圧閾値より大きい場合、電力閾値モジュールは、プロセッサ１３２、センサー１３８、及びトランスミッタ１４２に電力を供給すべく、整流電力信号１２８を信号経路２０８に送る。整流電力信号１２８の電圧の大きさが所定の電圧閾値以下である場合、電力閾値モジュール２０４は、蓄電モジュール１２４の整流電力信号１２８をＰＨＵ２０２から出力することを許可しない。このようにして、電力閾値モジュール２０４は、蓄電モジュール１２４が適切な電力エネルギーレベルまで充電した後に、放電によりＰＨＵ２０２の外部の装置に電力供給することを許容する。蓄電モジュール１２４の蓄積エネルギーが、所定の電圧閾値に対応する所定レベルに到達すると、電力閾値モジュール２０４は、蓄電モジュール１２４が、整流電力信号１２８によって放電することを許容する。
【００２４】
当業者にはわかるように、蓄電モジュール１２４によって、整流器モジュール１２２からの内部整流電力信号１３０によって生成されるエネルギーの蓄積が可能となる。従って、所定の電圧閾値より電圧の大きい整流電力信号１２８を生成可能なレベルまで蓄電モジュール１２４を充電する十分な周囲ＲＦエネルギー１１８を、フェーズドアレイアンテナ１０２が継続して受信している場合、電力閾値モジュール２０４は、連続する整流電力信号１２８を信号経路２０８に送ることになる。この場合、内部整流電力信号１３０の電力レベルが、蓄電モジュール１２４を十分に充電可能なレベルより低くなると、電力閾値モジュール２０４は、連続する整流電力信号１２８の信号経路２０８への送信を停止する。
【００２５】
代替の実施形態として、電力閾値モジュール２０４は、制御部１０６の一部であってもよい。当該代替例において、プロセッサ１３２は、（蓄電モジュール１２４によって生成される）整流電力信号１２８の電圧の大きさを、所定の電圧閾値と比較することによって、蓄電モジュール１２４内の蓄積エネルギー量を継続的に監視するように構成される。この例において、ＰＨＵ２０２は、プロセッサ１３２によって制御されるスイッチ（図示せず）を含んでいてもよい。スイッチは、蓄電モジュール１２４によって生成された整流電力信号１２８の電圧の大きさが、所定の電圧閾値より大きいとプロセッサ１３２が判断した場合に、信号経路２０８への整流電力信号１２８の送信を許容するように構成される。この例において、任意ではあるが、センサー１３８とトランスミッタ１４２は、ＲＦＨＳ２００の一部としてもよい。
【００２６】
図３には、本開示によるさらに別の実施形態の一例によるＲＦＨＳ３００のシステムブロック図を示している。図１及び図２に示した実施例とは異なり、図３において、ＲＦＨＳ３００は、双方向性のフェーズドアレイアンテナ３０２及びデュプレクサ３０４を含む。また、ＲＦＨＳ３００は、送受信器３０６とともに動作するように構成されている。図２に示したＲＦＨＳ２００と同様に、ＲＦＨＳ３００も、ＰＨＵ２０２及び制御部１０６を含む。ＰＨＵ２０２は、整流器モジュール１２２、蓄電モジュール１２４、及び電力閾値モジュール２０４を含み、制御部１０６は、プロセッサ１３２及びソフトウェアモジュール１３４を含む。
【００２７】
デュプレクサ３０４は、信号経路３０８、３１０、３１２を介して、フェーズドアレイアンテナ３０２、整流器モジュール１２２、及び送受信器３０６と信号通信する。本実施例において、デュプレクサ３０４は、単一の信号経路を介する双方向（「デュプレックス」）通信（すなわち、単一の信号経路３０８を介する、フェーズドアレイアンテナ３０２との双方向通信）を可能にする電子装置である。当業者であればわかるように、レーダー及び無線通信システムにおいて、デュプレクサを設けることによって、送受信器３０６からＰＨＵ２０２を切り離すとともに、これらがフェーズドアレイアンテナ３０２を共通のアンテナとして共用することが可能となる。一般的なタイプのデュプレクサには、例えば、送受信スイッチ、サーキュレータ、オルトモード（orthomode）トランスデューサ、又は、周波数領域フィルタが含まれる。
【００２８】
本実施例においては、図１及び図２に示した実施例とは異なり、トランスミッタ１４２に代えて、送受信器３０６が示されている。送受信器３０６は、送信器と受信器とが組み合わされて共通の回路又は単一のハウジングを共用している装置である。図２に示した実施例と同様に、送受信器３０６は、信号経路２０８を介して電力閾値モジュール２０４と信号通信する。送受信器３０６は、デュプレクサ３０４、電力閾値モジュール２０４、センサー１３８、制御部１０６、任意で設けられるトランスミッタ閾値モジュール３１４、及び、任意で設けられる外部キュー（queue）閾値モジュール３１６と、それぞれ、信号経路３１２、２０８、１４４、３１８、３２０、３２２を介して信号通信する。
