Microsoft Word - WPT doc

社団法人 電子情報通信学会 信学技報

THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, TECHNICAL REPORT OF IEICE

INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS WPT2010-11 (2010-10)

RF-DC 変換回路の変換効率に対するダイオードの接合容量の影響

山本 綱之

†

藤森 和博

‡

佐薙 稔

‡

野木 茂次

‡

真田 篤志

†

†山口大学大学院理工学研究科 〒755-8611 山口県宇部市常盤台 2-16-1

‡岡山大学大学院自然科学研究科 〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中 3-1-1

E-mail: †{t_y, as}@yamaguchi-u.ac.jp ‡{fujimori, sanagi, nogi}@elec.okayama-u.ac.jp

あらまし 無線電力伝送における重要な構成要素の一つに RF-DC 変換回路が挙げられる．高効率な無線電力伝送

を実現するためには，高い変換効率を持つ RF-DC 変換回路の実現が必要不可欠であり，高効率化のための手法が盛

んに研究されている．本稿では高効率な RF-DC 変換回路を実現するために必要なダイオードの特性を明らかにする

ために，マイクロ波帯で利用可能な RF-DC 変換回路の変換効率に対するダイオードの等価回路パラメータの影響に

ついて検証を行っている．

キーワード 無線電力伝送, Rectenna, RF-DC, Diode

The Influences of Junction Capacitance in Diode on

Conversion Efficiency of RF-DC Conversion Circuit

Tsunayuki YAMAMOTO

†

Kazuhiro FUJIMORI

‡

Minoru SANAGI

‡

Shigeji NOGI

‡

and Atsushi SANADA

‡

†Graduate School of Science and Engineering, Yamaguchi University

2-16-1 Tokiwadai, Ube, Yamaguchi, 755-8611 Japan

‡Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University

3-1-1 Tsushima-naka, Kita-ku, Okayama, 700-8530 Japan

E-mail: †{t_y, as}@yamaguchi-u.ac.jp, ‡{fujimori, sanagi, nogi}@ elec.okayama-u.ac.jp

Abstract RF-DC conversion circuit is the important component in wireless power transmission technologies. For realizing

highly efficient wireless power transmission, it is necessary to design the RF-DC conversion circuit with high conversion

efficiency, and the designing method of the circuit is actively studied. In this paper, the influences of the diode on the

conversion efficiency of the RF-DC conversion circuit are investigated to clarify the characteristic of the diode for obtaining

highly efficient RF-DC conversion circuit.

Keyword Wireless Power Transmission,

Rectenna, RF-DC, SPS, Diode

1. 始 め に

近 年 ， 無 線 電 力 伝 送 に 関 す る 研 究 が 盛 ん に 行 わ れ て い る ． こ れ ま で に 報 告 さ れ て い る 電 力 伝 送 の 方 式 と し て は ， SPS（ Space Power Satellite）等 の 長 距 離 を 伝 搬 さ せ る た め に マ イ ク ロ 波 を 用 い る 方 式 [1, 2]，比 較 的 短 距 離 を 伝 搬 さ せ る た め に 電 磁 誘 導 や 電 磁 界 結 合 [3]を 利 用 す る 方 式 等 が あ る ． マ イ ク ロ 波 を 用 い た 無 線 電 力 伝 送 で は ， マ イ ク ロ 波 受 電 用 ア ン テ ナ と RF-DC 変 換 回 路 と が 一 体 と な っ た レ ク テ ナ と 呼 ば れ る 回 路 が 利 用 さ れ る ． 高 効 率 な 無 線 電 力 伝 送 を 実 現 す る た め に は ， レ ク テ ナ の 構 成 要 素 の 一 つ で あ る RF-DC 変 換 回 路 が 高 い RF-DC 変 換 効 率 を 持 つ 必 要 が あ る ． 我 々 は こ れ ま で に ， IMS バ ン ド の 一 つ で あ る 5.8GHz で 利 用 可 能 な RF-DC 変 換 回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ て き た [4]．SPS の み な ら ず ，小 型 セ ン サ や RF-ID 等 へ の 応 用 を 考 え ，特 に 小 電 力 入 力 時 に 高 い RF-DC 変 換 効 率 を 実 現 す る こ と を 目 的 と し ，共 振 を 利 用 し た 回 路 [5]，ダ イ オ ー ド を 複 数 個 使 い 倍 電 圧 回 路 を 実 現 し た 回 路 [6]等 を 報 告 し て き た ． 小 電 力 で 高 い 変 換 効 率 を 実 現 す る た め に は ， 入 力 波 を そ の ま ま ダ イ オ ー ド に 印 加 す る の で は な く ， 定 在 波 を 利 用 し て 大 き な 電 圧 振 幅 を 生 じ さ せ ， そ の 電 圧 を ダ イ オ ー ド の ア ノ ー ド 端 子 に 印 加 す る 必 要 が あ る ．ま た ， 入 力 ポ ー ト に お け る 反 射 電 力 を 小 さ く す る た め に ， 入

