JP6019529B2

JP6019529B2 - Micro power rectifier circuit

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Publication number: JP6019529B2
Application number: JP2012134473A
Authority: JP
Inventors: 綱之山本
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2013258865A

Description

本発明はレクテナ等における電磁波等の微小電力の整流回路に関し、さらに詳しくは、極めて微小な交流電力であっても高効率に直流電力に変換することのできる微小電力整流回路に関するものである。 The present invention relates to a rectifier circuit for minute power such as electromagnetic waves in a rectenna or the like, and more particularly to a minute power rectifier circuit capable of converting even very minute AC power into DC power with high efficiency.

テレビジョン放送等の各種放送用電磁波や無線ＬＡＮ用の電磁波などを利用して、様々な機器のための電源電力を作り出すエネルギー・ハーベスティング（環境発電）の技術が注目されている。このエネルギー・ハーベスティングには、アンテナと整流回路を一体化したレクテナが使用されるが、レクテナに利用するための整流回路として、微小電力でも高効率で機能する整流回路の開発が求められていた。 Energy harvesting (environmental power generation) technology that generates power for various devices using electromagnetic waves for various broadcasting such as television broadcasting and electromagnetic waves for wireless LANs has attracted attention. For this energy harvesting, a rectenna that integrates an antenna and a rectifier circuit is used. However, as a rectifier circuit for use in the rectenna, it was required to develop a rectifier circuit that functions with high efficiency even with a small amount of power. .

レクテナに関する技術としては、下記の特許文献１、特許文献２に記載されたようなものがある。特許文献１には、平衡二線型のアンテナ、平衡二線線路、整流回路、直流出力部を備え、ダイオードと平滑用キャパシタとの間隔を所定値に設定するようにしたレクテナ装置が記載されている。特許文献２には、受信手段と、整流手段と、整流した電波の高調波に共振する共振回路とを備えたレクテナ装置が記載されている。 As a technique regarding the rectenna, there are those described in Patent Document 1 and Patent Document 2 below. Patent Document 1 describes a rectenna device that includes a balanced two-wire antenna, a balanced two-wire line, a rectifier circuit, and a DC output unit, and sets a distance between a diode and a smoothing capacitor to a predetermined value. . Patent Document 2 describes a rectenna device that includes a receiving unit, a rectifying unit, and a resonance circuit that resonates with harmonics of a rectified radio wave.

特開２００７−１１６５１５号公報JP 2007-116515 A 特開２０１２−０７５２２７号公報JP 2012-075227 A

エネルギー・ハーベスティングによって電源電力を供給する場合、テレビジョン放送や無線ＬＡＮ用の電磁波の受信電力が１ｍＷ未満のμＷクラスあるいはさらに微小な電力となることが技術的に解決すべき課題となっていた。すなわち、レクテナに使用される従来の整流回路は、μＷクラスの微小電力においては、整流回路が動作しない、あるいは動作したとしても整流効率が大幅に低下してしまうという問題点があった。 When power supply is supplied by energy harvesting, it has been a technical problem to be solved that the reception power of electromagnetic waves for television broadcasting and wireless LAN becomes μW class less than 1 mW or even smaller power. . That is, the conventional rectifier circuit used for the rectenna has a problem that the rectifier circuit does not operate or does not operate at a very small power of μW class, even if it operates.

そこで、本発明は、μＷクラスの微小電力でも十分に高い整流効率で動作し、直流電力を作り出すことのできる微小電力整流回路を提供することを目的とする。また、動作下限電力を従来の整流回路よりも引き下げ、１μＷ程度でも動作可能な微小電力整流回路を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a micro power rectifier circuit that can operate with sufficiently high rectification efficiency even with micro power of the μW class and can generate DC power. It is another object of the present invention to provide a micro power rectifier circuit that can operate even at about 1 μW by lowering the lower limit of operation power than a conventional rectifier circuit.