【００２９】
ＲＦＨＳ３００は、任意で設けられる閾値モジュール３１４及び外部キュー閾値モジュール３１６と、信号経路２０８、３２４、３２６を介して信号通信しうる。信号経路２０８は、電力閾値モジュール２０４と信号通信し、信号経路３２４及び３２６は、制御部１０６と信号通信する。本実施例において、任意で設けられる閾値モジュール３１４は、例えば、電力閾値モジュール２０４と同様の装置であり、送受信器３０６が、アンテナビーム１１４を介して、センサー出力信号１４０を送信センサー出力信号３２８として送信する前に、蓄電モジュール１２４内の蓄積エネルギー量を監視するように構成されたものである。送信センサー出力信号は、フェーズドアレイアンテナ３０２に送られて、センサー１３８からのセンサー出力信号１４０を監視するように構成された遠隔の監視システム（図示せず）に送信される。本実施例において、フェーズドアレイアンテナ３０２は、受信する周囲ＲＦエネルギー１１８とは異なる周波数帯域で、送信センサー出力信号３２８を送信できるよう、異なる２つ以上の周波数帯域で動作するように構成（例えば周波数調整）することができる。さらに、フェーズドアレイアンテナ３０２は、遠隔の監視システム（図示せず）から外部キュー信号３３０を受信するよう、第３の周波数帯域を受信する構成とすることができる。
【００３０】
任意で設けられる外部キュー閾値モジュール３１６は、例えば、適当な種類の閾値保持装置を含みうるという点で、電力閾値モジュール２０４及び任意で設けられるトランスミッタ閾値モジュールに類似する装置である。本実施例において、任意で設けられる外部キュー閾値モジュール１３６は、送受信器３０６を監視して、外部キュー信号３３２が送受信器３０６によって受信されたかどうかを判定するように構成されている。任意で設けられる外部キュー閾値モジュール３１６が、送受信器３０６が外部キュー信号３３２を受信したと判断すると、当該任意の外部キュー閾値モジュール３１６は、遠隔の監視システム（図示せず）からキュー信号が送信されたことを制御部１０６に通知し、制御部１０６は、これを受けて、ＲＦＨＳ３００を制御するように動作する。送受信器３０６は、外部キュー信号３３０を受信するように構成された、任意で設けられる二次アンテナ３３４とも、（信号経路３３６を介して）信号通信しうる。任意の二次アンテナ３３４は、フェーズドアレイアンテナ３０２が、外部キュー信号３３０に対応する周波数帯域を受信するように構成されていない場合に、用いることができる。本実施例において、任意の二次アンテナ３３４は、外部キュー信号３３０を受信し、受信した外部キュー信号を送受信器３３６に送るように周波数調整された、単純な低電力受動アンテナであってよい。
【００３１】
動作の一例において、ＲＦＨＳ３００は、フェーズドアレイアンテナ３０２を用いて周囲ＲＦエネルギー１１８を受信し、これによって入力電力信号１２０が生成される。すると、整流器モジュール１２２は、入力電力信号１２０を整流して内部整流電力信号１３０を生成し、ＲＦＨＳ３００は、これを用いて蓄電モジュール１２４を充電する。電力閾値モジュール２０４は、蓄電モジュール１２４内の充電エネルギーの量を監視し、制御部１０６、センサー１３０、送受信器３０６、任意で設けられる閾値モジュール３１４、及び、任意で設けられる外部キュー閾値モジュール１３６に電力を供給するのに十分な蓄積エネルギーが蓄電モジュール１２４内にあるかどうかを判定する。蓄電モジュール１２４内に十分な蓄積エネルギーがある場合、電力閾値モジュール２０４は、制御部１０６、センサー１３０、送受信器３０６、任意で設けられる閾値モジュール３１４、及び、任意で設けられる外部キュー閾値モジュール１３６に対して、蓄電モジュール１２４が、信号経路２０８を介して整流電力信号１２８によって電力供給することを許容する。センサー１３８が整流電力信号１２８によって電力供給されると、当該センサー１３８は、周囲環境データの測定を開始し、これが、信号経路１４４を介して、１つ又は複数のセンサー信号１４０として、送受信器３０６に送られる。送受信器３０６がセンサー信号１４０をよって受信すると、当該送受信器３０６は、このセンサー出力信号１４０を、送信センサー出力信号３２８として送信し、これがフェーズドアレイアンテナ３０２によって遠隔監視システムに送信される。