アンテナ・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る点にあります。これは、整流器に電力を供給するための整合回路を最小限に抑えるか、あるいは排除する必要がある50Ω標準とは異なります。本節では、50Ω以外のアンテナを用いたSoAレクテナ、および整合回路を用いないレクテナの利点について概説します。
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以下の周波数では、波長によって標準的な分布素子アンテナがシステム全体のサイズよりも大きなスペースを占める場合があり、特に体内埋め込み型完全統合型トランシーバーなどの用途では、ワイヤレス電力伝送（WPT）用の電気的に小型のアンテナを使用することで大きなメリットが得られます。
小型アンテナの高い誘導インピーダンス（共振付近）は、整流器に直接結合したり、追加のオンチップ容量整合ネットワークと結合したりするために使用できます。電気的に小型のアンテナは、ホイヘンスダイポールアンテナを使用した1GHz以下のLPおよびCPのWPTで報告されており、ka=0.645ですが、通常のダイポールではka=5.91（ka=2πr/λ0）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高いため、共役インピーダンスを実現するには誘導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、RFIDタグでは高インピーダンスの誘導アンテナが広く使用されています。近年、共振周波数付近で高インピーダンス（抵抗とリアクタンス）を示すダイポールアンテナが、複雑なインピーダンスを持つRFIDアンテナのトレンドとなっています。
誘導ダイポールアンテナは、対象周波数帯域における整流器の高い静電容量に整合するために使用されてきました。折り返しダイポールアンテナでは、二重短線（ダイポール折り返し）がインピーダンス変換器として機能し、極めて高いインピーダンスのアンテナを設計できます。あるいは、バイアス給電によって誘導リアクタンスと実際のインピーダンスの両方が増加します。複数のバイアスダイポール素子と不平衡ボウタイ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が形成されます。図4は、報告されているいくつかの整流器共役アンテナを示しています。
図4
RFEHとWPTにおける放射線特性
フリースモデルでは、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）の直接的な関数である。
アンテナの主ローブの指向性と偏波は、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、環境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は不明であり、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を活用することができます。表3は、このセクションで説明した主要なパラメータと、RFEHおよびWPTへの適用可能性を示しています。
図5
1. 指向性とゲイン
ほとんどのRFEHおよびWPTアプリケーションでは、コレクタは入射放射の方向を知らず、見通し線（LoS）経路も存在しないと想定されています。本研究では、送信機と受信機の主ローブの向きに関係なく、未知のソースからの受信電力を最大化するために、複数のアンテナ設計と配置を検討しました。
環境RFEHレクテナでは、無指向性アンテナが広く用いられている。文献によると、PSDはアンテナの向きによって変化する。しかし、電力の変化については説明されておらず、その変化がアンテナの放射パターンによるものなのか、偏波ミスマッチによるものなのかを判断することはできない。
RFEHアプリケーションに加えて、マイクロ波WPTでは、低RF電力密度の収集効率を向上させたり、伝搬損失を克服したりするために、高利得指向性アンテナとアレイが広く報告されています。ヤギ・ウダ整流アンテナアレイ、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、パッチアレイなどは、特定の領域内の入射電力密度を最大化できるスケーラブルな整流アンテナ実装の一部です。アンテナ利得を向上させる他のアプローチには、WPTに特化したマイクロ波およびミリ波帯の基板集積導波路（SIW）技術があります。しかし、高利得整流アンテナはビーム幅が狭いため、任意の方向からの波の受信効率は低くなります。アンテナ素子数とポート数に関する調査では、3次元の任意の入射を仮定した場合、周囲のRFEHにおいて指向性が高いほど収穫電力が高くなるわけではないことが結論付けられました。これは、都市環境でのフィールド測定によって検証されています。高利得アレイはWPTアプリケーションに限定される可能性があります。
高利得アンテナの利点を任意のRFEHに適用するために、指向性の問題を克服するためのパッケージングまたはレイアウトソリューションが利用されています。周囲のWi-Fi RFEHから2方向でエネルギーを収集するために、デュアルパッチアンテナリストバンドが提案されています。周囲のセルラーRFEHアンテナも3Dボックスとして設計され、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するために、外部表面に印刷または接着されます。立方体レクテナ構造は、周囲のRFEHでより高いエネルギー受信確率を示します。