上記目的を達成するために、本発明の微小電力整流回路は、高周波電力の入力ポートと、整流電力の出力ポートと、信号の接地電位として設定された接地導体と、高周波電力を入力する第１端子と整流電力を出力する第２端子を備えたダイオードと、前記入力ポートに一方の端子が接続され、他方の端子が前記ダイオードの前記第１端子に接続された入力側コンデンサと、前記ダイオードの前記第１端子に一端が接続され、他端が前記接地導体に接続された伝送線路であって、線路長により連続的にインダクタンス値を調整可能な短絡線路と、前記ダイオードの前記第２端子に一方の端子が接続され、他方の端子が前記接地導体に接続された出力側コンデンサと、前記ダイオードの前記第２端子に一方の端子が接続され、他方の端子が前記出力ポートに接続されたインダクタンス素子とを有するものである。 In order to achieve the above object, a micro power rectifier circuit according to the present invention includes a high-frequency power input port, a rectified power output port, a ground conductor set as a signal ground potential, and a first high-frequency power input. A diode having a terminal and a second terminal for outputting rectified power; an input-side capacitor having one terminal connected to the input port and the other terminal connected to the first terminal of the diode; A transmission line having one end connected to the first terminal and the other end connected to the ground conductor, the short-circuit line capable of continuously adjusting the inductance value according to the line length, and the second terminal of the diode One terminal is connected to the output side capacitor, one terminal is connected to the ground conductor, the other terminal is connected to the ground conductor, and the other terminal is connected to the output terminal. And it has a connection inductance element to the port.

また、上記の微小電力整流回路において、前記ダイオードは、ショットキーバリアダイオードであることが好ましい。 In the above minute power rectifier circuit, the diode is preferably a Schottky barrier diode.

また、上記の微小電力整流回路において、前記短絡線路は、蛇行形状の線路パターンからなるものであることが好ましい。 In the above minute power rectifier circuit, it is preferable that the short-circuit line is a meandering line pattern.

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。 Since this invention is comprised as mentioned above, there exist the following effects.

本発明の微小電力整流回路では、μＷクラスの微小電力においても整流回路が動作可能であり、整流回路の変換効率を向上させることができる。また、本発明の微小電力整流回路では、動作下限電力を従来の整流回路よりも引き下げることができ、入力高周波電力が１μＷでも動作可能である。 In the micro power rectifier circuit of the present invention, the rectifier circuit can operate even with micro power of μW class, and the conversion efficiency of the rectifier circuit can be improved. Moreover, in the micro power rectifier circuit of the present invention, the operation lower limit power can be lowered as compared with the conventional rectifier circuit, and the operation is possible even when the input high frequency power is 1 μW.

さらに、本発明の微小電力整流回路では、短絡線路の線路長を調整することにより、設計値通りの整合回路を実現することが可能であり、また、整合回路の特性の調整や微調整を行うことも可能である。さらに入力側コンデンサの静電容量を変更したり、短絡線路の線路長を変更することで、変換効率が最大となる負荷抵抗の抵抗値を調整することができる。 Furthermore, in the micro power rectifier circuit of the present invention, it is possible to realize a matching circuit as designed by adjusting the line length of the short-circuit line, and perform adjustment and fine adjustment of the characteristics of the matching circuit. It is also possible. Furthermore, the resistance value of the load resistance that maximizes the conversion efficiency can be adjusted by changing the capacitance of the input-side capacitor or changing the line length of the short-circuit line.

図１は、本発明の微小電力整流回路１の構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a minute power rectifier circuit 1 of the present invention. 図２は、試作した微小電力整流回路１の構成を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the prototyped micro power rectifier circuit 1. 図３は、短絡線路４の各部の寸法を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating dimensions of each part of the short-circuit line 4. 図４は、微小電力整流回路１の整流特性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the rectification characteristics of the minute power rectifier circuit 1. 図５は、微小電力整流回路１の変換効率を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the conversion efficiency of the minute power rectifier circuit 1. 図６は、微小電力整流回路１による大容量コンデンサの充電過程を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a charging process of a large-capacity capacitor by the minute power rectifier circuit 1.

