JP2011050171A - Electromagnetic wave conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電磁波(主としてマイクロ波)を直流電力に変換する装置に関するものであ The present invention relates to an apparatus for converting electromagnetic waves (mainly microwaves) into DC power.
最近、電線を使わない電力輸送手段を求められることが多くなっている。その一例として地球を回る衛星軌道上に太陽電池を置き発生した電力をマイクロ波として地球上に送ることが検討されている。本発明はこの衛星から送出されるマイクロ波を含め、電力輸送を目的として送出される電磁波を受波し、これを直流電力に変換する効率的な装置として開発したものである。 Recently, there has been an increasing demand for a means of transporting electricity that does not use electric wires. As an example, it has been studied to place a solar cell in a satellite orbit around the earth and send the generated power to the earth as a microwave. The present invention was developed as an efficient device for receiving electromagnetic waves transmitted for the purpose of power transportation, including microwaves transmitted from this satellite, and converting them into DC power.
電磁波を直流電力に変換する電磁波変換装置はできるだけ出力電圧が高いほうが望ましく多数の素子を直列に接続して出力電圧を高くする方法が用いられることがある。この場合スルーホール等を使用することなく簡単に接続する方法が望まれる。このような目的で開発された公知の技術が「レクテナ装置」として特許文献1に開示されている。このレクテナ装置のレクテナとは rectifying antenna に由来するものである。本発明においてもこの用語を使用することとし、アンテナとフィルタ及び整流回路を一体としたものをレクテナ素子、複数個のレクテナ素子を組み合わせて一つの電磁波変換装置としたものをレクテナ装置と呼ぶものとする。なお、レクテナ素子内のフィルタは条件によっては省略することも可能である。 For an electromagnetic wave conversion device that converts electromagnetic waves into DC power, it is desirable that the output voltage is as high as possible. A method of increasing the output voltage by connecting a large number of elements in series may be used. In this case, a simple connection method without using a through hole or the like is desired. A known technique developed for such a purpose is disclosed in Patent Document 1 as a “rectenna apparatus”. The rectenna of this rectenna device is derived from rectifying antenna. This terminology is also used in the present invention. A combination of an antenna, a filter and a rectifier circuit is called a rectenna element, and a combination of a plurality of rectenna elements is used as a single electromagnetic wave conversion device. To do. The filter in the rectenna element can be omitted depending on conditions.
上記の特許文献1に開示されているレクテナ装置には重大な誤認があり、このレクテナ装置はレクテナ素子間の干渉によって特許文献1の発明者が意図したようには作動してくれないように思われる。本発明はこのような現況を踏まえ、スルーホール基板のような製造に複雑な工程を必要とする基板を使わずして、多数のレクテナ素子を直列接続して高い出力電圧を得ることができるレクテナ装置を作製することをその課題とした。 There is a serious misconception about the rectenna device disclosed in Patent Document 1 described above, and it seems that this rectenna device does not operate as intended by the inventor of Patent Document 1 due to interference between rectenna elements. It is. In view of such a current situation, the present invention provides a rectenna capable of obtaining a high output voltage by connecting a large number of rectenna elements in series without using a substrate such as a through-hole substrate that requires a complicated process. The task was to produce a device.
本発明においては複数のレクテナ素子が直列に接続され、相互に干渉することなく個々のレクテナ素子の出力電圧の合計電圧が出力として得られることが特徴である。そのためにはそれぞれのレクテナ素子を干渉させないための対策を講ずることが必要であり、この対策によって課題を解決した。その具体的な方法については「発明を実施するための形態」のところで説明する。 The present invention is characterized in that a plurality of rectenna elements are connected in series, and the total output voltage of the individual rectenna elements can be obtained as an output without interfering with each other. To that end, it is necessary to take measures to prevent the rectenna elements from interfering with each other, and this measure solved the problem. The specific method will be described in the “Description of Embodiments”.
本発明によってレクテナ装置からレクテナ素子の接続数に応じた高電圧の直流電力が出力されるようになった。 According to the present invention, high-voltage DC power corresponding to the number of connected rectenna elements is output from the rectenna device.
