1.はじめに
無線周波数（RF）エネルギーハーベスティング（RFEH）と放射ワイヤレス電力伝送（WPT）は、バッテリー不要で持続可能なワイヤレスネットワークを実現する方法として大きな関心を集めています。レクテナはWPTおよびRFEHシステムの基盤であり、負荷に供給されるDC電力に大きな影響を与えます。レクテナのアンテナ素子はハーベスティング効率に直接影響し、ハーベスティングされる電力は数桁変化する可能性があります。本稿では、WPTおよびアンビエントRFEHアプリケーションで使用されるアンテナ設計についてレビューします。報告されているレクテナは、アンテナ整流インピーダンス帯域幅とアンテナの放射特性という2つの主な基準に従って分類されます。各基準について、さまざまなアプリケーションの性能指数（FoM）を決定し、比較検討します。
WPTは、20世紀初頭にテスラによって数千馬力の電力を伝送する方法として提案されました。レクテナという用語は、整流器に接続されたアンテナで高周波電力を収集するものであり、1950年代に宇宙マイクロ波電力伝送アプリケーションや自律型ドローンへの電力供給のために登場しました。全方向性で長距離のWPTは、伝搬媒体（空気）の物理的特性によって制約されます。そのため、商用WPTは主に、家庭用電子機器のワイヤレス充電やRFID向けの近接場非放射電力伝送に限られています。
半導体デバイスと無線センサーノードの消費電力が継続的に低下するにつれ、周囲環境からのRFEH（無線電界強度変調）や分散型低電力全方向送信機を用いてセンサーノードに電力を供給することがより現実的になってきています。超低電力無線給電システムは通常、RF取得フロントエンド、DC電源およびメモリ管理、そして低電力マイクロプロセッサとトランシーバーで構成されます。
図1は、RFEH無線ノードのアーキテクチャと、一般的に報告されているRFフロントエンドの実装を示しています。ワイヤレス電力システムのエンドツーエンドの効率と、同期型無線情報・電力伝送ネットワークのアーキテクチャは、アンテナ、整流器、電源管理回路などの個々のコンポーネントの性能に依存します。システムのさまざまな部分について、複数の文献調査が行われています。表1は、電力変換ステージ、効率的な電力変換のための主要コンポーネント、および各部分に関する関連文献調査をまとめたものです。最近の文献は、電力変換技術、整流器トポロジ、またはネットワーク対応RFEHに焦点を当てています。
図1
しかしながら、アンテナ設計はRFEHにおいて重要な要素とは考えられていません。アンテナの帯域幅と効率を全体的な観点から、あるいは小型アンテナやウェアラブルアンテナといった特定のアンテナ設計の観点から考察した文献はあるものの、特定のアンテナパラメータが電力受信と変換効率に与える影響については詳細に分析されていません。
本稿では、レクテナにおけるアンテナ設計技術を概説し、RFEHおよびWPT特有のアンテナ設計課題を標準的な通信アンテナ設計と区別することを目的としています。アンテナは、エンドツーエンドのインピーダンス整合と放射特性という2つの観点から比較され、それぞれのケースにおいて、最先端（SoA）アンテナにおけるFoM（指向性特性）が特定され、検討されています。
2. 帯域幅とマッチング：非50ΩRFネットワーク
50Ωの特性インピーダンスは、マイクロ波工学アプリケーションにおいて、減衰と電力の妥協点として初期から考慮されてきたものです。アンテナにおいては、インピーダンス帯域幅は反射電力が10%未満（S11< - 10 dB）となる周波数範囲として定義されます。低雑音増幅器（LNA）、パワーアンプ、および検出器は通常、50Ωの入力インピーダンス整合で設計されるため、50Ωの信号源が伝統的に参照されています。
レクテナでは、アンテナの出力が整流器に直接入力され、ダイオードの非線形性により入力インピーダンスが大きく変動し、容量成分が支配的になります。50Ωアンテナを想定すると、主な課題は、入力インピーダンスを対象周波数における整流器のインピーダンスに変換し、特定の電力レベルに合わせて最適化するための追加のRF整合ネットワークを設計することです。この場合、効率的なRFからDCへの変換を確保するには、エンドツーエンドのインピーダンス帯域幅が必要です。したがって、アンテナは周期素子や自己補対構造を用いることで理論的には無限または超広帯域を実現できますが、レクテナの帯域幅は整流器整合ネットワークによってボトルネックとなります。
