本章では先行研究における集積レクテナの等価回路における問題点を明らかにし、
新たな等価回路モデルを構築した。また、TxデバイスとRxデバイス間を結ぶ新たな 解析モデルをCOMSOLから抽出されるSパラメータから構築した。構築したモデル を用いた提案レクテナにおける検波解析を行い、提案デバイスの検波特性を定量的に 評価した。
本章において構築した集積レクテナにおける集積レクテナの高感度化設計シナリオ においてはいくつかの課題が残されている。
• 等価回路の物理的解釈ができていない。
本研究において構築したアンテナ等価回路モデルにおいては、先行研究のモデ ルでは考慮されていたアンテナの金属部分と放射部分のブランチが分離できて いない。そのため出力線構造をアンテナ中央部に固定することが等価回路構築 における制約条件となってしまっている。
• 大信号解析における整流素子の組み込み方法
大信号解析において、仮想の電圧源を設定する際に本論文中ではダイオード素 子のゼロバイアス時のインピーダンスを用いて計算した。本来であれば単位時 間ごとに整流素子にかかる電圧からインピーダンスを計算し、Sパラメータと 反射係数を求めて電圧源の値は変更されるべきである、しかし回路シミュレー タを用いて行う解析ではそのような高度な計算はできない。より精密な計算を 行いたいのであれば別の手法を検討するべきである。
• 電磁界解析及び大信号解析における検波解析の妥当性の検証が不十分である。
本論文において検証したのはあくまで大信号解析と電磁界解析を比較するもの であり、実モデルにおける解析は行なっていない。
これらの課題が解決されれば、設計シナリオはさらに改善されることになるであ ろう。
第 6 章
総括
テラヘルツ帯及びマイクロ波帯における微小信号に対する高感度検波デバイスの実 現に向け、提案する自己補対アンテナ集積一体型ゼロバイアス検波デバイスにおいて、
電磁界解析の為のモデル化、及び理論解析の為のモデル化を行い、これらを軸とした 自己補対レクテナの高感度構造設計シナリオの構築を行った。
各章における結論
第3章では、提案デバイスのようなアンテナと半導体デバイスを一体集積したデバ イスにおける電磁界解析のためのモデル化及びTxデバイスとRxデバイスの対向解 析モデルの構築を行い、システム送信側を包含した電磁界解析が行えるようになった。
第4章では、第3章でモデル化を行なったRxデバイスの定常解析モデル及び時間 領域解析モデルを用いて、提案解析モデルにおける各種特性を明らかにした。
第5章では提案デバイスの等価回路表現によるモデル化を行い、先行研究において は考慮されていなかった送信側デバイスを考慮した解析モデルを構築し、回路シミュ レータを用いた集積レクテナの検波特性の評価を行なった。また集積レクテナを設計 する上での設計シナリオを提案した。
今後の課題
本研究において提案した集積レクテナの設計シナリオを様々なデバイス構造に対し て適用していく必要があるとともに、実モデルにおける測定結果と照らし合わせ設計 シナリオの妥当性を検証していく必要がある。また提案デバイスの高感度化を目指し、
適用周波数帯における最適構造設計を行なっていく必要がある。
参考文献
[1] Federico Boccardi, Robert W Heath, Angel Lozano, Thomas L Marzetta, and Petar Popovski. Five disruptive technology directions for 5g. IEEE Communications Magazine, Vol. 52, No. 2, pp. 74–80, 2014.
[2] 総 務 省. 我 が 国 の 電 波 の 使 用 状 況.
http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/search/myuse/, 2016.
[3] 野澤哲生. 未踏の「テラヘルツ波」電波と光から開発が加速. 日経エレクトロニク ス, Vol. 1079, pp. 63–74, 2012.
[4] テ ラ ヘ ル ツ 技 術 特 集. https://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou-journal/kihouvol54-1.html.
[5] NEC. 蛍 光 灯 か ら 電 磁 誘 導 で 電 力 を 取 得 す る 給 電 技 術 を 開 発. http://www.nec.co.jp/press/ja/0602/0903.html, 2006.
