無線電力伝送におけるRF-DC変換

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無線電力伝送における

RF-DC

変換

野木

茂次

†a)

_藤森

_和博

†

_佐薙

_稔

†

RF to DC Conversion for Wireless Power Transmission

Shigeji NOGI

†a)

, Kazuhiro FUJIMORI

†

, and Minoru SANAGI

†

あらまし無線電力伝送が，従来から研究されてきた宇宙太陽発電をはじめとする送電電力の比較的大きな応用だけでなく，_{RFID，センサ，低電力照明など小電力の伝送への応用も広がってきて，再び脚光を浴びつつある．} マイクロ波を用いた無線電力伝送での受電部のキーデバイスである，受電アンテナとマイクロ波_{–直流（RF-DC）} 変換回路とが一体的に構成された，レクテナについて概観した．レクテナの基本構成と_{RF-DC 変換回路の基本} 動作を示した後，いろいろな応用における受電波の偏波，電力レベル，ビームの広がりなどの様々な状況に対応するための，ダイオード実装，受電アンテナ，アンテナからの再放射抑制，レクテナアレーなどの各種の方式について，構成と特徴を記した．キーワードマイクロ波，無線電力伝送，アンテナ，RF-DC 変換，レクテナ

1. まえがき

近年，電磁波，電磁誘導，または磁界あるいは電界の共振結合により無線で電力伝送を行う技術が再び脚光を浴びつつある．無線電力伝送については，1904年にN. Teslaが最初にその実験を行った[1]が，多くの注目を集め出したのは，1960年代にアメリカでマイクロ波を用いた無線電力伝送実験によりその有用性が示され[2]，1968年にP.E. Graserにより宇宙太陽発電衛星（SPS）が提唱[3]されてからである．SPSは，静止軌道上の人工衛星に約2 km角の巨大な太陽電池パネルを広げ，得られた直流電力をマイクロ波に変換して地上へ送り，地上では受電のためにレクテナを直径約4 kmの範囲に敷き詰めて，マイクロ波を直流に再変換し送電網に接続する構想のシステムである[4]．ここで，レクテナは，受電用アンテナと高周波から直流（RF-DC）への変換回路（整流回路）とが一体的に構成されたデバイスである．1基で，原子力発電所の 1基当り発電量に匹敵する約100万kWのシステムとすることが計画され，CO2排出量が，太陽電池製作時 †_{岡山大学大学院自然科学研究科，岡山市}

Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University, 3–1–1 Tsushimanaka, Kita-ku, Okayama-shi, 700–8530 Japan a) E-mail: [email protected] での排出を考慮しても，原子力発電所と同程度，石炭火力発電所の1/60程度と試算されている[5]．マイクロ波を用いた無線電力伝送については，地上の2箇所の間や，地上から飛行体へなどの送電実験[2] も行われ，大電力伝送のために極めて大きなレクテナアレーについての実験[6]や，宇宙でアクチュエータを使用するための50 Vの給電用のレクテナの開発[7] も行われている．使用される周波数としては，ISMバンドに含まれる，2.45 GHzと5.8 GHzが多いが，二つの周波数用のレクテナ[8], [9]，更にミリ波を用いた 35 GHz [10]や，ミリ波集積回路構成の約94 GHzのレクテナ[11]も発表されている．レクテナの変換効率は，周波数，ダイオード，及び入射電力などに依存するが，発表されている最高値は，2.45 GHzで90.6%， 5.8 GHzで80%，35 GHzで72%，など[12]である．受電波の偏波についても，直線偏波は勿論，円偏波用のレクテナも数多く発表されている[10], [12]．また，受電波の方向が変化しても影響を受けにくいように，自動的に追尾できるレトロディレクティブの円偏波レクテナアレーの研究もなされている[13]．一方，近年の電子デバイスの低消費電力化により， mW程度の電力で動作するディジタル集積回路やセンサが開発された．これらのデバイスを用いて，RFID や，橋，建物や原子力発電所などのアクセス困難な部分の強度をモニタするためのセンサなどを，バッテリ