力 ポ ー ト 側 と ， 動 作 状 態 に あ る ダ イ オ ー ド ， 及 び フ ィ ル タ や 負 荷 抵 抗 を 含 ん だ 出 力 回 路 側 の イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ を 実 現 す る 必 要 が あ る ． 我 々 は こ れ ま で に ， LE-FDTD 法 [7]を 利 用 し て 最 大 変 換 効 率 を 得 る た め の RF-DC 変 換 回 路 の 最 適 設 計 パ ラ メ ー タ を 探 索 し ，RF-DC 変 換 回 路 の 設 計 を 行 っ て き た ．LE-FDTD 法 は マ ク ス ウ ェ ル 方 程 式 を 利 用 し た 電 磁 界 解 析 と 等 価 回 路 解 析 と を 結 合 さ せ た 解 析 方 法 で あ り ， 特 に マ イ ク ロ 波 回 路 等 の 高 周 波 回 路 設 計 に お い て 実 測 結 果 と 極 め て よ く 一 致 す る 解 析 結 果 が 得 ら れ る こ と か ら ， そ の 有 効 性 に 注 目 が 集 ま っ て い る ． 小 電 力 の マ イ ク ロ 波 で 動 作 す る RF-DC 変 換 回 路 に お い て は ， 大 電 力 入 力 時 と 比 較 し て ダ イ オ ー ド の 非 線 形 特 性 の 影 響 が よ り 顕 著 に 表 れ ， ま た 高 周 波 で あ る た め に ダ イ オ ー ド や そ の 他 の 回 路 素 子 の 寄 生 パ ラ メ ー タ が 回 路 動 作 に 与 え る 影 響 も 大 き く な る こ と か ら ， RF-DC 変 換 回 路 の 動 作 が 複 雑 に な る ．ま た ，基 本 波 だ け で な く 高 調 波 を も 考 慮 し た 設 計 を 行 わ な け れ ば ， 高 い 変 換 効 率 を も つ RF-DC 変 換 回 路 を 実 現 す る こ と は 難 し い ． よ り 高 効 率 な RF-DC 変 換 回 路 を 実 現 す る た め に は ， ダ イ オ ー ド の 構 成 パ ラ メ ー タ が 回 路 動 作 に ど の よ う に 影 響 す る か を 把 握 し ， ダ イ オ ー ド の 動 作 に 適 し た 回 路 設 計 を 行 う 必 要 が あ る ． ま た ， ダ イ オ ー ド の 設 計 と い う 観 点 か ら 見 れ ば ，RF-DC 変 換 動 作 に 適 し た パ ラ メ ー タ を 持 つ ダ イ オ ー ド を 実 現 す る 必 要 も あ る ． 本 稿 で は ，我 々 が 検 討 し て い る RF-DC 変 換 回 路 に お け る 変 換 効 率 に 対 す る ダ イ オ ー ド の 接 触 抵 抗 ， 及 び 接 合 容 量 の 影 響 を 検 証 し ，よ り 高 効 率 な RF-DC 変 換 回 路 を 実 現 す る た め に 必 要 な ダ イ オ ー ド 特 性 を 示 し て い る ．

