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技術 レクテナアレー

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 新井麻希山口陽関智弘
出願日 2016年2月29日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2016-036699
公開日 2017年9月7日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-158224
状態 特許登録済
技術分野 導波管型周波数選択装置および共振器 電磁波による給配電方式
主要キーワード トーナメント表 シリーズ接続 各整流回路 シャント接続 非線形デバイス アンテナブロック レクテナ 高インピーダンス線路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

レクテナアレーにおいて、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高める。

解決手段

第3段回路13、第2段回路12、第1段回路11では、RF電力合成素子3は伝送線路中間点P0でない接続点P1に接続される。伝送線路を通った信号は、RF電力合成素子3で合成される。このとき、信号に含まれていた高調波が伝送線路の長さの違いにより抑制される。

概要

背景

従来において、無線電力伝送システム等に用いられるレクテナアレーでは、各アンテナもしくはアンテナブロックごとに専用設計の高調波抑圧レクテナデバイスを用意したり、また、必要となる電力レベル分のデバイスを用意したりする必要がある。専用設計の高調波抑圧レクテナデバイスを使用することで、高調波が抑制され直流への変換効率を高めることができる。

概要

レクテナアレーにおいて、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高める。第3段回路13、第2段回路12、第1段回路11では、RF電力合成素子3は伝送線路中間点P0でない接続点P1に接続される。伝送線路を通った信号は、RF電力合成素子3で合成される。このとき、信号に含まれていた高調波が伝送線路の長さの違いにより抑制される。

目的

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高めることができるレクテナアレーを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

2個のアンテナのそれぞれに対し、1個の整流回路入力端が接続されるアンテナ回路と、一方の前記整流回路の出力端と他方の前記整流回路の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される信号合成回路とを備え、前記RF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されることを特徴とするレクテナアレー

請求項2

2のn(nは2以上の整数乗個のアンテナのそれぞれに対し、1個の整流回路の入力端が接続されるアンテナ回路と、2個の前記整流回路を1組として、各組の一方の整流回路の出力端と他方の整流回路の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される第n段回路と、n>mを満たす自然数である各mについて設けられる第m段回路であって、第(m+1)段回路の2個の前記RF電力合成素子を1組として、各組の一方のRF電力合成素子の出力端と他方のRF電力合成素子の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される第m段回路とを備え、n≧pを満たす自然数である少なくとも1つのpについて、第p段回路の少なくとも1つの組のRF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されることを特徴とするレクテナアレー。

請求項3

n≧pを満たす自然数である全てのpについて、第p段回路の全ての組のRF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されることを特徴とする請求項2記載のレクテナアレー。

請求項4

前記整流回路の少なくとも1組において、一方の整流回路または両方の整流回路に高周波チョークコイルまたは高インピーダンス線路または疑似地板が接続されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のレクテナアレー。

請求項5

前記中間点と接続点の間の距離をdとすると、ただし、kは、0以上の整数であり、λは、前記各アンテナで受信する電波高調波のうちの当該中間点と接続点を含む伝送線路に接続されたRF電力合成素子で抑制する高調波の波長であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のレクテナアレー。

請求項6

n≧p>qを満たす自然数であるp、qについて、第p段回路のλより、第q段回路のλが長いことを特徴とする請求項5記載のレクテナアレー。

請求項7

前記アンテナは、マイクロストリップアンテナスロットアンテナテーパースロットアンテナ、誘電体ロッドアンテナ、または、これらを複数接続したアンテナアレーであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のレクテナアレー。

請求項8

前記整流回路は、シリーズ接続したダイオードシャント接続したダイオード、または、シリーズ接続したダイオードとシャント接続したダイオードを組み合わせた回路であることを特徴とする請求項1または2記載のレクテナアレー。

技術分野

0001

本発明は、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高めることができるレクテナアレーに関する。

背景技術

0002

従来において、無線電力伝送システム等に用いられるレクテナアレーでは、各アンテナもしくはアンテナブロックごとに専用設計の高調波抑圧レクテナデバイスを用意したり、また、必要となる電力レベル分のデバイスを用意したりする必要がある。専用設計の高調波抑圧レクテナデバイスを使用することで、高調波が抑制され直流への変換効率を高めることができる。

