特開 2023-94257 レクテナアレイ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023094257

(43)【公開日】2023-07-05

(54)【発明の名称】レクテナアレイ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20230628BHJP

   H01Q 19/02 20060101ALI20230628BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20230628BHJP

   H01Q 23/00 20060101ALI20230628BHJP

   H02J 50/27 20160101ALI20230628BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20230628BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

H01Q19/02

H01Q21/06

H01Q23/00

H02J50/27

H02J50/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021209635

(22)【出願日】2021-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】518195771

【氏名又は名称】株式会社翔エンジニアリング

(71)【出願人】

【識別番号】504209655

【氏名又は名称】国立大学法人佐賀大学

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤原 暉雄

(72)【発明者】

【氏名】牧野 克省

(72)【発明者】

【氏名】豊田 一彦

(72)【発明者】

【氏名】西山 英輔

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 和雄

【テーマコード（参考）】

5J020

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J020BC04

5J020BC13

5J020DA02

5J021AA09

5J021AB06

5J021CA04

5J045AA07

5J045DA10

5J045LA03

(57)【要約】

【課題】捕集効率を維持しながら、素子数を低減したレクテナアレイ装置を提供する。
【解決手段】レクテナアレイ装置は、配列された複数のアンテナ素子２０と、アンテナ素子２０に接続された整流回路１５と、を備え、アンテナ素子２０は、それぞれ、整流回路１５に接続された第１導体板２３と、第１導体板２３の一方側に配置され、第１導体板２３に対向する接地導体板２５と、第１導体板２３の他方側に配置され、第１導体板２３に対向する第２導体板２４と、を有し、第１導体板２３と第２導体板２４との間の距離は第１導体板２３と接地導体板２５との間の距離より長い。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

配列された複数のアンテナ素子と、
前記アンテナ素子に接続された整流回路と、を備え、
前記アンテナ素子は、それぞれ、
前記整流回路に接続された第１導体板と、
前記第１導体板の一方側に配置され、前記第１導体板に対向する接地導体板と、
前記第１導体板の他方側に配置され、前記第１導体板に対向する第２導体板と、を有し、
前記第１導体板と前記第２導体板との間の距離は前記第１導体板と前記接地導体板との間の距離より長い、レクテナアレイ装置。

【請求項2】

互いに隣接した前記アンテナ素子の前記第１導体板の中心の間の距離は、前記アンテナ素子が受ける電波の波長をλとして、０．７５λ以下である、請求項１に記載のレクテナアレイ装置。

【請求項3】

第１誘電体板及び第２誘電体板をさらに備え、
前記第１導体板及び前記接地導体板は前記第１誘電体板に形成され、
前記第２導体板は前記第２誘電体板に形成される、請求項１又は２に記載のレクテナアレイ装置。

【請求項4】

前記第１導体板は前記第１誘電体板の一方の主面に形成され、
前記整流回路は前記第１誘電体板の他方の主面に形成され、
前記接地導体板は前記第１誘電体板内に形成される、請求項３に記載のレクテナアレイ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は無線電力伝送に使用されるレクテナアレイ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、受けた電波を直流に変換して直流電力を生成するレクテナアレイ装置が提案されている。特許文献１には、複数のレクテナ素子を有するレクテナアレイ装置が開示されている。複数のレクテナ素子は２次元格子状に配列されている。それぞれのレクテナ素子は接地された基板に配置されたパッチアンテナ素子及び整流器を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２００９－５１３０９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されたようなレクテナアレイ装置は、電波によって運ばれてきた電力の多くを逃さずに受けるために、電波のビームの広がりに応じたサイズ及び高い捕集効率を有する必要がある。しかし、所定のサイズを有するレクテナアレイ装置を作製する際、作製費用を抑えるために、素子数を低減しようとすると、捕集効率が下がる傾向にある。

【0005】

本発明の目的は、捕集効率を維持しながら、素子数を低減したレクテナアレイ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のレクテナアレイ装置は、配列された複数のアンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続された整流回路と、を備え、前記アンテナ素子は、それぞれ、前記整流回路に接続された第１導体板と、前記第１導体板の一方側に配置され、前記第１導体板に対向する接地導体板と、前記第１導体板の他方側に配置され、前記第１導体板に対向する第２導体板と、を有し、前記第１導体板と前記第２導体板との間の距離は前記第１導体板と接地導体板との間の距離より長い。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、捕集効率を維持しながら、素子数を低減したレクテナアレイ装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は本発明の実施形態に係る受電パネル１０の平面図である。