2. 5.8GHz に お け る RF-DC 変 換 回 路

こ こ で は ， 我 々 が こ れ ま で に 検 討 を 行 っ て き た 5.8GHz で 動 作 す る RF-DC 変 換 回 路 の 構 成 と RF-DC 変 換 効 率 の 測 定 結 果 ， 及 び LE-FDTD 法 に よ る 解 析 結 果 を 示 す ．

2.1. 定 在 波 利 用 による 高 効 率 の 実 現 と マイク ロスト

リップラインで構 成 された RF-DC 変 換 回 路

レ ク テ ナ は 受 電 用 ア ン テ ナ と 整 流 素 子 で あ る ダ イ オ ー ド ， AC カ ッ ト フ ィ ル タ ， 負 荷 抵 抗 か ら 構 成 さ れ る ． レ ク テ ナ は ア ン テ ナ で マ イ ク ロ 波 を 受 診 し た 後 ， ダ イ オ ー ド に よ っ て 整 流 を 行 う ． 入 力 波 ， 及 び ダ イ オ ー ド の 整 流 動 作 に よ っ て 生 じ た 高 調 波 が 出 力 側 に 漏 れ な い よ う ， 帯 域 阻 止 フ ィ ル タ の よ う な AC カ ッ ト フ ィ ル タ が 必 要 と な る ． そ し て ， 回 路 に 接 続 さ れ た 負 荷 に よ り ， 直 流 電 力 を 取 り 出 す ． RF-DC 変 換 回 路 の 変 換 効 率 は 入 力 電 力 の 大 き さ に 依 存 す る こ と が 知 ら れ て い る ． 一 般 的 に ， 入 力 電 力 が 小 さ い と 入 力 波 の 振 幅 に 対 す る 起 ち 上 が り 電 圧 の 影 響 が 相 対 的 に 大 き く な っ て し ま う た め ， 変 換 効 率 が 小 さ く な っ て し ま う ． RF-DC 変 換 回 路 の 動 作 に お い て は ダ イ オ ー ド の ア ノ ー ド 端 子 と カ ソ ー ド 端 子 間 の 電 位 差 が 非 常 に 重 要 で あ り ， 高 い 変 換 効 率 を 実 現 す る た め に は ， ブ レ イ ク ダ ウ ン を 生 じ さ せ な い 程 度 に そ の 電 位 差 を 大 き く す る 必 要 が あ る ． こ れ ま で の 検 討 か ら ， 電 位 差 を 大 き く す る に は ， 定 在 波 を 利 用 す る こ と が 有 効 で あ る と 考 え ら れ る ． 入 力 波 が そ の ま ま ダ イ オ ー ド の ア ノ ー ド 端 子 に 印 加 さ れ る よ り も ， 定 在 波 に よ り 入 力 波 振 幅 を 大 き く し た 方 が よ り 大 き な 電 位 差 が 生 じ る と 考 え ら れ る ． 各 々 の 端 子 の 電 位 を 互 い に 逆 相 に 調 整 し た 際 に 電 位 差 が 最 大 に な る と 考 え ら れ る が ， こ れ は 非 常 に 困 難 で あ る ． そ こ で ， カ ソ ー ド 端 子 に キ ャ パ シ タ を 接 続 し て 零 電 位 と し ，ア ノ ー ド 端 子 の 電 位 を 大 き く す る こ と を 考 え る ． ま た ， 回 路 を 構 成 す る に 当 た り ， マ イ ク ロ ス ト リ ッ プ ラ イ ン を 利 用 す る こ と と し た ． マ イ ク ロ ス ト リ ッ プ ラ イ ン は 設 計 が し 易 く ， ダ イ オ ー ド な ど の チ ッ プ 素 子 の 実 装 も 容 易 で あ る こ と か ら ，RF-DC 変 換 回 路 を 構 成 す る に は 適 し て い る と 考 え ら れ る ． 我 々 が こ れ ま で に 検 討 を 行 っ て き た 5.8GHz で 動 作 す る RF-DC 変 換 回 路 を 図 1 に 示 す ． 回 路 は 厚 さ 0.5mm， 比 誘 電 率 3.4 の レ ジ ン 基 板 上 に 構 成 さ れ て い る ． 回 路 を 構 成 し て い る マ イ ク ロ ス ト リ ッ プ ラ イ ン は 5.8GHz に お い て 特 性 イ ン ピ ー ダ ン ス が 50と な る よ う に 調 整 さ れ て い る ． 整 流 素 子 で あ る ダ イ オ ー ド は ， 5.8GHz と い う 高 周 波 に 追 随 さ せ る こ と ， 低 い 起 ち 上 が り 電 圧 が 必 要 な こ と を 考 慮 し ， シ ョ ッ ト キ ー バ リ ア ダ イ オ ー ド と し た ． 図 1 で 示 し て い る 回 路 の 入 力 ポ ー ト に は ， DC が ア ン テ ナ 側 に 漏 洩 す る こ と を 防 ぐ た め に DC カ ッ ト 用 キ ャ パ シ タ C1が 接 続 さ れ て い る ． C1の 後 に は 一 方 が 短 絡 さ れ た “ short-line” と 呼 ば れ る 線 路 が 接 続 さ れ て い る ． 入 力 さ れ た マ イ ク ロ 波 は DC カ ッ ト 用 キ ャ パ シ タ を 通 過 し た 後 ，“ short-line”の 短 絡 さ れ て い る 側 に お い て 反 射 さ れ ，“ short-line”上 に 定 在 波 が 発 生 す る ．ダ イ Input Port 4.7 mm C1 Schottky Barrier Diode 7.70 mm 10.00 mm 8.38 mm 4.30 mm C2 Output Port RL 図 1: 5.8GHz 用 RF-DC 変 換 回 路