これに代えて、任意の外部キュー閾値モジュール３１６が設けられている場合、当該外部キュー閾値モジュール３１６は、送受信器３０６が、（信号経路３１２を介してフェーズドアレイアンテナ３０２から）外部キュー信号３３２を受信するか、あるいは、（信号経路３３６を介して任意の二次アンテナ３３４から）外部キュー信号３３０を受信するまでは、送受信器３０６による受信センサー出力信号１４０の送信を阻止する。本実施例においては、任意で設けられる外部キュー閾値モジュール３１６を、制御部１０６によって、ＲＨＦＳ３００のエネルギー効率の管理に利用することができる。送受信器３０６によって実際に行われる送信を制限することによって、制御部１０６は、蓄電モジュール１２４からの電力の取り出しを、遠隔の監視システム（図示せず）が外部キュー信号３３０によってセンサー１３８の情報を実際に要求している場合のみに限定することができるからである。同様に、関連する電力の最適化のために、任意で設けられるトランスミッタ閾値モジュール３１４は、送受信器３０６によるセンサー出力信号１４０の送信中に送受信器３０６に適切に給電できる十分な電力が蓄電モジュール１２４内に存在することを保証する別の所定の閾値よりも、受信整流電力信号１２８が高い場合のみに、送受信器３０６によるセンサー出力信号１４０の送信を制限する構成としてもよい。当業者であればわかるように、任意ではあるが、任意で設けられるトランスミッタ閾値モジュール３１４、任意で設けられる外部キュー閾値モジュール３１６、又はこれらの両方は、制御部１０６の一部としてもよい。
【００３２】
図４を参照すると、同図には、本開示による一実施形態のフェーズドアレイアンテナ４００の一例のブロック図を示している。フェーズドアレイアンテナ４００は、複数のアンテナ素子４０２、複数の位相シフタ４０４、及び合成ネットワーク４０６を含む。この例においては、３個のアンテナ素子４０８、４１０、４１２と３個の位相シフタ４１４、４１６、４１８とが、それぞれ対応する信号経路４２０、４２２、４２４を介して互いに信号通信するものとして示されている。位相シフタ４１４、４１６、４１８は、それぞれ、信号経路４２６、４２８、４３０を介して、合成ネットワーク４０６と信号通信する。合成ネットワーク４０６は、信号経路４３２を介して、整流器モジュール１２２又はデュプレクサ３０４と信号通信する。本実施例において、信号経路４３２は、（図２に示すように）デュプレクサ３０４が存在しない場合には、信号経路１０８と同じであってよいし、図３に示すようにデュプレクサ３０４が存在する場合には、信号経路３０８であってよい。
【００３３】
合成ネットワーク４０６は、複数のアンテナ素子４０８、４１０、及び４１２が受信した（周囲ＲＦエネルギー１１８のような）信号を合成する、（例えば、コーポレートフィードネットワーク（corporate feed network)のような）ネットワークである。動作の一例において、フェーズドアレイアンテナ４００によって受信される周囲ＲＦエネルギー１１８の量は、フェーズドアレイアンテナ４００の放射パターンに基づいて形成されるアンテナビーム１１８によって決まる。フェーズドアレイアンテナ４００における（アンテナビーム１１４に対応する）放射パターンは、アンテナ素子４０８、４１０、４１２の数、フェーズドアレイアンテナ４００の前面４３４におけるこれらのアンテナ素子の物理的配置、個々の隣接するアンテナ素子４０８、４１０、４１２間の物理的な間隔（図示せず）、個々の位相シフタ４１４、４１６、４１８のそれぞれの位相値、ならびに、複数の位相シフタ４１４、４１６、４１８につながる複数の信号経路４２６、４２８、４３０に対する、合成ネットワーク４０６内の複数の内部信号経路における電力分配の態様によって決まる。概して、合成ネットワーク４０６は、複数のアンテナ素子４０８、４１０、４１２間に出力の大きさの勾配をつけて、フェーズドアレイアンテナ４００の中心線４３６から遠ざかるにつれてアンテナ素子４０８、４１０、４１２の励起振幅が略減少する構成としてもよい。また、アンテナビーム１１４を形成する放射パターンにおける、アンテナビーム１１４の方向１１６は、複数の位相シフタ４１４、４１６、４１８のそれぞれの位相シフト値によって決まる。一例として、制御部１０６が、複数の位相シフタ４１４、４１６、４１８の値を変化させると、得られる放射パターンが変化し、このようにして、アンテナビームを、３次元空間内で、方向１１６を制御することができる。
【００３４】
