無線電力伝送用受電レクテナ(アンテナと回路の融合技術)

金沢工業大学工学部 電気電子工学科教授 伊東健治
令和３年２月２５日

1マイクロ波での無線電力伝送の動向
無線電力伝送技術
・電磁誘導方式(kHz): コイルで誘起される磁場を利用
伝送距離：mm〜cm

・共鳴送電方式(MHz)：共振器間の結合
伝送距離：cm〜m 、・電磁波方式（GHz）：電磁波による伝送（今回の説明対象システム）

伝送距離：回線設計により遠距離も（成層圏、宇宙）➔スマートフォン、工場内のセンサーへの非接触給電
バッテリーフリーの保守用センサー（屋内）、ドローンなど（屋外）
総務省にて「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システム」として制度化予定
・第１ステップ（屋内：制度化作業中）、第２ステップ（屋外）・周波数：920MHz(RFID), 2.4GHz(ISM帯, WiFi)、5.7GHz(ISM帯, WiFi)
2

金沢工業大学での無線電力伝送への取り組み
主に、受電用のレクテナ（アンテナ＋整流器：電波を受信し、直流を出力）の高効率化を研究。

１．大電力伝送用2.4GHz〜24GHz帯受電レクテナ（受電電力：1W〜10Wクラス）
・ドローンなどの移動体、工業設備などでの非接触給電
・内閣府SIP「IoE社会のエネルギーシステム」で研究（研究代表：名大 天野教授）
・回路機能を実現したアンテナと半導体の直接接続技術により究極の高効率化（世界トップ）・製品化でネックとなる整流用半導体としてGaAs 整流器IC（WIN Semiconductor社）を開発済

２．エネルギーハーベスティング用受電レクテナ（受電電力：nW〜mWクラス）
・IoTや保守用センサ類のバッテリレス化。RFIDの高性能化（動作距離延伸）。
・JST CREST「 Super Steep トランジスタ とMeta MaterialアンテナによるnW級環境RF発電技術の創出」で研究（研究代表：電通大 石橋教授）
・1kΩを超える高インピーダンスアンテナの実現による究極の高感度化（世界トップ）・製品化でネックとなる整流用半導体としてSOI-CMOS 整流器IC（Global Foundry社）を開発済
3

先鋭的な電波研究を支える日本有数の研究環境
無線電力伝送に関わる研究者(出身企業)：教授 伊東健治 無線電力伝送・RF回路（三菱電機）
研究員 坂井尚貴 無線電力伝送共同研究者

教授 牧野滋 メタマテリアルアンテナ （三菱電機）
教授 野口啓介 小型アンテナ[主要設備]
・大型電波暗室：１、小型電波暗室：２・無線電力伝送用電波暗室：１
・ミリ波までの主要測定機器（ネットワークアナライザ他），
・大電力波源（200W, 2.4GHz,5.8GHz）・集積回路組み立て用ダイボンド、ワイヤボンド設備
・ADS, CADENCE, EM-PRO, FEKOなどの設計環境を保有

教育としての研究：
先鋭的な研究課題を取り組むなかで，学生は理論検討・
4
シミュレーション・製作・検証・改善・論文発表のサイクルを経験．
4無線伝送実験用電波暗室の概要（2019年５月竣工）
・2.4GHz、5.8GHzの200W増幅器導入
・回転台あり・フェライトにより30MHz以上で対応

低背吸収体面(IS-V023)
受電(10W max)

無線送電

送電(200W max)

不燃
吸収体面(ICM006A)

低背吸収体面(IS-V023)
低背吸収体面(IS-V023)

ICM006A+フェライト

IS-V023+フェライト

200W@5.8GHz,ANT利得20dBでの電力密度18mW/cm2

吸収特性
5１．大電力伝送用受電レクテナ
受電レクテナの役割と研究の狙い
受電レクテナ

マイクロ波

受電レクテナ
送信アンテナ

受電レクテナ：長距離の無線電力伝送に適するマイクロ波伝送の受電素子・受電アンテナと整流回路からなる。マイクロ波電力を直流電力に変換。
・多数のレクテナを配置し、所望電力を得る：[例] 1W受電レクテナ X 電力効率70% X 100素子＝ 70W
研究の狙い：受電レクテナの大電力化・高効率化[例] 5W受電レクテナ X 電力効率80% X 18素子＝ 72W➔受電システムの小型・軽量化、低コスト化、定消費電力化。
6