2.4 GHz、4 × 1 アレイでの WPT を改善するために、補助寄生パッチ素子を含む、ビーム幅を広げるためのアンテナ設計の改良が行われた。また、ポートごとに複数のビームを実証する、複数のビーム領域を持つ 6 GHz メッシュアンテナも提案された。多方向および多偏波 RFEH 用に、マルチポート、マルチ整流器表面整流アンテナおよび全方向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る。高利得、多方向エネルギーハーベスティング用に、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る。
要約すると、低RF密度からの電力収穫を向上させるには高利得アンテナが好ましいものの、送信方向が不明なアプリケーション（例えば、未知の伝搬チャネルを介した環境RFエネルギーハーベスティングやワイヤレス電力伝送）では、指向性の高い受信機は必ずしも理想的ではない。本研究では、多方向高利得ワイヤレス電力伝送およびRFエネルギーハーベスティング向けに、複数のマルチビーム方式を提案する。
2. アンテナ偏波
アンテナ偏波とは、アンテナの伝搬方向に対する電界ベクトルの動きを指します。偏波の不一致は、主ローブの方向が一致している場合でも、アンテナ間の送受信効率を低下させる可能性があります。例えば、送信に垂直偏波アンテナを使用し、受信に水平偏波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、偏波不一致による損失を回避するための報告されている手法について概説します。偏波に関する提案するレクテナアーキテクチャの概要を図6に示し、SoAの例を表4に示します。
図6
セルラー通信では、基地局と携帯電話間の線形偏波アライメントは実現が難しいため、偏波ミスマッチ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となるように設計されている。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ある。多重偏波のモバイル基地局を前提として、セルラーRFEHアンテナはLPアンテナとして設計される。
CPレクテナは、ミスマッチに対する耐性が比較的高いため、主にWPTで使用されています。CPアンテナは、電力損失なしに、すべてのLP波に加えて、同じ回転方向（左旋円偏波または右旋円偏波）のCP放射を受信できます。いずれの場合も、CPアンテナは送信し、LPアンテナは3 dBの損失（50%の電力損失）で受信します。CPレクテナは、ミリ波だけでなく、900 MHz、2.4 GHz、5.8 GHzの産業、科学、医療用バンドにも適していると報告されています。任意偏波波のRFEHでは、偏波ダイバーシティは偏波ミスマッチ損失に対する潜在的な解決策となります。
完全偏波（多重偏波とも呼ばれる）は、偏波ミスマッチ損失を完全に克服し、円偏波（CP）と低偏波（LP）の両方の波を収集できるようにするために提案されており、2つの二重偏波直交LP素子がすべてのLP波とCP波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とVH）は偏波角に関係なく一定のままです。
CP電磁波「E」電界では、電力が2回（単位あたり1回）収集されるため、CP成分を完全に受信し、3dBの偏波不整合損失を克服できます。
最後に、直流合成によって、任意の偏波の入射波を受信することができる。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る。
図7
要約すると、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係なくWPT効率が向上するため、CP（偏波偏波）が好まれます。一方、複数のソースからの信号取得、特に環境音源からの信号取得においては、完全偏波アンテナの方が全体的な受信性能と携帯性を最大限に高めることができます。RFまたはDCで完全偏波電力を組み合わせるには、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
本稿では、RFFEHおよびWPT用アンテナ設計における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かったRFFEHおよびWPT用アンテナ設計の標準分類を提案する。高いRF-DC変換効率を実現するための3つの基本的なアンテナ要件は以下のとおりである。
1. 対象となるRFEHおよびWPT帯域におけるアンテナ整流器の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主ローブのアライメント。
3. 角度や位置に関係なく、レクテナと入射波との間の偏波が一致すること。
インピーダンスに基づいて、レクテナは50Ωレクテナと整流器共役レクテナに分類され、異なる周波数帯域と負荷間のインピーダンス整合、および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による利得向上と、狭いビーム幅を克服するためのパッケージング方法についても議論した。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方法とともに概説した。
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16日