なお、この例では、説明を容易にするために、３組のみのアンテナ素子４０８、４１０、４１２及び位相シフタ４１４、４１６、４１８を、一次元における等間隔の直線状配置で示している。当業者であればわかるように、フェーズドアレイアンテナ４００は、当該フェーズドアレイアンテナ４００の所望の放射パターンに応じて、フェーズドアレイアンテナ４００の前面４３４に、等間隔配置又は不等間隔配置のアンテナ素子４０８、４１０、４１２の一次元、二次元、又は三次元のアレイを含みうる。従って、フェーズドアレイアンテナ４００及びＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００）の電力処理能力、ＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００）のサイズ、ならびに、比較的狭いビーム幅の主ビーム４３８及び比較的低い副ローブ（sidelobes）４４０を有するアンテナビーム１１４を形成する所望の放射パターンを考慮した上で、所望量の周囲ＲＦエネルギー１１８を適切に受信できるように、アンテナ素子４０８、４１０の数を、少なくとも２個、あるいは必要なだけ多くの数（すなわち３個以上）に設定すればよい。制御部１０６は、アンテナビーム１１４を放射源（図示せず）に向かう方向１１６に向けることによって、放射源によって生成された周囲ＲＦエネルギー１１８から最大量の電力を捕捉できるようにする。
【００３５】
フェーズドアレイアンテナ４００が双方向性の装置である場合、合成ネットワーク４０６は、（例えば、送信センサー出力信号３２８のような）送信すべき信号の受信も行い、受信した送信センサー出力信号３２８を、複数の成分電力信号４４２、４４４、４４６に分割するように構成されている。これらの成分電力信号は、複数の位相シフタ４１４、４１６、４１８に送られて、位相シフトされて複数の位相シフト成分電力信号４４８、４５０、４５２となり、複数のアンテナ素子４０８、４１０、４１２に送られる。送信された複数の位相シフト成分電力信号４４８、４５０、４５２は、放射パターンを形成し、この放射パターンが、アンテナビーム１１４を形成する。この場合も、アンテナビーム１１４の方向１１６は、複数の位相シフタ４１４、４１６、４１８のそれぞれの位相シフト値によって決まる。
【００３６】
位相シフタ４１４、４１６、４１８は、受信周囲ＲＦエネルギー信号１１８又は送信センサー出力信号３２８のいずれかの制御可能な位相シフト（すなわち送信位相角）を実現する、ＲＦ、マイクロ波、又はミリメートル波のネットワークのコンポーネントであってよい。本実施例において、位相シフタ４１４、４１６、４１８は、すべての位相状態において挿入損失が小さく且つ振幅（又は損失）が等しい往復移相シフタ（reciprocal phase shifters）であってもよい。位相シフタ４１４、４１６、４１８は、電気的、電磁気的、又は機械的に制御されうる。また、位相シフタ４１４、４１６、４１８は、アナログの位相シフタであってもよいし、デジタルの位相シフタであってもよい。アナログの位相シフタは、電圧信号によって制御される連続可変位相を供給することができ、電圧に応じて静電容量が変化するバラクタダイオード、又はバリウム・ストロンチウム・チタン酸塩のような非線形誘電体、又はイットリウム・鉄・ガーネットのような強誘電体材料を用いて実施することができる。機械的に制御される位相シフタは、トロンボーンラインのような延長された伝送ラインを用いたものであってもよい。本実施例においては、制御部１０６は、信号経路１１２を介して、位相シフタ４１４、４１６、４１８を制御するように構成されている。アンテナ素子４０８、４１０、４１２は、例えば、ダイポールアンテナ素子又はパッチアンテナである。
【００３７】
当業者であればわかるように、フェーズドアレイアンテナ４００が実際には複数のフェーズドアレイアンテナ（図示せず）で構成されるように、フェーズドアレイアンテナ４００を、アンテナ素子、位相シフタ、及び合成ネットワークの組を複数含む構成としてもよい。この場合、組み合わさったフェーズドアレイアンテナ４００内の各フェーズドアレイアンテナ（図示せず）は、それぞれ異なる周波数帯域の周囲ＲＦエネルギー１１８を受信するように周波数調整することができる。
【００３８】
図５を参照すると、同図には、本開示による整流器モジュール５００のシステムブロック図を示している。この例において、整流器モジュール５００は、信号経路１２６を介して蓄電モジュール１２４と信号通信するとともに、信号経路５０２を介してフェーズドアレイアンテナ１０２又はデュプレクサ３０４と信号通信する。ここで、信号経路５０２は、（デュプレクサ３０４が存在しない場合は）信号経路１０８に相当し、デュプレクサ３０４が存在する場合は、信号経路３１０に相当する。
