無給電インフラ監視センサプラットフォーム
代表研究者

金谷 晴一

九州大学大学院システム情報科学研究院

1 はじめに道路、鉄道、空港、エネルギー施設等のインフラ、及び巨大構造物等の社会基盤において、老朽化や点検不足が原因とされる事故・事例が社会的な大きな関心事となっている。今後の人口減の中で、無線センサ・ネットワーク（IOT）を用いたインフラのモニタリングが急務の課題である。
このようなモニタリングシステムは長期間にわたって稼働することが求められており、一般に電池で駆動される。すなわち、モニタリンスシステムの消費電力を特に考慮する必要がある。したがって有限の電池容量であるため、モニタリングシステムは定期的に電池を交換するための追加のコストが必要となる。さらに大型構造物に多数のモニタリングシステムを装着した場合においては、電池交換が困難か、または非実用的である。
エナジーハーベスティング（環境発電）は、周囲の環境にすでに存在するエネルギーを集めることによってエネルギー問題の解決策を提供することができる。エナジーハーベスティングは、環境からのエネルギーを利用し、それを電気エネルギーに変換することである。収穫されたエネルギー源が大きく、継続的に（または定期的に）利用可能である場合、センサノードは永続的に電力を供給され得る。このように、エネルギーは本質的に無限大である。
アンテナの観点からは、受信された電力を増加させ、送信アンテナとの不整合を排除するためにいくつかの構成が導入された。これらの構成のうち、円偏波アンテナは、直線偏波アンテナに比べ、位置ずれはほぼ２倍の電力を受信する能力を有す。アンテナの最小化は、典型的なエナジーハーベスティングシステムにとって最も適切なアンテナ構成である。
提案システムのブロック図を図 1 に示す。送信機は、指定された共振周波数で、平均電力レベルで電磁信号を放射する。信号は、同じ共振周波数で一定の帯域幅で動作するアンテナを使用して環境に放射される。
受信機側で受信された無線電力は、システムの最も重要なブロックである RF-DC 整流器を使用して DC エネルギーに変換される。変換された直流電力は、比較的高い静電容量（0.1F）を有するスーパーキャパシタに蓄積される。BLE ユニットはスーパーキャパシタに直接接続される。以下の各章では、すべてのユニットについて詳しく説明する。
提案されたシステムは、円偏波アンテナと広帯域倍電圧 RF 整流器で構成されている。第二章では、アンテナ構造に焦点を当てながら、アンテナ設計手順を詳細に説明する。整流器の実験的な回路接続は第三章で説明する。

図 1 提案システムのブロック図

2 スパイラルアンテナの設計及び評価
本研究では、スパイラルアンテを送受信アンテナとして選択した。スパイラルアンテナ構成は、高利得、広帯域、円偏波、および簡単な構成のため、広帯域通信システムに広く使用されている。唯一の欠点は、平衡－不平衡ポート変換を使用して広帯域にわたって整合を達成することが困難である給電構造である。
アンテナ構造として、対数型螺旋 (logarithmic spiral) アンテナを応用した[1-3]。本アンテナは理論的には非常に広い帯域にわたってアンテナ特性を有する。実際のアンテナにおいては、アンテナの上限周波数1と下限周波数を設定する。スパイラルアンテナの場合、ほとんどのアプリケーションでは、アンテナ裏面への放射を遮断するために単方向アンテナが必要である。そのためアンテナ裏面に放射板を接続した。
Rumsey はスケーリングが回転と等価であるという特性を満たす曲線を導き出した。この曲線は極座標で次のように書かれる[4, 5]。