従来の受電レクテナの問題点（効率低下要因）
100

整流ダイオードの効率

電力変換効率 (%)

90

効率低下

8070
6050400.1

1
入力電力 (W)10整流回路の電力変換効率(1) 整流回路の電力変換効率は、整流ダイオードの効率よりも低下。大電力であるほど顕著．
この効率低下は、「整流回路の回路部」の損失に起因。

(2) 高調波の閉じ込め、昇圧、整合などの機能を有する回路部により、アンテナからのマイクロ波電力を整流用ダイオードに印加。しかし回路の損失によりダイオードに届く前に減衰し効率が低下します．

(3) 今回，この「整流回路の回路部」を不要とし，受電アンテナに整流ダイオードを直接接続。
「整流回路の回路部」の損失を抑制し、高効率化。
7

本研究(高効率化技術)による5.7GHz帯受電レクテナ

短絡スタブ
(整合)

高調波の閉じ込め

100

基板表面
基板裏面

ダイオード

80

ダイオード

KIT(別研究)(次項で説明)70
6050400.1

基板表面

整流ダイオードの効率90
電力変換効率 (%)

受電アンテナ(昇圧)KIT(本研究)1
入力電力 (W)10(1) 新たな構造の受電アンテナにより「整流回路の回路部」の機能を実装。アンテナ効率の劣化は2%未満。受電アンテナに整

直流出力
基板裏面

流ダイオードを直接接続。回路損失を抑制。
(2) マイクロ波電力1W入力時92.8%の電力変換効率を実現。世界トップ性能。回路損なしの整流ダイオードの効率を実現。

直流出力受電レクテナの構成と写真（大きさ：32mm x 11mm）(3) アンテナと回路を一体化することで部品点数を究極まで削減➔後述の整流器ICとの組み合わせで２点8

主要データ(5.7GHz帯受電レクテナ)
90°c(V)

Gain(dBi)
010Measured Za−10・アンテナ効率: 96.9%・回路機能実装にともなうアン−200°

10° 180°・アンテナ利得：2.3 dBi

f=5.6–5.9GHz

Simulated Za

テナ効率低下量：2%未満

y・: f0xf=17.0–17.5GHz

270°

Rectification efficiency (%): Measured Gain
: Simulated Gain
100RL=890 W, f0=5.75 GHz

8060

92.8 %(Pin=30 dBm)

4020: Simulated: Measured0
16 20 24 28 32
Input power Pin (dBm)+ : 3f0

Normalized impedance: 500 W
Fundamental frequency f0: 5.75 GHz

DC output voltage Vdc (V)z4030・アンテナインピーダンス：
整合、高調波処理機能実現

RL=890 W, f0=5.75 GHz: Simulated: Measured

・整流器へ1W入力時に整流効率：92.8%20出力電圧：29V
1029 V(Pin=30 dBm)

0
16 20 24 28 32
Input power Pin (dBm)

9

動作デモ

5.8GHz帯受電レクテナを用いるミニ4駆走行デモ10

[実用化での最大の課題] 整流用半導体の調達
W級整流器に適用可能な市販ダイオード➔なし
従来の代替案：GaAs/GaN FET増幅器構成による同期型整流器➔大型，低効率Vgdc
RF output L
L
input
FETS

Rectification efficiency (%)

MC100

DGMC

Phase shifter

Rectifier type
BR：Bridge
SS：Single shunt

DV：Double voltage
SY：Synchronous

This work
90

SS[6]

SS[4]

80

SS[7]
70
60

GaAs
GaN

SY[9]

DV[10]
SY[8]
SS[7]

50

1
Input power (W)10

新たな代替案：E-pHEMTによるGated anode diode（マイクロ波領域では初の発表）
Diode
Vj = Vds = Vgs

Ij
E-pHEMTD

Vj = Vds

GVgs

S

CathodeCurrent Ij, Ids (mA)

400300-150.5
11.5Voltage Vj, Vds (V)Si-SBD(HSMS282P)

