無線電力伝送用受電レクテナ
( アンテナと回路の融合技術 )
金沢工業大学 工学部 電気電子工学科 教授 伊東健治
令和3年2月25日
無線電力伝送技術
・電磁誘導方式 (kHz): コイルで誘起される磁場を利用 伝送距離: mm 〜 cm
・共鳴送電方式 (MHz) :共振器間の結合 伝送距離: cm 〜 m 、
・電磁波方式( GHz ):電磁波による伝送(今回の説明対象システム)
伝送距離:回線設計により遠距離も(成層圏、宇宙)
➔ スマートフォン、工場内のセンサーへの非接触給電
バッテリーフリーの保守用センサー(屋内)、ドローンなど(屋外)
総務省にて「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システム」として制度化予定
・第1ステップ(屋内:制度化作業中)、第2ステップ(屋外)
・周波数: 920MHz(RFID), 2.4GHz(ISM 帯 , WiFi) 、 5.7GHz(ISM 帯 , WiFi)
マイクロ波での無線電力伝送の動向
金沢工業大学での無線電力伝送への取り組み
主に、受電用のレクテナ(アンテナ+整流器:電波を受信し、直流を出力)の高効率化を研究。
1.大電力伝送用
2.4GHz
〜24GHz
帯受電レクテナ(受電電力:1W
〜10W
クラス)・ドローンなどの移動体、工業設備などでの非接触給電
・内閣府
SIP
「IoE
社会のエネルギーシステム」で研究(研究代表:名大 天野教授)・回路機能を実現したアンテナと半導体の直接接続技術により究極の高効率化(世界トップ)
・製品化でネックとなる整流用半導体として
GaAs
整流器IC
(WIN Semiconductor
社)を開発済 2.エネルギーハーベスティング用受電レクテナ(受電電力:nW
〜mW
クラス)・
IoT
や保守用センサ類のバッテリレス化。RFID
の高性能化(動作距離延伸)。・
JST CREST
「Super Steep
トランジスタ とMeta Material
アンテナによるnW
級環境RF
発電技術 の創出」で研究(研究代表:電通大 石橋教授)・
1kΩ
を超える高インピーダンスアンテナの実現による究極の高感度化(世界トップ)・製品化でネックとなる整流用半導体として
SOI-CMOS
整流器IC
(Global Foundry
社)を開発済先鋭的な電波研究を支える日本有数の研究環境
・ミリ波までの主要測定機器(ネットワークアナライザ他),
・大電力波源(200W, 2.4GHz,5.8GHz)
・集積回路組み立て用ダイボンド、ワイヤボンド設備
・ADS, CADENCE, EM-PRO, FEKOなどの設計環境を保有
[主要設備]
・大型電波暗室:1、小型電波暗室:2
・無線電力伝送用電波暗室:1
教育としての研究:
先鋭的な研究課題を取り組むなかで,学生は理論検討・
シミュレーション・製作・検証・改善・論文発表のサイクルを経験.