反射を最小限に抑え、アンテナと整流器間の電力伝送を最大化することで、シングルバンドおよびマルチバンドの電力ハーベスティング（WPT）を実現するレクテナトポロジがいくつか提案されています。図2は、報告されているレクテナトポロジの構造を、インピーダンス整合アーキテクチャ別に分類して示しています。表2は、各カテゴリにおけるエンドツーエンド帯域幅（この場合はFoM）に関する高性能レクテナの例を示しています。
図2 帯域幅とインピーダンス整合の観点から見たレクテナのトポロジ。(a) 標準アンテナを使用したシングルバンド レクテナ。(b) バンドごとに整流器と整合ネットワークを 1 つ備えたマルチバンド レクテナ (複数の相互結合アンテナで構成)。(c) 複数の RF ポートと各バンドに個別の整合ネットワークを備えた広帯域レクテナ。(d) 広帯域アンテナと広帯域整合ネットワークを備えた広帯域レクテナ。(e) 整流器に直接整合した電気的に小型のアンテナを使用したシングルバンド レクテナ。(f) 整流器と共役する複素インピーダンスを備えたシングルバンドの電気的に大型のアンテナ。(g) さまざまな周波数範囲にわたって整流器と共役する複素インピーダンスを備えた広帯域レクテナ。
WPTと専用給電による周囲RFEHはレクテナの用途が異なりますが、帯域幅の観点から高い電力変換効率（PCE）を実現するには、アンテナ、整流器、負荷間のエンドツーエンドの整合が不可欠です。しかしながら、WPTレクテナは、特定の電力レベル（トポロジa、e、f）におけるシングルバンドPCEを向上させるために、より高い品質係数整合（より低いS11）の達成に重点を置いています。シングルバンドWPTの広帯域幅は、離調、製造欠陥、パッケージ寄生に対するシステム耐性を向上させます。一方、RFEHレクテナはマルチバンド動作を優先し、トポロジbdおよびgに属します。これは、シングルバンドの電力スペクトル密度（PSD）が一般的に低いためです。
3. 長方形アンテナ設計
1. 単一周波数レクテナ
単一周波数レクテナ（トポロジA）のアンテナ設計は、主に標準的なアンテナ設計に基づいており、例えば、グランドプレーン上の直線偏波（LP）または円偏波（CP）放射パッチ、ダイポールアンテナ、逆Fアンテナなどが挙げられます。差動帯域レクテナは、複数のアンテナユニットで構成されるDC結合アレイ、または複数のパッチユニットによるDCとRFの混合結合に基づいています。
提案されているアンテナの多くは単一周波数アンテナであり、単一周波数WPTの要件を満たしているため、環境マルチ周波数RFEHを求める場合、複数の単一周波数アンテナをマルチバンドレクテナ（トポロジB）に組み合わせ、相互結合を抑制し、電力管理回路の後に独立したDC結合を行うことで、RF取得および変換回路から完全に分離します。この方法では、バンドごとに複数の電力管理回路が必要になり、単一バンドのDC電力が低いため、昇圧コンバータの効率が低下する可能性があります。
2. マルチバンドおよび広帯域RFEHアンテナ
環境RFEHはマルチバンド受信と関連付けられることが多く、そのため、標準的なアンテナ設計の帯域幅を向上させるための様々な技術や、デュアルバンドまたはバンドアンテナアレイを形成するための方法が提案されています。このセクションでは、RFEH用のカスタムアンテナ設計と、レクテナとして使用できる可能性のある従来のマルチバンドアンテナについて考察します。
コプレーナ導波路（CPW）モノポールアンテナは、同じ周波数でマイクロストリップパッチアンテナよりも占有面積が小さく、LP波またはCP波を生成するため、広帯域環境レクテナによく使用されます。反射面はアイソレーションを高め、ゲインを向上させるために使用され、パッチアンテナに似た放射パターンが得られます。スロット付きコプレーナ導波路アンテナは、1.8～2.7GHzや1～3GHzなどの複数の周波数帯域のインピーダンス帯域幅を改善するために使用されます。結合給電スロットアンテナとパッチアンテナも、マルチバンドレクテナ設計で一般的に使用されています。図3は、複数の帯域幅改善技術を活用した、報告されているマルチバンドアンテナの例を示しています。