先行技術

0003

特開2012−75227号公報
特開2013−165389号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、従来では、専用の高調波抑圧レクテナデバイスを設けることの困難性が高く、レクテナアレーにおいて、高調波を抑制して変換効率を高めることが難しかった。

0005

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高めることができるレクテナアレー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

上記課題を解決するために、第1の本発明のレクテナアレーは、2個のアンテナのそれぞれに対し、1個の整流回路入力端が接続されるアンテナ回路と、一方の前記整流回路の出力端と他方の前記整流回路の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される信号合成回路とを備え、前記RF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されることを特徴とする。

0007

第2の本発明のレクテナアレーは、2のn(nは2以上の整数乗個のアンテナのそれぞれに対し、1個の整流回路の入力端が接続されるアンテナ回路と、2個の前記整流回路を1組として、各組の一方の整流回路の出力端と他方の整流回路の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される第n段回路と、n>mを満たす自然数である各mについて設けられる第m段回路であって、第(m+1)段回路の2個の前記RF電力合成素子を1組として、各組の一方のRF電力合成素子の出力端と他方のRF電力合成素子の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子が接続される第m段回路とを備え、n≧pを満たす自然数である少なくとも1つのpについて、第p段回路の少なくとも1つの組のRF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されることを特徴とする。

発明の効果

0008

本発明によれば、RF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点に接続されるので、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高めることができる。

図面の簡単な説明

0009

本実施の形態のレクテナアレーの一実施例を示す図である。
別の整流回路2の例を示す図である。
変形例1のレクテナアレーの一部を示す図である。
変形例2のレクテナアレーを示す図である。

実施例

0010

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

0011

図1は、本実施の形態のレクテナアレーの一実施例を示す図である。

0012

図に示すように、レクテナアレーは、トーナメント表のような多段構成を有する。具体的には、レクテナアレーは、アンテナ回路10と、第1段回路11と、第2段回路12と、第3段回路13とを備える。

0013

(アンテナ回路10の構成)
2の3乗個(8個)のアンテナ1のそれぞれに対し、1個の整流回路2の入力端が接続される。すなわち、アンテナ1の数、整流回路2の数は、2のn乗個であり、nは2以上の整数である例えば3である。

0014

各アンテナ1は、例えば、マイクロストリップアンテナスロットアンテナテーパースロットアンテナ、誘電体ロッドアンテナ、または、これらアンテナを複数接続したアンテナアレーである。

0015

各整流回路2は、例えば、図1に示すように、シリーズ接続したダイオードである。図1の向きの場合、整流回路2の入力端はダイオードのアノードであり、出力端はカソードである。ダイオードの向きを逆にしてもよい。

0016

または、整流回路2は、図2(a)に示すように、シャント接続したダイオードでもよい。シャント接続したダイオードを用いる場合、整流回路2の入力端、出力端は共通となる。入力端、出力端は、例えば、図のように、ダイオードのアノードであり、ダイオードのカソードは接地される。ダイオードの向きを逆にしてもよい。

0017

または、整流回路2は、図2(b)に示すように、シリーズ接続したダイオードとシャント接続したダイオードを組み合わせた回路でもよい。図の場合、整流回路2の入力端は、シリーズ接続したダイオードのアノードであり、出力端は、シリーズ接続したダイオードのカソードである。各ダイオードの向きを逆にしてもよい。

0018

このように、整流回路2としては、様々な回路が採用できる。後述の変形例でも同様である。

0019

アンテナ1は電波を受信し、整流回路2は、アンテナ1から出力される交流信号を直流に変換する。なお、整流回路2から出力される信号には、電波の基本周波数の高調波の成分が含まれる。

0020

(第3段回路)
第3段回路13は、nが3の場合の第n段回路に相当するものである。

0021

第3段回路13では、2個の整流回路2を1組として、各組の一方の整流回路2の出力端と他方の整流回路2の出力端とが伝送線路で接続され、伝送線路にRF電力合成素子3が接続される。

