アンテナと整流器の協調設計
図2に示すEGトポロジーに従うレクテナの特徴は、アンテナが整流器に直接整合されている点です。50Ω標準では、整流器への電源供給のための整合回路を最小限にするか、あるいは不要にする必要があります。本セクションでは、50Ω以外のアンテナを使用するSoAレクテナと、整合回路を持たないレクテナの利点について考察します。
1. 電気的に小型のアンテナ
LC共振リングアンテナは、システムサイズが重要な用途で広く使用されています。1GHz未満の周波数では、波長の影響により、標準的な分散素子アンテナがシステム全体のサイズよりも多くのスペースを占有することがあります。特に、体内インプラント用の完全統合型トランシーバーなどの用途では、WPT用の電気的に小型のアンテナを使用することでメリットが得られます。
小型アンテナの高い誘導性インピーダンス（共振点付近）は、整流器に直接結合するか、または追加のオンチップ容量性整合ネットワークと組み合わせることができます。1GHz未満のLPおよびCPを用いたWPTにおいて、電気的に小型のアンテナが報告されています。ホイヘンスダイポールアンテナを用いた場合、ka=0.645です。一方、通常のダイポールアンテナ（ka=2πr/λ0）ではka=5.91です。
2. 整流器共役アンテナ
ダイオードの典型的な入力インピーダンスは容量性が非常に高いため、共役インピーダンスを実現するには誘導性アンテナが必要です。チップの容量性インピーダンスのため、高インピーダンスの誘導性アンテナはRFIDタグで広く使用されています。ダイポールアンテナは、共振周波数付近で高いインピーダンス（抵抗とリアクタンス）を示すため、近年、複素インピーダンスRFIDアンテナのトレンドとなっています。
誘導性ダイポールアンテナは、対象周波数帯域において整流器の高い静電容量を整合させるために用いられてきました。折り返しダイポールアンテナでは、二重の短い線路（ダイポールの折り返し）がインピーダンス変成器として機能し、極めて高インピーダンスのアンテナを設計することができます。一方、バイアス給電は、実インピーダンスだけでなく誘導性リアクタンスも増加させます。複数のバイアスダイポール素子と不平衡ボウタイ型ラジアルスタブを組み合わせることで、デュアル広帯域高インピーダンスアンテナを構成できます。図4は、これまでに報告されている整流器共役アンテナの例です。
図4
RFEHとWPTにおける放射特性
Friis モデルでは、送信機から距離 d にあるアンテナが受信する電力 PRX は、受信機と送信機のゲイン (GRX、GTX) の直接関数です。
アンテナのメインローブ指向性と偏波は、入射波から収集される電力量に直接影響します。アンテナの放射特性は、周囲環境型RFEHとWPTを区別する重要なパラメータです（図5）。どちらのアプリケーションでも伝搬媒体が不明な場合があり、受信波への影響を考慮する必要がありますが、送信アンテナに関する知識は活用できます。表3は、このセクションで説明する主要なパラメータと、それらのRFEHおよびWPTへの適用性を示しています。
図5
1. 指向性と利得
ほとんどのRFEHおよびWPTアプリケーションでは、コレクターは入射放射の方向を把握しておらず、見通し内（LoS）パスも存在しないことが想定されています。本研究では、送信機と受信機間のメインローブの配置に依存せず、未知の放射源からの受信電力を最大化するための複数のアンテナ設計と配置を検討しました。
全方向性アンテナは、環境無線周波電力（RFEH）レクテナに広く利用されています。文献では、PSDはアンテナの向きによって変化することが示されています。しかし、電力の変化については説明がないため、この変化がアンテナの放射パターンによるものか、偏波不整合によるものかを判断することはできません。
RFEH アプリケーションに加えて、高利得指向性アンテナとアレイは、低 RF 電力密度の収集効率を改善したり、伝播損失を克服したりするために、マイクロ波 WPT で広く報告されています。八木宇田レクテナアレイ、ボウタイアレイ、スパイラルアレイ、密結合ビバルディアレイ、CPW CP アレイ、およびパッチアレイは、特定の領域で入射電力密度を最大化できるスケーラブルなレクテナ実装です。アンテナ利得を向上させる他のアプローチには、WPT に特有のマイクロ波およびミリ波帯域の基板集積導波路 (SIW) 技術があります。ただし、高利得レクテナはビーム幅が狭いことが特徴で、任意の方向の波の受信が非効率的です。アンテナ要素とポートの数に関する調査の結果、3 次元の任意の入射を仮定すると、周囲 RFEH での指向性が高くても、収集される電力が高くなるわけではないという結論に達しました。これは、都市環境でのフィールド測定によって検証されました。高利得アレイは、WPT アプリケーションに限定できます。
高利得アンテナの利点を任意のRFEHに適用するには、パッケージングやレイアウトソリューションを活用して指向性の問題を克服します。デュアルパッチアンテナリストバンドは、周囲のWi-Fi RFEHから2方向のエネルギーを収集するために提案されています。また、周囲のセルラーRFEHアンテナは3Dボックスとして設計され、印刷または外面に貼り付けることでシステム面積を削減し、多方向からのエネルギー収集を可能にします。立方体レクテナ構造は、周囲のRFEHにおいてより高いエネルギー受信確率を示します。