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の微小電力整流回路１の構成を示す回路図である。また、図２は、実際に試作した微小電力整流回路１の構成を示す平面図である。図２は微小電力整流回路１を構成する基板１０を部品実装面側から見た平面図である。この微小電力整流回路１は、ＵＨＦ帯である５１５ＭＨｚにおいて最適動作を行うように設計されている。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a minute power rectifier circuit 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a micro power rectifier circuit 1 actually manufactured as a trial. FIG. 2 is a plan view of the substrate 10 constituting the minute power rectifier circuit 1 as viewed from the component mounting surface side. The minute power rectifier circuit 1 is designed to perform an optimum operation at 515 MHz, which is a UHF band.

入力ポート２は高周波電力を入力するポートである。高周波電力はアンテナ等によって受信され、入力ポート２に接続されたケーブルを介して微小電力整流回路１に入力される。なお、ここでは入力ポート２がコネクタとして実装されておりケーブルが着脱可能となっているが、レクテナとして使用される場合など、入力ポート２に伝送線が直接固定されていてもよい。 The input port 2 is a port for inputting high frequency power. The high frequency power is received by an antenna or the like and input to the minute power rectifier circuit 1 via a cable connected to the input port 2. Here, the input port 2 is mounted as a connector and the cable is detachable. However, the transmission line may be directly fixed to the input port 2 when used as a rectenna.

入力ポート２には、入力側コンデンサ３の一方の端子が接続されている。なお、実際には、入力側コンデンサ３は伝送線路を介して入力ポート２に接続されているが、この伝送線路は入力ポート２に接続されるケーブルとインピーダンス整合が取られており、入力側コンデンサ３を直接入力ポート２に接続するのと同等である。入力側コンデンサ３の他方の端子にはダイオード５の第１端子５１が接続されている。 One terminal of the input side capacitor 3 is connected to the input port 2. In practice, the input-side capacitor 3 is connected to the input port 2 via a transmission line. This transmission line is impedance-matched with the cable connected to the input port 2, and the input-side capacitor This is equivalent to connecting 3 directly to the input port 2. A first terminal 51 of a diode 5 is connected to the other terminal of the input side capacitor 3.

ダイオード５の一方の端子は高周波電力の入力側の第１端子５１として使用され、他方の端子は整流電力を出力する第２端子５２として使用される。ここでは、ダイオード５のアノード側を第１端子５１として、カソード側を第２端子５２として使用しているが、逆の接続でもよい。 One terminal of the diode 5 is used as a first terminal 51 on the input side of high-frequency power, and the other terminal is used as a second terminal 52 that outputs rectified power. Although the anode side of the diode 5 is used as the first terminal 51 and the cathode side is used as the second terminal 52 here, the reverse connection may be used.

なお、ダイオード５は、順方向立ち上がり電圧が小さい方が好ましく、さらに接合キャパシタンス（静電容量）が小さく、寄生キャパシタンスおよび寄生インダクタンスも小さい方が好ましい。このような条件により、ダイオード５としてはショットキーバリアダイオードが適している。試作した微小電力整流回路１には、東芝社製のショットキーバリアダイオードであるＪＤＨ２Ｓ０２ＦＳ（製品名）を使用した。 The diode 5 preferably has a smaller forward rise voltage, more preferably a small junction capacitance (capacitance), and a small parasitic capacitance and parasitic inductance. Under such conditions, a Schottky barrier diode is suitable as the diode 5. The prototype micro power rectifier circuit 1 used JDH2S02FS (product name), which is a Schottky barrier diode manufactured by Toshiba.

ダイオード５の第１端子５１には、さらに蛇行線路パターンからなる短絡線路４の一端が接続されている。短絡線路４は方形波形状に蛇行する導体の線路パターンからなり、一端がダイオード５の第１端子５１に接続され、他端が接地導体１１に接続されている。なお、接地導体１１は、微小電力整流回路１を構成する基板１０（図２参照）の裏面側（下面側）に配置されている。 The first terminal 51 of the diode 5 is further connected to one end of a short-circuit line 4 having a meandering line pattern. The short-circuit line 4 is composed of a conductor line pattern meandering in a square wave shape, and one end is connected to the first terminal 51 of the diode 5 and the other end is connected to the ground conductor 11. The ground conductor 11 is disposed on the back surface side (lower surface side) of the substrate 10 (see FIG. 2) constituting the minute power rectifier circuit 1.