【図2】図２は受電モジュール１１の平面図である。

【図3】図３は受電モジュール１１の断面図である。

【図4】図４はサブアレイ１２のブロック図である。

【図5】図５はアンテナ素子２０の斜視図である。

【図6】図６は本発明の実施形態の変形例に係る受電モジュール４１の断面図である。

【図7】図７は典型的なアレイアンテナの平面図である。

【図8】図８は、アレイアンテナの利得と素子間隔Ｌ_dの間の関係を示すグラフである。

【図9】図９（Ａ）はアレイアンテナ５０の平面図である。図９（Ｂ）はアレイアンテナ５０の断面図である。

【図10】図１０（Ａ）はアレイアンテナ６０の平面図である。図１０（Ｂ）はアレイアンテナ６０の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以降、本発明を実施するための複数の形態を示す。各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。各々の実施形態では、その実施形態以前に説明した点と異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

【0010】

図１は本発明の実施形態に係る受電パネル１０の平面図である。受電パネル１０は本発明の「レクテナアレイ装置」の一例である。受電パネル１０は縦及び横方向に配列された受電モジュール１１を有する。図１には、１１×１１個、即ち、縦方向に１１個、横方向に１１個の受電モジュール１１を配列した受電パネル１０を例示している。

【0011】

なお、本明細書において、「縦」及び「横」という文言は、任意に選択された方向と、その方向に垂直な方向とを区別するための便宜的なものである。

【0012】

受電モジュール１１は、等間隔に配置されることが好ましいが、それに限定されない。

【0013】

受電パネル１０は、例えば３ＧＨｚ～３０ＧＨｚのマイクロ波帯で、より具体的に例えば５．８ＧＨｚ帯で使用される。

【0014】

図２は受電モジュール１１の平面図である。図３は受電モジュール１１の断面図である。図４はサブアレイ１２のブロック図である。図５はアンテナ素子２０の斜視図である。図５には、第１誘電体板２１、第２誘電体板２２、及び接地導体板２５の一部分が示されており、従って第１誘電体板２１、第２誘電体板２２、及び接地導体板２５の断面も示されている。

【0015】

図２に示すように、受電モジュール１１は縦及び横方向に配列されたサブアレイ１２を有する。図２には、６×６個、即ち、縦方向に６個、横方向に６個のサブアレイ１２を配列した受電モジュール１１を例示している。サブアレイ１２は縦及び横方向に配列されたアンテナ素子２０を有する。図２には、２×２個、即ち、縦方向に２個、横方向に２個のアンテナ素子２０を配列したサブアレイ１２を例示している。配列された複数のアンテナ素子２０は受電パネル１０のアレイアンテナ１３を構成する。

【0016】

サブアレイ１２及びアンテナ素子２０は、等間隔に配置されること好ましいが、それに限定されない。

【0017】

図４に示すように、サブアレイ１２は、アンテナ素子２０に加えて、整流回路１５、整合回路１６、及び出力端１７を有する。アンテナ素子２０は整流回路１５の入力端に接続される。整流回路１５の出力端は整合回路１６の第１端に接続される。整合回路１６の第２端は出力端１７に接続される。図４には、２個のアンテナ素子２０に１個の整流回路１５を接続し、２個の整流回路１５に１個の整合回路１６を接続したサブアレイ１２を例示している。整流回路１５は、アンテナ素子２０に入力された電波を整流変換して直流電力を生成する。整合回路１６は、その第１端に接続された回路とその第２端に接続された回路の間のインピーダンス整合を取る。出力端１７は集電用の配線（図示せず）を介して負荷回路（図示せず）に接続される。

【0018】

なお、サブアレイ１２の構成は図４に例示したものに限定されない。例えば、４個のアンテナ素子２０に１個の整流回路１５を接続してもよいし、１個のアンテナ素子２０に１個の整流回路１５を接続してもよい。

【0019】

図２、図３、及び図５に示すように、アンテナ素子２０は、無給電素子を設けられたマイクロストリップアンテナに相当し、第１誘電体板２１、第２誘電体板２２、第１導体板２３、第２導体板２４、及び接地導体板２５を有する。第２誘電体板２２は第１誘電体板２１の上側に配置される。第１誘電体板２１と第２誘電体板２２は空気層２６を挟んで対向する。第１導体板２３は、上記マイクロストリップアンテナの給電素子に相当し、第１誘電体板２１の上面に形成される。接地導体板２５は、第１誘電体板２１の下面に形成され、即ち第１導体板２３の下側に配置され、第１導体板２３に対向する。第２導体板２４は、上記マイクロストリップアンテナの無給電素子に相当し、第２誘電体板２２に形成され、即ち第１導体板２３の上側に配置され、第１導体板２３に対向する。第１導体板２３と第２導体板２４は空気層２６を挟んで配置される。第１導体板２３と第２導体板２４の間の距離は第１導体板２３と接地導体板２５の間の距離より長い。