GaAs-SBD

30 GHz22.4 V107 mA/pF

334 GHz28 V
564 mA/pF

GAD with
E-pHEMT(This paper)
253 GHz13.7 V
1170 mA/pF-5

Measured -60

0fc
Vbr (100 mA)
Imax

200-40100

Imax = 490 mA@1.3 V

4000-20

2000-10600-80Modeled -100

Current Id (μA)

Anode

Current Id (mA)E-pHEMT

0.5 1.0 1.5
Voltage Vj (V)

小信号用FETを使用
・高周波特性はGaAs SBD同等
・ブレークダウン電圧は劣るが，大電流動作に適する．
11

Cj00.75 pF

5.7GHz帯5W整流器IC
図 2 E-PHEMT ダイオードのモデル
RFinput Cdcport

E-PHEMT
Diode x6

LMatchingcircuit

CLThermal
via-hole

整合回路含め1mm角に集積化

Input
port

DCoutputport

GAD with
E-pHEMT x6

Outputport

Simulated
7050
1.2mm
60
Measured
4050
3040
Thermal30 RF
via-hole
20
Measured
20 input
1010DC0 port
020 25 30 35 40
25303540
outputInput power (dBm)
Input
power(dBm)
E-PHEMT・5.1 W入力時に整流効率77.9%,出力電圧39.8V(トップ性能)1.2mm

Output voltage (V)Rectification efficiency (%)

図 380 5.8GHz
帯倍電圧整流器
MMIC の構成
60Simulated

・整合回路損失を除くと85%程度==>アンテナへとダイオードの直接接続構成評価中

port

diode

ブリッジダイオードチップ

図 4 5.8GHz 帯倍電圧整流器 MMIC の外観
80
70

Simulated
50e (V)

iency (%)

Measured

RL=330Ω

4012アンテナ一体5.7GHz帯受電レクテナの開発ロードマップ@金沢工大
早期実用化が可能な研究成果
GaAs GAD (VB=13V)

GaAs SBD (VB=25V)
GaAs SBD

アンテナ基板GaAs GAD
1Wにおける世界最高効率(92.8 %)2020年度上期: 1 W 92.8%

GaN GAD

10Wにおける断トツの世界最高値

アンテナ基板（放熱）アンテナ基板(放熱)2020年度下期: 5 W, 85%

2022年度: 10 W, 85%

GaAs GAD

100

金沢工大

金沢工大

90

電力変換効率 (%)

GaN GAD (VB=100V)GaN GAD名大/金沢工大

80
三菱(GaAs SBD)

70

[従来構造]IC

アンテナ基板6050

西安電子科技大(GaN SBD)

GaAs/GaN
SBD

400.11
入力電力 (W)

回路
基板

1013

Gated Anode Diode(GAD)を用いる20GHz帯整流器ICLSmoothing
Capacitor CL

Outputport

L0.75 mm

Input
port

Rectification
efficiency (%)

GAD with
E-pHEMT x4Cdc
CL0.85 mm

Outputport

70
60504030 Simulated
20Measured
10018 20 22 24 26
Frequency (GHz)

Output voltage (V)dc block
Cdc

GAD with
E-pHEMT
x470
Measured
605040Simulated
302010015202530
Input power (dBm)

Output voltage (V)Input
portMatchingcircuit

Rectification
efficiency (%)

・空間伝送損失を抑制するためには、アンテナの高利得化が可能なミリ波が有利。
・周波数としてはISM帯(24GHz)、5G(28GHz帯)が候補。
・20GHzにおいて入力電力 26.8dBm (0.48W)のと き整流効率 60.1%，出力電圧 16.6V を得た。
3025Simulated
2015105Measured
015202530
Input power (dBm)