図２には、微小電力整流回路１を構成する基板１０の表面側（上面側）が示されている。絶縁体からなる基板１０の表面側に回路素子等が実装されている。基板１０の裏面側は全面が導体（接地導体１１）に覆われている。なお、この接地導体１１の電位が信号の接地電位として設定されている。これにより基板１０上の線路パターンによる伝送線路はマイクロストリップ型の伝送線路となっている。また、ここで導体としては典型的には金属が使用されるが、導電性を有する他の任意の物質も使用可能である。 FIG. 2 shows the surface side (upper surface side) of the substrate 10 constituting the minute power rectifier circuit 1. A circuit element or the like is mounted on the surface side of the substrate 10 made of an insulator. The entire back surface of the substrate 10 is covered with a conductor (ground conductor 11). The potential of the ground conductor 11 is set as the signal ground potential. Thereby, the transmission line by the line pattern on the substrate 10 is a microstrip type transmission line. Further, here, a metal is typically used as the conductor, but any other material having conductivity can be used.

短絡線路４は終端が接地導体１１に短絡された伝送線路であり、ダイオード５の第１端子５１から見たインピーダンスがインダクタンス成分となるように線路長が設定されている。また、短絡線路４の線路長を適宜設定することにより、そのインダクタンス値を自由に設定することができる。 The short-circuit line 4 is a transmission line whose end is short-circuited to the ground conductor 11, and the line length is set so that the impedance viewed from the first terminal 51 of the diode 5 becomes an inductance component. Moreover, the inductance value can be freely set by appropriately setting the line length of the short-circuit line 4.

入力側コンデンサ３と短絡線路４とは、入力ポート２からの高周波電力を反射させることなくダイオード５側に伝送するための整合回路として機能している。この整合回路により、入力ポート２からの高周波電力は反射することなく効率的にダイオード５側に伝送される。入力側コンデンサ３と短絡線路４からなる整合回路の特性は、入力側コンデンサ３の静電容量値と、短絡線路４のインダクタンス値によって変化する。短絡線路４の線路長を調整することにより、整合回路の特性を調整することが可能である。 The input side capacitor 3 and the short circuit line 4 function as a matching circuit for transmitting the high frequency power from the input port 2 to the diode 5 side without reflecting. By this matching circuit, the high frequency power from the input port 2 is efficiently transmitted to the diode 5 side without being reflected. The characteristics of the matching circuit composed of the input-side capacitor 3 and the short-circuit line 4 vary depending on the capacitance value of the input-side capacitor 3 and the inductance value of the short-circuit line 4. It is possible to adjust the characteristics of the matching circuit by adjusting the line length of the short-circuit line 4.

市販されているチップ形のインダクタンス素子は、そのインダクタンス値が離散的であり、設計値通りのインダクタンス値を実現するのは困難である。短絡線路４は線路長を調整することにより連続的にインダクタンス値を調整できるので設計値通りのインダクタンス値を得るのが容易である。 A commercially available chip-type inductance element has discrete inductance values, and it is difficult to realize an inductance value as designed. Since the inductance value of the short-circuit line 4 can be continuously adjusted by adjusting the line length, it is easy to obtain an inductance value as designed.