【0020】

なお、本明細書において、「上面」及び「下面」という文言は、一方側の主面と他方側の主面を区別するための便宜的なものである。同様に、「上側」及び「下側」という文言は、一方側と他方側を区別するための便宜的なものである。

【0021】

第１誘電体板２１と第２誘電体板２２の間には、空気層２６に代えて、例えば発砲スチロールで形成された低誘電率を有する誘電体層を設けてもよい。

【0022】

第２導体板２４は、第２誘電体板２２の上面に形成されるが、第２誘電体板２２の下面に形成されてもよい。

【0023】

第１導体板２３及び第２導体板２４は、正方形状を有するが、円形状のような他の形状を有してもよい。また、第１導体板２３が形成された領域と第２導体板２４が形成された領域とは、平面視で完全に一致することが好ましいが、必ずしも完全に一致しなくてもよい。

【0024】

第１誘電体板２１と第２誘電体板２２の間隔ｈは、アンテナ素子２０の利得を高めるために、０．５λ_dであることが好ましい。ここで、λ_dは、アンテナ素子２０の受ける電波が第１誘電体板２１と第２誘電体板２２の間を占める物質内を伝搬するときの当該電波の波長である。

【0025】

第１導体板２３は配線３２によって整流回路１５に接続される。配線３２は、アンテナ素子２０側のインピーダンスと配線３２の特性インピーダンスが整合するように、第１導体板２３の適切な箇所に接続される。

【0026】

配線３２は、導線で形成されているが、スルーホールで形成されてもよい。

【0027】

整流回路１５及び整合回路１６は、モジュール化され、接地導体板２５の下側に配置される。

【0028】

第２誘電体板２２は複数の柱状のスペーサ３１よって第１誘電体板２１に対して間隔をあけて固定される。スペーサ３１の一方の端部は第１誘電体板２１に固定される。スペーサ３１の他方の端部は第２誘電体板２２に固定される。スペーサ３１はプラスチック等の誘電体部材で形成される。

【0029】

スペーサ３１は、複数の柱状の誘電体部材に代えて、別の形状の誘電体部材、例えば格子状の誘電体部材で形成されてもよい。また、空気層２６に代えて、誘電体部材で形成された誘電体層を設ける場合、誘電体層がスペーサの役目も果たす。

【0030】

アレイアンテナ１３の素子間隔Ｌ_dは０．７５λ以下であることが好ましい。ここで、素子間隔Ｌ_dは、問題としているアレイアンテナのアンテナ素子の間隔であり、本実施形態において互いに隣接したアンテナ素子２０の第１導体板２３の中心（即ち、幾何学的中心）の間の距離に相当する。λは、問題としているアンテナ素子が受ける電波の波長である。換言すれば、λは、真空中の電波の速さをアンテナ素子の共振周波数で除算したものである。

【0031】

第１誘電体板２１、第２誘電体板２２、及び接地導体板２５は、複数のアンテナ素子２０によって共用される。このため、アンテナ素子２０は、隙間なく配置され、アレイアンテナ１３の素子間隔Ｌ_dに等しい縦及び横のサイズを有するとみなすことができる。

【0032】

図６は本発明の実施形態の変形例に係る受電モジュール４１の断面図である。受電モジュール４１は受電モジュール１１と次の点で異なる。即ち、接地導体板２５は第１誘電体板２１内に形成される。整流回路１５は第１誘電体板２１の下面に形成される。整合回路１６は、モジュール化され、整流回路１５の下側に配置される。接地導体板２５はアンテナ素子２０及び整流回路１５によって共用される。

【0033】

第１導体板２３と接地導体板２５の間の誘電体層の誘電率は、接地導体板２５と整流回路１５の間の誘電体層の誘電率より低いことが好ましい。これにより、アンテナ素子２０で生じる電力損失が低減される。