12108Simulated
6Measured42018 20 22 24 26Frequency (GHz)142. エネルギーハーベスティング用受電レクテナ- JST CREST他での成果
特長：1kΩを超える高インピーダンスアンテナの実現による究極の高感度化（世界トップ）
折り返しダイポールアンテナ
微小ループアンテナ
メタマテリアル技術による薄型化高インピーダンスアンテナ
整流素子：市販SBD(μW～mW動作)，SOI-CMOS IC(nW～μW動作)(1) AM放送波用1MHz帯受電レクテナ•ループアンテナ（370kΩ）＋市販SBD /SOI-CMOS IC (nW動作)(2) DTV用500MHz帯受電レクテナ•折り返しダイポールアンテナ(2ｋΩ)＋市販SBD(μW動作,全chカバー)(3) RFID用920MHz帯受電レクテナ•
折り返しダイポールアンテナ(2ｋΩ)＋市販SBD(μW～mW動作)•
双ループアンテナ(2ｋΩ)＋市販SBDSBD(μW～mW動作)•
微小ループアンテナ(27kΩ)+SOI-CMOS ICSBD(sub-μW動作)•
AMC基板上の折り返しダイポールアンテナ(20ｋΩ)＋SOI-CMOS IC （厚さ4mm, sub-μW動作）(4) WiFi用2.4GHz帯受電レクテナ•
３導体折り返しダイポールアンテナ(10ｋΩ)＋SOI-CMOS IC （sub-μW動作）•
AMC基板上の折り返しダイポールアンテナ(10ｋΩ)＋SOI-CMOS IC （厚さ4mm, sub-μW動作）
15RF Energy Harvesting 基本技術開発
40nm SOI-CMOS 整流器ICを開発し、これを用い2.4GHz帯および920MHz帯レクテナを開発。高インピーダンスアンテ
ナによりトップ性能を実現。サブμWでの動作確認。

2.4GHz帯レクテナ S.Tsuchimoto, et.al., WPTC2019
3導体折り返しダイポールアンテナ(3-FDA)で10kΩの高インピーダンス実現。誘導性とし整流器チップを直接整合。2.4GHz帯レクテナとしてトップ性能。
整流器IC

920MHz帯レクテナ S.Tsujita, et.al., APMC2019
微小ループアンテナと整流器ICを直接接続、26kΩの共振インピーダンスを実現し、高感度化。サブμW領域での動作を確認。920MHz帯レクテナとしてトップ性能。
整流器
IC

微小ループアンテナ

SOI-CMOS
整流器IC

微小ループアンテナ
寸法： 46mm X 40mm

RF入力

DC
出力

3-FDA

Calculated
Calculated

15整流器IC
Measured

Measured

Measured

10This studyS. Mandal
2007

J. Yi
2007

5Simulated

02.32.42.5
Frequency (GHz)

0M. Stoopman
2014
Gain(dBi)

Rectification efficiency (%)

V_sim
V_meas
寸法: 52mm XV_sim_withL
26mm-10G. Papotto
2005

アンテナ利得Theory1.8 dBi
Calculated
0.7 dBi @0°
Measured
1.1 dBi @0°16メタマテリアルアンテナを用いる高感度レクテナ
0.80.40.20.6DC
出力37μmRF
入力

Output voltage (V)0.30.20.1
090066μm
RF input port
Cdc
Two stage CCPCLDC output port

2.4GHz帯
レクテナ

802.4GHz
43mm X30mm
10kΩ3.5dBi6.6dBi
2段
0.27V@-30dBm
0.39V@-30dBm
37%@-30dBm
78%@-30dBm

60
400-408070 On
60 metal
5040
Free
3020
space
100-40 -35 -30 -25 -20
Input power (dBm)

60This work

40

M.Stoopman
2014
S.Mandal
2007
J.Yi
2007

20
KIT-LOOP
2019

0-40

G.Papotto
2007-30-20-10
Input power(dBm)

0.8

On
metal
Free
space

20-35-30-25
Input Power (dBm)

-20

2.38
2.4
2.42
Frequency(GHz)

2.44

0.6On
metal

0.4
0.20-40

Free
space-35-30-25
Input Power (dBm)-200.4Output Voltage(V)900MHz122mm X50mm
16kΩ
1.9dBi3.2dBi
3段0.54V@-30dBm
0.60V@-30dBm
53%@-30dBm
72%@-30dBm

910 920 930 940
Frequency (MHz)100

SOI-CMOS整流器IC(2段)とレイアウト(PAD除く)
周波数
大きさ
インピーダンス
ANT利得@自由空間@金属板上
SOI-CMOS整流器IC
出力電圧@自由空間@金属板上
効率@自由空間
@金属板上

0.4

DC出力

メタマテリアルアンテナを用いるレク
テナ-35 -30 -25 -20
Input power (dBm)