【００３９】
この例において、整流器モジュール５００は、少なくとも２つのダイオード５０４及び５０６を含む。ＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００のいずれか）に入射する周囲ＲＦエネルギー１１８に対応する、受信する入力電力信号１２０の所定の出力レベルに基づいて、ダイオード５０４、５０６を、例えば、２つのショットキーダイオード、２つのトンネルダイオード、又は２つの量子トンネルダイオードとすることができる。この例においては、２つのダイオード５０４、５０６を、２つの量子トンネルダイオード５０４、５０６として示している。これは、２つの量子トンネルダイオード５０４、５０６を用いることによって、ＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００のいずれか）は、−２４ｄＢｍの超低レベルの周囲ＲＦエネルギー１１８を受信するとともに、これを受けて内部整流電力信号１３０を生成することができるからである。また、この例では、第１の量子トンネルダイオード５０４には順方向バイアスがかけられ、第２の量子トンネルダイオード５０６には逆方向バイアスがかけられたものとして示している。
【００４０】
量子トンネルダイオード５０４、５０６は、ニアゼロのターンオン電圧を有するニアゼロバイアスのミリ波検出用Ｓｂヘテロ構造ベース逆方向ダイオード（「Ｓｂ−ＨＢＤ」）であり、これによれば、受信入力電力信号１２０が、マイクロワット、ナノワット、及びピコワットのオーダーの超低ＲＦ電力信号であっても、量子トンネルダイオード５０４、５０６によって、受信入力電力信号１２０を整流することができる。整流により得られた内部整流電力信号１３０は、捕捉されて蓄電モジュール１２４内に蓄積される。この例において、Ｓｂ−ＨＢＤは、ほぼ格子整合したＩＩＩ−Ｖ族半導体のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ族のエピタキシャル層に基づくＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂナノ構造における量子トンネリングに基づいており、これについては、２０００年７月のJ.N.Schulman & D.H.Chow, IEEE Electron Device Letters, Vol.21, No.7による「Sb-Heterostructure Interband Backward Diodes」、２００１年１２月のJ.N.Schulman, E.T.Croke, D.H.Chow, H.L.Dunlap, K.S.Holabrid, M.A.Morgan, & S.Weinreb, IEEE Electron Device Meeting, 2001, IEDM '01, pp 35.1.1-35.1.3による「Quantum Tunneling Sb-Heterostructure Millimeter-Wave Diodes」、及び、２００２年１０月のJ. N. Schulman, S. Thomas, III, D.H.Chow, Y.K.Boegeman, & K.S. Holabird, IEEE Electron Device Letters, Vol.23, No.10, pp585-587による「High-Performance Antimonide-Based Heterostructure Backward Diodes for Millimeter-Wave Detection」に記載されている。
【００４１】
一般に、ヘテロ接合は、そのバンドアラインメント(band-alignments)に応じて、３つのタイプ（重なり型（straddling）又はタイプIのヘテロ接合、横ずれ型（staggered）又はタイプＩＩのヘテロ接合、及び分離型（broken-gap）又はタイプIIIのヘテロ接合）に分類される。Ｓｂ−ＨＢＤダイオードは、図６Ａ及び６Ｂに示すように、これら３つの可能なバンドアラインメントのすべてを包含する。これらの図は、エネルギー（電子ボルト：ｅＶ）６０４対位置（ナノメートル）６０６として測定された、典型的なＳｂ−ＨＢＤの材料構造に対応するエネルギーバンド図６００及び６０２の概略図である。この例において、エネルギーバンド図６００、６０２の左側は、Ｓｂ−ＨＢＤにおけるｎ−ＩｎＡｓ材料層６０８の位置を表しており、エネルギーバンド図６００、６０２の右側は、Ｓｂ−ＨＢＤにおけるｐ−ＧａＡｌＳｂ材料層６１０の位置を表している。さらに、エネルギーバンド図６００、６０２の中央部分は、Ｓｂ−ＨＢＤにおけるＡｌＳｂ材料層６１２の位置を表している。この例において、エネルギーバンド図６００は、第１のフェルミエネルギーレベル（「ＥF」）６１６を有する順方向バイアス６１４の第１量子トンネルダイオード５０４を表す一方、エネルギーバンド図６０２は、第２のＥF６２０を有する逆方向バイアス６１８の第２量子トンネルダイオード５０６を表す。これらの例において、ニアゼロのターンオン電圧が実現できるよう、接合は、材料層の高ドーピングではなく、バンドオフセットによるものとされている。
