本発明はループアンテナを用いたレクテナ装置に関し、特にループアンテナの小型化に係る。The present invention relates to a rectenna device using a loop antenna, and in particular to miniaturizing the loop antenna.
レクテナは高周波の電波をアンテナで受信し、整流器にて直流電力に変換する機能を有している。
例えば非特許文献１には、誘導性の高インピーダンスの微小ループアンテナと容量性インピーダンスを有する整流器と共振動作させるレクテナが開示されている。
しかし、この技術は整流器に印加されるＲＦ電圧を高め、μＷレベルの微細な電波での高効率化を図ったものであり、近年、ＩｏＴの分野にて検討されている９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機にて、数ｍの受電距離でのｓｕｂ－ｍＷのレベルの高電力を得ようとすると、ループアンテナが大型化し、さらなる改善の余地があった。 A rectenna receives high-frequency radio waves with an antenna and converts them into DC power with a rectifier.
For example, Non-Patent Document 1 discloses a rectenna that resonates with a small inductive loop antenna with high impedance and a rectifier with capacitive impedance.
However, this technology increases the RF voltage applied to the rectifier, aiming to achieve high efficiency at micro-watt level radio waves. In recent years, when trying to obtain high power at the sub-mW level at a receiving distance of several meters using a 920 MHz band, 1 W transmitter, which has been considered in the field of IoT, the loop antenna becomes larger, leaving room for further improvement.
本発明は、従来よりも大きな受電電力に適用できる小型な形状を有する微小ループアンテナを用いたルクテナ装置の提供を目的とする。The present invention aims to provide a luxena device that uses a small loop antenna with a compact shape that can accommodate higher receiving power than conventional devices.
本発明に係るレクテナ装置は、ループアンテナと、前記ループアンテナの出力部に直列接続したインピーダンス変成キャパシタを有し、前記インピーダンス変成キャパシタを介して整流器に接続してあることを特徴とする。
ここで、前記インピーダンス変成キャパシタと表現したのは、前記整流器のキャパシタンスよりも容量が小さく、従来のＤＣカット用とは異なるとの趣旨である。
本発明において、ループアンテナとはアンテナをループ形状にしたものをいい、ループ形状は円形状に限らず、楕円形状，角形状（四角形，多角形）等、ループが形成されていればよい。 The rectenna device according to the present invention is characterized in that it comprises a loop antenna and an impedance transformation capacitor connected in series to the output portion of the loop antenna, and is connected to a rectifier via the impedance transformation capacitor.
Here, the term "impedance transformation capacitor" is used to mean that the capacitance is smaller than that of the rectifier and is different from conventional DC cut capacitors.
In the present invention, a loop antenna refers to an antenna in a loop shape, and the loop shape is not limited to a circular shape, but may be an elliptical shape, a square shape (rectangle, polygonal shape), or any other shape as long as a loop is formed.
本発明に係るレクテナは、小型の高インピーダンスアンテナであっても出力部にキャパシタ（インピーダンス変成キャパシタ）を直列接続することで整流器からみると、低インピーダンスアンテナとして動作させることができ、例えば９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機に対して０．１～１０ｍＷレベルの直流電力が得られる。
これにより、ＩｏＴの分野にて用いられているセンサ類の電源やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のような送信機を作動させるための充電電源等に適用できる。
また、ループ状の小型アンテナにすることができるので、形状の変形にも追随できる。 The rectenna of the present invention is a small, high-impedance antenna, but by connecting a capacitor (impedance transformation capacitor) in series to the output section, it can be made to operate as a low-impedance antenna from the perspective of the rectifier, and can obtain DC power of 0.1 to 10 mW for a 920 MHz band, 1 W transmitter, for example.
This makes it possible to apply it to power sources for sensors used in the field of IoT, charging power sources for operating transmitters such as Bluetooth (registered trademark), and the like.
Furthermore, since it can be made into a small loop-shaped antenna, it can follow deformations in shape.
現在、９２０ＭＨｚ帯，２．４ＧＨｚ帯及び、５．７ＧＨｚ帯を用いた無線電力伝送システムの実用化が検討されている。
９２０ＭＨｚ帯は、ＷｉＦｉ等に使用されている２．４ＧＨｚ帯よりも通信距離が長いため、スマートメータ等の各種センサ類、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）等のエネルギー管理システムに用いられるモニター類等のバッテリレス化の手段としてレクテナが検討されている。
例えば、図７にその概念図を示す。
９２０ＭＨｚ帯，１Ｗ送信機から発信される９２０ＭＨｚ帯電波をレクテナにより直流電力に変換し、センサ類の電源に用いたり、情報をインターネット上に発信するために用いるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ用バッテリーの充電電源等に用いることができる。 Currently, the practical application of wireless power transmission systems using the 920 MHz band, the 2.4 GHz band, and the 5.7 GHz band is being considered.
The 920 MHz band has a longer communication distance than the 2.4 GHz band used for Wi-Fi and other networks, so rectennas are being considered as a means of making various sensors such as smart meters and monitors used in energy management systems such as HEMS (Home Energy Management Systems) battery-free.