無線電力伝送に関わる研究者(出身企業):
教授 伊東健治 無線電力伝送・RF回路(三菱電機)
研究員 坂井尚貴 無線電力伝送 共同研究者
教授 牧野滋 メタマテリアルアンテナ (三菱電機)
教授 野口啓介 小型アンテナ
4
無線伝送実験用電波暗室の概要(2019年5月竣工)
送電
(200W max)
受電(10W max)
不燃 吸収体面
(ICM006A)
無線送電
低背吸収体面
(IS-V023)
低背吸収体面(IS-V023)
低背吸収体面
(IS-V023)
吸収特性
ICM006A +フェライト
IS-V023 +フェライト
[email protected],ANT利得20dBでの
電力密度18mW/cm2
・2.4GHz、5.8GHzの200W増幅器導入
・回転台あり
・フェライトにより30MHz以上で対応
1.大電力伝送用受電レクテナ 受電レクテナの役割と研究の狙い
受電レクテナ
マイクロ波
受電 レクテナ
送信アンテナ
受電レクテナ:長距離の無線電力伝送に適するマイクロ波伝送の受電素子
・受電アンテナと整流回路からなる。マイクロ波電力を直流電力に変換。
・多数のレクテナを配置し、所望電力を得る:
[例] 1W受電レクテナ X 電力効率70% X 100素子= 70W
研究の狙い:受電レクテナの大電力化・高効率化[例] 5W受電レクテナ X 電力効率80% X 18素子= 72W
➔
受電システムの小型・軽量化、低コスト化、定消費電力化。40 50 60 70 80 90 100
0.1 1 10
電力変換効率 (%)
入力電力 (W)
従来の受電レクテナの問題点(効率低下要因)
整流ダイオードの効率
整流回路の電力変換効率
(1)
整流回路の電力変換効率は、整流ダイオードの効率よりも低下。大電力であるほど顕著.この効率低下は、「整流回路の回路部」の損失に起因。
(2)
高調波の閉じ込め、昇圧、整合などの機能を有する回路部により、アンテナからのマイクロ 波電力を整流用ダイオードに印加。しかし回路の損失によりダイオードに届く前に減衰し効 率が低下します.(3)
今回,この「整流回路の回路部」を不要とし,受電アンテナに整流ダイオードを直接接続。「整流回路の回路部」の損失を抑制し、高効率化。
効率低下
本研究(高効率化技術)による5.7GHz帯受電レクテナ
基板表面 基板裏面
高調波の 閉じ込め
受電アンテナ(昇圧)
短絡スタブ
(整合)
ダイオード
直流出力
直流出力 基板表面
基板裏面
ダイオード
受電レクテナの構成と写真
(大きさ:32mm x 11mm)
(1)
新たな構造の受電アンテナにより「整流回路の回路部」の機 能を実装。アンテナ効率の劣化は2%未満。受電アンテナに整 流ダイオードを直接接続。回路損失を抑制。(2)
マイクロ波電力1W入力時92.8%の電力変換効率を実現。世界 トップ性能。回路損なしの整流ダイオードの効率を実現。(3)
アンテナと回路を一体化することで部品点数を究極まで削減➔
後述の整流器ICとの組み合わせで2点40 50 60 70 80 90 100
0.1 1 10
電力変換効率
( %)
入力電力 (W)
KIT(本研究)
KIT(別研究)
整流ダイオード の効率
( 次項で説明 )
主要データ(5.7GHz帯受電レクテナ)
f=5.6–5.9GHz
f=17.0–17.5GHz Normalized impedance: 500 W
Fundamental frequency f
0: 5.75 GHz
・ : f
0+ : 3f
0Measured Z
aSimulated Z
a0
−10
−20 Gain(dBi)
0 ° 180 °
270 ° 90°
: Measured Gain : Simulated Gain
z x
y
z x
y
1 180 °
270 °
90 ° V
dc(V)
10
0 °
0 20 40 60 80 100
16 20 24 28 32
Input power P
in(dBm)
R e c tif ic a tion e ff ic ien c y ( % )
92.8 %
(P
in=30 dBm) R
L=890 W, f
0=5.75 GHz
0 10 20 30 40
16 20 24 28 32
Input power P
in(dBm)
D C o u tp u t v o lt a g e V
dc(V)
29 V
(P
in=30 dBm) R
L=890 W, f
0=5.75 GHz
: Simulated : Measured
: Simulated : Measured
・アンテナ利得:2.3 dBi
・アンテナ効率: 96.9%
・回路機能実装にともなうアン テナ効率低下量:2%未満
・アンテナインピーダンス:
整合、高調波処理機能実現
・整流器へ1W入力時に 整流効率:92.8%
出力電圧:29V
動作デモ
5.8GHz 帯受電レクテナを用いるミニ 4 駆走行デモ
[実用化での最大の課題] 整流用半導体の調達
W級整流器に適用可能な市販ダイオード ➔
なし従来の代替案:GaAs/GaN FET増幅器構成による同期型整流器➔大型,低効率
新たな代替案:E-pHEMTによるGated anode diode(マイクロ波領域では初の発表)
50 60 70 80 90 100
1 10
GaAs GaN
This work
DV[10]
SS[7]
SS[7]
SS[6]
SY[8]
SY[9]
Rectifier type BR:Bridge SS:Single shunt
DV:Double voltage SY:Synchronous
Rectification efficiency (%)
Input power (W) SS[4]
FET MC
dc output
Vg RF
input
Phase shifter
S G
MC D
L L
0 0.5 1 1.5
0 100 200 300 400
C urrent I
j,I
ds(m A)
Voltage Vj, Vds (V)
E-pHEMT Diode
V
j= V
ds= V
gsG S D I
jV
j= V
dsV
gsE-pHEMT Anode
Cathode
-20 -40 -60 -80 -100 600 400 200
Modeled Measured
Current Id(μA
) Voltage Vj(V)
0.5 1.0 1.5 -15 -10 -5
0
Current Id(mA) Imax= 490 mA
@1.3 V
Si-SBD
(HSMS282P) GaAs-SBD GAD with E-pHEMT (This paper)
fc 30 GHz 334 GHz 253 GHz
Vbr(100 mA) 22.4 V 28 V 13.7 V Imax 107 mA/pF 564 mA/pF 1170 mA/pF
小信号用FETを使用
・高周波特性はGaAs SBD同等
・ブレークダウン電圧は劣るが,大 電流動作に適する.