オ ー ド の カ ソ ー ド 端 子 に は マ イ ク ロ 波 に お い て カ ソ ー ド 端 子 を 零 電 位 に 調 整 す る た め の キ ャ パ シ タ C2 が 接 続 さ れ て い る ．出 力 ポ ー ト に は ，基 本 波 で あ る 5.8GHz， 及 び 二 次 高 調 波 で あ る 11.6GHz を 出 力 負 荷 に 漏 洩 さ せ な い た め の 帯 域 阻 止 フ ィ ル タ が 設 置 さ れ て い る ．

2.2. RF-DC 変 換 回 路 の変 換 効 率

図 1 に 示 さ れ た RF-DC 変 換 回 路 を 実 際 に 作 成 し ， RF-DC 変 換 効 率 を 測 定 し た ． な お ， C1と C2は そ れ ぞ れ 1pF， 3pF と し た ． 図 2 に 作 成 し た RF-DC 変 換 回 路 に お け る 入 力 電 力 特 性 の 測 定 結 果 を 示 し て い る ． な お ， 変 換 効 率 は 回 路 に 入 力 さ れ た AC 電 力 に 対 す る 出 力 さ れ た DC 電 力 の 比 で あ る ． 図 2 で 示 さ れ て い る よ う に ， 変 換 効 率 は 入 力 電 力 依 存 性 が あ り ， 作 成 し た RF-DC 変 換 回 路 は 入 力 電 力 49mW 時 に 最 大 変 換 効 率 69%と な っ て い る ．

