JP7290219B2 - レクテナ装置及びレクテナ装置を設計する方法 - Google Patents

Description

本発明は、レクテナ装置及びレクテナ装置を設計する方法に関する。

エネルギーハーベスティング技術は、身の回りの電波を回収して、ＩｏＴ端末の電力源として利用する。電波を直流電力に変換するためには、アンテナと整流器とが必要である。これらのアンテナと整流器とを備えた装置は、レクテナ装置と称されている。特許文献１、２及び非特許文献１、２、３は、レクテナ装置に関する技術を開示する。

特開平７－２３１５８５号公報 特開２０１４－２０９８１６号公報

カルロス・エンリケ・ペツル・ローレンツほか（CarlosHenrique Petzl Lorenz et.al)、「ヘテロ接合逆方向トンネルダイオードを用いた環境マイクロ波の電力ハーベスティングに関する効率障壁の打破」(Breaking the Efficiency Barrier for Ambient Microwave PowerHarvesting With Heterojunction Backward Tunnel Diodes)、アイトリプルイー(IEEE)、アイトリプルイー・マイクロ波の取り扱いに関する理論と技術(IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES)、２０１５年１２月(DECEMBER2015)、第６３巻(VOL. 63)、第１２号(NO. 12)。 ヴラド・マリアンほか（VladMarian et.al）、「供給源又は周囲環境からのマイクロ波エネルギーハーベスティングに関する手法」（Strategy for Microwave Energy Harvesting From Ambient Field or aFeeding Source）、アイトリプルイー（IEEE）、アイトリプルイー・パワーエレクトロニクスの取り扱い（IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS）、２０１２年１１月（NOVEMBER 2012）、第２７巻（Vol. 27）、第１１号（No.11）。 大野桂、田中 愼一、「直列インダクタを装荷したＵＨＦ帯高感度ダイオード整流器(II)」、エレクトロニクス講演論文集１、電子情報通信学会総合大会、２０１９年、p29。

当該技術分野では、アンテナが捉えた電波を直流電力に変換する度合いを示す電力変換効率のさらなる向上が望まれている。例えば、非特許文献１、２、３は、レクテナ装置の電力変換効率の向上に関する技術を開示する。しかし、これらの技術は、電力変換効率の向上に主眼が置かれており、電力変換効率を向上させるために複雑な回路構成を採用したり、特殊な素子を採用したりする。

しかし、レクテナ装置の実用化において、特殊な素子や複雑な回路構成の採用は、レクテナ装置の製造に要する設計負荷および組み立て作業の負荷などが増加する。さらに、製造コストの増加も招く。

そこで本発明は、特殊な素子及び複雑な回路構成の採用することなく、電力変換効率を向上可能なレクテナ装置及び当該レクテナ装置を設計する方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態であるレクテナ装置は、電波を受けて交流電力を発生するアンテナ部と、アンテナ部に接続される整合部と、互いに直列に接続された複数のダイオードを有すると共に整合部に接続され、アンテナ部から提供される交流電力を整流する整流部と、を備え、整流部は、互いに直列に接続された第１ダイオード及び第２ダイオードを少なくとも有し、アンテナ部が出力する電力に対して整流部が出力する電力の比率は、アンテナ部が出力する電力に対して第１ダイオードのみを有する基準整流部が出力する電力の比率よりも、大きい。

レクテナ装置の電力変換効率は、整流部を構成するダイオードが含む寄生抵抗と寄生容量の影響を受ける。そして、複数のダイオードが直列に接続されている構成では、合成寄生容量の大きさは、１個のダイオードが含む寄生容量よりも小さくなる。寄生容量が小さくなり、整合部がインピーダンス整合の条件を満たす場合には、整合部のインダクタンスが大きくなる。その結果、複数のダイオードが直列に接続されている回路構成では、回路のＱ値は、１個のダイオードを含む回路構成を有する基準整流部のＱ値よりも大きくすることが可能になる。その結果、第１ダイオード及び第２ダイオードを有する整流部を備えたレクテナ装置の電力変換効率は、第１ダイオードのみを有する基準整流部を備えたレクテナ装置の電力変換効率よりも大きい。従って、レクテナ装置は、寄生容量を含む一般的なダイオードを複数利用しながら、これらのダイオードを直列に接続するという単純な回路構成によって、Ｑ値を高めることが可能である。Ｑ値が大きくなると、アンテナ部と整流部との間の電位差が大きくなるので、アンテナ部から整流部に流れる電流が増加する。その結果、アンテナ部から整流部に渡される電力が多くなるので、電力変換効率を向上することができる。

一形態のレクテナ装置の整合部は、互いに直列に接続された第１ダイオード及び第２ダイオードを少なくとも有し、第１ダイオードは、第１寄生抵抗と、第１寄生容量と、を有し、第２ダイオードは、第２寄生抵抗と、第２寄生容量と、を有し、整流部は、第１及び第２寄生抵抗に基づく合成寄生抵抗と、第１及び第２寄生容量に基づく合成寄生容量と、を有し、整合部は、アンテナ部と整流部とのインピーダンス整合条件及び合成寄生容量により定まるインダクタンスを有するコイルを含んでもよい。この構成によっても、特殊な素子や複雑な回路構成の採用することなく、電力変換効率を向上することができる。

一形態のレクテナ装置において、合成寄生抵抗と、合成寄生容量と、インダクタンスと、に基づいて定まるＱ値は、第１寄生抵抗と、第１寄生容量と、第１寄生容量及びインピーダンス整合条件により定まるインダクタンスと、に基づいて得られるＱ値よりも、大きくてもよい。この構成によれば、電力変換効率を確実に向上することができる。