For example, a conceptual diagram is shown in FIG.
The 920 MHz radio waves emitted from a 920 MHz band, 1 W transmitter are converted into DC power by a rectenna, which can be used to power sensors or as a charging power source for Bluetooth batteries used to transmit information over the Internet.
前述した非特許文献１には、誘導性の高インピーダンスを有する微小ループアンテナと低閾値である４０ｎｍ ＳＯＩ－ＣＭＯＳからなる容量性の整流器の組み合せからなるレクテナを開示する。
その等価回路と回路図を図８に示す。
ここで、Ｓｍａｌｌ ｌｏｏｐ ａｎｔｅｎａ（微小ループアンテナ）は、幅Ｗ：５ｍｍ，外径φ：２０ｍｍであり、アンテナのインピーダンスＲ０は２７ｋΩに設定され、入力電力は－２５ｄＢｍ（３．２μＷ）で動作している。 The aforementioned Non-Patent Document 1 discloses a rectenna consisting of a combination of a minute loop antenna having high inductive impedance and a capacitive rectifier made of a 40 nm SOI-CMOS with a low threshold.
The equivalent circuit and circuit diagram are shown in FIG.
Here, the small loop antenna has a width W of 5 mm and an outer diameter φ of 20 mm, the impedance R0 of the antenna is set to 27 kΩ, and the input power is −25 dBm (3.2 μW).
この動作原理を図９に基づいて説明する。
誘導性の微小ループアンテナと容量性の整流器全体で角周波数ω０で共振させ、整流器に加わるＲＦ電圧Ｖｒｆを高めることで、微弱な電波での高効率動作を図っている。
なお、図８に示した設計では、受電電力－３０ｄＢｍ時に整流効率２５％，出力電圧０．３５Ｖとなっている。
ここで、ＲＦ電圧Ｖｒｆは、ダイオードの閾値より十分高く、ブレークダウン電圧以下となるように設定され、アンテナの受電電力をＰｒｆとすると、Ｖｒｆは下記の式で示した関係がある。
Ｖｒｆ：ＲＦ電圧
Ｒ０：共振時のインピーダンス
Ｐｒｆ：受電電力
ω０：共振角周波数
Ｌａ：アンテナインダクタンス
Ｒａ：アンンテナ抵抗
Ｃａ：寄生キャパシタンス
Ｃｒ：整流器の入力キャパシタンス
Ｒｒ：整流器の抵抗
適切なＶｒｆは、整流器に用いられるダイオードにより決まるので、Ｐｒｆを大きな電力にするには、上記式（１）より共振時のインピーダンスＲ０を小さくする必要がある。
そのためには、上記式（２）よりアンテナインダクタンスＬａを小さくする必要がある。
また、アンテナリアクタンスＸａは、Ｃｒと共役であり、Ｒ０に関わらず一定である。
よって、低いアンテナインダクタンスＬａにするには、寄生キャパシタンスＣａを大きくする必要がある。 The principle of this operation will be explained with reference to FIG.
The inductive minute loop antenna and the capacitive rectifier as a whole are resonated at an angular frequency ω0 and the RF voltage Vrf applied to the rectifier is increased, thereby achieving highly efficient operation with weak radio waves.
In the design shown in FIG. 8, the rectification efficiency is 25% and the output voltage is 0.35 V when the received power is −30 dBm.
Here, the RF voltageVrf is set to be sufficiently higher than the threshold value of the diode and equal to or lower than the breakdown voltage, and when the power received by the antenna isPrf ,Vrf has the relationship shown in the following equation.
Vrf : RF voltage R0 : Impedance at resonance Prf : Received power ω0 : Resonant angular frequency La : Antenna inductance Ra : Antenna resistance Ca : Parasitic capacitance Cr : Rectifier input capacitance Rr : Rectifier resistance
Since an appropriate Vrf is determined by the diode used in the rectifier, in order to make Prf a large power, it is necessary to reduce the impedance R0 at resonance according to the above formula (1).
To achieve this, it is necessary to reduce the antenna inductanceLa from the above formula (2).
Furthermore, the antenna reactance Xa is conjugate with Cr and is constant regardless of R0 .
Therefore, to achieve a low antenna inductance La, the parasitic capacitance Ca must be increased.
以上の観点から、本発明に係るレクテナの構成は、図１に示すように微小ループアンテナ１１に直列にインピーダンス変成キャパシタＣｓを接続したものである。
ここで、インピーダンス変成キャパシタにおいて、２つのＣｓの合成容量は、整流器のキャパシタンスＣｒよりも小さい。
また、従来のレクテナに用いられるＤＣカット用キャパシタの容量はＣｓよりも十分に大きく、Ｃｒよりも大きい。
本発明におけるインピーダンス変成キャパシタは、ＤＣカットキャパシタと作用が相違する。 From the above viewpoint, the rectenna according to the present invention has a configuration in which an impedance transformation capacitorCs is connected in series to a minute loop antenna 11 as shown in FIG.