以下、本発明になる電磁波変換装置の詳細な実施形態及び公知の技術が抱える問題点を図面およびこれらに付した符号を引用して具体的に説明する。 Hereinafter, detailed embodiments of an electromagnetic wave conversion device according to the present invention and problems of known techniques will be described in detail with reference to the drawings and reference numerals attached thereto.
図1は本発明になる電磁波変換装置であるレクテナ装置10の全体構成を示すブロック図である。レクテナ装置10は電波を受けるアンテナ12を含む受波装置13からなる受波手段、フィルタ14、整流回路15からなる整流手段によって構成されるレクテナ素子11を接続線16によって複数個直列に接続したものである。フィルタ14は絶対に必要であるというものではないが、高周波電流がダイオードのような非線形素子を通る際に発生する高調波がアンテナ12から放射されるのを防ぐのに有効である。 FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a rectenna device 10 which is an electromagnetic wave conversion device according to the present invention. The rectenna device 10 is a device in which a plurality of rectenna elements 11 composed of a wave receiving means comprising a wave receiving device 13 including an antenna 12 for receiving radio waves, a rectifying means comprising a filter 14 and a rectifier circuit 15 are connected in series by a connection line 16. It is. The filter 14 is not absolutely necessary, but is effective in preventing harmonics generated when high-frequency current passes through a non-linear element such as a diode from being radiated from the antenna 12.
ここで注意しなければならない点は複数のレクテナ素子11を接続した場合に発生する一種の回路間の干渉である。この干渉を避けるためには、それぞれのレクテナ素子11をすべて独立したものとして作り、レクテナ素子11の出力を直列接続する接続線16以外にそれぞれのレクテナ素子11を直流的に接続する部分がないことが重要である。 A point to be noted here is a kind of interference between circuits that occurs when a plurality of rectenna elements 11 are connected. In order to avoid this interference, the rectenna elements 11 are all made independent, and there is no portion for connecting the rectenna elements 11 in a DC connection other than the connection line 16 for connecting the outputs of the rectenna elements 11 in series. is important.
図2はレクテナ素子11の整流手段として用いる整流回路15を具体的に示す回路図である。この回路は古くから倍圧整流方式あるいは倍圧検波方式として知られているものである。一対の入力端子の一方である第一入力端子21には順方向のダイオード23と逆方向のダイオード24が接続されており、順方向のダイオード23の他端はコンデンサ25に接続されている。このダイオード23とコンデンサ25との接続点は出力の+極となる第一出力端子27に接続されている。コンデンサ25の他端は入力端子の他方である第二入力端子22に接続されている。ダイオード23によって整流された高周波電流(脈流)はコンデンサ25に蓄えられる。 FIG. 2 is a circuit diagram specifically showing the rectifier circuit 15 used as the rectifier of the rectenna element 11. This circuit has long been known as a double voltage rectification method or a double pressure detection method. A forward diode 23 and a reverse diode 24 are connected to the first input terminal 21 which is one of the pair of input terminals, and the other end of the forward diode 23 is connected to a capacitor 25. A connection point between the diode 23 and the capacitor 25 is connected to a first output terminal 27 serving as a positive pole of the output. The other end of the capacitor 25 is connected to the second input terminal 22 which is the other input terminal. The high frequency current (pulsating current) rectified by the diode 23 is stored in the capacitor 25.
逆方向のダイオード24の他端も同様に別のコンデンサ26に接続されており、このダイオード24とコンデンサ26との接続点は出力の−極となる第二出力端子28に接続されている。このコンデンサ26の他端もまた第二入力端子22につながっている。ダイオード24によって整流された逆向きの高周波電流(脈流)はコンデンサ26に蓄えられる。コンデンサ25とコンデンサ26は直列接続され、出力はこの直列接続されたコンデンサの両端から取り出される形となっている。この整流回路の特徴はコンデンサが直列に接続されているため出力電圧が片波整流の場合の2倍になることと、第一出力端子と第二出力端子を基板の同一面に形成できることである。 Similarly, the other end of the diode 24 in the reverse direction is connected to another capacitor 26, and the connection point between the diode 24 and the capacitor 26 is connected to the second output terminal 28 which is the negative pole of the output. The other end of the capacitor 26 is also connected to the second input terminal 22. The reverse high-frequency current (pulsating flow) rectified by the diode 24 is stored in the capacitor 26. The capacitor 25 and the capacitor 26 are connected in series, and the output is taken out from both ends of the capacitors connected in series. The feature of this rectifier circuit is that the capacitor is connected in series, so that the output voltage is double that in the case of single-wave rectification, and the first output terminal and the second output terminal can be formed on the same surface of the substrate. .