ここで、定数 a は折り返しの速度を決定し、定数 b は曲線をスケーリングである。対数周期ダイポールアンテナ log-periodic dipole antenna（LPDA）のサイズは、周波数によって異なる放射特性を示す。アンテナの設計は三次元電磁界シミュレータ HFSS (Ansys) により行った。図 2(a) において、LPDA スパイラルア
ンテナは２つの対極金属ストリップにより構成される。上部スパイラル金属ストリップが基板上側に実現され、一方、180 度回転された下部スパイラルが基板下側に配置される。二つの螺旋は対極アンテナを構成する。同軸線路による給電は上部ストリップと下部ストリップの間で行わる。反射用メタルパッチは、基板から 15mm 下の距離に設定されている。これによりすべての後方放射を基板上面に反射することが可能となり、利得は約 3dB 向上する。試作した LPDA の写真を図 2(b) に示す。

(a) LPDA のレイアウト(b) 試作した LPDA の写 右図はコネクタ部
図 2 アンテナレイアウト、及び試作アンテナの写真
アンテナの測定結果とシミュレーション結果の比較を図 3 に示す。設計アンテナの反射特性を測定結果と比較して図 3(a) に示す。このアンテナは、1〜3 GHz の広帯域特性を持ち、S11 は 6 dB 未満である。アンテ2

ナ利得の 3D 画像を図 3(b) に示す。本図よりアンテナ放射が z 軸方向（ブロードサイド）にあることが理解できる。最大ゲイン (8.89dB) 方向はブロードサイド（+ Z 方向、シータ= 0deg）である。周波数に対するアンテナ利得を図 3(c) に示す。どちらの結果も、約 2.45GHz で達成された最大利得とよく一致している。
アンテナ軸比（Axial Ratio, AR）は、円偏波アンテナの偏波を定量化するのに役立つ非常に重要なパラメータである。
軸比は、楕円の長軸と短軸との間の関係である。AR を図 3(d) に示す。AR の実測値は帯域幅 270MHz
で 2.45GHz 付近で 2dB 未満である。
0.00-5.00

Measured-10.00S11 d B

-15.00-20.00

Simulated-25.00-30.00-35.00

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00
Freq [GHz]

3.50

4.00

4.50

5.00

(a) アンテナの反射係数 S11(b) 設計アンテナの三次元放射パターン
SO

10.00

Simulated
8.00

MeasuredG a in d B

6.00

4.00

2.00

0.00

2.00

2.20

2.40

Freq [GHz]

2.60

2.80

3.00

(c) 周波数= 2.45GHz におけるアンテナ利得の実験結果と設計結果の比較(d) AR の実測値と設計値
図 3 提案アンテナの実測値と設計値の周波数特性

3 整流回路の設計及び評価
本章では、整流回路の設計手順について説明する。整流回路は、回路シミュレーションソフトウェア（ADS、Keysight）を使用して検証した。受信電圧と整流回路の間のインピーダンス整合回路は、出力電圧を上げ、さらに反射と伝送損失を減らすために必要である。低電力であるセンシングアプリケーションの場合、整流後に満足される主な目的は、最大量の電力を回収し、整流回路によって生じる電力損失を減らすことである。
印加電力が低いとき、回路素子に含まれる寄生素子により、整流回路の効率も低い。電力変換効率または RF/ DC 変換効率（η）は、最適なワイヤレス電力伝送のための重要な特性であり、次の式(2)のように計算される。

3(2)電圧増倍器構造は、高周波無線信号を全波整流するため、RF-DC 電力変換システムの設計に適している。
図 4 に従来型全波整流回路を示す。図 4 の電圧増倍整流器はコンデンサ C とダイオード D1 によって整流されたピークを形成し、一方電圧クランプは D2 と C によって形成される。本回路は倍電圧器とも呼ばれ、理論上の出力電圧は入力電圧の約 2 倍となる。無線入力信号は、正のサイクルの間に整流される。また負のサイクルの間に入力コンデンサ C1 に蓄積された電圧は、無線入力信号の次の正のサイクルの間に出力コンデンサC2 に伝達される。したがって、C2 の電圧は、無線信号のピーク電圧の約 2 倍からダイオードのターンオン電圧の 2 倍を引いたものである。