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レスで無線電力伝送により動作させるためのレクテナの開発[14], [15]や，部屋内のパソコンなどを無線電力伝送を用いたユビキタス電源により使用できるようにする研究[16]も進んでいる．放送や通信などで放射された低電力密度の電磁波を再利用する形で，レクテナにより充電を行い，低電力の照明，無線センサなどに用いるRFエナジー・ハーベスティングのためのレクテナの発表もなされている[17]．通常の無線電力伝送では単一周波数を用いることが多いが，RFエナジー・ハーベスティングでは，広い周波数範囲の相当低い電力密度の電磁波から電力を得るように，任意の偏波に対応できる広帯域のアンテナと低電力用整流回路を開発する必要がある．また，2006年にMITからなされた，Q値の二つの高いコイルを磁界共振結合させ，約10 MHzの周波数を用いて，1∼2 mの距離で60 Wの電力を比較的高い効率で，非放射型の無線電力伝送を行うことに成功したという発表[18]が注目を集め，研究が盛んになっている．電磁波によるこれらの無線電力伝送において，受電側で用いるレクテナは最も重要な部分の一つであり，その中でのキーとなる構成要素は，入射電磁波に対応した周波数，偏波と指向性をもち，用途に相応しい大きさと形状のアンテナと，マイクロ波など高周波の受電波をダイオードを用いて直流に変換する回路である．ダイオードは非線形の電圧–電流特性をもつので，入力波振幅及び直流出力電圧の変化が変換効率に影響するとともに，入力の高調波が発生しアンテナからの再放射を抑制する必要があるので，レクテナの解析と設計は必ずしも容易ではない．以下では，マイクロ波による無線電力伝送用のレクテナについて，ダイオード回路の構成と基本的動作，及びアンテナについて述べ，用途，環境に応じた選択の指針を示す．

2. レクテナの構成と基本動作

2. 1 レクテナの基本構成レクテナの構成を図1に示す．高周波–直流（RF-DC）変換にはショットキーバリアダイオード（SBD）を用いるが，非線形の電圧–電図 1 レクテナの構成要素 Fig. 1 Rectenna element components.

流特性により発生する高調波成分がアンテナから放射されるのを防ぐために，アンテナと整流回路の間に基本波は通過させて高調波を阻止する低域通過フィルタをおく．ただし，高調波の放射を抑制する機能をもつアンテナを用いる場合[19]には，このフィルタを省略することができる．整流回路の出力側には，直流出力を取り出す負荷抵抗の方へ基本波及び高調波が漏れることを防ぐために，低域通過または帯域阻止フィルタをおく．レクテナの代表的な基本構成例を図2に示す． (a)は半波長ダイポールアンテナにコプレーナ・ストリップ線路（CPS）を用いて構成した整流回路を接続したもの[20]である．CPSなどの平衡線路を用いる場合には，ダイオードは線路間に並列に実装されている． (b)は，マイクロストリップ線路（MSL）で回路を構成し，多層構造にしてアンテナとは窓を介して結合するもの[21]であり，これに用いられているRF-DC変換回路部分のみを取り出して見やすくするために，同図 2 レクテナの代表的な基本構成例 Fig. 2 The typical basic constitution of rectennas.