2.3. RF-DC 変 換 回 路 解 析 における LE-FDTD 法

の有 効 性

我 々 は こ れ ま で に LE-FDTD 法 に よ る RF-DC 変 換 回 路 の 解 析 を 行 っ て き た ． LE-FDTD 法 は マ ク ス ウ ェ ル 方 程 式 を 利 用 し た 電 磁 界 解 析 と 等 価 回 路 解 析 と を 結 合 さ せ た 解 析 方 法 で あ る ． こ れ ま で に ， 寄 生 パ ラ メ ー タ を 考 慮 し て い な い 回 路 素 子 の 等 価 回 路 解 析 と FDTD 法 と を 結 合 さ せ た も の [8] や ，一 つ の 素 子 の み が 実 装 さ れ て い る 回 路 を LE-FDTD 法 で 解 析 し た も の [9]が 報 告 さ れ て い る が ，我 々 は ，回 路 素 子 と マ イ ク ロ ス ト リ ッ プ 線 路 と の 結 合 や 回 路 素 子 相 互 の 結 合 を 含 め た 解 析 を 行 っ て お り ，RF-DC 変 換 回 路 解 析 時 の LE-FDTD 法 の 有 効 性 を 確 認 し て い る ． RF-DC 変 換 回 路 を LE-FDTD 法 で 解 析 す る に 当 た り ， ダ イ オ ー ド の モ デ ル は 図 3 で 示 す 等 価 回 路 [10]を 用 い て い る ． 図 3 に お い て ， Rs， Cj， Lp， Cb， Cpは そ れ ぞ れ 接 触 抵 抗 ， 接 合 容 量 ， 寄 生 イ ン ダ ク タ ン ス ， ビ ー ム リ ー ド ダ イ オ ー ド に 起 因 す る 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス ， 及 100 75 50 25 0 25 50 75 100 Input RF Power [mW] Output DC Power [ m W ] 0 10 20 30 40 50 60 70 Conversion Efficiency [%]

Measurement SPICE LE-FDTD

図 4: RF-DC 変 換 回 路 に お け る 入 力 電 力 特 性 の 解 析 結 果 100 75 50 25 0 25 50 75 100 Input RF Power [mW] Ou tp u t DC Po wer [mW] 0 10 20 30 40 50 60 70 Conve rsion Effic ie n cy [%] 図 2: RF-DC 変 換 回 路 に お け る 入 力 電 力 特 性 の 実 測 結 果 100 75 50 25 0 20 30 40 50 Input RF Power [mW]

(Reflection Power / Input RF Power) [%]

10 Measurement SPICE LE-FDTD 図 5: RF-DC 変 換 回 路 の 入 力 ポ ー ト に お け る 反 射 電 力 の 解 析 結 果 表 1: ダ イ オ ー ド の 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ 値

Parameters Value Unit

Vb i BV Is N TT M Rs Cj(0) Lp Cb Cp 0.4 5.63 1.33×10- 8 1.05 0.0 0.5 8.04 0.192 0.164 0.0913 0.114 V V A ― ― ns ― ―  pF nH pF pF Anode L_p Cathode R_s Cb C_p C_j 図 3: ダ イ オ ー ド の 等 価 回 路