0022

RF電力合成素子3は、伝送線路の中間点P0でない接続点P1で伝送線路に接続される。伝送線路は、例えば、マイクロストリップ線路スロット線路コプレーナ線路であり、例えば、平面基板(図示せず)に形成される。このような伝送線路を単に伝送線路という。

0023

好ましくは、中間点P0と接続点P1の間の距離をdとすると、dは、

0024

となっている。

0025

ただし、kは、0以上の整数であり、λは、各アンテナ1で受信する電波の高調波のうちの当該中間点と接続点を含む伝送線路に接続されたRF電力合成素子3で抑制する高調波の波長である。

0026

各整流回路2から出力される信号は伝送線路を通り、RF電力合成素子3で合成される。このとき、整流回路2から出力される信号に含まれていた高調波が伝送線路の長さの違い(d)により抑制される。

0027

例えば、第3段回路13のRF電力合成素子3は第4高調波を抑制する。k=0、第4高調波の波長をλ(@4th harmonics)とすると、dは、λ(@4th harmonics)/4である。dをこのように設定すると、dにより接続点P1で第4高調波が相殺され、抑制できる。また、接続点P1でインピーダンス整合が維持できる。

0028

なお、上記式のようにdを設定しなくても、中間点P0でない接続点P1で信号を合成すれば、少なくとも第4高調波を小さくすることができる。

0029

(第2段回路)
第2段回路12は、n>mを満たす自然数の1つである2について設けられる第m段回路に相当するものである。

0030

第2段回路12では、第(m+1)段回路、つまり第3段回路13の2個のRF電力合成素子3を1組として、各組の一方のRF電力合成素子3の出力端と他方のRF電力合成素子3の出力端とが伝送線路で接続され、伝送線路に第2段回路12のRF電力合成素子3が接続される。

0031

RF電力合成素子3は、伝送線路の中間点P0でない接続点P1で伝送線路に接続される。

0032

好ましくは、第2段回路12でも、中間点P0と接続点P1の間の距離dは上記式のようになっている。

0033

第3段回路13の各RF電力合成素子3から出力される信号は伝送線路を通り、第2段回路12のRF電力合成素子3で合成される。このとき、第3段回路13の各RF電力合成素子3から出力される信号に含まれていた高調波が伝送線路の長さの違い(d)により抑制される。

0034

例えば、第2段回路12のRF電力合成素子3は第3高調波を抑制する。k=0、第3高調波の波長をλ(@3rd harmonics)とすると、dは、λ(@3rd harmonics)/4である。dをこのように設定すると、dにより接続点P1で第3高調波が相殺され、抑制できる。また、接続点P1でインピーダンス整合が維持できる。

0035

なお、上記式のようにdを設定しなくても、中間点P0でない接続点P1で信号を合成すれば、少なくとも第3高調波を小さくすることができる。

0036

また、n≧p>qを満たす自然数であるp、qを考える。nが3の場合、例えば、pは3、qは2である。

0037

この場合、第3段回路13を第p段回路とすると、第2段回路12は第q段回路である。そして、λ(@4th harmonics)<λ(@3rd harmonics)なので、第p段回路で抑制する高調波の波長より、第q段回路で抑制する高調波の波長が長いことになる。

0038

これは、本実施の形態のレクテナアレーを製作する上でメリットとなる。

0039

第p段回路のRF電力合成素子3の数は、第q段回路のRF電力合成素子3の数より多いので、前者の伝送線路が後者の伝送線路より短い方がレクテナアレーを製作しやすい。

0040

このように前者の伝送線路が比較的短くても、前者の回路(第p段回路)で抑制する高調波の波長が短ければ、dを上記式のように設定できる。

0041

また、後者の回路(第q段回路)で抑制する高調波の波長が比較的長くても、後者の伝送線路は比較的長いので、dを上記式のように設定できる。

0042

よって、本実施の形態のレクテナアレーを容易に製作できる。

0043

(第1段回路)
第1段回路11は、n>mを満たす自然数の1つである1について設けられる第m段回路に相当するものである。

0044

第1段回路11では、第(m+1)段回路、つまり第2段回路12の2個のRF電力合成素子3を1組として、各組の一方のRF電力合成素子3の出力端と他方のRF電力合成素子3の出力端とが伝送線路で接続され、伝送線路に第1段回路11のRF電力合成素子3が接続される。

