特許 6019529 微小電力整流回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019529

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】微小電力整流回路

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/27 20160101AFI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/27

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-134473(P2012-134473)

(22)【出願日】2012年6月14日

(65)【公開番号】特開2013-258865(P2013-258865A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2015年6月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】304020177

【氏名又は名称】国立大学法人山口大学

(74)【代理人】

【識別番号】100093687

【弁理士】

【氏名又は名称】富崎 元成

(74)【代理人】

【識別番号】100106770

【弁理士】

【氏名又は名称】円城寺 貞夫

(74)【代理人】

【識別番号】100139789

【弁理士】

【氏名又は名称】町田 光信

(72)【発明者】

【氏名】山本 綱之

【審査官】 田中 寛人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０８６６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１４００３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−０８０９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２３１５８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｋ７／００−７／１４、１９／００−１９／１８

Ｈ０２Ｊ５０／０００−５０／９０

Ｈ０４Ｂ５／００−５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波電力の入力ポート（２）と、
整流電力の出力ポート（８）と、
信号の接地電位として設定された接地導体（１１）と、
高周波電力を入力する第１端子（５１）と整流電力を出力する第２端子（５２）を備えたダイオード（５）と、
前記入力ポート（２）に一方の端子が接続され、他方の端子が前記ダイオード（５）の前記第１端子（５１）に接続された入力側コンデンサ（３）と、
前記ダイオード（５）の前記第１端子（５１）に一端が接続され、他端が前記接地導体（１１）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（４）と、
前記ダイオード（５）の前記第２端子（５２）に一方の端子が接続され、他方の端子が前記接地導体（１１）に接続された出力側コンデンサ（６）と、
前記ダイオード（５）の前記第２端子（５２）に一方の端子が接続され、他方の端子が前記出力ポート（８）に接続されたインダクタンス素子（７）とを有する微小電力整流回路。

【請求項2】

請求項１に記載した微小電力整流回路であって、
前記ダイオード（５）は、ショットキーバリアダイオードである微小電力整流回路。

【請求項3】

請求項２に記載した微小電力整流回路であって、
前記短絡線路（４）は、蛇行形状の線路パターンからなるものである微小電力整流回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−１１６５１５号公報

【特許文献2】特開２０１２−０７５２２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【発明の効果】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】図３は、短絡線路４の各部の寸法を示す図である。

【図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。

【図5】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。

【図6】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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【産業上の利用可能性】

【0040】

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。

【符号の説明】

【0041】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】