[6] Shwetak N Patel, Erich P Stuntebeck, and Thomas Robertson. Pl-tags: de-tecting batteryless tags through the power lines in a building. InInternational Conference on Pervasive Computing, pp. 256–273. Springer, 2009.
[7] 篠原真毅. 無線電力空間の基礎研究. 信学宇宙太陽発電研資, March 2004, pp.
47–53, 2004.
[8] 澤田和明, 高尾英邦, 石田誠. Lsi 技術とセンサ技術の融合によるインテリジェン
トスマートマイクロチップ(マイクロ波信号発生と計測技術/一般). 電子情報通 信学会技術研究報告. MW, マイクロ波, Vol. 108, No. 118, pp. 81–84, 2008.
[9] Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, John D Joannopoulos, Peter Fisher, and Marin Soljaˇci´c. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. science, Vol. 317, No. 5834, pp. 83–86, 2007.
[10] 川原圭博, 塚田恵佑, 浅見徹ほか. 放送通信用電波からのエネルギーハーベストに 関する定量調査. 情報処理学会論文誌, Vol. 51, No. 3, pp. 824–834, 2010.
[11] Jeffrey L Hesler and Thomas W Crowe. Responsivity and noise measurements of zero-bias schottky diode detectors. Proc. ISSTT, pp. 89–92, 2007.
[12] Lei Liu, Jeffrey L Hesler, Haiyong Xu, Arthur W Lichtenberger, and Robert M Weikle. A broadband quasi-optical terahertz detector utilizing a zero bias schottky diode. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 20, No. 9, pp. 504–506, 2010.
[13] Hiroshi Ito, Fumito Nakajima, Tetsuichiro Ohno, Tomofumi Furuta, Tadao Nagatsuma, and Tadao Ishibashi. Inp-based planar-antenna-integrated schottky-barrier diode for millimeter-and sub-millimeter-wave detection.
Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 8R, p. 6256, 2008.
[14] Tsuyoshi Takahashi, Masaru Sato, Tatsuya Hirose, and Naoki Hara. En-ergy band control of gaassb-based backward diodes to improve sensitivity of millimeter-wave detection. Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, No.
10R, p. 104101, 2010.
[15] Ze Zhang, Rajesh Rajavel, Peter Deelman, and Patrick Fay. Sub-micron area heterojunction backward diode millimeter-wave detectors with 0.18 pw/hz1/2noise equivalent power. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 21, No. 5, pp. 267–269, 2011.
[16] Michihiko Suhara, Satoshi Takahagi, Kiyoto Asakawa, Toshimichi Okazaki, Masahito Nakamura, Shin Yamashita, Yosuke Itagaki, Mitsufumi Saito, Anselme Tchegho, Gregor Keller, et al. Analysis of terahertz zero bias de-tectors by using a triple-barrier resonant tunneling diode integrated with a self-complementary bow-tie antenna. In Device Research Conference (DRC), 2012 70th Annual, pp. 77–78. IEEE, 2012.
[17] 中村昌人, 高萩智, 斉藤光史, 須原理彦. ボウタイアンテナと三重障壁共鳴トンネ ルダイオードとを集積したゼロバイアス検波レクテナに関する解析(tft (有機, 酸
化物), 半導体プロセス・デバイス(表面, 界面, 信頼性),一般). 電子情報通信学会 技術研究報告. ED, 電子デバイス, Vol. 111, No. 167, pp. 67–72, 2011.
[18] 富岡紘斗. 自己補対形状金属薄膜とメサ型半導体との一体化設計によるオンチッ プ集積アンテナの超広帯域化に関する研究. PhD thesis, 首都大学東京, 2009.
[19] 田代篤史. テラヘルツ帯集積レクテナのモデル化と高感度化設計シナリオの構築. Master’s thesis, 首都大学東京, 2014.
[20] 徳岡岳海. テラヘルツ帯ゼロバイアス検波レクテナの集積一体構造設計に関する 研究. Master’s thesis, 首都大学東京, 2017.
[21] Dean A Hofer and Matthew L Pecak. Folded broadband antenna with a symmetrical pattern, March 2 1993. US Patent 5,191,351.