12
5.7GHz帯5W整流器IC
・5.1 W入力時に整流効率77.9%,出力電圧39.8V
(トップ性能)
・整合回路損失を除くと85%程度
==>アンテナへとダイオードの直接接続構成評価中
E-PHEMT ダイオードを用 いる 5.8GHz 帯倍電圧整流器 MMIC
5.8 GHz band voltage-doubler rectifier MMIC with E-PHEMT diode
小松郁弥
伊東健治
坂井尚貴
Fumiya Komatsu Kenji Itoh Naoki Sakai
金沢工業大学
Kanazawa Institute of Technology
1.まえがき
無線電力伝送の広範な応用のためには,レクテナの高 効率化,大電力化が課題である.ノーマリーオフ特性を 有する
FET
のゲート端子とドレイン端子を接続して構成 するFET
ダイオードは大電流密度が特長であり,大電力 化に適する.筆者らはMOSFET
により,その効果を確認 している[1]
. ここではより高耐圧である0.5μm E-PHEMT
ダ イ オ ー ド(WIN Semiconductor
社PD50-10)
を用 い る5.8GHz
帯整流器MMIC
の試作結果を報告する.2.構成と設計
図
1
にE-PHEMT
ダイオードの静特性を,図2
にE-
PHEMT
ダイオード(Wg=1.2mm)
のモデル示す.ON
時の微分 抵 抗 が
10
% 増 加 す る 条 件 で の 最 大 電 流 は425mA
(355mA/mm)
であり,通常のSBD
と比較して大電流特性が得られている.回路設計にあたっては上記モデルをもと に,ダイオードの直列段数,ゲート幅および電源インピ ーダンスを最適化
[2]
している.図3
に5.8GHz
帯倍電圧整 流器MMIC
の構成を示す.整流素子に直列に3
段接続した
E-PHEMT
ダイオードを用い,高耐圧としている.倍電圧回路とすることにより,不平衡入力とし,直流出力の 高インピーダンス動作による高効率動作を狙っている.
また,ダイオードの容量に対し整合回路を設けている.
3.評価結果
図
4
に5.8GHz
帯倍電圧整流器MMIC
の外観を示す.1.2mm
角である.図5
に入出力特性を示す.入力電力36.8dBm (4.8W)
のとき整流効率74.9%
,出力電圧34.5V
で ある.これは5.8GHz
帯整流器としてトップ性能である.整合回路の挿入損失は
0.85dB
であり,これを補正すると ダイオード単体の整流効率は88.4%
である.今後,アンテ ナと整流用ダイオードMMIC
との直接整合によるレクテ ナの高効率化を検討する予定である.4.むすび
本報告では
E-PHEMT
ダイオードの高電流特性と大電力 化の効果について示した.本研究の一部は,内閣府総合 科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション 創造プログラム(SIP)
「IoE
社会のエネルギーシステム」(
管理法人:JST)
によって実施された.参考文献
[1] S.Yanagihara, K.Itoh, et.al., “The 2.4 GHz band SOI- CMOS bridge rectifier IC”, IEEE WPTC2017.
[2]
坂井,伊東他,信学技報WPT2019-42.
