JP3815108B2

JP3815108B2 - レクテナ装置

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Publication number: JP3815108B2
Application number: JP07601499A
Authority: JP
Inventors: 貴行柴田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP2000278887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電波（特にマイクロ波）を受信してなる受信信号を、直流電力に変換するレクテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、マイクロ波の新たな利用形態として、エネルギーの無線電送が考えられている。このエネルギーの無線電送は、衛星に搭載した太陽電池によって発電を行う宇宙太陽発電システムにおける発電電力の地上への送電や、離島や山頂といった送電線の配線が困難な場所への送電等に用いることが可能である。
【０００３】
そして、このようなマイクロ波エネルギーの無線電送では、受電側に、マイクロ波を受信し、その受信信号を整流して直流電力を取り出すレクテナ（rectenna:rectifying antenna）装置が設けられる。
一般的にレクテナ装置は、図８（ａ）に示すように、マイクロ波を受信する受信アンテナ１０３と、受信アンテナ１０３から供給される受信信号から不要周波数成分を除去する入力フィルタ１０５と、不要周波数が除去された受信信号を整流，平滑化し、直流電力に変換して出力する整流回路１０７とを備えている。
【０００４】
このようなレクテナ装置の一例として、例えば、特開平５−３３５８１１号公報には、整流回路１０７として、図８（ｂ）に示すように、マイクロ波が入力される入力端子Ｔi1，Ｔi2間に、ダイオードＤとコンデンサＣとを並列接続してなる半波整流回路を用いたものが開示されている。
【０００５】
そして、このレクテナ装置を、受信アンテナとして平面アンテナを用い、他の部分を分布定数回路を用いて誘電体基板Ｐ上に構成した場合、図９に示すようなものとなる。即ち、誘電体基板Ｐは、その一方の面が平面導体１２１で覆われており、この平面導体形成面とは反対側のパターン形成面に、円形の平面アンテナからなる受信アンテナ１０３としてのパターン１２３と、開放スタブを用いて構成された入力フィルタ１０５としてのパターン１２５と、ダイオードＤと、開放スタブを用いた低域通過フィルタからなりコンデンサＣに相当するパターン１２７とが形成されている。また、ダイオードＤのアノードは、スルーホールＨを介して平面導体１２１に接続されている。
【０００６】
なお、ダイオードＤと、パターン１２５との接続点が図８（ｂ）における入力端子Ｔi1に相当し、同様に、平面導体１２１が入力端子Ｔi2及び出力端子Ｔo2，パターン１２７のダイオードＤ接続端とは反対側の端部が出力端子Ｔoiに相当する。
【０００７】
つまり、受信アンテナ１０３（パターン１２３）で受信されたマイクロ波は入力フィルタ１０５（パターン１２５）を通り、整流回路１０７（ダイオードＤ，パターン１２７）にて整流平滑化されて直流出力となり、出力端子Ｔo1，Ｔo2から出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レクテナ装置の高出力化を図るには、上述のような受信アンテナ１０３，入力フィルタ１０５，整流回路１０７からなる回路をレクテナ素子と呼ぶとすると、このレクテナ素子を多数設け、各レクテナ素子の出力（即ち整流回路１０７の出力）を互いに直列接続する必要がある。そして、この場合、装置の小型化のために、同一基板Ｐ上に複数のレクテナ素子を形成することが望まれる。
【０００９】
しかし、上述のような整流回路１０７では、平面導体１２１が整流回路１０７の出力端子Ｔo2としても使用されることになるため、同一基板Ｐ上のレクテナ素子間で出力の直列接続を可能とするためには、図９に示すように、個々の整流回路１０７毎に平面導体１２１を互いに絶縁しなければならない。また、直列接続される各レクテナ素子間では、一方のレクテナ素子の高電位側出力端子Ｔi1と、他方のレクテナ素子の低電位側出力端子Ｔi2（平面導体１２１）とを互いに導通させなければならないが、両出力端子Ｔi1及びＴi2は、基板Ｐを挟んで反対側の面に形成されており、これらの接続用に新たなスルーホールを形成しなければならない。
【００１０】