び 寄 生 キ ャ パ シ タ ン ス で あ る ． こ れ ら の 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ 値 は ， ダ イ オ ー ド の 静 特 性 測 定 ， 及 び VNA に よ る 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス 測 定 よ り 算 出 し た ． 表 1 に デ ー タ シ ー ト に 記 載 さ れ て い る ダ イ オ ー ド の SPICE パ ラ メ ー タ 値 ， 及 び 測 定 結 果 か ら 算 出 し た 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ 値 を 示 す ． 図 4 は RF-DC 変 換 回 路 の 入 力 電 力 特 性 を LE-FDTD 法 で 解 析 し た 結 果 で あ る ． 比 較 の た め に 同 じ 回 路 を 等 価 回 路 シ ミ ュ レ ー タ で あ る SPICE を 用 い て 解 析 し た 結 果 も 併 記 し て い る ． ま た ， 図 5 に は 入 力 ポ ー ト に お け る 反 射 電 力 と 入 力 電 力 と の 比 に つ い て ，LE-FDTD 法 と SPICE と で 解 析 し た 結 果 を 示 し て い る ． 図 4 を 見 る と ， 実 測 結 果 に 対 し て LE-FDTD 法 ， 及 び SPICE に よ る 解 析 結 果 は 良 好 に 一 致 し て い る よ う に 見 え る ． 特 に ， 入 力 電 力 が 小 さ い 領 域 に お い て は ， SPICE の 解 析 結 果 は 実 測 結 果 と 非 常 に 良 く 一 致 し て い る よ う に 見 え る ． し か し ， 図 5 を 見 る と ， SPICE に よ る 解 析 結 果 ， 特 に 入 力 電 力 が 小 さ い 場 合 の 解 析 結 果 は 実 測 結 果 と は 大 き く 異 な っ て い る こ と か ら ， SPICE に よ る 解 析 で は RF-DC 変 換 回 路 の 動 作 を 正 確 に は シ ミ ュ レ ー ト 出 来 て い な い と 考 え ら れ る ．LE-FDTD 法 に よ る 解 析 で は ， 入 力 電 力 特 性 ， 及 び 反 射 電 力 の 解 析 結 果 が 共 に 実 測 結 果 と よ く 一 致 し て お り ， そ の 有 効 性 を 確 認 す る こ と が 出 来 る ．

3. ダ イ オ ー ド の 構 成 要 素 が RF-DC 変 換 回 路 の

動 作 に 与 え る 影 響

3.1. 接 触 抵 抗 のみを変 化 させた場 合

ま ず ， ダ イ オ ー ド の 接 触 抵 抗 Rsが RF-DC 変 換 回 路 の 動 作 に 与 え る 影 響 を 検 証 し た ． 図 6 に ，表 1 で 示 し た Rsの 値 を 基 準 と し て ，[0.25Rs, 0.5Rs, 2Rs, 4Rs]の 場 合 の 変 換 効 率 を 示 す ． 図 6 に お い て ，横 軸 は 入 力 電 圧 値 ，縦 軸 は 負 荷 抵 抗 を 表 し て い る ． ま た ， 変 換 効 率 は 色 が 白 く な る 程 大 き な 値 を 示 し て い る ． な お ， 接 触 抵 抗 以 外 の ダ イ オ ー ド の 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ は 表 1 で 示 し て い る 値 で あ る ． 図 6 を 見 る と ，Rsの 値 が 小 さ い 場 合 は 最 大 変 換 効 率 が 高 く な る 傾 向 に あ る が ， 大 き な 違 い は 見 ら れ な い ． 次 に ，Rsを 流 れ る 電 流 波 形 を 図 7 に 示 す ．黒 の 実 線 は 0.25Rsの 場 合 ，赤 の 実 線 は 4Rsの 場 合 を 表 し て い る ． 両 者 の 波 形 を 比 べ る と 電 流 値 に 大 き な 違 い は な い ． 以 上 よ り ，RF-DC 変 換 回 路 が 動 作 し て い る 際 に は 接 触 抵 抗 を 流 れ る 電 流 が あ ま り 大 き く な く 生 じ る 損 失 が 小 さ い こ と か ら ， 接 触 抵 抗 が 変 換 効 率 に 与 え る 影 響 は 大 き く な い と 考 え ら れ る ．