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等な回路（5.8 GHz用）を(c)に示している[22]．(a) では，アンテナと回路部を同一平面上に配置でき，(b) では，受電電磁界が直接には回路に入射しないので，回路への影響を小さくすることができる． MSLのような不平衡線路においては，線路に対して並列，あるいは直列にダイオードが実装される．平衡線路型は，ダイオードの一方の端子の電位が接地になるなど拘束されるため，もう一方の端子に適切な電圧がかかるよう調整すればよく，設計がやや容易になるので比較的よく用いられている．一方，非平衡線路型は，ダイオードの出力側部分によりダイオードの動作が左右されることを考慮した設計が必要であるが，最大変換効率は遜色がないとしてよい．また，ダイオードペアを用いた整流回路も提案されているが，基本動作は1個のダイオードを用いた整流回路と変わらない． 2. 2 RF-DC変換回路の基本動作[22] レクテナで用いられる整流回路では，ダイオードを 1個用いている例が多い．1個のダイオードでは基本的に半波整流動作になるが，入力部にスタブなどを用いることにより，入力基本波の反射を抑制し，ダイオードに対する印加電圧振幅を入力波電圧振幅より大きくすることができるので，結果として全波整流動作に匹敵するRF-DC変換効率を得ることが可能となる．図2 (c)のRF-DC変換回路を例にとる．ショットキーバリアダイオードのアノード側ではキャパシタC1 により入力線路と直流的に遮断し，先端短絡の短い線路により直流的な短絡とともに入力の整合を行っている．カソード側では，キャパシタC2は高周波短絡用であるが，マイクロ波帯では十分な短絡特性を得にくいので，更に基本波と第2高調波の阻止フィルタをおいている．直流出力は負荷抵抗RLにより取り出す．この回路の定常状態における非線形動作を，図3のダイオードの静特性に重ねたダイオード端子間電圧 VDの時間変化をもとに示す．受電波電圧により，V_Dがダイオードの立上り電圧 Vthを超える時間のみ，ダイオード電流IDが順方向に流れVDはほぼ一定値をとる．VDがVthよりも小さくなると，ID はほぼ無視できる程度の値となる． VDが負になって，受電波電圧振幅が大きくVDがブレークダウン電圧V_br以下になる場合には，その時間のみIDがブレークダウン電流として逆方向に流れる．ダイオード直流出力電流Io,DCは，パルス状の順方向電流とブレークダウン電流（VD < Vbrになり得る場合のみ）の和の時間平均になる．直流出力電圧図 3 ダイオードの静特性と電圧の時間変化 Fig. 3 Static current-voltage characteristic of a diode

and the time variation of the diode junction voltage.

Vo,DCは，Vo,DC= RL· Io,DC，直流出力電力PO,DC

はPO,DC = Vo,DC· Io,DCとして与えられる．ダイオードは，アノード側が直流的に短絡されているので，カソード側の直流出力電圧Vo,DCが逆バイアス電圧として加わることになる．ダイオード端子間電圧VDが立上り電圧Vthを超えないと直流を生じないので，入力電力が小さいときには変換効率は低い．入力電力が大きくなると，ある程度までは変換効率が高くなるが，ブレークダウンを生じるようになると直流出力電流と逆方向の電流も流れるので，変換効率が低下する（図5参照）．変換効率が最大になるのは，直流出力によるダイオードバイアス電圧V_o,DCが，立上り電圧V_thとブレークダウン電圧Vbrの中央値(Vth+ Vbr)/2にほぼ等しくなり，入力によるダイオード電圧振幅がこれらの差の半分 (Vth− Vbr)/2に，ほぼ等しくなるときである．実際のダイオードでは，図3の静特性に寄生容量Cj，更にパッケージの容量C_pやインダクタンスL_pを考慮する必要があり，図4のような等価回路により表現される．表1は，周波数5.8 GHzの場合に，M/A-COM 社製ショットキーバリアダイオードMA4E2054-1141T の静特性とSパラメータを実測し，フィッティングにより求められた各パラメータの値である．図 2 (c)のRF-DC変換回路の変換効率について，ダイオードに図4の等価回路を用い，集中定数素子と電磁界の相互作用をも計算可能なLE-FDTD法によるシミュレーションにより求められた結果と測定結果を図5に示す．最大変換効率時での電力損の計算結果は，表2のように，入力反射10%，ダイオードでの

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図 4 ダイオードの等価回路モデル Fig. 4 Equivalent circuit model of a diode.

表 1 ダイオードパラメータのフィッティング値 Table 1 Typical parameter values of a diode

ob-tained by ﬁtting for the measured charac-teristic.

図 5 RF-DC変換回路の入出力特性と変換効率 Fig. 5 Input-output characteristic and conversion

ef-ﬁciency of the RF-DC conversion circuit.