一形態のレクテナ装置において、整流部は、半波整流回路であってもよい。また、一形態のレクテナ装置において、整流部は、全波整流回路であってもよい。これらの構成によっても、特殊な素子や複雑な回路構成の採用することなく、電力変換効率を向上することができる。

本発明の別の形態は、レクテナ装置を設計する方法であって、レクテナ装置は、電波を受けて交流電力を発生するアンテナ部と、アンテナ部に接続される整合部と、互いに直列に接続された基礎ダイオードを含む複数の付加ダイオードを有すると共に整合部に接続され、アンテナ部から提供される交流電力を整流する整流部と、を備え、基礎ダイオード及び複数の付加ダイオードは、寄生抵抗と寄生容量と、をそれぞれ有し、基礎ダイオードに接続される少なくとも１個の付加ダイオードを選択する工程と、基礎ダイオード及び付加ダイオードの寄生抵抗に基づく合成寄生抵抗と、基礎ダイオード及び付加ダイオードの寄生容量に基づく合成寄生容量と、アンテナ部と整流部とのインピーダンス整合条件及び合成寄生容量により定まるインダクタンスを有するコイルと、が直列に接続された共振回路が有するＱ値を得る工程と、を有し、付加ダイオードを選択する工程と、Ｑ値を得る工程とを、選択される付加ダイオードの組み合わせを変更しながら繰り返し行い、整合部が基礎ダイオードのみを有する基準整流部である場合のＱ値よりも大きいＱ値となる付加ダイオードの組み合わせを基礎ダイオードに付加される付加ダイオードの組み合わせとして決定してもよい。

この方法によれば、電力変換効率を向上可能なレクテナ装置を設計することができる。

本発明によれば、特殊な素子や複雑な回路構成の採用することなく、電力効率を向上可能なレクテナ装置及び当該レクテナ装置を設計する方法が提供される。

図１は、レクテナ装置の回路図である。 図２は、レクテナ装置の等価回路図である。 図３は、レクテナ装置を設計する方法の主要な工程を示すフロー図である。 図４の（ａ）部は変形例１のレクテナ装置の回路図であり、図４の（ｂ）部は変形例２のレクテナ装置の回路図である。 図５は、変形例３のレクテナ装置の回路図である。 図６は、変形例４のレクテナ装置の回路図である。 図７は、変形例５のレクテナ装置の回路図である。 図８は、変形例６のレクテナ装置の回路図である。 図９は、変形例７のレクテナ装置の回路図である。 図１０は、変形例８のレクテナ装置の回路図である。 図１１は、実施例１の結果を示すグラフである。 図１２は、実施例２の結果を示すグラフである。 図１３は、実施例３の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜レクテナ装置＞
図１に示すレクテナ装置１は、電源装置である。レクテナ装置１は、電波１０１を受けて、直流電力に変換する。そして、レクテナ装置１は、当該直流電力をＩｏＴ装置などの負荷装置１０２に供給する。負荷装置１０２が要求する電力は、例えば、ナノ・ワットからマイクロ・ワットの大きさである。従って、レクテナ装置１は、ナノ・ワットからマイクロ・ワットの大きさの電力を出力する。

レクテナ装置１は、主要な構成要素として、アンテナ回路１０（アンテナ部）と、整合回路２０（整合部）と、整流回路３０（整流部）と、を有する。また、レクテナ装置１は、デカップリングコンデンサとしてのコンデンサ４１を有する。

ここで、図１に示すレクテナ装置１の電力変換効率ηは、以下のように定義される。電力変換効率ηは、アンテナ回路１０が出力する電力（Ｐ_ＡＶ）に対して整流回路３０が出力する電力（Ｐ_ＯＵＴ）の比率であるともいえる。より正確には、電力変換効率ηは、式（１）～（３）及び各式に含まれる以下のパラメータによって定義できる。

η：電力変換効率。
Ｐ_ＯＵＴ：出力電力。
Ｐ_ＡＶ：アンテナ回路１０がインピーダンス整合条件下で出力できる最大の出力電力。
Ｖ_ＩＮ：式（２）で定義されたアンテナ素子１１の実効出力電圧。
Ｒ_Ａ：出力電力を最大にする負荷抵抗で定義されるアンテナ抵抗１２の抵抗値。
Ｖ_ＤＤ：整流回路３０の出力電圧の直流成分。
Ｉ_ＤＤ：整流回路３０の出力電流の時間平均。

なお、図１を含む回路図において、抵抗及び容量などの回路記号から引き出し線を引いて示す参照番号は、構成要素としての抵抗素子及び容量素子そのものを示す。また、回路記号の近傍に付した文字は、抵抗素子が有する抵抗値及び容量素子が有する容量値などを示す。例えば、図１において参照番号「２１」は、コイル素子を意味する。そして、コイル２１の近傍に付した文字「Ｌ_Ｍ」は、コイル２１のインダクタンスを示す。

アンテナ回路１０は、電波１０１を受けて、受けた電波１０１に応じた交流の電力を発生する。アンテナ回路１０から取り出せる電力はアンテナ回路１０の負荷抵抗に依存する。負荷抵抗を変えたときにアンテナ回路１０から取り出せる電力が最大になる条件があって、この時の出力電力をＰ_ＡＶで定義する。アンテナ回路１０は、電気的な機能素子として、アンテナ素子１１と、アンテナ抵抗１２と、を有する回路としてモデル化される。アンテナ素子１１は、電波１０１を受けて式（２）で定義される電圧Ｖ_ＩＮを発生させるとみなす。具体的なアンテナ素子１１の構成は、受ける電波１０１の周波数（ω）に応じて適宜選択してよい。アンテナ素子１１の一端は、アンテナ抵抗１２に接続されている。アンテナ素子１１の他端は、接地電位１０３に接続されている。なお、アンテナ回路１０は、アンテナ素子１１及びアンテナ抵抗１２の他に、必要に応じてその他の電気素子を有してもよい。