つまり、同一基板Ｐ上に形成されたレクテナ素子の出力の直列接続を実現しようとすると、基板製造の工程が複雑化してしまうという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決するために、製造工程を複雑化することなくレクテナ素子の出力の直列接続を実現可能なレクテナ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた発明である請求項１記載のレクテナ装置では、受信手段からの受信信号を整流する複数の整流手段が、一対の入力端子の一方である第１入力端子と一対の出力端子のそれぞれとの間に、一方は第１入力端子側から出力端子側へ、他方は出力端子側から第１入力端子側へ電流を流す方向に接続された一対のダイオードを備え、一対の入力端子の他方である第２入力端子が一対の出力端子から絶縁された全波型の２倍電圧整流回路からなる。そして、出力端子が直列接続されるこれら複数の整流手段間で、前記第２入力端子が互いに接続されている。
【００１２】
このように、本発明では、整流手段として、第２入力端子が直流出力から絶縁された全波型の２倍電圧整流回路を用いているため、各整流手段の出力を直列接続する場合であっても、第２入力端子を共通に接続することが可能となる。
従って、特に請求項２記載のように、整流手段を、一方の面が平面導体で覆われた誘電体基板上に形成した場合、この平面導体は第２入力端子としてのみ使用され、また、整流回路の出力端子はいずれも平面導体形成面とは反対側のパターン形成面に設けられることになる。その結果、複数の整流手段を同一基板上に形成して各出力端子を直列接続する時に、平面導体を整流回路毎に分離する必要がなく、しかも出力端子同士接続するためのパターンをスルーホール等を用いることなく簡単に形成することができ、基板製造の工程を簡易化できる。
【００１３】
なお受信手段は、例えば請求項３記載のように、整流手段毎に設けられた複数の受信アンテナにて構成することができる。
また、受信手段は、請求項４記載のように、単一の受信アンテナと、受信アンテナから供給される受信信号を複数の整流手段に分配する分配手段とからなり、整流手段は、直流成分をカットするコンデンサを介して前記分配手段から受信信号の供給を受けるように構成してもよい。
【００１４】
更に、受信手段は、請求項４記載のように多点給電アンテナからなり、整流手段は、直流成分をカットするコンデンサを介して多点給電アンテナの各給電点から受信信号の供給を受けるように構成してもよい。
つまり、受信信号の供給源が一つである場合には、一対のダイオードを介して一対の出力端子と接続された各整流回路の第１入力端子は、直流的な電位が等しくなり直列接続ができなくなるため、各整流回路の第１入力端子を直流的に分離するためにコンデンサを設ける必要があるのである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
［第１実施例］
図１は、第１実施例のレクテナ装置の全体構成を表すブロック図、図２はレクテナ装置を構成する整流回路の詳細を表す回路図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例のレクテナ装置１は、マイクロ波を受信する受信アンテナ３と、受信アンテナ３からの受信信号に含まれる不要周波数成分を除去してマイクロ波から直流への変換効率の改善を図るための入力フィルタ５と、入力フィルタ５を介して供給される受信信号を整流平滑化して直流電力に変換する整流回路７とからなるレクテナ素子Ｌ１〜Ｌｎを多数備えている。そして、各レクテナ素子Ｌｉ（ｉ＝１〜ｎ）の出力、即ち整流回路７の出力は互いに直列接続されており、レクテナ装置１の出力として、高電圧の直流電力が得られるように構成されている。
【００１７】
このうち、整流回路７は、図２に示すように、入力フィルタ５に接続される一対の入力端子Ｔｉ（Ｔi1，Ｔi2）のうちの一方である第１入力端子Ｔi1と、一対の出力端子Ｔｏ（Ｔo1，Ｔo2）のそれぞれとの間に接続された一対のダイオードＤ１，Ｄ２を備えている。なお、第１入力端子Ｔi1と高電位側の出力端子になる第１出力端子Ｔo1との間に設けられたダイオードＤ１は、アノードが第１入力端子Ｔi1側，カソードが第１出力端子Ｔo1側に接続され、また、第１入力端子Ｔi1と低電位側の出力端子になる第２出力端子Ｔo2との間に設けられたダイオードＤ２は、アノードが第２出力端子Ｔo2側，カソードが第１入力端子Ｔi1側に接続されている。
【００１８】
また、整流回路７は、一対の入力端子Ｔｉのうち第１入力端子Ｔi1の他方である第２入力端子Ｔi2と、各出力端子Ｔo1，Ｔo2との間に、それぞれコンデンサＣ１，Ｃ２が接続されており、いわゆる全波型の２倍電圧整流回路として構成されている。