0045

RF電力合成素子3は、伝送線路の中間点P0でない接続点P1で伝送線路に接続される。

0046

好ましくは、第1段回路11でも、中間点P0と接続点P1の間の距離dは上記式のようになっている。

0047

第2段回路12の各RF電力合成素子3から出力される信号は伝送線路を通り、第1段回路11のRF電力合成素子3で合成される。このとき、第2段回路12の各RF電力合成素子3から出力される信号に含まれていた高調波が伝送線路の長さの違い(d)により抑制される。

0048

例えば、第1段回路11のRF電力合成素子3は第2高調波を抑制する。k=0、第2高調波の波長をλ(@2nd harmonics)とすると、dは、λ(@2nd harmonics)/4である。dをこのように設定すると、dにより接続点P1で第2高調波が相殺され、抑制できる。また、接続点P1でインピーダンス整合が維持できる。

0049

なお、上記式のようにdを設定しなくても、中間点P0でない接続点P1でRF電力合成素子3を伝送線路に接続すれば、少なくとも第2高調波を小さくすることができる。

0050

また、n≧p>qを満たす自然数であるp、qを考える。nが3の場合、例えば、pは2、qは1である。

0051

この場合、第2段回路12を第p段回路とすると、第1段回路11は第q段回路である。そして、λ(@3rd harmonics)<λ(@2nd harmonics)なので、第p段回路で抑制する高調波の波長より、第q段回路で抑制する高調波の波長が長いことになる。

0052

第p段回路のRF電力合成素子3の数は、第q段回路のRF電力合成素子3の数より多いので、前者の伝送線路が後者の伝送線路より短い方がレクテナアレーを製作しやすい。

0053

このように前者の伝送線路が比較的短くても、前者の回路(第p段回路)で抑制する高調波の波長が短ければ、dを上記式のように設定できる。

0054

また、後者の回路(第q段回路)で抑制する高調波の波長が比較的長くても、後者の伝送線路は比較的長いので、dを上記式のように設定できる。

0055

よって、本実施の形態のレクテナアレーを容易に製作できる。

0056

また、文献”GaNHEMTを用いたSSPS用5.8GHz帯F級高効率増幅器,” 信学技報SPS2008-04.に示されるように、高調波成分を抑圧することにより、非線形デバイスの効率が改善されることが知られている。よって、本実施の形態では、高調波成分を抑圧することによって変換効率を改善できる。

0057

(変形例1)
なお、図3に示すように、整流回路2の少なくとも1組において、両方の整流回路に、符号5で示す高周波チョークコイルまたは高インピーダンス線路または疑似地板を接続してもよい。

0058

例えば、例えば、図3に示すように、高周波チョークコイルなど(5)は、2つの整流回路2のカソードの間に接続される。または、図示しないが、高周波チョークコイルなど(5)は、一方または両方の整流回路2についてそれぞれ設けられ、一方端を整流回路2のカソードに接続し、他方端を接地する。

0059

仮に接続点P1において、基本波整数倍の高調波以外の高調波が生じた場合であっても、高周波チョークコイル5などは、この整数倍以外の高調波を取り出し、除去する。これにより、接続点P1には整数倍の高調波のみが残る。整数倍の高調波は、上記のように、第3段回路13、第2段回路12、第1段回路11の各RF電力合成素子3による信号合成により抑制される。

0060

すなわち、第n段回路の接続点P1に高周波チョークコイルまたは高インピーダンス線路または疑似地板を接続することよって、整数倍以外の高調波を抑制でき、変換効率をより高めることができる。