整合回路２０は、アンテナ回路１０から整合回路２０への電力Ｐ_ＡＶの移送効率を改善する。つまり、整合回路２０は、アンテナ回路１０と整合回路２０との電気的な接続におけるインピーダンスの整合を図る。整合回路２０の入力２０ａは、アンテナ回路１０の出力１０ｂに接続されている。整合回路２０の出力２０ｂは、整流回路３０の入力３０ａに接続されている。つまり、整合回路２０は、アンテナ回路１０に対して直列に接続されている。

整合回路２０は、電気的な機能素子として、コイル２１を有する。なお、整合回路２０は、コイル２１の他に、必要に応じてその他の電気素子を有してもよい。

整流回路３０は、アンテナ回路１０が出力する交流の電力Ｐ_ＡＶを直流電流に変換する。整流回路３０は、半波整流型であってもよいし、全波整流型であってもよい。本実施形態のレクテナ装置１が備える整流回路３０は、半波整流型である。整流回路３０の入力３０ａは、整合回路２０の出力２０ｂに接続されている。つまり、整流回路３０は、整合回路２０に対して直列に接続されている。整流回路３０の出力３０ｂは、負荷装置１０２の入力１０２ａに接続されている。

整流回路３０は、少なくとも２個以上のダイオード３１、３２（第１ダイオード、第２ダイオード）を含む。従って、整流回路３０は、後述する要件を満たす条件下において、３個または４個といった複数のダイオードを含む場合もあり得る。本実施形態の整流回路３０は、２個のダイオード３１、３２を含むものとして説明する。なお、整流回路３０は、ダイオード３１、３２の他に、必要に応じてその他の電気素子を有してもよい。

ダイオード３１、３２は、互いに直列に接続されている。ダイオード３１の入力３１ａは、整流回路３０の入力３０ａに接続されている。ダイオード３１の出力３１ｂは、ダイオード３２の入力３２ａに接続されている。そして、ダイオード３２の出力３２ｂは、整流回路３０の出力３０ｂに接続されている。

ところで、現実のダイオード３１、３２は、電気的な機能素子として、ダイオードの機能を奏する部分（ダイオード機能部３１ｄ、３２ｄ）に加えて、寄生抵抗３１ｒ、３２ｒ（第１寄生抵抗、第２寄生抵抗）と、寄生容量３１ｃ、３２ｃ（第１寄生容量、第２寄生容量）と、を含む。ダイオード３１、３２は、互いに同じ電気的な構成を有する。そこで、ダイオード３１の電気的な構成を詳細に説明し、ダイオード３２の詳細な説明を省略する。

ダイオード機能部３１ｄは、ダイオードの機能を奏する電気的な素子である。つまり、ダイオード機能部３１ｄは、寄生抵抗３１ｒ及び寄生容量３１ｃを含まない、理想的なダイオードであると言える。寄生抵抗３１ｒの出力は、ダイオード機能部３１ｄの入力に接続されている。つまり、寄生抵抗３１ｒは、ダイオード機能部３１ｄに対して直列に接続されている。寄生容量３１ｃの入力は、ダイオード機能部３１ｄの入力に接続されている。また、寄生容量３１ｃの出力は、ダイオード機能部３１ｄの出力に接続されている。つまり、寄生容量３１ｃは、ダイオード機能部３１ｄに対して並列に接続されている。また、寄生容量３１ｃの入力は、寄生抵抗３１ｒの出力にも接続されている。つまり、寄生容量３１ｃは、寄生抵抗３１ｒに対して直列に接続されている。

ここで、レクテナ装置１は、電波１０１を受けている間、常に電力Ｐ_ＯＵＴを出力するものではない。レクテナ装置１は、ダイオード３１、３２の閾値となる電圧Ｖ_ＴＨを超える電圧が整流回路３０の入力３０ａに与えられる期間において、整流回路３０の出力３０ｂに電圧Ｖ_ＤＤが発生する。つまり、レクテナ装置１の動作は、間欠的である。レクテナ装置１が電波１０１を受けている全期間において、整流回路３０の出力３０ｂに電圧Ｖ_ＤＤが発生する期間は、きわめて短い。そうすると、ダイオード機能部３１ｄ、３２ｄがオフの期間において、レクテナ装置１の回路構成は、ダイオード機能部３１ｄ、３２ｄを無視することが可能となる。その結果、レクテナ装置１の回路構成は、近似的に図２に示す回路構成と等価であるとみなせる。

図２において、図１の回路構成と相違する部分は、整流回路３０である。整流回路３０は、合成寄生抵抗３３と、合成寄生容量３４と、を含む。合成寄生抵抗３３の出力は、合成寄生容量３４の入力に接続されている。つまり、合成寄生抵抗３３は、合成寄生容量３４に対して直列に接続されている。なお、等価回路において、合成寄生抵抗３３と合成寄生容量３４との接続順が逆であってもよい。

合成寄生抵抗３３は、ダイオード３１の寄生抵抗３１ｒと、ダイオード３２の寄生抵抗３２ｒとにより構成される。ダイオード３１、３２は、互いに直列に接続されている。このダイオード３１、３２に対して寄生抵抗３１ｒ、３２ｒは直列に接続されている。従って、寄生抵抗３１ｒ、３２ｒも互いに直列に接続されている。従って、寄生抵抗３１ｒ、３２ｒが直列接続された場合の合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓは、下記式によって得られる。