2.4GHz帯4×1アレイにおけるWPT性能を向上させるため、補助的な無給電パッチ素子を含むビーム幅拡大のためのアンテナ設計の改良が行われました。また、複数のビーム領域を備えた6GHzメッシュアンテナも提案され、ポートごとに複数のビームを実証しました。多方向・多偏波RFEH向けに、マルチポート・マルチ整流器表面レクテナと全方向性放射パターンを持つエネルギーハーベスティングアンテナが提案されています。高利得・多方向エネルギーハーベスティング向けに、ビームフォーミングマトリックスとマルチポートアンテナアレイを備えたマルチ整流器も提案されています。
要約すると、低RF密度からの電力収支を改善するには高利得アンテナが望ましいものの、送信機の方向が不明なアプリケーション（例えば、周囲のRFEHや未知の伝搬チャネルを介したWPTなど）では、指向性の高い受信機は理想的ではない可能性があります。本研究では、多方向高利得WPTおよびRFEHのための複数のマルチビームアプローチを提案します。
2. アンテナの偏波
アンテナの偏波とは、アンテナの伝搬方向に対する電界ベクトルの動きを表します。偏波不整合は、メインローブ方向が揃っていても、アンテナ間の送受信性能の低下につながる可能性があります。例えば、送信に垂直LPアンテナを使用し、受信に水平LPアンテナを使用した場合、電力は受信されません。このセクションでは、無線受信効率を最大化し、偏波不整合による損失を回避するために報告されている手法について考察します。提案するレクテナアーキテクチャの偏波に関する概要を図6に、SoAの例を表4に示します。
図6
セルラー通信では、基地局と携帯電話機の間で直線偏波整合が達成される可能性は低いため、偏波不整合損失を回避するために、基地局アンテナは二重偏波または多重偏波に設計されます。しかし、マルチパス効果によるLP波の偏波変動は未解決の問題です。多重偏波のモバイル基地局を想定し、セルラーRFEHアンテナはLPアンテナとして設計されています。
CPレクテナは、不整合に対する耐性が比較的高いため、主にWPTに使用されています。CPアンテナは、すべてのLP波に加えて、同じ回転方向（左旋または右旋CP）のCP放射を電力損失なしで受信できます。いずれの場合も、CPアンテナは送信し、LPアンテナは3dBの損失（50%の電力損失）で受信します。CPレクテナは、900MHz、2.4GHz、5.8GHzの産業、科学、医療用帯域、およびミリ波に適していると報告されています。任意偏波のRFEHでは、偏波ダイバーシティが偏波不整合損失の潜在的な解決策となります。
完全偏波（マルチ偏波とも呼ばれる）は、偏波不整合損失を完全に克服し、CP波とLP波の両方の集光を可能にするために提案されています。この場合、2つの直交偏波LP素子がLP波とCP波の両方を効果的に受信します。これを説明するために、垂直および水平の正味電圧（VVおよびVH）は偏波角度に関わらず一定です。
CP電磁波「E」電界では、電力が2回（ユニットあたり1回）収集され、CP成分が完全に受信され、3dBの偏波不整合損失が克服されます。
最後に、DC結合により、任意の偏波の入射波を受信することができます。図7は、報告されている完全偏波レクテナの形状を示しています。
図7
まとめると、専用電源を備えたWPTアプリケーションでは、アンテナの偏波角度に関わらずWPT効率を向上させるCPが推奨されます。一方、特に周囲音源からのマルチソース受信においては、完全偏波アンテナを使用することで全体的な受信性能が向上し、携帯性も最大限に高まります。RFまたはDCで完全偏波電力を統合するには、マルチポート／マルチ整流器アーキテクチャが必要です。
まとめ
本論文では、RFEHおよびWPT向けアンテナ設計の最近の進歩を概説し、これまでの文献では提案されていないRFEHおよびWPT向けアンテナ設計の標準的な分類を提案する。高いRF-DC効率を達成するための3つの基本的なアンテナ要件は以下の通りである。
1. 対象となる RFEH および WPT バンドのアンテナ整流器インピーダンス帯域幅。
2. 専用フィードからの WPT における送信機と受信機間のメインローブの調整。
3. 角度や位置に関係なく、レクテナと入射波の偏波が一致する。
レクテナはインピーダンスに基づいて 50Ω レクテナと整流器共役レクテナに分類され、異なる帯域と負荷間のインピーダンス整合と各整合方法の効率に重点が置かれています。
SoAレクテナの放射特性を指向性と偏波の観点から検討した。ビームフォーミングとパッケージングによる利得向上により、狭いビーム幅を克服する方法について考察する。最後に、WPT用CPレクテナについて、WPTおよびRFEHにおける偏波無依存受信を実現するための様々な実装例とともに検討する。
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16日