0061

なお、変形例1の構成は、後述の変形例において採用してもよい。

0062

(変形例2)
本実施の形態ではnを3としたが、nは1でもよい。

0063

つまり、図4に示すように、2個のアンテナ1のそれぞれに対し、1個の整流回路2の入力端が接続されるアンテナ回路100と、一方の整流回路2の出力端と他方の整流回路2の出力端とが伝送線路で接続され、伝送線路にRF電力合成素子3が接続される信号合成回路200とを備え、RF電力合成素子3は伝送線路の中間点P0でない接続点P1で伝送線路に接続されるレクテナアレーを構成してもよい。この場合、好ましくは、中間点P0と接続点P1の間の距離(d)は上記式で設定される。例えば、このレクテナアレーでは、第2高調波を抑制する。なお、他の高調波を抑制するように構成してもよい。

0064

(変形例3)
また、nは2、4以上でもよい。nが2の場合、例えば、第2高調波と第3高調波を抑制する。なお、他の整数倍の高調波を抑制するように構成してもよい。nが4の場合、例えば、第2〜5高調波を抑制する。なお、他の整数倍の高調波を抑制するように構成してもよい。または、整数倍以外の高調波を抑制するように構成してもよい。

0065

(変形例4)
また、nが2以上の場合、n≧p>qを満たす自然数であるp、qについて、第p段回路のλより、第q段回路のλが短くてもよい。レクテナアレーの製作のしやすさを犠牲にすれば、このような設定でもよい。

0066

(変形例5)
また、本実施の形態では、全ての伝送線路において、中間点でない接続点にRF電力合成素子を接続したが、いずれか1つの伝送線路において、中間点でない接続点にRF電力合成素子を接続してもよい。少なくとも当該伝送線路においては、高調波抑制の効果を得ることができる。すなわち、効果は小さいが少なくとも高調波抑制および変換効率向上の効果を得ることができる。

0067

以上のように、本実施の形態のレクテナアレーは、2のn乗個のアンテナ1のそれぞれに対し、1個の整流回路2の入力端が接続されるアンテナ回路10と、2個の整流回路2を1組として、各組の一方の整流回路2の出力端と他方の整流回路2の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子3が接続される第n段回路(13)と、n>mを満たす自然数である各mについて設けられる第m段回路(12、11)であって、第(m+1)段回路の2個のRF電力合成素子3を1組として、各組の一方のRF電力合成素子3の出力端と他方のRF電力合成素子3の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子3が接続される第m段回路(12、11)とを備え、n≧pを満たす自然数である少なくとも1つのpについて、第p段回路の少なくとも1つの組のRF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続される。

0068

または、変形例2のように、レクテナアレーは、2個のアンテナのそれぞれに対し、1個の整流回路2の入力端が接続されるアンテナ回路と、一方の整流回路2の出力端と他方の整流回路2の出力端とが伝送線路で接続され、当該伝送線路にRF電力合成素子3が接続される回路とを備え、RF電力合成素子3は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続される。

0069

いずれのレクテナアレーでも、RF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点に接続されるので、専用のデバイスを使用せずに、高調波を抑制し、変換効率を高めることができる。

0070

好ましくは、n≧pを満たす自然数である全てのpについて、第p段回路の全ての組のRF電力合成素子は伝送線路の中間点でない接続点で伝送線路に接続されるので、高調波抑制の効果を高め、変換効率をより高めることができる。

0071

また、中間点と接続点の間の距離dを上記式のように設定したので、高調波を相殺でき、変換効率をより高めることができる。

0072

また、n≧p>qを満たす自然数であるp、qについて、第p段回路のλ(上記式のλ)より、第q段回路のλ(上記式のλ)が長いので、高調波を相殺できるレクテナアレーの製作が容易となる。

0073

また、変形例1のように、整流回路2の少なくとも1組において、一方の整流回路2または両方の整流回路2の出力端に高周波チョークコイルまたは高インピーダンス線路または疑似地板を接続することで、整数倍以外の高調波を抑制でき、変換効率をより高めることができる。

0074

1アンテナ
2整流回路
3RF電力合成素子
P0中間点
P1接続点
10、100アンテナ回路
11 第1段回路
12 第2段回路
13 第3段回路
200 信号合成回路

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