【００１９】
このように構成された整流回路７では、入力端子Ｔｉを介して入力されるマイクロ波の受信信号により、ダイオードＤ１，Ｄ２が半サイクル毎に交互に導通し、その結果、コンデンサＣ１，Ｃ２が、入力端子Ｔｉ間の最大印加電圧Ｖｉにほぼ等しい電圧にて交互に充電される。なお、ダイオードＤ１の導通時には、第１出力端子Ｔo1を高電位側，第２入力端子Ｔi2を低電位側としてコンデンサＣ１が充電され、一方、ダイオードＤ２の導通時には、第２入力端子Ｔi2を高電位側，第２出力端子Ｔo2を低電位側としてコンデンサＣ２が充電される。従って、整流回路７の出力端子Ｔｏ間には、入力端子Ｔｉ間への印加電圧Ｖｉのほぼ２倍となる出力電圧Ｖｏが発生する。
【００２０】
次に、図３は、レクテナ装置１を構成するために使用され、複数（図３では２個）のレクテナ素子を、同一基板上に形成してなるレクテナアレイの回路パターンを示す斜視図である。
図３に示すように、レクテナアレイＬＡは、一方の面（図３（ｂ）参照）が平面導体２１で覆われた誘電体基板Ｐを用いて構成され、平面導体形成面とは反対側のパターン形成面（図３（ａ）参照）に、一対のレクテナ素子Ｌａ，Ｌｂが形成されている。
【００２１】
そして、パターン形成面に形成された一対のレクテナ素子Ｌａ，Ｌｂは、いずれも全く同様の構成をしており、円形の平面アンテナからなる受信アンテナ３としてのパターン２３と、開放スタブを用いて形成された入力フィルタ５としてのパターン２５とを備えている。
【００２２】
また、各レクテナ素子Ｌａ，Ｌｂは、整流回路７として、ダイオードＤ１，Ｄ２と、開放スタブを用いた低域通過フィルタからなりコンデンサＣ１，Ｃ２に相当するパターン２７，２８とを備えている。なお、パターン２５とダイオードＤ１，Ｄ２との接続点が第１入力端子Ｔi1，平面導体２１が第２入力端子Ｔi2に相当し、一端がダイオードＤ１に接続されたパターン２７の他端側が第１出力端子Ｔo1，一端がダイオードＤ２に接続されたパターン２８の他端側が第２出力端子Ｔo2に相当する。
【００２３】
このように構成されたレクテナアレイＬＡでは、レクテナ素子Ｌａの第２出力端子Ｔo2とレクテナ素子Ｌｂの第１出力端子Ｔo1とを接続することで、レクテナ素子Ｌａ，Ｌｂが直列接続され、単独のレクテナ素子の２倍の出力電圧を得ることができる。そして、このようなレクテナアレイＬＡを所望の数だけ直列接続することにより、本実施例のレクテナ装置１を簡単に構成することができる。
【００２４】
以上、説明したように、本実施例のレクテナ装置１においては、整流回路７として、一方の入力端子（第２入力端子）Ｔi2が出力端子Ｔｏ（Ｔo1，Ｔo2）から直流的に絶縁された全波型の２倍電圧整流回路が用いられている。
従って、出力が直列接続される各整流回路７間で、第２入力端子Ｔi2を共通に接続することが可能となり、その結果、レクテナアレイＬＡを作製する場合に、第２入力端子Ｔi2に相当する平面導体２１を整流回路７（レクテナ素子Ｌｉ）毎に分離する必要がなく、また、一対の出力端子Ｔｏが、いずれもパターン形成面に配置されるため、レクテナ素子Ｌｉの出力の直列接続を容易に行うことができるだけでなく、平面導体形成面とパターン形成面とを結ぶスルーホールを全く形成する必要がないため、レクテナアレイＬＡの構造が簡易になり、レクテナアレイＬＡの製造工程、ひいては当該レクテナ装置１の製造を容易に行うことができる。
【００２５】
また、本実施例では、全てのレクテナ素子Ｌｉについての平面導体２１を、レクテナアレイＬＡを設置するためのシャシーへ共通に接地できるため、平面導体２１とシャシーの間に絶縁体を挟む必要がなく、構造を簡略化できる。
なお、本実施例では、レクテナアレイＬＡを、一対のレクテナ素子Ｌａ，Ｌｂにより構成したが、これに限定されるものではなく、これを３個以上のレクテナ素子により構成してもよい。
【００２６】
また、本実施例では、受信手段（受信アンテナ３）として平面アンテナを用いたが、図４に示すように、レクテナアレイＬＡが形成される基板Ｐを貫通するように設けられた線状アンテナ２３ａ用いてもよい。また、平面アンテナや線状アンテナ等のように基板Ｐと一体に形成可能な小型のアンテナに限らず、受信手段として他のどのような形式のアンテナを適用してもよい。
【００２７】
更に、本実施例ではレクテナ素子Ｌａ，Ｌｂの全ての構成、即ち受信アンテナ３（パターン２３），入力フィルタ５（パターン２５），整流回路７（ダイオードＤ１，Ｄ２、パターン２７，２８）が基板Ｐの同一面（パターン形成面）上に形成されているが、図５に示すように、一対の誘電体基板Ｐ１，Ｐ２にて平面導体２１を両側から挟んでなる多層基板Ｐａを用い、一方の基板Ｐ１のパターン形成面に受信アンテナ３（２３）を形成し、他方の基板Ｐ２のパターン形成面に入力フィルタ５（２５）及び整流回路７（Ｄ１，Ｄ２，２７，２８）を形成するようにしてもよい。この場合、受信アンテナ３（２３）への給電を行うためにスルーホールＨを設ける必要がある。