ダイオード５の第２端子５２には、出力側コンデンサ６の一方の端子が接続されており、出力側コンデンサ６の他方の端子は接地導体１１に接続されている。ダイオード５の第２端子５２には、さらにインダクタンス素子７の一方の端子が接続されており、インダクタンス素子７の他方の端子は出力ポート８に接続されている。出力ポート８には高周波電力を整流した直流電力が出力される。図１に示すように、出力ポート８と接地導体１１に負荷抵抗Ｒ_L を接続することにより、直流電力が負荷抵抗Ｒ_L に出力される。 One terminal of the output side capacitor 6 is connected to the second terminal 52 of the diode 5, and the other terminal of the output side capacitor 6 is connected to the ground conductor 11. One terminal of the inductance element 7 is further connected to the second terminal 52 of the diode 5, and the other terminal of the inductance element 7 is connected to the output port 8. DC power obtained by rectifying high-frequency power is output to the output port 8. As shown in FIG. 1, by connecting a load resistor R _L to the output port 8 and the ground conductor 11, DC power is output to the load resistor R _L.

出力側コンデンサ６とインダクタンス素子７とは、直流電力のみを出力ポート８に出力し、その他の高周波成分は反射する出力フィルタとして機能している。高周波電力をダイオード５によって整流した出力には、直流電力に加えて元の高周波に対する複数の高調波成分が含まれている。これらの高調波成分は、出力側コンデンサ６とインダクタンス素子７による出力フィルタによって、ダイオード５の第１端子５１側に反射される。これらの反射高調波は入力ポート２からの高周波電力と重ね合わされ、ダイオード５の入力電圧の昇圧に寄与する。これらの反射高調波は再度ダイオード５に入力され整流される。これにより微小電力整流回路１の変換効率が向上する。 The output side capacitor 6 and the inductance element 7 function as an output filter that outputs only DC power to the output port 8 and reflects other high frequency components. The output obtained by rectifying the high frequency power by the diode 5 includes a plurality of harmonic components with respect to the original high frequency in addition to the DC power. These harmonic components are reflected to the first terminal 51 side of the diode 5 by the output filter including the output side capacitor 6 and the inductance element 7. These reflected harmonics are superimposed on the high frequency power from the input port 2 and contribute to boosting the input voltage of the diode 5. These reflected harmonics are again input to the diode 5 and rectified. Thereby, the conversion efficiency of the minute power rectifier circuit 1 is improved.

なお、図２において、短絡線路４の上方の端部は短絡導体１２によって基板１０裏面の接地導体１１に接続されている。また、出力側コンデンサ６の下方の端子は短絡導体１３によって基板１０裏面の接地導体１１に接続されている。短絡導体１２，１３は基板１０を貫通するビア等の導体であり、表面の導体パターンと裏面の接地導体１１とを電気的に短絡している。入力側コンデンサ３と出力側コンデンサ６はチップ形のコンデンサであり、インダクタンス素子７はチップ形のインダクタである。 In FIG. 2, the upper end of the short-circuit line 4 is connected to the ground conductor 11 on the back surface of the substrate 10 by a short-circuit conductor 12. The lower terminal of the output side capacitor 6 is connected to the ground conductor 11 on the back surface of the substrate 10 by a short-circuit conductor 13. The short-circuit conductors 12 and 13 are conductors such as vias penetrating the substrate 10 and electrically short-circuit the conductor pattern on the front surface and the ground conductor 11 on the back surface. The input side capacitor 3 and the output side capacitor 6 are chip type capacitors, and the inductance element 7 is a chip type inductor.

図２に示す微小電力整流回路１の試作例において、各回路素子の値は、入力側コンデンサ３の静電容量：３ｐＦ、出力側コンデンサ６の静電容量：４７ｐＦ、インダクタンス素子７のインダクタンス：１００ｎＨとなっている。 In the prototype of the minute power rectifier circuit 1 shown in FIG. 2, the values of the circuit elements are as follows: capacitance of the input side capacitor 3: 3 pF, capacitance of the output side capacitor 6: 47 pF, inductance of the inductance element 7: 100 nH It has become.