Here, in the impedance transformation capacitor, the combined capacitance of the twoCs is smaller than the capacitanceCr of the rectifier.
Furthermore, the capacitance of the DC blocking capacitor used in the conventional rectenna is sufficiently larger thanCs and is also larger thanCr .
The impedance transforming capacitor in the present invention functions differently from a DC blocking capacitor.
本発明におけるインピーダンス変成キャパシタＣｓの作用を図２を用いて説明する。
微小ループアンテナの出力ＲＦ電圧Ｖｃがインピーダンス変成キャパシタＣｓにより分圧され、整流器にはＲＦ電圧Ｖｒが印加されることになる。
分圧比をｎとすると、Ｃｓ＝２Ｃｒ／（ｎ－１），｜Ｖｒ｜＝｜Ｖｃ｜／ｎであるから、分圧比ｎを高くすると、低Ｃｓとなる。
図２に示すように共振時の等価回路では、アンテナインダクタンスＬａと、Ｃｓ及びＣｒの合成容量が打ち消し合うことになり、等価回路的には理想的なインピーダンス変成器（トランス）を介した構成になる。
したがって、整流器から見たアンテナの共振インピーダンスＲ０を１／ｎ２と低インピーダンスにできることになる。 The function of the impedance transforming capacitorCs in the present invention will be explained with reference to FIG.
The output RF voltageVc of the minute loop antenna is divided by the impedance transformation capacitorCs , and the RF voltageVr is applied to the rectifier.
If the voltage division ratio is n, then Cs =2Cr /(n-1) and |Vr |=|Vc |/n, and therefore, increasing the voltage division ratio n results in a low Cs .
As shown in FIG. 2, in the equivalent circuit at resonance, the antenna inductance La and the combined capacitance of Cs andCr cancel each other out, resulting in an equivalent circuit configuration via an ideal impedance transformer (transformer).
Therefore, the resonant impedance R0 of the antenna seen from the rectifier can be reduced to 1/n2 .
図３に実施例１として、ループアンテナ１１にＣｓ＝０．３ｐＦのキャパシタを直列に接続することで、共振インピーダンスＲ０＝４ｋΩに設計した例を示す。
ループアンテナの幅Ｗ：２．０ｍｍ，外径φ：２０．５ｍｍとなった。
これに対して非特許文献１に基づいて、共振インピーダンスが同等になるように設計すると、図１０に示すように比較例はアンテナ幅Ｗ：２０．０ｍｍ，外径φ：３０．０ｍｍの大きな形状になった。
これらの整流効率及び出力電圧を比較したグラフを図４に示す。
入力電力－１０ｄＢｍ時の整流効率を比較すると、本発明（実施例１）３４％，比較例３７％でほぼ同等であるのに、ループアンテナは比較例よりも外径が３０．０ｍｍから２０．５ｍｍに小さくなり、アンテナ幅が２０．０ｍｍから２．０ｍｍと約１／１０になっている。 FIG. 3 shows, as Example 1, an example in which a capacitor of Cs =0.3 pF is connected in series to the loop antenna 11, thereby designing the resonant impedance R0 =4 kΩ.
The width W of the loop antenna was 2.0 mm, and the outer diameter φ was 20.5 mm.
In contrast, when the antenna was designed based on Non-Patent Document 1 so that the resonant impedance was equivalent, the comparative example had a large antenna shape with an antenna width W of 20.0 mm and an outer diameter φ of 30.0 mm, as shown in FIG.
A graph comparing these rectification efficiencies and output voltages is shown in FIG.
When comparing the rectification efficiency at an input power of -10 dBm, the present invention (Example 1) has 34% and the comparative example has 37%, which are almost the same. However, the outer diameter of the loop antenna is smaller than that of the comparative example, from 30.0 mm to 20.5 mm, and the antenna width is about 1/10 of that of the comparative example, from 20.0 mm to 2.0 mm.
本発明に係るループアンテナにおいて、アンテナの出力部にキャパシタを導入する方法として、図５に示すように基板表面（ａ）にループアンテナ１１をパターニングし、その出力部１１ａ，１１ａと対応する基板の裏面にアインテナ給電点１１ｂ，１１ｂを設けることで、キャパシタを導入してもよい。
また、整流器の構成に限定はなく、比較例として図８にて説明したＣＭＯＳ整流回路、図６（ａ）に示した倍電圧回路による平衡型、（ｂ）に示したブリッジ型等が例として挙げられる。 In the loop antenna according to the present invention, a capacitor may be introduced into the output portion of the antenna by patterning a loop antenna 11 on the surface (a) of the substrate as shown in FIG. 5 and providing antenna feeding points 11b, 11b on the back surface of the substrate corresponding to the output portions 11a, 11a.
Furthermore, the configuration of the rectifier is not limited, and examples include the CMOS rectifier circuit described in FIG. 8 as a comparative example, a balanced type using a voltage doubler circuit shown in FIG. 6( a), and a bridge type shown in FIG. 6( b).
１１ ループアンテナ
１２ａ インピーダンス変成キャパシタ11 Loop antenna 12a Impedance transforming capacitor
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