【００２８】
但し、平面導体２１にスリットを設け、このスリットを挟んで平面アンテナと給電線とを対向させるように配置して両者間の電磁結合を利用して給電を行う方法を用いれば、給電用のスルーホールが不要となり、構造を簡略化することができる。
【００２９】
このように、受信アンテナ３と受信アンテナ以外の回路５，７とを平面導体２１を挟んで配置した場合、この平面導体２１が電磁シールドとして作用するため、受信アンテナ以外の回路５，７にてマイクロ波が直接受信されることにより不要周波数成分が増大してマイクロ波から直流への変換効率が低下してしまうことを確実に防止できる。
【００３０】
また更に、本実施例では、入力フィルタ５や整流回路７を分布定数回路のパターンにて実現しているが、集中定数回路で実現してもよい。
また、入力フィルタ５のパターン２５及び整流回路７を構成する低域通過フィルタのパターン２７，２８は、図示した形状のものに限らず、当該レクテナ装置１にて所望の周波数を通過／遮断するものであれば、どのような形状であってもよい。
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。
【００３１】
本実施例のレクテナ装置１ａは、図６に示すように、受信アンテナ３及び入力フィルタ５を１系統だけ備えると共に、受信アンテナ３にて受信され入力フィルタ５にて不要周波数成分が除去された受信信号を、複数設けられた整流回路７に分配する分配回路９を備えている。なお、個々の整流回路７（全波型の２倍電圧整流回路），及び受信アンテナ３，入力フィルタ５は、第１実施例の場合と全く同様に構成されている。
【００３２】
なお、各整流回路７は、分配回路９からの受信信号を、それぞれ直流成分をカットするコンデンサＣｃを介して供給を受けるように構成されている。これは、コンデンサＣｃを省略した場合、各整流回路７の第１入力端子Ｔi1は、互いに直流的に接続され同電位となり、ひいては各整流回路７の第１出力端子Ｔo1同士、また第２出力端子Ｔo2同士でいずれも電位が等しくなってしまい、各整流回路７の出力を直列接続することができない。従って、本実施例のように、受信信号の供給源が単一の受信アンテナ３からなる場合には、このようなコンデンサＣｃが必要となるのである。
【００３３】
なお、本実施例においては、レクテナアレイＬＡの代わりに、図示しないが、受信アンテナ３，入力フィルタ５からなる第１の基板と、分配回路９，複数の整流回路７からなる第２の基板とを組み合わせて構成され、第２の基板では、レクテナアレイＬＡと同様に、第２入力端子Ｔi2に相当する平面導体を、整流回路７毎に分離することなく共通に使用するよう形成される。
【００３４】
このように構成されたレクテナ装置１ａでは、受信アンテナ３にて受信されたマイクロ波の受信信号は、入力フィルタ５にて不要周波数成分が除去され、分配回路９に供給される。この受信信号を分配回路９が分岐して複数設けられた整流回路７のそれぞれに分配し、各整流回路７が分配された受信信号を整流，平滑化することにより直流電力を出力する。なお、各整流回路７の出力は直列接続されているため、レクテナ装置１ａからは、整流回路７の接続数に応じた高電圧の直流電力が出力されることになる。
【００３５】
以上、説明したように、本実施例のレクテナ装置１ａによれば、整流回路７として全波型の２倍電圧整流回路を用いているので、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では、受信アンテナ３を一つしか備えていないため、装置を小型化することができ、消費電力は少ないが高電圧を必要とする負荷の電源として好適に用いることができる。
［第３実施例］
次に、第３実施例について説明する。
【００３６】
なお、第１及び第２実施例では、受信アンテナ３として給電点が一つの平面アンテナを用いているが、本実施例のレクテナ装置では、受信アンテナ３ａとして複数の給電点を有する多点給電アンテナを用いている。
そして、本実施例のレクテナ装置１ｂでは、図７（ａ）に示すように、受信アンテナ３ａの各給電点毎に入力フィルタ５及び整流回路７が設けられており、受信アンテナ３ａと各入力フィルタ５との間には、受信信号から直流成分をカットするコンデンサＣｃが設けられている。なお、個々の入力フィルタ５及び整流回路７（全波型の２倍電圧整流回路）は、第１及び第２実施例と全く同様に構成されている。
【００３７】