【0034】

図７は典型的なアレイアンテナの平面図である。このアレイアンテナは２次元格子状に等間隔に隙間なく配置されたアンテナ素子を有する。

【0035】

ここで、図７に示すように構成され、かつ所定の捕集効率η_p及び物理的面積Ａ_pを有するアレイアンテナを作製する場合、アンテナ素子の利得Ｇを高くすれば、アレイアンテナの素子数Ｎを低減できることを説明する。まず、アンテナ素子の捕集効率η及び利得Ｇは、
η＝Ａ_e／Ａ （１）
Ｇ＝４πＡ_e／λ² （２）
と表される。ここで、Ａ_eはアンテナ素子の有効開口面積である。Ａはアンテナ素子の物理的面積であり、Ａ＝Ｌ_d ²である。式（１）及び式（２）から、捕集効率ηを得るために満たす必要がある利得Ｇと素子間隔Ｌ_dの間の関係は、
Ｇ＝ｆ_η（Ｌ_d）＝４πηＬ_d ²／λ² （３）
と表される。アンテナ素子の利得Ｇとサイズの間の関係、即ち利得Ｇと素子間隔Ｌ_dの間の関係をＧ＝ｆ_σ（Ｌ_d）と表すと、捕集効率ηを得るために必要な素子間隔Ｌ_dは、ｆ_σ（Ｌ_d）＝ｆ_η（Ｌ_d）から定まる。従って、アンテナ素子の利得Ｇを高くすれば、捕集効率ηを維持しながら、素子間隔Ｌ_dを広くできる。また、アレイアンテナの物理的面積Ａ_pは、
Ａ_p＝ＮＡ＝ＮＬ_d ² （４）
と表される。さらに、アレイアンテナの捕集効率η_pの値はアンテナ素子の捕集効率ηの値に近似する。但し、アンテナ素子の捕集効率ηが１００％より高い場合、アレイアンテナの捕集効率η_pは１００％に近似する。

【0036】

以上のことから、アンテナ素子の利得Ｇを高くすれば、アレイアンテナの素子間隔Ｌ_dを広くでき、結果としてアレイアンテナの素子数Ｎを低減できる。

【0037】

図８は、アレイアンテナの利得と素子間隔Ｌ_dの間の関係を示すグラフである。図８のグラフの横軸は、素子間隔Ｌ_dであり、波長λで規格化されている。ａ１はアレイアンテナ５０の利得と素子間隔Ｌ_dの間の関係を示す。ａ２はアレイアンテナ６０の利得と素子間隔Ｌ_dの間の関係を示す。ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｂ５は、それぞれ、５０％、７０％、８０％、９０％、１００％のアレイアンテナの捕集効率を得るために満たす必要があるアレイアンテナの利得と素子間隔Ｌ_dの間の関係を示す。

【0038】

図９（Ａ）はアレイアンテナ５０の平面図である。図９（Ｂ）はアレイアンテナ５０の断面図である。図１０（Ａ）はアレイアンテナ６０の平面図である。図１０（Ｂ）はアレイアンテナ６０の断面図である。アレイアンテナ５０は２×２個のアンテナ素子２０を有する。アレイアンテナ６０は、２×２個のアンテナ素子を有するが、アンテナ素子として、無給電素子を設けられていないマイクロストリップアンテナを有する。

【0039】

図８からわかるように、アレイアンテナ５０はアレイアンテナ６０より高い利得を有する。このため、所定の捕集効率及びサイズを有するアレイアンテナを作製する場合、アンテナ素子２０を使用することで、素子間隔Ｌ_dを広くでき、結果として素子数を低減できる。

【0040】

例えば、５．８ＧＨｚの周波数で使用され、１００％の捕集効率、及び３ｍ×３ｍのサイズを有するアレイアンテナを作製する場合を考える。図８からわかるように、アレイアンテナ５０の場合、１００％の捕集効率において可能な最大の素子間隔Ｌ_dは約０．７５λである。アレイアンテナ６０の場合、１００％の捕集効率において可能な最大の素子間隔Ｌ_dは約０．５λである。このため、アレイアンテナ１３を作製する場合、約６０００個のアンテナ素子２０を必要とする。一方、無給電素子を設けられていないマイクロストリップアンテナを隙間なく配列してアレイアンテナを作製する場合、約１３５００個のアンテナ素子を必要とする。

【0041】

本実施形態によれば、受電パネル１０は利得の高いアンテナ素子２０を備える。このため、所定のサイズを有する受電パネルを作製する際、捕集効率を維持しつつ、素子間隔Ｌ_dを広くでき、結果として素子数を低減できる。特に、本実施形態によれば、０．７５λ以下に素子間隔Ｌ_dを定めることで、１００％の捕集効率を維持しつつ、素子数を低減できる。本実施形態の効果はサイズの大きい受電パネルの場合に特に顕著である。

【0042】

なお、本実施形態に係る受電パネル１０のアンテナ素子２０は２次元格子状に配列されているが、別の実施形態に係る受電パネルのアンテナ素子は別の形状に配列されてもよい。

【0043】

最後に、上記の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上記の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１０…受電パネル
１１、４１…受電モジュール
１２…サブアレイ
１３…アレイアンテナ
１５…整流回路
１６…整合回路
１７…出力端
２０…アンテナ素子
２１…第１誘電体板
２２…第２誘電体板
２３…第１導体板
２４…第２導体板
２５…接地導体板
２６…空気層
３１…スペーサ
３２…配線
５０、６０…アレイアンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】