図 4 基本的な整流回路の回路図より高い DC 出力電圧レベルを達成するために、１つの倍電圧回路を縦続接続で n 段に拡張することができる。各ステージは直列に接続され、カスケード接続された DC 電源と同じように動作し、出力電圧を増やすことが可能である。

(a) 整流回路のレイアウト(b) 製作した整流回路の写真

図 5 整流回路のレイアウト及び試作写真作製した RF-DC 整流回路のレイアウトを図 5(a) に示す。インピーダンス整合回路は、RF-DC 変換効率を向上させるための重要な要素である。整流回路にはショットキーダイオード SMS-7630(Skyworks) を選択した。
インダクタとマイクロストリップラインは入力インピーダンス整合回路に使用され、コンデンサは DC ブロックコンデンサと DC フィルタコンデンサに使用される。整流回路の寸法は非常にコンパクトであり、Coplanar
Wave Guide (CPW) フィードラインを有するアンテナと容易に一体化することができる。本回路では、整流器

4は 50Ωの同軸コネクタを使用してアンテナに接続されている。整流器の性能を向上させるために、広帯域にインピーダンス整合されている。整流回路の試作写真を図 5(b) に示す。

4 エネルギーハーベスティングシステムの測定結果
アンテナと整流回路の統合のために、アンテナのインピーダンスパラメータをエクスポートし、それを ADSソフトウェアの整流器の入力インピーダンスとして導入することにより行った。回路の設計の妥当性を証明するために、アンテナと整流回路を一体化した場合の実験結果と設計結果を比較した。図 6 に測定結果を示す。図 6(a) は広帯域周波数において、各周波数における整流回路の電力効率の入力電力依存性を示す。図6(b) は、各入力電力における、電力効率の周波数特性を示す。各周波数において、入力電力-15dBm 以上で回路が動作し、0dBm 以上では、40%以上の電力効率が実現できた。

(a) 各周波数における電力効率の入力電力依存性(b) 各入力電力における電力効率の周波数依存性
図 6 広帯域周波数における整流回路の出力特性

55 無給電センサプラットフォームの実証実験
前章にて開発したアンテナ及び整流回路に温度及び湿度センサと、BLE 通信ユニットとを接続し、無給電における、センサプラットフォームの実証実験を行った。全体のブロック図を図 7 に示す。無線信号送信器
は RF は、Keysight Technologies のファンクションジェネレータと送信用スパイラルアンテナで構成されている。図 7 の左側が受信部分である。受信部分は、整流器に接続された受信用スパイラルアンテナ（送信アンテナと同一）を用いて構築されている。受信電力は約-1 dBm である。続いて、0.1F のキャパシタが整流回路の出力に接続されている。BLE ユニットには温度及び湿度センサが接続されている。BLE ユニットに入力される DC 電圧をモニタするためにデジタルボルトメータを接続した。

図 7 BLE ユニット、センサユニットとアンテナ･整流回路の実験系(a) 測定系全体の写真

6

(b)ノート PC の USB ポートに挿入された BLE 受信ユニット
図 8 無給電センサプラットフォームの測定系の写真
図 8 に測定系の写真を示す。図 8(a) より通信距離は 1.2m である。測定データは 1 分間隔で、PC に転送される。図 8(b) はノート PC の USB ポートに接続された BLE 受信ユニットである。idle mode では、ユニット右側の赤色の LED が点灯する。データを受信した場合 (receiving mode)、ユニット左側の青色の LED が点灯する。本システムを用いて 24 時間にわたる無給電実験を行った。BLE 入力端子でモニタされる整流回路の出力電圧値を図 9 に示す。図 9 より、BLE の通信開始時、すなわち最初の receiving mode においては、DC 電圧は 1.97 V に低下する。しかしながら、idle mode においては、約 100〜120 mV の電圧がスーパーキャパシタに充電される。これにより、スーパーキャパシタに充電された電圧により、電池レスでセンシングと通信が可能となった。BLE モジュールは、検知した温度と湿度のデータを 10 秒間隔で PC に送信される。
図 10 は PC 画面に表示されるセンシングデータのキャプチャである。図より、温度、湿度はもちろんのこと、BLE 受信強度から、センサと PC 間の距離もあわせて計測することができた。