図3
アンテナ整流器インピーダンス整合
50Ωアンテナを非線形整流器に整合させるのは、入力インピーダンスが周波数によって大きく変化するため困難です。トポロジAとB（図2）では、一般的な整合回路は集中定数を用いたLC整合ですが、その相対帯域幅は通常、ほとんどの通信帯域よりも低くなります。シングルバンドスタブ整合は、6GHz未満のマイクロ波帯およびミリ波帯で一般的に使用されています。報告されているミリ波レクテナは、PCE帯域幅が出力高調波抑制によってボトルネックとなるため、本質的に狭い帯域幅を持っています。そのため、24GHzの無免許帯域におけるシングルバンドWPTアプリケーションに特に適しています。
トポロジCおよびDのレクテナは、より複雑な整合回路を備えています。広帯域整合には、出力ポートにRFブロック/DC短絡回路（パスフィルタ）を配置するか、ダイオード高調波の帰路としてDCブロッキングコンデンサを配置する、完全分散型ライン整合回路が提案されています。整流器部品は、市販の電子設計自動化ツールを用いて合成したプリント基板（PCB）上のインターディジタルコンデンサに置き換えることができます。他に報告されている広帯域レクテナ整合回路では、低周波数への整合のための集中定数素子と、入力におけるRF短絡を形成するための分布定数素子を組み合わせています。
負荷から観測される入力インピーダンスを信号源を通して変化させる手法（ソースプル法）を用いることで、相対帯域幅が57%（1.25～2.25GHz）で、集中定数回路や分布定数回路に比べてPCEが10%高い広帯域整流器を設計することができました。整合回路は通常、50Ωの帯域幅全体にわたってアンテナを整合させるように設計されますが、文献には広帯域アンテナを狭帯域整流器に接続した例も報告されています。
集中定数素子と分布定数素子を組み合わせたハイブリッド整合回路は、トポロジCおよびDで広く用いられており、集中定数素子としては直列インダクタとコンデンサが最も一般的に用いられています。これにより、標準的なマイクロストリップ線路よりも高精度なモデリングと製造を必要とする、櫛形コンデンサなどの複雑な構造を回避できます。
整流器への入力電力は、ダイオードの非線形性により入力インピーダンスに影響を与えます。そのため、レクテナは、特定の入力電力レベルと負荷インピーダンスにおいてPCEを最大化するように設計されます。ダイオードは3GHz未満の周波数では主に容量性高インピーダンスであるため、整合回路を不要にするか、簡素化された整合回路を最小限に抑える広帯域レクテナは、Prf>0dBmおよび1GHz以上の周波数に重点的に採用されています。これは、ダイオードの容量性インピーダンスが低く、アンテナとの整合が良好であるため、入力リアクタンスが1,000Ωを超えるアンテナ設計を回避できるためです。
適応型または再構成可能なインピーダンス整合は、オンチップのコンデンサバンクとインダクタで構成される整合ネットワークを備えたCMOSレクテナで使用されています。静的CMOS整合ネットワークは、標準の50Ωアンテナや共同設計ループアンテナにも提案されています。パッシブCMOS電力検出器を使用して、利用可能な電力に応じてアンテナの出力を異なる整流器と整合ネットワークに送るスイッチを制御することが報告されています。集中調整可能コンデンサを使用した再構成可能な整合ネットワークが提案されており、ベクトルネットワークアナライザを使用して入力インピーダンスを測定しながら微調整することで調整されます。再構成可能なマイクロストリップ整合ネットワークでは、電界効果トランジスタスイッチを使用して整合スタブを調整し、デュアルバンド特性を実現しています。
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2024年8月9日