合成寄生容量３４は、ダイオード３１の寄生容量３１ｃと、ダイオード３２の寄生容量３２ｃとにより構成される。ダイオード３１、３２は、互いに直列に接続されている。このダイオード３１、３２に対して寄生容量３１ｃ、３２ｃは並列に接続されている。従って、寄生容量３１ｃ、３２ｃは、互い並列に接続されている。従って、寄生容量３１ｃ、３２ｃが並列接続された場合の合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊは、下記式によって得られる。

そうすると、図２に示す等価回路は、抵抗素子と、容量素子と、コイル素子と、が互いに直列に接続されたものであると言える。換言すると、図２に示す等価回路は、いわゆる直列型のＬＣＲ共振回路である。

整合回路２０は、アンテナ回路１０と整流回路３０とのインピーダンス整合を図る。いま、等価回路のインピーダンスＺ_ＩＮは、下記式によって示される。

上記式において、複素項がゼロであるとき、インピーダンス整合を満たす。つまり、整合回路２０は、下記式に示されるインダクタンスＬ_Ｍを有する。

さらに、インピーダンス整合を満たす等価回路のＱ値は、下記式によって示される。

発明者らは、レクテナ装置１を設計するうえで、電力変換効率ηに影響を及ぼし得る変数の評価を行った。いくつかの変数は、電力変換効率ηに影響を及ぼすものの、その度合いは異なる。つまり、影響の大きい変数を重視することにより、効率の良いレクテナ装置１の設計を行うことが可能になる。発明者らが鋭意検討を行った結果、レクテナ装置１が図２の等価回路によって示すことができる場合、合成寄生容量３４が最も電力変換効率ηに影響を及ぼすことを見出した（後述する実施例２、３参照）。合成寄生容量３４が大きくなると、電力変換効率ηが低下する。一方、合成寄生容量３４が小さくなると、電力変換効率ηが向上する。

上述したように、直列に接続されるダイオード３１、３２の数が増えると、並列に接続される合成寄生容量３４は、小さくなる。従って、直列接続されるダイオード３１、３２の数が増えるほど、合成寄生容量３４が小さくなる。その結果、電力変換効率ηが高まる。合成寄生容量３４と電力変換効率ηとの関係は、式（８）によって説明できる。式（８）によれば、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが小さくなると、等価回路のＱ値が大きくなる。つまり、ＬＣＲ共振回路における電圧の倍率（Ｑ値）が大きくなるので、アンテナ回路１０から整流回路３０へ受け渡される電力が増加する。

その一方で、直列に接続されるダイオード３１、３２の数が増えると、直列に接続される合成寄生抵抗３３は、増加する。式（８）によれば、合成寄生抵抗３３の増加は、Ｑ値の低下を招く。つまり、直列に接続されるダイオード３１、３２の数が増えるほど、合成寄生容量３４の低下に起因してＱ値が増加する傾向にある。しかし、ダイオード３１、３２の数が増えるほど、合成寄生抵抗３３の増加に起因してＱ値が低下する傾向にある。従って、発明者らは、合成寄生容量３４の低下に起因するＱ値の増加が支配的な数の範囲において、直列に接続されるダイオード３１、３２の数を設定すればよいことを明らかにした。

つまり、整合回路２０は、単に２以上のダイオード３１、３２を備えているものではない。レクテナ装置１において整合回路２０が含むダイオード３１、３２は、ダイオード３１、３２を含む場合の等価回路のＱ値がダイオード３１のみを含む場合又はダイオード３２のみを含む場合の等価回路のＱ値よりも大きい、という条件を満たす。

要するに、本実施形態のレクテナ装置１は、複数のダイオード３１、３２をアンテナと出力端子との間に直列に接続する。この接続構成によって、入力端での寄生容量を見かけ上小さくすることが可能になる。例えば、同じ容量値Ｃ_Ｓを有するＮ個のダイオードが直列に接続されたとき、合成容量値Ｃは、Ｃ＝Ｃ_Ｓ／Ｎとして示される。合成容量値Ｃが小さくなると、インピーダンス整合で用いるコイル２１のインダクタンスＬ_Ｍを大きくすることができる。直列に接続されるダイオードの最適数は、各ダイオードの寄生抵抗、寄生容量、飽和電流に応じる。発明者らの検討の結果、本実施形態のレクテナ装置１は、整流回路３０を構成するダイオード３１、３２に対して、ある程度の寄生容量及び寄生抵抗を含むことを許容しながら、電力変換効率ηを高めることができる。つまり、市販のダイオードを複数直列に接続することによって、低い入力電力でも整流作用を得ることが可能であることが明らかになった。

特に、常識的には、直列に接続されるダイオードの数が増えると、ターンオンするための必要電力が増加するので、電力変換効率ηは低下する傾向にある。しかし、本実施形態のレクテナ装置１は、ダイオードの数の増加に起因するターンオンのために必要電力が増加する効果よりも、合成寄生容量の低下に基づくインダクタンスＬ_Ｍの増加の効果が大きい。そのため、インダクタンスＬ_Ｍの増加の効果が支配的な範囲において、ダイオードの数の増加によって、電力変換効率を高めることができる。

そして、低い入力電流でも整流作用を得ることができるので、電波１０１のエネルギが小さい場合であっても、当該電波１０１から電力を回収することが可能になる。

＜レクテナ装置を設計する方法＞
次に、図３を参照しながらレクテナ装置１を設計する方法を説明する。

設計する方法は、基本となるダイオード３１（基礎ダイオード）に対して、付加的なダイオード３２（複数の付加ダイオード）等を順次接続しながら、それぞれのＱ値（ｎ）を算出する。Ｑ値（ｎ）は、ダイオードを接続するごとに、大きくなる。そして、閾値となるダイオードの数を超えると、Ｑ値（ｎ）は次第に小さくなる。そこで、設計する方法では、次第に増加するＱ値（ｎ）が、減少に転じる接続数を特定する。そして、減少に転じる接続数から一つを減じた数を、整流回路３０を構成するダイオードの組み合わせとして設定する。なお、以下の説明において、ダイオードの組み合わせとは、ダイオードの数、及び、組み合わされるダイオードの種類を意味するものとしてよい。