Rs 1 0.75 Ω Rs 2 1.20 Ω Is 460 pA
n 1.62
Vbr 16.1 V Cj0 0.75 pF
Cj Rj Rs 1
Rs 2
図 3 5.8GHz 帯倍電圧整流器 MMIC の構成 図 1 E-PHEMT ダイオードの静特性
図 2 E-PHEMT ダイオードのモデル
図 4 5.8GHz 帯倍電圧整流器 MMIC の外観
E-PHEMT diode
1 .2 m m
1.2mm RF
input
port DC
output port
Thermal via-hole
20 30 40 50 60 70 80
25 30 35 40
R e ct if ic at io n e ff ic ie n c y ( % )
Input Power (dBm)
0 10 20 30 40 50
25 30 35 40
O u tp u t v o lt ag e (V )
Input Power (dBm) Measured Simulated RL=330Ω
Cdc L
CL RF
input
port DC
output port E-PHEMT Diode x6 Matching
circuit
GAD with E-pHEMT x6 Input
port
Output port Thermal
via-hole
0 10 20 30 40 50 60 70 80
20 25 30 35 40
Rec ti fi c a ti o n e ff ic ie n c y (% )
Input power (dBm)
0 10 20 30 40 50 60
25 30 35 40
O u tp u t v o lt a g e (V)
Input power (dBm) Simulated
Measured
Simulated
Measured
整合回路含め
1mm角に集積化
ブリッジダイオードチップ
40 50 60 70 80 90 100
0.1 1 10
電力変換効率
(%)
入力電力
(W)
アンテナ一体5.7GHz帯受電レクテナの開発ロードマップ@金沢工大
GaN GAD (VB=100V)
1Wにおける
世界最高効率(92.8 %)
10W
における 断トツの 世界最高値西安電子科技大
(GaN SBD)
GaAs SBD
アンテナ基板
GaN GAD
アンテナ基板(放熱)
GaAs/GaN SBD
アンテナ基板
回路 基板
[従来構造]
GaAs SBD (VB=25V)
早期実用化が可能な研究成果
GaAs GAD (VB=13V)
GaAs GAD
アンテナ基板(放熱)
三菱
(GaAs SBD)
金沢工大
金沢
工大 名大/金沢工大
2020
年度上期: 1 W 92.8% 2020
年度下期: 5 W, 85% 2022
年度: 10 W, 85%
IC
GaAs GAD
GaN GAD
0 10 20 30 40 50 60 70
18 20 22 24 26 R ec ti fi ca ti o n ef fi ci e n cy ( % )
Frequency (GHz) Simulated
Measured
0 2 4 6 8 10 12
18 20 22 24 26
O u tp u t v o lt ag e (V )
Frequency (GHz) Simulated
Measured 0
10 20 30 40 50 60 70
15 20 25 30
Input power (dBm) R ec ti fi ca ti o n ef fi c ie n cy ( % )
Simulated Measured
0 5 10 15 20 25 30
15 20 25 30
O u tp u t v o lt ag e (V )
Input power (dBm) Simulated
Measured
Smoothing Capacitor C L
Matching circuit Input
port
Output port
GAD with E-pHEMT x4
dc block L C dc
GAD with E-pHEMT x4
Output C dc port
L
C L
0.85 mm
0 .7 5 m m
Input port
Gated Anode Diode(GAD)を用いる20GHz帯整流器IC
・空間伝送損失を抑制するためには、アンテナの高利得化が可能なミリ波が有利。
・周波数としてはISM帯(24GHz)、5G(28GHz帯)が候補。
・20GHzにおいて入力電力
26.8dBm (0.48W)のと き整流効率 60.1%,出力電圧 16.6V を得た。
2. エネルギーハーベスティング用受電レクテナ - JST CREST他での成果
特長:
1kΩ
を超える高インピーダンスアンテナの実現による究極の高感度化(世界トップ)折り返しダイポールアンテナ 微小ループアンテナ
メタマテリアル技術による薄型化高インピーダンスアンテナ
整流素子:市販
SBD(μW
~mW
動作)
,SOI-CMOS IC(nW
~μW
動作) (1) AM放送波用1MHz帯受電レクテナ
•
ループアンテナ(370kΩ