短絡線路４については、図３に各部寸法の表示を行っている。微小電力整流回路１の試作例では、寸法Ａ：１０．０ｍｍ、寸法Ｂ：５．０ｍｍ、寸法Ｃ：５．０ｍｍ、寸法Ｄ：５．０ｍｍ、線路パターンの線幅Ｗ：１．１９ｍｍである。また、短絡線路４の線路長すなわち線路パターンの中心線の長さは７１．９ｍｍとなっている。短絡線路４の線路パターンの中心線は図３では点線で示されている。 About the short circuit line 4, the dimension of each part is displayed in FIG. In the prototype of the minute power rectifier circuit 1, the dimension A is 10.0 mm, the dimension B is 5.0 mm, the dimension C is 5.0 mm, the dimension D is 5.0 mm, and the line width W of the line pattern is 1.19 mm. . Further, the line length of the short-circuit line 4, that is, the length of the center line of the line pattern is 71.9 mm. The center line of the line pattern of the short-circuit line 4 is indicated by a dotted line in FIG.

なお、微小電力整流回路１における各回路素子の値および短絡線路４の線路長などの設計値は、コンピュータによる回路シミュレーションによって求めたものである。これらの設計値は、入力する高周波電力の周波数が５１５ＭＨｚの場合であり、周波数が異なれば当然これらの設計値も異なるものとなる。 Note that the values of each circuit element in the minute power rectifier circuit 1 and the design values such as the line length of the short-circuit line 4 are obtained by circuit simulation by a computer. These design values are for the case where the frequency of the input high-frequency power is 515 MHz. Naturally, these design values are different if the frequency is different.

次に、試作した微小電力整流回路１に高周波電力を入力して整流特性を実測した。図４は、微小電力整流回路１における入力高周波電力と出力直流電圧の関係を示すグラフである。図４の横軸は微小電力整流回路１に入力した高周波電力［μＷ］を示し、縦軸は微小電力整流回路１から出力された直流電圧［Ｖ］である。ただし、出力直流電圧は、出力ポート８に負荷抵抗を接続した状態での電圧値であり、その負荷抵抗は最も変換効率が大きくなる抵抗値に調整したものである。 Next, rectification characteristics were measured by inputting high frequency power to the prototyped minute power rectifier circuit 1. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the input high-frequency power and the output DC voltage in the minute power rectifier circuit 1. The horizontal axis of FIG. 4 indicates the high frequency power [μW] input to the minute power rectifier circuit 1, and the vertical axis indicates the DC voltage [V] output from the minute power rectifier circuit 1. However, the output DC voltage is a voltage value in a state where a load resistance is connected to the output port 8, and the load resistance is adjusted to a resistance value that maximizes the conversion efficiency.

図示のように、入力高周波電力が小さくなるほど、出力直流電圧も低下しているが、入力高周波電力が１μＷにおいても６．６ｍＶの出力直流電圧が発生しており、入力高周波電力１μＷでも微小電力整流回路１が整流動作を行っていることが分かる。 As shown in the figure, the output DC voltage decreases as the input high-frequency power decreases. However, even when the input high-frequency power is 1 μW, an output DC voltage of 6.6 mV is generated. It can be seen that the circuit 1 performs the rectification operation.

図５は、微小電力整流回路１における入力高周波電力と変換効率の関係を示すグラフである。図５の横軸は微小電力整流回路１に入力した高周波電力［μＷ］を示し、縦軸は微小電力整流回路１の変換効率（整流効率）［％］である。出力ポート８には変換効率が最大となるような抵抗値の負荷抵抗が接続された状態である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the input high-frequency power and the conversion efficiency in the minute power rectifier circuit 1. The horizontal axis of FIG. 5 represents the high frequency power [μW] input to the minute power rectifier circuit 1, and the vertical axis represents the conversion efficiency (rectification efficiency) [%] of the minute power rectifier circuit 1. The output port 8 is connected to a load resistor having a resistance value that maximizes the conversion efficiency.