まず、ダイオード３１のみを有する基準整流回路（基準整流部）に対応する等価回路のＱ値を得る。

具体的には、アンテナ回路１０が受ける電波１０１の入力周波数（ω）を設定する（工程Ｓ１）。次に、ダイオード３１の寄生容量３１ｃの容量値Ｃ_Ｊ１と入力周波数（ω）とを式（７）に適用して、整合回路２０のインダクタンスＬ_Ｍ（１）を算出する（工程Ｓ２）。図２の整合回路の場合、整合回路２０のインダクタンスＬ_Ｍ（１）は、コイル２１の自己インダクタンスである。そして、寄生抵抗３１ｒの抵抗値Ｒ_Ｓ１と、寄生容量３１ｃの容量値Ｃ_Ｊ１と、インダクタンスＬ_Ｍ（１）と、を式（８）に適用して、Ｑ値（１）を得る（工程Ｓ３）。

次に、基本となるダイオード３１に付加的なダイオード３２を付加した等価回路のＱ値（２）を得る。

具体的には、ダイオード３１の寄生抵抗３１ｒの抵抗値Ｒ_Ｓ１及びダイオード３２の寄生抵抗３２ｒの抵抗値Ｒ_Ｓ２を式（４）に適用して、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓ（２）を算出する。さらに、ダイオード３１の寄生容量３１ｃの容量値Ｃ_Ｊ１及びダイオード３２の寄生容量３２ｃの容量値Ｃ_Ｊ２を式（５）に適用して、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊ（２）を算出する（工程Ｓ４）。次に、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊ（２）と入力周波数（ω）とを式（７）に適用して、インダクタンスＬ_Ｍ（２）を算出する（工程Ｓ５）。そして、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓ（２）と、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊ（２）と、インダクタンスＬ_Ｍ（２）と、を式（８）に適用して、Ｑ値（２）を得る（工程Ｓ６）。

次に、Ｑ値の比較を行う（工程Ｓ７）。Ｑ値（ｎ＋１）がＱ値（ｎ）よりも大きい場合には、変数を変更し（ｎ＝ｎ＋１）、再び工程Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を行う。この変数ｎに１を加える操作は、直列接続するダイオードの数を１個増やすことを意味する。一方、Ｑ値（ｎ＋１）がＱ値（ｎ）よりも小さい場合には、処理を終了する。例えば、Ｑ値（３）がＱ値（２）より小さい場合には、ダイオード３１、３２によって整流回路３０を構成するものとして決定する。

なお、レクテナ装置を設計する方法では、整流回路３０を構成するダイオードの組み合わせを設定する工程と、当該組み合わせに基づくＱ値を算出する工程と、これらの工程を繰り返し実施して得られる複数のＱ値から条件を満たすＱ値を構成するダイオードの組み合わせを決定する工程と、を含むものとしてもよい。

＜作用効果＞
レクテナ装置１の電力変換効率ηは、整流回路３０を構成するダイオード３１、３２が含む寄生抵抗３１ｒ、３２ｒと寄生容量３１ｃ、３２ｃの影響を受ける。そして、複数のダイオード３１、３２が直列に接続されている構成では、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊは、１個のダイオード３１が含む寄生容量３１ｃの容量値Ｃ_Ｊ１よりも小さくなる。寄生容量３１ｃが小さくなり、整合回路２０がインピーダンス整合の条件を満たす場合には、整合回路２０のインダクタンスＬ_Ｍが大きくなる。その結果、複数のダイオード３１、３２が直列に接続されている回路構成では、回路のＱ値は、１個のダイオードを含む回路構成のＱ値よりも大きくすることが可能になる。従って、レクテナ装置１は、寄生容量３１ｃ、３２ｃを含む一般的なダイオード３１、３２を複数利用しながら、これらのダイオード３１、３２を直列に接続するという単純な回路構成によって、Ｑ値を高めることが可能である。Ｑ値が大きくなると、アンテナ回路１０と整流回路３０との間の電位差が大きくなるので、アンテナ回路１０から整流回路３０に流れる電流が増加する。その結果、アンテナ回路１０から整流回路３０に渡される電力が多くなるので、電力変換効率ηを向上することができる。

レクテナ装置１の整合回路２０は、互いに直列に接続されたダイオード３１、３２を少なくとも有し、ダイオード３１は、寄生抵抗３１ｒと、寄生容量３１ｃと、を有する。ダイオード３２は、寄生抵抗３２ｒと、寄生容量３２ｃと、を有する。整流回路３０は、寄生抵抗３１ｒ、３２ｒに基づく合成寄生抵抗３３と、寄生容量３１ｃ、３２ｃに基づく合成寄生容量３４と、を有する。整合回路２０は、アンテナ回路１０と整流回路３０とのインピーダンス整合条件及び合成寄生容量３４により定まるインダクタンスＬ_Ｍを有するコイル２１を含む。この構成によっても、特殊な素子や複雑な回路構成の採用することなく、電力変換効率ηを向上することができる。

レクテナ装置１において、合成寄生抵抗３３と、合成寄生容量３４と、インダクタンスＬ_Ｍと、に基づいて定まるＱ値は、寄生抵抗３１ｒと、寄生容量３１ｃと、寄生容量３１ｃ及びインピーダンス整合条件により定まるインダクタンスＬ_Ｍと、に基づいて得られるＱ値よりも、大きい。この構成によれば、電力変換効率ηを確実に向上することができる。