0.5

Efficiency(%)

4整流器
ICFree
space

0.6

0-40

RF入力

Efficiency (%)

1Rectification efficiency(%)

920MHz帯
レクテナ

OnmetalOutput voltage(V)

誘導性インピーダンスとした高インピーダ
ンス・メタマテリアルアンテナと40nm SOICMOS 整流器ICにより2.4GHz帯および920MHz帯レクテナを開発。高効率特性を確認。金属板上での高効率動作も実証。

Output voltage (V)1.20.30.20.102.3617環境RF信号からの発電実験
金沢で共振インピーダンス330kΩのループアンテナとSOI-CMOS整流器ICを用いたAM
ラジオ放送波から発電。関東(NHK, 500kW)での平野部全域での動作に相当。

RFID送信機(1W, 920MHz)からの室内発電。壁を挟んだ25mの距離で発電。またメタマテリアルレクテナでは金属板上での発電を確認。

RFID送信機
レクテナ
RFID送信機
ループアンテナ 正面(19ターン)140
calculated

Efficiency (%)

Output voltage (V)Open0.1

0.01

Matchedload

30
2010
measured0.001

102030Distance (km)400-70-60-50-40
Input power (dBm)-30

メタマテリアル・レクテナ(自由空間)

メタマテリアル・レクテナ(金属板上)
18実用化に向けた課題：法制化• 総務省にて「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システム」として制度化予定。法制化時期に合わせたシステム検討。
• 周波数：920MHz(RFID), 2.4GHz(ISM帯) ,5.7GHz(ISM帯)• 第１ステップ（屋内：制度化作業中）、第２ステップ（屋外）• 法制化が不要な非放射のシステムでの利用の検討（例：電子レンジなど高周波加熱装置への付加）

19

企業への期待• 早期の社会実装に向けたシステム化。
• 様々な応用が考えられるなかで、送電、受電での電源系含めたシステム化が可能な企業との研究を期待。
• 電力伝送チップセットとしての商流を期待する企業 に つ い て は IC 化 。 弊 学 の 技 術 で referencedesignを構築可能。

20

本技術に関する知的財産権21

産学連携の経歴• 2009年-2021年 企業と共同研究実施(合計６社から受託、現在４社、３社検討中)• 2016年JST CREST（微弱電力受電）• 2018年内閣府SIP(大電力受電)

22伊東健治 略歴
1983年３月 同志社大学 工学部 電子工学科 卒業
1983年４月 三菱電機株式会社入社（情報電子研究所 配属）
1997年３月 東北大学 工学研究科 後期博士課程 修了，博士（工学）1997年10月 情報技術総合研究所から通信システム統括事業部へ異動
2003年10月 モバイルターミナル製作所 第一技術部長

2009年9月 金沢工業大学工学部 教授
学会活動、受賞：[IEEE]
2002-present Technical Program Committee Member of IEEE MTT-S International Symposium
2004-2008 Associate Editor of IEEE Trans. MTT

2006-2008，2010，2012-2014 IEEE MTT-S elected ADCOM member
2014 IEEE MTT-S N. Walter Cox Award
2017 IEEE FELLOW[日本学術会議]2008-2010 日本学術会議URSI-C委員長[電子情報通信学会]2014

和文論文特集号「大学発マイクロ波論文特集号」編集委員長
General chair of Thailand Japan MicroWave 2014 (TJMW2014，信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催)

2015

General chair of Vietnam Japan MicroWave 2015 (VJMW2015，信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催)

2017

General chair of Vietnam Japan MicroWave 2017 (VJMW2017，信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催)

受賞：関東地方発明表彰発明奨励賞 2件, 近畿地方発明表彰発明奨励賞，第50回オーム技術賞
著書「モバイル通信の無線回路技術」（電子情報通信学会，共著）、無線通信の基礎技術(オーム社、共著)、マイクロ波伝送・回路デバイスの基礎（オーム社、共著）

23

お問い合わせ先

金沢工業大学
産学連携局 産学連携東京分室
ＴＥＬ
ＦＡＸ
e-mail０３ － ５７７７ － １９６４
０３ － ５７７７ － １９６５
iuctky＠mlist.kanazawa-it.ac.jp
24