微小電力整流回路１は、入力高周波電力１０ｍＷ（１０⁴ μＷ）では変換効率５１．５％と高効率である。入力高周波電力１ｍＷでは変換効率３５．９％、入力高周波電力１００μＷでは変換効率１９．９％、入力高周波電力１０μＷでは変換効率３．３％となる。入力高周波電力１μＷでも整流回路として動作しているが、変換効率は０．４４％と低下してしまう。 The minute power rectifier circuit 1 has a high conversion efficiency of 51.5% at an input high frequency power of 10 mW (10 ⁴ μW). When the input high frequency power is 1 mW, the conversion efficiency is 35.9%, when the input high frequency power is 100 μW, the conversion efficiency is 19.9%, and when the input high frequency power is 10 μW, the conversion efficiency is 3.3%. Although it operates as a rectifier circuit even with an input high frequency power of 1 μW, the conversion efficiency decreases to 0.44%.

本発明の微小電力整流回路は、入力高周波電力が小さくなる程、従来の整流回路よりも変換効率が大きくなる傾向がある。これは、従来の整流回路では整流動作が行えなかった１μＷの入力高周波電力でも、本発明の微小電力整流回路は整流動作を行っていることからも分かる。このように、本発明の微小電力整流回路は、入力電力が微小な場合に、特に変換効率が向上する等の効果を奏するものである。 The micro power rectifier circuit of the present invention tends to have higher conversion efficiency than the conventional rectifier circuit as the input high-frequency power decreases. This can also be seen from the fact that the micro power rectifier circuit of the present invention performs the rectification operation even with 1 μW input high frequency power that could not be rectified by the conventional rectifier circuit. As described above, the minute power rectifier circuit of the present invention has an effect of improving the conversion efficiency especially when the input power is minute.

次に、微小電力整流回路１における微小電力入力時の動作をさらに実証するために、微小電力整流回路１の出力によって大容量コンデンサを充電する実験を行った。図６は、その実験における大容量コンデンサの充電過程を示すグラフである。微小電力整流回路１への入力高周波電力は１μＷとした。出力ポート８には負荷抵抗（抵抗値：１０ｋΩ）を接続し、その負荷抵抗と並列に大容量コンデンサ（静電容量：４．４ｍＦ）を接続した。 Next, in order to further verify the operation of the micro power rectifier circuit 1 when micro power was input, an experiment was performed in which a large-capacity capacitor was charged with the output of the micro power rectifier circuit 1. FIG. 6 is a graph showing the charging process of the large-capacity capacitor in the experiment. The input high frequency power to the minute power rectifier circuit 1 was 1 μW. A load resistance (resistance value: 10 kΩ) was connected to the output port 8, and a large-capacitance capacitor (capacitance: 4.4 mF) was connected in parallel with the load resistance.

図６の横軸は充電開始（整流開始）からの時間［秒］であり、縦軸は大容量コンデンサの充電電圧［ｍＶ］である。図６からほぼ１２０秒で大容量コンデンサが充電完了したことが分かる。この実験によって、本発明の微小電力整流回路１では、１μＷという微小電力でも実際に大容量コンデンサや二次電池の充電が可能であることを確認した。 The horizontal axis of FIG. 6 is the time [second] from the start of charging (start of rectification), and the vertical axis is the charging voltage [mV] of the large capacity capacitor. It can be seen from FIG. 6 that charging of the large-capacity capacitor has been completed in approximately 120 seconds. From this experiment, it was confirmed that the minute power rectifier circuit 1 of the present invention can actually charge a large-capacity capacitor or a secondary battery even with a minute power of 1 μW.

なお、微小電力整流回路１では、出力ポート８に接続する負荷抵抗の抵抗値によって、変換効率が大きく変化する。変換効率を向上させるためには、変換効率が最大となる抵抗値に調整する必要がある。また、変換効率が最大となる抵抗値は、整合回路の入力側コンデンサ３と短絡線路４のそれぞれの特性値にも関係している。入力側コンデンサ３の静電容量を変更したり、短絡線路４の線路長を変更することでも、変換効率が最大となる抵抗値は変化する。したがって、これらの特性値によって変換効率が最大となる負荷抵抗の抵抗値を調整することができる。 In the minute power rectifier circuit 1, the conversion efficiency varies greatly depending on the resistance value of the load resistor connected to the output port 8. In order to improve the conversion efficiency, it is necessary to adjust the resistance value to maximize the conversion efficiency. The resistance value at which the conversion efficiency is maximized is also related to the characteristic values of the input-side capacitor 3 and the short-circuit line 4 of the matching circuit. The resistance value that maximizes the conversion efficiency also changes by changing the capacitance of the input-side capacitor 3 or changing the line length of the short-circuit line 4. Therefore, the resistance value of the load resistor that maximizes the conversion efficiency can be adjusted by these characteristic values.