例えば、整流回路が１個のダイオードで構成される場合には、レクテナ装置の仕様を満たすために、個々のダイオードに許される寄生抵抗及び寄生容量の許容範囲が狭くなる傾向にある。一方、本実施形態のレクテナ装置１は、複数のダイオード３１、３２の組み合わせによって所望の電力変換効率ηを達成する。そうすると、個々のダイオードの寄生抵抗及び寄生容量のばらつきが大きくても、組み合わせによってレクテナ装置の仕様を満たすことも可能になる。従って、整流回路３０を構成するダイオードに要求される仕様条件を緩やかにすることができる。

整流回路３０は、半波整流回路である。この構成によっても、特殊な素子や複雑な回路構成の採用することなく、電力変換効率ηを向上することができる。

＜変形例１～６＞
レクテナ装置が有する整流回路は、図１に示す回路構成に限定されない。変形例１～６のレクテナ装置１Ａ～１Ｆは、図１の整流回路３０とは異なる整流回路３０Ａ～３０Ｆを有してもよい。

図４の（ａ）部は、変形例１のレクテナ装置１Ａを示す。レクテナ装置１Ａは、整流回路３０Ａを有する。このレクテナ装置１Ａは、いわゆるシングルシャント型のレクテナ装置（single shunt rectenna）である。整流回路３０Ａは、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１と、機能素子３５と、を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図４の（ｂ）部は、変形例２のレクテナ装置１Ｂを示す。昇圧型のレクテナ装置１Ｂは、整流回路３０Ｂを有する。レクテナ装置１Ｃは、単段の増倍電圧整流器（single stage multiplier）である。整流回路３０Ｂは、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１、３０Ｓ２と、コンデンサ３０Ｎ１と、を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図５は、変形例３のレクテナ装置１Ｃを示す。昇圧型のレクテナ装置１Ｃは、整流回路３０Ｃを有する。この整流回路３０Ｃは、変形例２の整流回路３０Ｂを多段にしたものである。レクテナ装置１Ｃは、コッククロフト－ウォルトン型のチャージポンプ（Cockcroft-Walton/Greinacher/Villard charge pump）の一種である。整流回路３０Ｃは、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１、３０Ｓ２、３０Ｓ３、３０Ｓ４と、コンデンサ３０Ｎ１、３０Ｎ２、３０Ｎ３、３０Ｎ４と、を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図６は、変形例４のレクテナ装置１Ｄを示す。昇圧型のレクテナ装置１Ｄは、整流回路３０Ｄ１、３０Ｄ２を有する。このレクテナ装置１Ｄは、いわゆるディスクソン・チャージポンプ（Dickson charge pump）である。レクテナ装置１Ｄは、変形例２の整流回路３０Ｂを並列に接続したものである。整流回路３０Ｄ１、３０Ｄ２は、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１、３０Ｓ２を有する。また、整流回路３０Ｄ１、３０Ｄ２は、２個の整合回路２０Ａ、２０Ｂと、コンデンサ２Ｃ１、２Ｃ２と、コンデンサ４１Ａ、４１Ｂと、を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図７は、変形例５のレクテナ装置１Ｅを示す。昇圧型のレクテナ装置１Ｅは、整流回路３０Ｅを有する。この整流回路３０Ｅは、変形例２の整流回路３０Ｂを多段にしたものである。また、レクテナ装置１Ｅは、コッククロフト－ウォルトン型のチャージポンプ（Cockcroft-Walton/Greinacher charge pump）の一種である。整流回路３０Ｅは、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１～３０Ｓ６と、コンデンサ３０Ｎ１～３０Ｎ５と、を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図８は、変形例６のレクテナ装置１Ｆを示す。レクテナ装置１Ｆは、整流回路３０Ｆを有する。この整流回路３０Ｆは、全波整流回路である。整流回路３０Ｆは、複数のダイオード３１、３２を含むダイオードユニット３０Ｓ１～３０Ｓ４を有する。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図９は、変形例７のレクテナ装置１Ｇを示す。レクテナ装置１Ｇは、整流回路３０Ｇを有する。整流回路３０Ｇは、２個のダイオードユニット３０Ｓ１、３０Ｓ２を有する。ダイオードユニット３０Ｓ１、３０Ｓ２は、それぞれ２個のダイオード３１、３２を有する。ダイオード３１、３２は互いに直列に接続されている。ダイオードユニット３０Ｓ１の入力は、整合回路２０に接続されている。ダイオードユニット３０Ｓ１の出力は、ダイオードユニット３０Ｓ２の入力とコンデンサ３６に接続されている。つまり、ダイオードユニット３０Ｓ２は、ダイオードユニット３０Ｓ１に対して直列に接続されている。換言すると、整流回路３０Ｇは、互いに直列に接続された４個のダイオード３１、３２を有する。ダイオードユニット３０Ｓ２の入力は、ダイオードユニット３０Ｓ１の出力とコンデンサ３６に接続されている。ダイオードユニット３０Ｓ２の出力は、コンデンサ４１及び負荷装置１０２に接続されている。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

図１０は、変形例８のレクテナ装置１Ｈを示す。レクテナ装置１Ｈは、整流回路３０Ｈと、フィルタ素子４２と、を有する。整流回路３０Ｈは、整合回路２０と接地電位１０３との間に配置されている。この構成によっても、実施形態のレクテナ装置１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施形態及び変形例１～８では、ダイオード３１の寄生抵抗３１ｒ及び寄生容量３１ｃは、ダイオード３２の寄生抵抗３２ｒ及び寄生容量３２ｃとそれぞれ同じであるとして説明した。整流回路３０を構成するダイオードの寄生抵抗及び寄生容量の大きさは、ダイオードごとに相違してもよい。