3.2. 接 合 容 量 のみを変 化 させた場 合

次 に ， ダ イ オ ー ド の 接 合 容 量 Cjが RF-DC 変 換 回 路 の 動 作 に 与 え る 影 響 を 検 証 し た ． 図 8 に ，表 1 で 示 し た Cjの 値 を 基 準 と し て ，[0.25Cj, 0.5Cj, 2Cj, 4Cj]の 場 合 の 変 換 効 率 を 示 す ．な お ，接 合 容 量 以 外 の ダ イ オ ー ド の 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ は 表 1 で 示 し て い る 値 で あ る ． 図 8 を 見 る と ，Cjの 値 が 小 さ い 程 最 大 変 換 効 率 が 大 き く な っ て お り ， 4Cj の 場 合 ， 変 換 効 率 は 零 に 近 い 値 を 示 し て い る ． 次 に ， Cjを 流 れ る 電 流 波 形 を 図 9 に 示 す ．黒 の 実 線 は 0.25Cjの 場 合 ，赤 の 実 線 は 4Cjの 場 合 を 表 し て い る ． 0.25Cjの 場 合 は ダ イ オ ー ド が ON 状 態 に な る ま で の 間 ， 図 6: 接 触 抵 抗 を 変 化 さ せ た 場 合 の 変 換 効 率 60 40 20 0 -20 Curre nt (mA) Time 0.25Rs 4Rs 図 7: Rsを 流 れ る 電 流 の 波 形

一 時 的 に 順 方 向 に 電 流 が 流 れ た 後 は ほ ぼ 電 流 が 流 れ て い な い ． 逆 方 向 に 流 れ る 漏 洩 電 流 も ほ と ん ど な い ． 一 方 ， 4Cj の 場 合 は 順 方 向 電 流 ， 及 び 漏 洩 電 流 が 共 に 大 き く な っ て い る こ と が 分 か る ． 以 上 よ り ， 接 合 容 量 値 が 大 き く な る と 漏 洩 電 流 が 増 加 す る こ と か ら 変 換 効 率 が 大 き く 下 が っ て し ま う と 考 え ら れ ， 接 合 容 量 が 変 換 効 率 に 与 え る 影 響 は 接 触 抵 抗 と 比 較 し て 大 き い と 言 え る ．

3.3. 接 触 抵 抗 と接 合 容 量 を共 に変 化 させた場 合

一 般 的 に は ， 接 触 抵 抗 が 小 さ い 場 合 は 接 合 容 量 は 大 き く ， 接 触 抵 抗 が 大 き い 場 合 は 接 合 容 量 は 小 さ く な る た め ， 先 の 検 討 の よ う に そ れ ぞ れ を 独 立 に 変 化 さ せ る こ と は 困 難 で あ る ． そ こ で ， 接 触 抵 抗 と 接 合 容 量 と の 積 が 一 定 と な る よ う に 両 者 の 値 を 変 化 さ せ た 場 合 の 変 換 効 率 の 変 化 を 検 証 し た ． 図 10 に ， 表 1 で 示 し た Rs， Cjの 値 を 基 準 と し て ，

[0.25Rs & 4Cj, 0.5Rs & 2Cj, 2Rs & 0.5Cj, 4Rs & 0.25Cj]の

場 合 の 変 換 効 率 を 示 す ． な お ， 接 触 抵 抗 ， 接 合 容 量 以 外 の ダ イ オ ー ド の 等 価 回 路 パ ラ メ ー タ は 表 1 で 示 し て い る 値 で あ る ． 図 10 を 見 る と ， Rsが 小 さ く Cjが 大 き い 場 合 は 変 換 効 率 が 極 端 に 低 く ，Cjが 小 さ く な る に 従 っ て 最 大 変 換 効 率 が 大 き く な っ て い る こ と が 分 か る ． こ の 結 果 は 前 の 2 つ の 結 果 と 同 様 の 傾 向 を 示 し て お り ， 変 換 効 率 に 対 す る 影 響 は Rsよ り も Cjが 大 き い と 言 え る ．