損失14%，放射損4%などとなっている．

3. レクテナの要素行列

3. 1 ダイオードの実装レクテナに実装されるダイオードの個数は，これまでの説明から分かるように一整流回路に対して1個が基本的である．本節では，一整流回路上に複数のダイオードが実装された整流回路とその目的について説明する．表 2 RF-DC変換回路での変換効率と損失 Table 2 Computed conversion eﬃciency and power

losses of the RF-DC conversion circuit.

図 6 コッククロフト–ウォルトン昇圧整流回路 Fig. 6 Cockcroft-Walton voltage multiplier circuit.

複数のダイオードを用いた整流回路としては，コッククロフト–ウォルトン回路を用いたものが挙げられる[23]．この回路は低周波領域において昇圧整流回路として知られており，図 6において，例えば正半波が入力された際にダイオードを介してキャパシタにチャージされ，負半波に切り換わった際に正半波同様，次段のダイオードを介してキャパシタにチャージされるとき，正半波入力時にチャージされていた電荷が重畳された形で電流が流れる．すなわちダイオード–キャパシタペアの段数分だけ昇圧されることになる．この回路はRFIDチップのウェイクアップ電圧を得るために用いられている．昇圧整流動作から分かるように，一つのダイオード–キャパシタペアで整流効率が決まるため，見かけの出力電圧は大きくできるものの，全体として見た整流効率が向上するわけではない．複数のダイオードが用いられたレクテナの別例としては，図7に示すような高入力電力下で動作するよう設計されたものが挙げられる[6]．市販されているダイオードは，ミクサ用や検波用ダイオードに代表される小電力用のものが立上り電圧が小さく，整流効率を大きくすることができるものの，耐圧も小さいため，高入力電力下で単体使用することができない．そこで，ダイオードをすき間なく直並列に実装することにより，ダイオード単体に印加される電圧が耐圧を超えないよ

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図 7 16個のダイオードが実装された大電力用整流回路 Fig. 7 RF-DC conversion circuit mounted on 16

diodes for large microwave power.

う分割されることをねらったものである． 3. 2 アンテナこれまで報告されているレクテナに使用されたアンテナの種類はそれほど多くなく，ほとんどがダイポールアンテナ，パッチアンテナ，スロットアンテナである．整流回路に用いられる伝送線路を平衡線路形（レッヘル線路，CPS），不平衡線路形（MSL，CPW）に分類し，それぞれの伝送線路においてよく用いられるアンテナについて紹介する．まず，平衡線路形ではほとんどの場合，ダイポールアンテナが用いられている．これは，ダイポールアンテナが平衡給電されるアンテナであり，アンテナ–回路間にバラン等の平衡–不平衡変換回路が不要であることが理由として挙げられる．ダイポールアンテナはビーム幅が広いため，送受電系の伝送軸がずれても安定した出力が得られる，一般的な平面アンテナに対して帯域が広いという利点もあり，アレー化を前提としたレクテナでは扱いやすい．一方，指向性利得が小さいため，パッチアンテナやその他の高利得アンテナに対して受信電力が小さいという欠点もある． CPSは地板を有し，レッヘル線路を用いた場合にも，実用的には，レクテナ受電面裏面への電力透過を抑えるための反射板が配されることになるため，これらの効果によりわずかながら利得向上が見込める．また，専有面積や電気的体積の増加を伴うが，無給電素子を設けることで高利得化や周波数共用化[8]も容易である．平衡線路形レクテナにおいて，ダイポールアンテナ以外のアンテナが用いられた稀な例としては，図 8 に示すようなデュアルロンビックアンテナを用いたものが提案されており，平衡線路を用いた整流回路と 10.7 dBの高利得円偏波アンテナを組み合わせることで，80%を超える変換効率を達成している[12]．また，図 8 デュアルロンビックアンテナを用いたレクテナブロック図

Fig. 8 Rectenna block diagram using the dual rhombic loop antenna.