＜実施例１Ａ、１Ｂ＞
実施例１Ａ、１Ｂでは、整流回路を構成するダイオードの数と電力変換係数との関係を確認した。図１１のグラフは、実施例１Ａ、１Ｂの結果を示す。グラフの横軸は、整流回路を構成するダイオードの数を示す。グラフの縦軸は、電力変換効率ηを示す。グラフＧ１１Ａは、実施例１Ａの結果を示す。グラフＧ１１Ｂは、実施例１Ｂの結果を示す。

実施例１Ａ、１Ｂにおいて、アンテナ抵抗１２の抵抗値Ｒ_Ａは７０Ωであり、出力電圧値Ｖ_ＤＤは１．０Ｖであり、出力電流Ｉ_ＤＤは、１０μＡであるとした。また、実施例１Ａでは、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが１２Ωであり、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが０．１ｐＦであるダイオードを選択した。実施例１Ｂでは、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが８．０４Ωであり、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが０．１９２ｐＦであるダイオードを選択した。

実施例１Ａ、１Ｂによれば、ダイオードの数が変わると電力変換効率ηが変化することがわかった。例えば、実施例１Ａ、１Ｂ共に、整流回路が１個のダイオードを含む場合よりも、２個のダイオードを含む場合の方が、電力変換効率ηが高まることがわかった。一方、電力変換効率ηが最大となるダイオードの数は、条件によって相違することがわかった。例えば、実施例１Ａの解析条件では、電力変換効率ηが最大となるダイオードの数は、２個であった。一方、実施例１Ｂの解析条件では、電力変換効率ηが最大となるダイオードの数は、４個であった。

また、ダイオードの数の増加に伴い電力変換効率が増加し、電力変換効率が最大値となったのちに、徐々に電力変換効率が減少するという傾向は、実施例１Ａ、１Ｂに共通していた。従って、互いに等しいとみなせる寄生抵抗及び寄生容量を有するダイオードを接続する場合には、実施形態において説明した方法によって最適なダイオードの数を設定できることも確認できた。

＜実施例２Ａ～２Ｆ＞
実施例２Ａ～２Ｆでは、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊと電力変換効率ηとの関係について確認した。図１２のグラフは、実施例２Ａ～２Ｆの結果を示す。グラフの横軸は、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊを示す。グラフの縦軸は、電力変換効率ηを示す。グラフＧ１２Ａ、Ｇ１２Ｂ、Ｇ１２Ｃは、それぞれ実施例２Ａ、２Ｂ、２Ｃの結果を示す。さらに、グラフＧ１２Ｄ、Ｇ１２Ｅ、Ｇ１２Ｆは、それぞれ実施例２Ｄ、２Ｅ、２Ｆの結果を示す。

実施例２Ａ～２Ｃは、回路シミュレータによる計算結果である。実施例２Ｄ～２Ｆは、実測値である。実施例２Ａ～２Ｆにおいて、アンテナ抵抗１２の抵抗値Ｒ_Ａは７０Ωであり、出力電圧値Ｖ_ＤＤは０．５Ｖであり、出力電流Ｉ_ＤＤは、１０μＡであるとした。また、実施例２Ａ～２Ｆでは、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが互いに異なる。各実施例２Ａ～２Ｆに設定される抵抗値Ｒ_Ｓは以下のとおりである。
実施例２Ａ：Ｒ_Ｓ＝２Ω。
実施例２Ｂ：Ｒ_Ｓ＝２０Ω。
実施例２Ｃ：Ｒ_Ｓ＝２００Ω。
実施例２Ｄ：Ｒ_Ｓ＝２Ω。
実施例２Ｅ：Ｒ_Ｓ＝２０Ω。
実施例２Ｆ：Ｒ_Ｓ＝２００Ω。

計算結果（実施例２Ａ～２Ｃ）と測定結果（実施例２Ｄ～２Ｆ）とを比較すると、合成寄生容量の容量値Ｃ_Ｊと電力変換効率ηとの関係はおおむね傾向は一致した。いずれの実施例２Ａ～２Ｆにおいても、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが大きくなるほど、電力変換効率ηが低減することがわかった。例えば、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが０．０１ｐＦから０．１ｐＦの間では、電力変換効率ηの低減の度合いはわずかであった。一方、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが０．１ｐＦから１ｐＦの間において、電力変換効率ηの低減の度合いは大きかった。

なお、いずれの実施例２Ａ～２Ｆにおいても、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊと電力変換効率ηとの関係は、おおむね同様の傾向を示していることがわかった。つまり、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが固定値である場合には、電力変換効率ηは、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊによって決まることがわかった。

＜実施例３Ａ～３Ｆ＞
実施例３Ａ～３Ｆでは、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓと電力変換効率ηとの関係について確認した。図１３のグラフは、実施例３Ａ～３Ｆの結果を示す。グラフの横軸は、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓを示す。グラフの縦軸は、電力変換効率ηを示す。グラフＧ１３Ａ、Ｇ１３Ｂ、Ｇ１３Ｃは、それぞれ実施例３Ａ、３Ｂ、３Ｃの結果を示す。さらに、グラフＧ１３Ｄ、Ｇ１３Ｅ、Ｇ１３Ｆは、それぞれ実施例３Ｄ、３Ｅ、３Ｆの結果を示す。