図 9 BLE ユニットの電圧の時間変化

7(a) 室温の温度の時間変化(b) 湿度の温度の時間変化(c) 通信距離86 まとめ
本研究では、BLE に給電するための長距離 RF エネルギーハーベスティング用レクテナの開発を行った。円偏波アンテナと整流回路を統合し、さらにセンサと BLE システムを一体化することにより、無給電インフラ監視センサプラットフォームを実現した。本システムにより、無線信号の受信により、温度･湿度、及びセンサと測定用 PC 間の通信距離のリアルタイム測定に成功した。今後はアンテナと整流回路路の高効率化、及び高利得化により、通信距離の更なる増大を目指す。

【参考文献】[1] H. Nakano, K. Kikkawa, Y. Iitsuka, and J. Yamauchi, "Equiangular spiral antenna backed by ashallow cavity with absorbing strips," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 8, pp.
2742-2747, Aug. 2008.
[2] J. J. H. Wang and V. K. Tripp, "Design of multioctave spiral-mode microstrip antennas," IEEE
Trans. Antennas Propag., vol. 39, no. 3, pp. 332-335, Mar. 1991.
[3] W. Fu, E. R. Lopez, W. S. T. Rowe, and K. Ghorbani, "A planar dual-arm equiangular spiralantenna," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 5, pp. 1775-1779, May 2010.
[4] Curty, J.; Joehl, N.; Dehollain, C.; Declercq, M. Remotely powered addressable UHF RFID
integrated system. IEEE J. Solid State Circuits 2005, 40, 2193-2202.
[5] 1. P.E. Mayes, "Frequency-independent Antennas and Broadband Derivatives Thereof,"
Proceedings of the IEEE, Vol. 80, 1982: 103-112.

〈発題

名600GHz wideband planar array antenna
on a chip
Enhanced Broadband RF Differential
Rectifier Integrated with Archimedean
Spiral Antenna for Wireless Energy
Harvesting Applications
Impedance-matched
Planar-antenna-integrated
High-efficiency
Push-pullPowerAmplifierwithCenter-tappedTransformer for 5 GHz WirelessCommunication
Dual-band differential outputs CMOS
Low Noise Amplifier
Wideband slot array antenna for 1 THzband imaging device
A Low-Power and GHz-band LC-DCO
Directly Drives 10mm On-chip ClockDistribution Line in 0.18um CMOS,
A
High-frequency,
Low-Coupling
8-shaped Differential Inductor withPatterned Ground Shield
Design of A Phased Array Antenna for
Indoor Positioning System
Effect of Subthreshold Slope on
Sensitivity of MOS-HEMT Square Law
Detector for THz Waves
360°Phase Shifter Design Using

表資料〉

掲載誌・学会名等

発表年月

Proc. SPIE 10917 photonics west
2019, 109171P (8 pages)

2019/3

Sensors 2019, 19(3), 655 (13pages)

2019/2

Sensors and Materials, Volume30,Number12(2)pp.
2969-2978

2018/12

Proc. of the 20th Electronics
PackagingTechnologyConference, pp. USB_1-4
Proc. of the 20th Electronics
PackagingTechnology
Conference, pp. USB_1-4
IEICE
Transactions
onFundamentals
Vol.E101-A,
No.11, pp.1907-1914
MicrowaveandOptical
Technology Letters, Vol.60,
Issue 11, pp.2704-2707
Proc.
2018
Asia-PacificMicrowave Conference, pp.1-3
Proc. IEEE TENCON
pp.1055-1058

2018,

IEEE Microwave and Wireless9

2019/122019/122019/11
2019/112019/112019/10
2019/8

Dual-Branch Switching Network

Components Letters, Vol. 28,
Issue 8, pp.675-677

10