)+市販SBD /SOI-CMOS IC (nW
動作) (2) DTV
用500MHz
帯受電レクテナ•
折り返しダイポールアンテナ(2
kΩ)
+市販SBD(μW
動作,
全ch
カバー) (3) RFID
用920MHz
帯受電レクテナ•
折り返しダイポールアンテナ(2
kΩ)
+市販SBD(μW
~mW
動作)
•
双ループアンテナ(2
kΩ)
+市販SBDSBD(μW
~mW
動作)
•
微小ループアンテナ(27kΩ)+SOI-CMOS ICSBD(sub-μW
動作)
• AMC
基板上の折り返しダイポールアンテナ(20
kΩ)+SOI-CMOS IC
(厚さ4mm, sub-μW動作)
(4) WiFi用2.4GHz帯受電レクテナ
•
3導体折り返しダイポールアンテナ(10kΩ)+SOI-CMOS IC (sub-μW動作)• AMC
基板上の折り返しダイポールアンテナ(10
kΩ)
+SOI-CMOS IC
(厚さ4mm, sub-μW
動作)40nm SOI-CMOS 整流器ICを開発し、
これを用い2.4GHz帯および920MHz帯レ クテナを開発。高インピーダンスアンテ ナによりトップ性能を実現。サブμWで の動作確認。
RF Energy Harvesting 基本技術開発
微小ループアンテナ
SOI-CMOS
整流器IC920MHz帯レクテナ S.Tsujita, et.al., APMC2019
微小ループアンテナと整流器ICを直接接続、26kΩの 共振インピーダンスを実現し、高感度化。サブμW領域 での動作を確認。920MHz帯レクテナとしてトップ性能。
0 5 10 15
2.3 2.4 2.5
V_sim V_meas V_sim_withL
Frequency (GHz)
R e c ti fi c a ti o n e ff ic ie n c y ( % )
Measured
Simulated
2.4GHz帯レクテナ S.Tsuchimoto, et.al., WPTC2019
3導体折り返しダイポールアンテナ(3-FDA)で10kΩ
の高インピーダンス実現。誘導性とし整流器チップを 直接整合。2.4GHz帯レクテナとしてトップ性能。寸法: 52mm X 26mm
3-FDA
整流器IC
RF
入力
DC
出力
寸法:
46mm X 40mm
微小ループアンテナ整流器
IC
M. Stoopman 2014
J. Yi 2007 G. Papotto
2005 S. Mandal
2007
Measured Calculated
Measured
Calculated
アンテナ利得
-10 0
Gain(dBi)
整流器IC
Theory 1.8 dBi Calculated
0.7 dBi @0°
Measured 1.1 dBi @0°
This study
誘導性インピーダンスとした高インピーダ ンス・メタマテリアルアンテナと40nm SOI-
CMOS 整流器ICにより2.4GHz帯および 920MHz帯レクテナを開発。高効率特性を
確認。金属板上での高効率動作も実証。メタマテリアルアンテナを用いる高感度レクテナ
920MHz
帯レクテナ
4
メタマテリアルアンテナを用いるレク テナ
整流器
IC
DC出力 RF入力
RF
入力
DC
出力
SOI-CMOS整流器IC(2段)とレイアウト(PAD除く)
周波数
900MHz 2.4GHz
大きさ
122mm X50mm 43mm X30mm
インピーダンス 16kΩ 10kΩ
ANT利得@自由空間 1.9dBi 3.5dBi
@金属板上 3.2dBi 6.6dBi
SOI-CMOS整流器IC 3段 2段
出力電圧@自由空間
0.54V@-30dBm 0.27V@-30dBm
@金属板上 0.60V@-30dBm 0.39V@-30dBm
効率@自由空間53%@-30dBm 37%@-30dBm
@金属板上 72%@-30dBm 78%@-30dBm
Cdc
CL
Two stage CCP RF input port
DC output port 66μm
37μm
2.4GHz
帯 レクテナ0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
-40 -35 -30 -25 -20
Output voltage (V)
Input power (dBm)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
-40 -35 -30 -25 -20
Efficiency (%)
Input power (dBm)
Free
space Free
space On
metal
On metal
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
900 910 920 930 940
Output voltage (V)
Frequency (MHz)
0 20 40 60 80 100
-40 -35 -30 -25 -20
Efficiency(%)
Input Power (dBm)
Free space On
metal