実施例３Ａ～３Ｃは、回路シミュレータによる計算結果である。実施例３Ｄ～３Ｆは、実測値である。実施例３Ａ～３Ｆにおいて、アンテナ抵抗１２の抵抗値Ｒ_Ａは７０Ωであり、出力電圧値Ｖ_ＤＤは０．５Ｖであり、出力電流Ｉ_ＤＤは、１０μＡであるとした。また、実施例３Ａ～３Ｆでは、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが互いに異なる。各実施例３Ａ～３Ｆに設定される容量値Ｃ_Ｊは以下のとおりである。
実施例３Ａ：Ｃ_Ｊ＝０．１４ｐＦ。
実施例３Ｂ：Ｃ_Ｊ＝０．４２ｐＦ。
実施例３Ｃ：Ｃ_Ｊ＝１．４０ｐＦ。
実施例３Ｄ：Ｃ_Ｊ＝０．１４ｐＦ。
実施例３Ｅ：Ｃ_Ｊ＝０．４２ｐＦ。
実施例３Ｆ：Ｃ_Ｊ＝１．４０ｐＦ。

計算結果（実施例３Ａ～３Ｃ）と測定結果（実施例３Ｄ～３Ｆ）とを比較すると、合成寄生抵抗の抵抗値Ｒ_Ｓと電力変換効率ηとの関係はおおむね傾向は一致した。いずれの実施例３Ａ～３Ｆにおいても、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが大きくなるほど、電力変換効率ηが低減することがわかった。しかし、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓが大きくなった場合の電力変換効率ηの低減の度合いと、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが大きくなった場合の電力変換効率ηの低減の度合いと、を比較すると、合成寄生容量の容量値Ｃ_Ｊが大きくなった場合の電力変換効率ηの低減の度合いが大きかった。つまり、合成寄生容量の容量値Ｃ_Ｊが電力変換効率ηに及ぼす影響は、合成寄生抵抗の抵抗値Ｒ_Ｓが電力変換効率ηに及ぼす影響よりも大きいことがわかった。

なお、いずれの実施例３Ａ～３Ｆにおいて、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓと電力変換効率ηとの関係は、おおむね同様の傾向を示していることがわかった。つまり、合成寄生容量３４の容量値Ｃ_Ｊが固定値である場合には、電力変換効率ηは、合成寄生抵抗３３の抵抗値Ｒ_Ｓによって決まることがわかった。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ…レクテナ装置、１０…アンテナ回路（アンテナ部）、１１…アンテナ素子、１２…アンテナ抵抗、２０，２０Ａ，２０Ｂ…整合回路（整合部）、２１…コイル、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆ，３０Ｇ，３０Ｈ…整流回路（整流部）、３０Ｓ１～３０Ｓ６…ダイオードユニット、３１，３２…ダイオード、３１ｄ，３２ｄ…ダイオード機能部、３１ｒ，３２ｒ…寄生抵抗、３１ｃ，３２ｃ…寄生容量、３３…合成寄生抵抗、３４…合成寄生容量、１０１…電波、１０２…負荷装置、１０３…接地電位。

Claims (6)

1. 電波を受けて交流電力を発生するアンテナ部と、
   前記アンテナ部に接続される整合部と、
   互いに直列に接続された複数のダイオードを有すると共に前記整合部に接続され、前記アンテナ部から提供される前記交流電力を整流する整流部と、を備え、
   前記整流部は、互いに直列に接続された第１ダイオード及び第２ダイオードを少なくとも有し、
   前記アンテナ部が出力する電力に対して前記整流部が出力する電力の比率は、前記アンテナ部が出力する電力に対して前記第１ダイオードのみを有する基準整流部が出力する電力の比率よりも、大きい、レクテナ装置。
2. 前記第１ダイオードは、第１寄生抵抗と、第１寄生容量と、を有し、
   前記第２ダイオードは、第２寄生抵抗と、第２寄生容量と、を有し、
   前記整流部は、前記第１及び第２寄生抵抗に基づく合成寄生抵抗と、前記第１及び第２寄生容量に基づく合成寄生容量と、を有し、
   前記整合部は、前記アンテナ部と前記整流部とのインピーダンス整合条件及び前記合成寄生容量に対応するインダクタンスを有するコイルを含む、請求項１に記載のレクテナ装置。
3. 前記合成寄生抵抗と、前記合成寄生容量と、前記インダクタンスと、に基づいて定まるＱ値は、前記第１寄生抵抗と、前記第１寄生容量と、前記第１寄生容量及び前記インピーダンス整合条件により定まるインダクタンスと、に基づいて得られるＱ値よりも、大きい、請求項２に記載のレクテナ装置。
4. 前記整流部は、半波整流回路である、請求項１～３のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
5. 前記整流部は、全波整流回路である、請求項１～３のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
6. レクテナ装置を設計する方法であって、
   前記レクテナ装置は、電波を受けて交流電力を発生するアンテナ部と、前記アンテナ部に接続される整合部と、基礎ダイオードと複数の付加ダイオードとが互いに直列に接続された構成を有すると共に前記整合部に接続され、前記アンテナ部から提供される前記交流電力を整流する整流部と、を備え、前記基礎ダイオード及び複数の前記付加ダイオードは、寄生抵抗と寄生容量と、をそれぞれ有し、
   前記基礎ダイオードに接続される少なくとも１個の前記付加ダイオードを選択する工程と、
   前記基礎ダイオード及び前記付加ダイオードの前記寄生抵抗に基づく合成寄生抵抗と、前記基礎ダイオード及び前記付加ダイオードの前記寄生容量に基づく合成寄生容量と、前記アンテナ部と前記整流部とのインピーダンス整合条件及び前記合成寄生容量により定まるインダクタンスを有するコイルと、が直列に接続された共振回路が有するＱ値を得る工程と、を有し、
   前記付加ダイオードを選択する工程と、前記Ｑ値を得る工程とを、選択される前記付加ダイオードの組み合わせを変更しながら繰り返し行い、
   前記整合部が前記基礎ダイオードのみを有する基準整流部である場合のＱ値よりも大きいＱ値となる前記付加ダイオードの組み合わせを前記基礎ダイオードに付加される前記付加ダイオードの組み合わせとして決定する、レクテナ装置を設計する方法。

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