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）と放射型無線電力伝送（WPT）は、バッテリー不要の持続可能な無線ネットワークを実現する方法として大きな注目を集めています。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、ハーベスティング電力は数桁も変化する可能性があります。本稿では、WPTおよび環境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概説します。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つの主要な基準に基づいて分類されます。各基準について、さまざまなアプリケーションにおける性能指数（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。RF電力を収集するために整流器に接続されたアンテナを指す「レクテナ」という用語は、1950年代に宇宙マイクロ波電力伝送用途や自律型ドローンへの電力供給のために登場しました。全方向性長距離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、ワイヤレス家電充電やRFIDのための近距離非放射電力伝送に限定されています。
半導体デバイスや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て、周囲のRFEH（無線周波数エネルギーハーベスティング）や分散型低消費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。超低消費電力無線電力システムは通常、RF取得フロントエンド、DC電源およびメモリ管理、低消費電力マイクロプロセッサおよびトランシーバで構成されます。
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。無線電力システムのエンドツーエンドの効率と、同期された無線情報および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、電力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、いくつか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、および各部分に関連する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、整流器トポロジー、またはネットワーク対応の 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みなされていません。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検討した文献はいくつかありますが、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な分析は行われていません。
本稿では、整流アン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上の課題を、標準的な通信アンテナ設計から区別することを目的としている。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、それぞれの場合において、最先端（SoA）アンテナの性能指数（FoM）が特定され、検討される。
2. 帯域幅とマッチング：50Ω以外のRFネットワーク
特性インピーダンス50Ωは、マイクロ波工学アプリケーションにおける減衰と電力のトレードオフを初期段階で考慮した値です。アンテナでは、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）、電力増幅器、検出器は通常50Ωの入力インピーダンス整合で設計されているため、50Ωのソースが従来から基準として用いられています。
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って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の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目的の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整合回路を設計することです。この場合、効率的なRF-DC変換を保証するために、エンドツーエンドのインピーダンス帯域幅が必要となります。したがって、アンテナは周期的な要素や自己相補的な形状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回路によって制限されます。
アンテナと整流器間の反射を最小限に抑え、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またはWPTを実現するために、いくつかのレクテナトポロジーが提案されています。図2は、インピーダンス整合アーキテクチャによって分類された、報告されているレクテナトポロジーの構造を示しています。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）に関して、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ー。(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1つの整流器と整合ネットワークを備えたマルチバンドレクテナ（相互に結合した複数のアンテナで構成）。(c) 複数のRFポートと各バンドごとに独立した整合ネットワークを備えたブロードバンドレクテナ。(d) ブロードバンドアンテナとブロードバンド整合ネットワークを備えたブロードバンドレクテナ。(e) 整流器に直接整合された電気的に小さな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持つシングルバンド、電気的に大きなアンテナ。(g) 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持つブロードバンドレクテナ。
WPTと専用フィードからの環境RFEHは異なるレクテナアプリケーションですが、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マッチングが基本となります。ただし、WPTレクテナは、特定の電力レベルで単一バンドPCEを向上させるために、より高い品質係数マッチング（低いS11）を実現することに重点を置いています（トポロジーa、e、f）。単一バンドWPTの広い帯域幅は、システムのデチューニング、製造上の欠陥、パッケージング寄生に対する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、単一バンドの電力スペクトル密度（PSD）が一般的に低いため、トポロジーbdとgに属します。
3. 長方形アンテナ設計
1. 単一周波数整流アンテナ
単一周波数レクテナ（トポロジーA）のアンテナ設計は、主に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アンテナなどの標準的なアンテナ設計に基づいています。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たDC結合アレイ、または複数のパッチユニットの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を追求する際には、複数の単一周波数アンテナをマルチバンド整流アンテナ（トポロジーB）に組み合わせ、電力管理回路の後に相互結合抑制と独立したDC結合を行うことで、RF取得・変換回路から完全に分離します。これには各バンドごとに複数の電力管理回路が必要となり、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ブロードバンド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いため、標準アンテナ設計の帯域幅を改善す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方法が提案されてきました。本節では、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古典的なマルチバンドアンテナについて概説します。
コプレーナ導波路（CPW）モノポールアンテナは、同じ周波数の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、パッチアンテナと同様の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、1.8～2.7 GHzや1～3 GHz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よく使用されます。図3は、複数の帯域幅改善技術を利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
アンテナ整流器の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。トポロジーAとB（図2）では、共通の整合回路は集中定数素子を用いたLC整合ですが、相対帯域幅は通常、ほとんどの通信帯域よりも狭くなります。シングルバンドスタブ整合は、6GHz以下のマイクロ波帯およびミリ波帯で一般的に使用されており、報告されているミリ波レクテナは、出力高調波抑制によってPCE帯域幅が制限されるため、本質的に帯域幅が狭くなっています。そのため、24GHz非免許帯域でのシングルバンドWPTアプリケーションに特に適しています。
トポロジー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。広帯域整合のために、出力ポートにRFブロック/DC短絡回路（パスフィルタ）またはダイオード高調波の帰還経路としてDCブロッキングコンデンサを備えた、完全分布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使用して合成されるプリント基板（PCB）インターデジタコンデンサに置き換えることができます。報告されている他の広帯域レクテナ整合回路は、低周波数への整合のために集中定数素子を、入力にRF短絡を生成するために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ソースを介して変化させる（ソースプル技術として知られる）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ていますが、広帯域アンテナを狭帯域整流器に接続したという報告もあります。
ハイブリッド型の集中定数素子と分布定数素子の整合回路は、トポロジーCおよびDで広く使用されており、直列インダクタとコンデンサが最も一般的に使用される集中定数素子である。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、インターデジタコンデンサなどの複雑な構造を回避できる。
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対してPCEを最大化するように設計されています。ダイオードは3GHz以下の周波数では主に容量性高インピーダンスであるため、ダイオードの容量性インピーダンスが低く、アンテナによく整合させることができるため、入力リアクタンスが1,000Ωを超えるアンテナの設計を回避できるPrf>0 dBmかつ1GHz以上の周波数では、整合ネットワークを排除するか、簡略化された整合回路を最小限に抑える広帯域レクテナが注目されています。
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レクテナで見られます。静的CMOS整合ネットワークは、標準的な50Ωアンテナや共同設計されたループアンテナにも提案されています。受動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や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。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る、集中定数可変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います。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、デュアルバンド特性を実現するために、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ています。
アンテナについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をご覧ください。
投稿日時：2024年8月9日