【００４２】
図７を参照すると、同図には、本開示によるＳｂ−ＨＢＤの電流−電圧特性プロット７００のグラフが示されている。当該グラフは、電流を表す縦軸７０２及び電圧を表す横軸７０４を有する。プロット７００の左側７０６は、Ｓｂ−ＨＢＤの逆方向バイアスを表しており、プロット７００の右側７０８は、Ｓｂ−ＨＢＤの淳方向バイアスを表している。プロット７００の左側逆方向バイアス７０６は、Ｓｂ−ＨＢＤの典型的な降伏電圧領域を表しており、右側７０８は、量子力学的トンネル効果を含む順方向バイアス電流−電圧特性を示している。この効果は、プロット７００における領域７１０に示されており、この領域では、順方向電圧が増加すると順方向電流が減少している。当該領域７１０は、一般に、Ｓｂ−ＨＢＤの負性抵抗領域７１０として知られている。順方向電圧が、この負性抵抗領域７１０を超えて増加すると、順方向電流は、再び印加順方向電圧の増加に応じて増加し始める。Ｓｂ−ＨＢＤの負性抵抗効果は、通常のトンネルダイオード（エサキダイオードとしても知られる）における効果に類似するものである。この例では、ターンオン電圧７１２は、ニアゼロとして示されている。
【００４３】
図８を参照すると、同図には、本開示による量子トンネルダイオードの例（図６Ａ、図６Ｂ、及び図７に図示）のターンオン値の電流密度８００（ｋＡ／ｃｍ2）対電圧８０２（ミリボルト）特性をプロットしたグラフが示されている。このプロットは、量子トンネルダイオードのターンオンが、電圧８０２がミリボルト以下の値の時に起こり、電流密度が第１ピーク値でピークに達することを示している。下記の表は、ピーク電圧及び谷電圧の値の例を示している。なお、本開示の量子トンネルダイオードとは異なり、典型的なショットキーダイオードのターンオン電圧のレベルは約０．４ボルト〜０．５ボルトである。この例において、プロット８０６、８０８、８１０、８１２、８１４は、Ｓｂ系ヘテロ構造バンド間逆方向ダイオード（すなわち、量子トンネルダイオード）の例であり、プロット８１８は、Ｇｅダイオードの例である。
【表１】
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【００４４】
図９には、本開示による、ＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００）によって周囲ＲＦエネルギー１１８を採取する方法の実施形態の一例のフローチャート９００が示されている。当該方法は、９０２において開始し、まず、ステップ９０４において、フェーズドアレイアンテナ１０２、３０２、４００によって周囲ＲＦエネルギーを受信する。ステップ９０６において、フェーズドアレイアンテナは、周囲ＲＦエネルギー１１８の受信に応じて入力電力信号を生成し、当該信号を整流器モジュール１２２に送る。すると、整流器モジュール１２２は、ステップ９０８において、入力電力信号を整流して内部整流電力信号１３０を生成し、次に、１３０を蓄電モジュール１２４に送る。すると、蓄電モジュール１２４は、ステップ９１０において、内部整流電力信号１３０を蓄電モジュール内に蓄積し、これに対応する量の蓄積電位エネルギーを蓄電モジュール１２４内に生成する。次に、判定ステップ９１２において、蓄電モジュール１２４内の蓄積電位エネルギー量が所定の閾値より大きいかどうかを、電力閾値モジュール２０４が判定する。蓄電モジュール１２４内の蓄積電位エネルギーが所定の閾値より少ない場合は、プロセスはステップ９０４に戻り、ＲＦＨＳ（１００、２００、又は３００）は、周囲ＲＦエネルギー１１８を受信して蓄電モジュール１２４を充電する動作を続け、ステップ９０４とステップ９１２との間のプロセスが繰り返される。蓄電モジュール１２４内の蓄積電位エネルギーが所定の閾値以上の場合、プロセスはステップ９１４に進み、ＰＨＵ２０２は整流電力信号１２８を他の装置に送信する。プロセスは、９１６において終了する。
【００４５】