図 9 スパイラルアンテナを用いた広帯域レクテナ

Fig. 9 Broadband Rectenna using the two arm equiangular spiral. 文献[17]ではスパイラルアンテナを用いたレクテナが報告されている．図9のように，広帯域円偏波スパイラルアンテナの給電点に，フィルタ等の帯域を制限する回路を設けずダイオードを実装することによって， 28 GHzにおいて整流動作を行うことが示されている．次に不平衡線路形の整流回路によく用いられるアンテナについては，平衡線路形の場合と同様に，不平衡給電を許すアンテナが選択され，中でもパッチアンテナ，スロットアンテナが多くを占めている．パッチアンテナは単体の指向性利得が69 dBiにできるため，ダイポールアンテナを用いたレクテナに対して，小電力密度下での使用や，アンテナ素子数を削減したい場合に適している．また，励振できる偏波の自由度も高く，単一直線偏波対応のレクテナ[6], [24]，直交する2偏波共用レクテナ[7]，縮退分離，あるいは摂動装荷により円偏波に対応したレクテナ[14], [25] など，平衡線路形のレクテナに対して多様なレクテナが提案されている．スロットアンテナを用いたレクテナについてもパッチエレメントとの組合せを含め，パッチアンテナの場合と同様に多様なレクテナが提案されており，中でも，

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周波数共用円偏波レクテナはアンテナと回路部の結合が誘電体基板を積層（図 2 (b)参照）することなく実現できることから，スロットアンテナの利点を生かした特徴的なレクテナであるといえる[10]． 3. 3 再放射の抑制法レクテナにおける再放射とは，アンテナにおいてその表面で再放射するもの，受信後の回路の不整合により反射してしまうものに加え，整流時にダイオードの非線形性により発生する高調波をアンテナから放射するものを指している．電力伝送に用いる基本周波数の再放射を抑制するためには，レクテナそのものでの不整合を極力小さくする必要があるが，受電電力が変化するとダイオードの非線形性から一般には回路の反射が変わるので容易ではない．一方，高調波の放射の抑制には様々な方法が検討されている．最も基本的な方法は，アンテナ–整流回路間に帯域フィルタを配し，伝送に用いる周波数のみが透過できるようにする方法である．これは，アンテナで受信された所望周波数以外の電磁波を遮断し，整流回路の動作を安定させる働きを兼ねることになる．ダイポールアンテナや方形パッチアンテナを用いる場合，アンテナが半波長の整数倍で共振してしまい，ダイオードで発生した高調波が空間に放射される条件を満足してしまうため，帯域フィルタは不可欠となる．一方，フィルタ及び接続線路分だけレクテナが大きくなることを許容できない場合には，帯域フィルタを排し，アンテナにこの機能をもたせたレクテナも提案されている．最も簡易な方法として方形パッチアンテナではなく，円形パッチアンテナを用いることが挙げられる．これは，円形パッチアンテナの共振周波数が半波長の整数倍とはならないことを利用し，高調波周波数に対しては非共振とするものである．この円形パッチアンテナにおいて，高調波周波数に対して積極的に非共振となるよう設計された円形セクターアンテナを用いたレクテナも提案されており[19]，このレクテナ形状を図10に示す．高調波の再放射を良好に抑制する特性が示されている．レクテナよる高調波の再放射抑制法とは別のアプローチとして，レクテナの小型化，レクテナアレーにおけるレクテナの高密度化を勘案し，レクテナの整流回路より前段にフィルタは設けず，アンテナで受信される電磁波の周波数を選択し，発生する高調波を内部に閉じ込める目的から周波数選択板をレクテナアレーの受電面表面に設ける方法がある[24], [26]．文献[26] 図 10 円形セクターアンテナを用いたレクテナ Fig. 10 Rectenna with a microstrip circular-sector

antenna.

図 11 周波数選択板の構造

Fig. 11 Geometries of a gridded- and double-square FSS arrays. では，図 11に示す2種類の周波数選択板について，周波数特性，角度特性が報告されている．また，周波数選択板とは若干目的が異なるが，文献[27]では回路で発生する熱対流や，電流及びレクテナからの再放射により発生する熱を緩和するため，レクテナアレー表面に円形スロットを配列した構造が提案されている．