4. ま と め

本 稿 で は ， ダ イ オ ー ド を 構 成 し て い る 要 素 の 一 つ で あ る 接 触 抵 抗 と 接 合 容 量 が RF-DC 変 換 回 路 の 変 換 効 率 に 対 し て ど の よ う な 影 響 を 及 ぼ す か に つ い て ， LE-FDTD 法 を 用 い て 検 証 を 行 っ た ．検 証 の 結 果 ，接 触 抵 抗 を 通 過 す る 電 流 は 接 触 抵 抗 値 が 変 化 し て も あ ま り 変 化 し な い が ， 接 合 容 量 を 通 過 す る 電 流 は 接 合 容 量 値 が 変 化 す る と 大 き く 変 化 し ， 容 量 値 が 大 き く な る と 漏 洩 電 流 が 増 大 し ， 変 換 効 率 低 下 の 原 因 と な る こ と が 分 か っ た ． こ れ ら の 結 果 か ら ，よ り 高 効 率 な RF-DC 変 換 回 路 を 図 8: 接 合 容 量 を 変 化 さ せ た 場 合 の 変 換 効 率 図 10: 接 触 抵 抗 と 接 合 容 量 を 共 に 変 化 さ せ た 場 合 の 変 換 効 率 100 50 0 -50 -100 Cu rren t (m A) Time 0.25Cj 4Cj 図 9: Cjを 流 れ る 電 流 の 波 形

実 現 す る た め に は ， 小 さ な 接 合 容 量 を 持 つ ダ イ オ ー ド を 利 用 し て RF-DC 変 換 回 路 を 構 成 す る こ と が 有 効 で あ る と 考 え ら れ る ．

文 献

[1] T. ITO, Y. FUJINO, and M. FUJITA, “Fundamental experiment of a rectenna array for microwave power reception,” IEICE Trans. Commun., vol.E76-B, no.12, pp.1508-1513, Dec. 1993.

[2] W.C. Brown, “The history of power transmission by radio waves,” IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.MTT-32, no.9, pp.1230-1242, Sept. 1984. [3] 小 坂 修 平 , 小 森 琢 也 , 粟 井 郁 雄 , “共 鳴 型 ワ イ ヤ レ

ス 給 電 に お け る ス パ イ ラ ル 共 振 器 の 選 択 ,” 電 子 情 報 通 信 学 会 2010 年 ソ サ イ エ テ ィ 大 会 講 演 論 文 集 , B-1-14, p.14, Sept. 2010.

[4] T. YAMAMOTO, K. FUJIMORI, M. SANAGI, and S. NOGI, “Design of highly efficient and compact RF-DC conversion circuit at mW-class by LE-FDTD method,” IEICE Trans. Electron., vol.E93-C, no.8, pp.1323-1332, Aug. 2010.

[5] T. YAMAMOTO, K. FUJIMORI, M. SANAGI, and S. NOGI, “The mW-class high efficient RF-DC conversion circuit using the resonance structure,” Proc. 2007 International Symp. Antennas & Propag., 3B1-4, pp.660-663, Aug. 2007.

[6] T. YAMAMOTO, K. FUJIMORI, M. SANAGI, and S. NOGI, “The design of mW-class RF-DC conversion circuit using the full-wave rectification,” Proc. 37t h

European Microwave Conf., EuMC Poster02-19, pp.905-908, Oct. 2007.

[7] P. Ciampolini, P. Mezzanotte, L. Roselli, D. Sereni, R. Sorrentino, and P. Torti, “Simulation of HF circuits with FDTD technique including non-ideal lumped elements,” IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol.2, pp.3610364, May 1995.

[8] J.-Y. Lee, J.-H. Lee, S.-H. Hwang, and H.-K. Jung, “Numerical analysis of CRLH transmission line using lumped element FDTD method,” IEEE Antennas Propag. Society Int. Symp. 2006, pp.4615-4618, 2006.

[9] B.P. Koh, I.J. Craddock, P. Urwin-Wright, and C.J. Railton, “Lumped device modeling with FDTD including packaging effects,” IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol.2, pp.1139-1142, June 2002.

[10] G.D. Vendelin, A.M. Pavio and U.L. Rohde, “Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques,” pp.51-101, Wiley-Interscience, USA., 2005.