0 0.2 0.4 0.6 0.8
-40 -35 -30 -25 -20
Output voltage(V)
Input Power (dBm)
Free space On
metal
0 0.1 0.2 0.3 0.4
2.36 2.38 2.4 2.42 2.44
Output Voltage(V)
Frequency(GHz)
0 20 40 60
-40 -30 -20 -10
Rectification efficiency(%)
Input power(dBm)
KIT-LOOP 2019
S.Mandal 2007 M.Stoopman
2014
G.Papotto 2007
J.Yi 2007 This work
金沢で共振インピーダンス330kΩのループ アンテナとSOI-CMOS整流器ICを用いたAM ラジオ放送波から発電。関東(NHK, 500kW) での平野部全域での動作に相当。
環境RF信号からの発電実験
RFID送信機(1W, 920MHz)からの室内発電。壁
を挟んだ25mの距離で発電。またメタマテリアル レクテナでは金属板上での発電を確認。ループアンテナ 正面
(19ターン)
0 10 20 30 40
-70 -60 -50 -40 -30
E ff ic ie n c y ( % )
Input power (dBm)
0.0010.01 0.1 1
10 20 30 40
Output voltage (V)
Distance (km)
Open
Matched load
calculated
measured
RFID送信機
RFID送信機
レクテナ
メタマテリアル・レクテナ
(自由空間)
メタマテリアル・レクテナ
(金属板上)
実用化に向けた課題:法制化
• 総務省にて「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システム」として制 度化予定。法制化時期に合わせたシステム検討。
• 周波数: 920MHz(RFID), 2.4GHz(ISM 帯 ) ,5.7GHz(ISM 帯 )
• 第1ステップ(屋内:制度化作業中)、第2ステップ(屋外)
• 法制化が不要な非放射のシステムでの利用の検討
(例:電子レンジなど高周波加熱装置への付加)
企業への期待
• 早期の社会実装に向けたシステム化。
• 様々な応用が考えられるなかで、送電、受電で の電源系含めたシステム化が可能な企業との 研究を期待。
• 電力伝送チップセットとしての商流を期待する企
業 に つ い て は IC 化 。 弊 学 の 技 術 で reference
design を構築可能。
本技術に関する知的財産権
産学連携の経歴
• 2009 年 -2021 年 企業と共同研究実施
( 合計6社から受託、現在4社、3社検討中 )
• 2016 年 - JST CREST (微弱電力受電)
• 2018 年 - 内閣府 SIP( 大電力受電 )
1983年3月 同志社大学 工学部 電子工学科 卒業
1983年4月 三菱電機株式会社入社(情報電子研究所 配属)
1997年3月 東北大学 工学研究科 後期博士課程 修了,博士(工学)
1997年10月 情報技術総合研究所から通信システム統括事業部へ異動 2003年10月 モバイルターミナル製作所 第一技術部長
2009年9月 金沢工業大学工学部 教授
学会活動、受賞:[IEEE]
2002-present Technical Program Committee Member of IEEE MTT-S International Symposium 2004-2008 Associate Editor of IEEE Trans. MTT
2006-2008,2010,2012-2014 IEEE MTT-S elected ADCOM member 2014 IEEE MTT-S N. Walter Cox Award
2017 IEEE FELLOW [日本学術会議]
2008-2010 日本学術会議URSI-C委員長 [電子情報通信学会]
2014
和文論文特集号「大学発マイクロ波論文特集号」編集委員長General chair of Thailand Japan MicroWave 2014 (TJMW2014,信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催) 2015 General chair of Vietnam Japan MicroWave 2015 (VJMW2015,信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催) 2017 General chair of Vietnam Japan MicroWave 2017 (VJMW2017,信学会エレクトロニックソサエティ マイクロ波研究会主催)
受賞:関東地方発明表彰発明奨励賞2件, 近畿地方発明表彰発明奨励賞,第50回オーム技術賞
著書「モバイル通信の無線回路技術」(電子情報通信学会,共著)、無線通信の基礎技術(オーム社、共著)、マイクロ波伝送・回路デバイスの基礎(オー ム社、共著)