4. レクテナアレー

レクテナのアレー構成に関しては，送電電力と送電アンテナの指向性，送受電間距離によって決まる電力密度の強い制約を受ける．電力密度の高いレクテナアレー中心部では大入力電力用に，電力密度の小さいレクテナアレー周辺部では小入力電力用に設計されたレクテナが要求される．一般には，電力密度がある面積内で一定と考え，その領域をカバーするサブアレーを構成し，これらの合成によるレクテナアレーが想定されている．本節ではこのサブアレーについて説明する． RFID等，送電電力が小さいアプリケーションが認知される以前は，大入力電力用に設計されたレクテナアレーの報告がほとんどであった．これらのレクテナアレーは，図12に示すようにダイポールアンテナに整流回路を組み込んだレクテナを並列に接続し，レクテナからの直流出力を合成した後，これらのレクテナ

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図 12 直流出力を合成する基本的なレクテナアレーの構成 Fig. 12 Schematic of basic rectenna array with

combining their DC output.

アレーから得られる直流出力を更に直列に合成するものである[2]．レクテナは実装されるダイオードの立上り電圧を超える入力が与えられなければ動作しないため，この構成は十分な電力密度が確保できる環境下で使用される必要があるが，レクテナがそれぞれ単独で動作し，直流出力が合成されることからアンテナ指向性が合成されることはなく，ダイポールアンテナ単体の指向性がレクテナアレーの指向性となる．一方，レクテナへの入力電圧がダイオードの立上り電圧を超えない電力密度環境下では，この構成を使用することができず，必然的に高利得アンテナを用いたレクテナ，あるいはアンテナアレーに整流回路を組み合わせたレクテナを用いる必要がある．例えば，文献[28]では2 × 2のパッチアンテナアレーを用いたレクテナが報告されており，アンテナアレーを用いたレクテナの最も基本的な例といえる．文献[29]では，レクテナアレーにおける総レクテナ数を減らしながらも，大きな出力を得るための手段として，図 13のように5素子のデュアルロンビックアンテナの直流出力を並列合成するサブアレーを構成し，これらをハニカム状に配列するレクテナアレーを提案している．また，図9の広帯域レクテナを提案する文献[17]では，このレクテナを64素子配列した図 14に示すレクテナアレーをエナジー・ハーベスティングに適するものとして提案しており，右旋円偏波，左旋円偏波それぞれに対応するレクテナを配列することによって，広帯域特性に加え，任意偏波特性を得ようとしたものである．

5. むすび

いくつかの無線電力伝送技術の中で，マイクロ波ビームを用いたものは比較的長い距離を大きな電力まで送ることを可能とする技術，という位置付けをもっ図 13 ハニカム状に配列したデュアルロンビックレクテナアレー

Fig. 13 Dual rhombic rectenna array using a honeycomb lattice.

図 14 広帯域スパイラルレクテナを用いた任意偏波レク

テナアレー

Fig. 14 Arbitrary polarized rentenna array using broadband spiral rentennas.

ている．従来は，宇宙太陽発電など送電電力の比較的大きな応用に主な関心がもたれていたが，近年になって，RFID，センサ，低電力照明など小電力の伝送への応用も広がってきている．本論文では，マイクロ波を用いた無線電力伝送での受電デバイスとしてのレクテナに関して，基本的な構成と動作を述べ，いろいろな応用における受電波の電力レベル，ビームの広がりなどの様々な状況に対応する，各種のアンテナ及びRF-DC変換回路の構成と特徴を概観した． RF-DC変換回路に用いるダイオードの非線形電圧

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電流特性や高周波特有の寄生キャパシタンス・インダクタンス，更に電磁波放射などの影響をも考慮した正確な回路設計のためには，引き続き研究が必要である．高いRF-DC変換効率を得るのに適したダイオード特性パラメータ値を明らかにし，そのような特性をもつダイオードの実現すること，また，特に大電力用のRF-DC変換に適した素子として，GaNなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたダイオードの開発も期待されるところである．無線電力伝送という，自由度が高く利便性に優れた技術が，世の中に早く普及して役立つことが望まれる．最後に，本論文の作成にあたり，文献資料の御提供を頂いた京都大学生存圏研究所篠原真毅教授に感謝致します．文献

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無線電力伝送におけるRF-DC変換