更に、本開示は、以下の付記による例を含む。
【００４６】
付記１．  周囲ＲＦエネルギー（１１８）を受信するとともに、これを受けて入力電力信号（１２０）を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナ（１０２、３０２、４００）と、
前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する電力ハーベスティングユニット（「ＰＨＵ」）（１０４、２０２）であって、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する整流器モジュール（１２２、５００）及び前記整流器モジュールと信号通信する蓄電モジュール（１２４）を含むＰＨＵと、を含む無線周波数（ＲＦ）エネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）（１００、２００、３００）であって、前記ＰＨＵは、前記入力電力信号を受信するとともに、これを受けて整流電力信号（１２８）を生成するように構成されており、ＲＦＨＳは、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信する制御部（１０６）をさらに含み、前記制御部は、前記フェーズドアレイアンテナのアンテナビーム（１１４）の方向を制御することによって前記周囲ＲＦエネルギーの受信量を増大させるように構成されている、ＲＦＨＳ。
【００４７】
付記２．  前記制御部は、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信するプロセッサ（１３２）を含む、付記１に記載のＲＦＨＳ。
【００４８】
付記３．  前記制御部は、ソフトウェアモジュール（１３４）をさらに含む、付記２に記載のＲＦＨＳ。
【００４９】
付記４．  前記ＰＨＵは、前記蓄電モジュールと信号通信する電力閾値モジュール（２０４）をさらに含む、付記３に記載のＲＦＨＳ。
【００５０】
付記５．  前記フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子（４０８、４１０、４１２）と、複数の位相シフタ（４１４、４１６、４１８）と、合成ネットワーク（４０６）とを含み、前記プロセッサは、前記合成ネットワーク及び前記複数の位相シフタと信号通信する、付記３に記載のＲＦＨＳ。
【００５１】
付記６．  前記整流器モジュールは、少なくとも２つの量子トンネルダイオード（５０４、５０６）を含む、付記５に記載のＲＦＨＳ。
【００５２】
付記７．  前記制御部と信号通信するセンサー（１３８）と、二次アンテナ（１４６、３３４）と、前記センサー、二次アンテナ、及び制御部と信号通信するトランスミッタ（１４２、３０６）とをさらに含む、付記６に記載のＲＦＨＳ。
【００５３】
付記８．  前記トランスミッタ及び制御部の両方と信号通信するトランスミッタ閾値モジュール（３１４）と、外部キュー閾値モジュール（３１６）とをさらに含み、前記トランスミッタは送受信器で構成され、前記外部キュー閾値モジュールは、前記制御部及び前記送受信器と信号通信する、付記７に記載のＲＦＨＳ。
【００５４】
付記９．  前記制御部と信号通信するセンサー（１３８）と、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信するデュプレクサ（３０４）と、前記センサー、デュプレクサ、及び制御部と信号通信するトランスミッタ（１４２、３０６）をさらに含む、付記５に記載のＲＦＨＳ。
【００５５】
付記１０．  前記トランスミッタ及び制御部の両方と信号通信するトランスミッタ閾値モジュール（３１４）をさらに含む、付記９に記載のＲＦＨＳ。
【００５６】
付記１１．  外部キュー閾値モジュール（３１６）をさらに含み、前記トランスミッタは、送受信器で構成され、前記外部キュー閾値モジュールは、前記制御部及び送受信器と信号通信する、付記１０に記載のＲＦＨＳ。
【００５７】
付記１２．  前記蓄電モジュールは、バッテリ又はコンデンサである、付記１に記載のＲＦＨＳ。
【００５８】
付記１３．  周囲無線周波数（「ＲＦ」）エネルギー（１１８）を受信するとともに、これを受けて入力電力信号（１２０）を生成するように構成されたフェーズドアレイアンテナ（１０２、３０２、４００）と、前記フェーズドアレイアンテナと信号通信し、前記入力電力信号を受信するとともに、これを受けて整流電力信号（１２８）を生成するように構成された少なくとも２つの量子トンネルダイオード（５０４、５０６）と、を含む、無線周波数エネルギーハーベスティングシステム（ＲＦＨＳ）（１００、２００、３００）。