以上のように、本発明の微小電力整流回路１では、μＷクラスの微小電力においても整流回路が動作可能であり、整流回路の変換効率を向上させることができる。また、本発明の微小電力整流回路１では、動作下限電力を従来の整流回路よりも引き下げることができ、入力高周波電力が１μＷでも動作可能であることが確認できた。 As described above, in the micro power rectifier circuit 1 of the present invention, the rectifier circuit can operate even with micro power of μW class, and the conversion efficiency of the rectifier circuit can be improved. Further, in the micro power rectifier circuit 1 of the present invention, it was confirmed that the operation lower limit power can be lowered as compared with the conventional rectifier circuit, and the operation is possible even when the input high frequency power is 1 μW.

また、短絡線路４の線路長を調整することにより、設計値通りの整合回路を実現することが可能であり、また、整合回路の特性の調整や微調整を行うことも可能である。さらに入力側コンデンサ３の静電容量を変更したり、短絡線路４の線路長を変更することで、変換効率が最大となる負荷抵抗の抵抗値を調整することができる。 Further, by adjusting the line length of the short-circuit line 4, it is possible to realize a matching circuit as designed, and it is also possible to adjust the characteristics of the matching circuit and make fine adjustments. Furthermore, by changing the capacitance of the input-side capacitor 3 or changing the line length of the short-circuit line 4, the resistance value of the load resistance that maximizes the conversion efficiency can be adjusted.

本発明により、μＷクラスの微小電力においても整流回路が動作可能であり、変換効率の高い微小電力整流回路を提供できる。また、この微小電力整流回路を利用したレクテナにより高効率のエネルギー・ハーベスティング（環境発電）を実現できる。 According to the present invention, a rectifier circuit can operate even with a micro power of μW class, and a micro power rectifier circuit with high conversion efficiency can be provided. In addition, highly efficient energy harvesting (environmental power generation) can be realized by a rectenna using this minute power rectifier circuit.

１微小電力整流回路
２入力ポート
３入力側コンデンサ
４短絡線路
５ダイオード
６出力側コンデンサ
７インダクタンス素子
８出力ポート
１０基板
１１接地導体
１２，１３短絡導体
５１第１端子
５２第２端子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro power rectification circuit 2 Input port 3 Input side capacitor 4 Short circuit line 5 Diode 6 Output side capacitor 7 Inductance element 8 Output port 10 Board | substrate 11 Ground conductor 12, 13 Short circuit conductor 51 1st terminal 52 2nd terminal

Claims

High-frequency power input port (2);
Rectified power output port (8);
A ground conductor (11) set as the ground potential of the signal;
A diode (5) having a first terminal (51) for inputting high-frequency power and a second terminal (52) for outputting rectified power;
An input side capacitor (3) having one terminal connected to the input port (2) and the other terminal connected to the first terminal (51) of the diode (5);
A transmission line having one end connected to the first terminal (51) of the diode (5) and the other end connected to the ground conductor (11) , and the inductance value can be continuously adjusted by the line length. A short-circuit line (4);
An output-side capacitor (6) having one terminal connected to the second terminal (52) of the diode (5) and the other terminal connected to the ground conductor (11);
A minute power rectifier circuit including an inductance element (7) having one terminal connected to the second terminal (52) of the diode (5) and the other terminal connected to the output port (8).

A micro power rectifier circuit according to claim 1,
The diode (5) is a minute power rectifier circuit which is a Schottky barrier diode.

A micro power rectifier circuit according to claim 2,
The said short circuit line (4) is a micro electric power rectifier circuit which consists of a meandering line pattern.