なお、本実施例においては、レクテナアレイＬＡの代わりに、図示しないが、レクテナアレイＬＡから受信アンテナ３のパターンを除いた回路アレイを作製し、これと、回路アレイとは別体に形成された多点給電アンテナと組み合わせることで、本実施例のレクテナ装置１ｂを構成してもよいし、上記回路アレイに多点給電アンテナを組み込んだものを用いて構成してもよい。
【００３８】
このように構成された本実施例のレクテナ装置１ｂでは、受信アンテナ３ａにて受信されたマイクロ波の受信信号は、各給電点から出力される。そして、各給電点毎に設けられた入力フィルタ５は、受信信号から不要周波数成分を除去し、更に、入力フィルタ５毎に設けられた整流回路７が、入力フィルタ５にて不要成分が除去された受信信号を整流，平滑化することにより直流電力を出力する。なお、各整流回路７の出力は直列接続されているため、レクテナ装置１ｂからは、整流回路７の接続数に応じた高電圧の直流電力が出力されることになる。
【００３９】
以上、説明したように、本実施例のレクテナ装置１ｂによれば、整流回路７として全波型の２倍電圧整流回路を用いており、また、単一の受信アンテナ３ａを用いて構成されているので、第１及び第２実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、本実施例では、直流成分カット用のコンデンサＣｃを、受信アンテナ３ａと各入力フィルタ５との間に設けたが、図７（ｂ）に示すレクテナ装置１ｃのように、入力フィルタ５と整流回路７との間に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のレクテナ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】整流回路の詳細を示す回路図である。
【図３】レクテナアレイの構成を示す斜視図である。
【図４】レクテナアレイの変形例を示す斜視図である。
【図５】レクテナアレイの変形例を示す斜視図である。
【図６】第２実施例のレクテナ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図７】第３実施例のレクテナ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図８】従来装置に採用された整流回路の詳細を示す回路図である。
【図９】従来技術を適用したレクテナアレイの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…レクテナ装置３，３ａ…受信アンテナ
３ａ…受信アンテナ５…入力フィルタ７…整流回路
９…分配回路２１…平面導体２３，２５，２７，２８…パターン
ＬＡ…レクテナアレイＬ１〜Ｌｎ，Ｌａ，Ｌｂ…レクテナ素子
Ｃ１，Ｃ２，Ｃｃ…コンデンサＤ１，Ｄ２…ダイオード
Ｈ…スルーホールＰ，Ｐ１，Ｐ２…誘電体基板Ｐａ…多層基板
Ｔｉ（Ｔi1，Ｔi2）…入力端子Ｔｏ（Ｔo1，Ｔo2）…出力端子

Claims

電波を受信して複数の受信信号を生成する受信手段と、
該受信手段から供給される受信信号をそれぞれ整流する複数の整流手段と、
備え、前記整流手段の出力を互いに直列接続して使用するレクテナ装置において、
前記整流手段は、一対の入力端子の一方である第１入力端子と一対の出力端子のそれぞれとの間に、一方は前記第１入力端子側から前記出力端子側へ，他方は前記出力端子側から前記第１入力端子側へ電流を流す方向に接続された一対のダイオードを備え、一対の入力端子の他方である第２入力端子が一対の出力端子から絶縁された全波型の２倍電圧整流回路からなり、
前記複数の整流手段間で、前記第２入力端子を互いに共通接続したことを特徴とするレクテナ装置。
前記整流手段は、誘電体基板上に形成され、
該誘電体基板は、一方の面が平面導体で覆われ且つ前記第２入力端子として使用され、他方の面に前記第２入力端子以外のパターンが形成されていることを特長とする請求項１記載のレクテナ装置。
前記受信手段は、前記整流手段毎に設けられた複数の受信アンテナからなることを特長とする請求項１又は請求項２記載のレクテナ装置。
前記受信手段は、
単一の受信アンテナと、
該受信アンテナから供給される受信信号を前記複数の整流手段に分配する分配手段と、
からなり、
前記整流手段は、直流成分をカットするコンデンサを介して前記分配手段から受信信号の供給を受けることを特長とする請求項１又は請求項２記載のレクテナ装置。
前記受信手段は、多点給電アンテナからなり、
前記整流手段は、直流成分をカットするコンデンサを介して前記多点給電アンテナの各給電点から受信信号の供給を受けることを特長とする請求項１又は請求項２記載のレクテナ装置。