【００５９】
付記１４．  前記少なくとも２つの量子トンネルダイオードと信号通信する蓄電モジュール（１２４）と、前記蓄電モジュールと信号通信する電力閾値モジュール（２０４）と、前記電力閾値モジュール及びアンテナアレイと信号通信する制御部（１０６）とをさらに含む、付記１３に記載のＲＦＨＳ。
【００６０】
付記１５．  ＲＦエネルギーハーベスティングシステム（「ＲＦＨＳ」）（１００、２００、３００）によって周囲無線周波数（「ＲＦ」）エネルギー（１１８）を採取する方法であって、フェーズドアレイアンテナ（１０２、３０２、４００）によって周囲ＲＦエネルギーを受信することと、前記周囲ＲＦエネルギーの受信を受けて、前記フェーズドアレイアンテナによって入力電力信号（１２０）を生成することと、整流器モジュール（１２２、５００）によって前記入力電力信号を整流して整流電力信号（１２８）を生成することと、
前記整流電力信号を、蓄電モジュール（１２４）に蓄積して、対応する量の蓄積電位エネルギーを、前記整流器モジュールと信号通信する前記蓄電モジュール内に生成することと、蓄積された整流電力信号（１２８）を前記蓄電モジュールから送信することと、を含む方法。
【００６１】
付記１６．  前記フェーズドアレイアンテナ及び電力閾値モジュールと信号通信状態にある制御部（１０６）によって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量に基づいて、前記フェーズドアレイアンテナにおける方向制御がなされるアンテナビーム（１１４）を形成することと、前記制御部によって前記アンテナビームの方向制御を行うこととをさらに含み、前記制御部は、前記アンテナビームの方向制御によって、前記フェーズドアレイアンテナが受信する周囲ＲＦエネルギー量が増える場合に、前記フェーズドアレイアンテナの方向制御を行うべきであると判定する、付記１５に記載の方法。
【００６２】
付記１７．  整流器モジュールによって前記入力電力信号を整流して整流電力信号を生成することは、少なくとも２つの量子トンネルダイオード（５０４、５０６）によって前記入力電力信号を整流することを含む、付記１６に記載の方法。
【００６３】
付記１８．  蓄電モジュールに前記整流電力信号を蓄積することは、バッテリ又はコンデンサに前記整流電力信号を蓄積することを含む、付記１７に記載の方法。
【００６４】
付記１９．  前記センサーから、トランスミッタ（１４２、３０６）によってセンサーデータを送信することをさらに含む、付記１８に記載の方法。
【００６５】
付記２０．  前記蓄電モジュールと信号通信する電力閾値モジュール（２０４）によって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が、所定の第１閾値よりも大きいかどうかを判定することと、前記蓄電モジュール内の前記蓄積電位エネルギーの量が第１閾値以上である場合に、蓄積された整流電力信号（１２８）をセンサー（１３８）に送信することと、前記蓄電モジュールと信号通信するトランスミッタ閾値モジュール（３１４）によって、前記蓄電モジュール内の蓄積電位エネルギーの量が、所定の第２閾値よりも大きいかどうかを判定することをさらに含み、前記センサーから前記トランスミッタによってセンサーデータを送信することは、前記蓄電モジュール内の前記蓄積電位エネルギーの量が前記所定の第２閾値より大きい場合に、前記センサーから前記トランスミッタによってセンサーデータを送信することを含む、付記１９に記載の方法。
【００６６】
なお、実施形態の様々な局面又は詳細は、本発明の範囲を逸脱することなく変更可能である。これは、すべてを網羅しているものではなく、特許を受けようとする発明を、開示された形態に正確に一致するものに限定するものでもない。また、上記の説明は、例示を目的としているだけであり、限定のためのものではない。上記説明を踏まえた変更及び変形が可能であり、あるいは、本発明を実施することで、変更及び変形が可能となるかもしれない。特許請求の範囲及びその均等物が、本発明の範囲を規定する。
【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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【外国語明細書】
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