この回路は集中定数回路として構成することも分布定数回路として構成することも可能であるが、分布定数回路として構成した場合には直列接続されたコンデンサの中間点となる背面導体が他のレクテナ素子のコンデンサの中間点とつながることが無いように、レクテナ素子ごとに背面導体を絶縁することが重要である。 This circuit can be configured as a lumped constant circuit or a distributed constant circuit, but when configured as a distributed constant circuit, the back conductor serving as the intermediate point of capacitors connected in series is another rectenna element. It is important to insulate the back conductor for each rectenna element so that it does not connect to the middle point of the capacitor.
以上のように作製されたレクテナ装置10は、集中定数回路、分布定数回路のいずれによって構成した場合でも基板製造に複雑な行程を必要とするスルーホールを用いることなしに多数のレクテナ素子11を直列接続して製造することが可能となり、レクテナ素子11の接続数に応じた高電圧の直流電力が出力されるようになった。 The rectenna device 10 manufactured as described above has a large number of rectenna elements 11 connected in series without using a through-hole that requires a complicated process for manufacturing a substrate, regardless of whether the rectenna device 10 is constituted by a lumped constant circuit or a distributed constant circuit. It becomes possible to connect and manufacture, and high-voltage DC power corresponding to the number of connected rectenna elements 11 is output.
本発明においては、それぞれのレクテナ素子は互いに絶縁されており整流手段によって得られる出力を直列接続する接続線以外にそれぞれのレクテナ素子を直流的に接続する部分がないことを特長とするものであるが、今、仮にレクテナ素子の整流回路の第二入力端子を互いに共通接続すると如何なる問題が発生するかという点について説明する。 In the present invention, each rectenna element is insulated from each other, and there is no portion for connecting each rectenna element in a direct current other than a connection line for connecting outputs obtained by rectifying means in series. However, what kind of problem will occur if the second input terminals of the rectifier element rectifier circuit are commonly connected to each other now?
図3は参考図として示したもので、各整流回路の第二入力端子を共通の平面導体31に接続し、さらに各整流回路の出力端子を接続線32によってレクテナ素子が直列接続となるように接続したレクテナ装置の整流回路部分である。この図では整流回路をブロック図ではなく実際の回路をはめ込んで記している。
このように実際の回路をはめ込んでみると、直列接続用の接続線32と第二入力端子が共通接続されている平面導体31によって一個のレクテナ素子の回路と次のレクテナ素子の回路とが一種の干渉を引き起こし、点線で示した予期せざるループ回路が形成されることが明白になる。このループによって最上端と最下端のコンデンサを除く中間のコンデンサが二個ずつ組になって短絡されることになる。したがって整流回路を何個直列に接続しても中間部分の整流回路の出力は0であり全体の出力はレクテナ素子一個の場合と変わることはない。
FIG. 3 is shown as a reference diagram. The second input terminal of each rectifier circuit is connected to a common planar conductor 31, and the output terminal of each rectifier circuit is connected to the rectenna element in series by a connection line 32. It is the rectifier circuit part of the connected rectenna device. In this figure, the rectifier circuit is shown as an actual circuit, not a block diagram.
When an actual circuit is inserted in this manner, a circuit of one rectenna element and a circuit of the next rectenna element are of a kind by the plane conductor 31 in which the connection line 32 for series connection and the second input terminal are commonly connected. It becomes apparent that an unexpected loop circuit indicated by a dotted line is formed. By this loop, two intermediate capacitors excluding the uppermost and lowermost capacitors are paired and short-circuited. Therefore, no matter how many rectifier circuits are connected in series, the output of the intermediate rectifier circuit is 0, and the overall output is not different from the case of one rectenna element.
整流回路の第二入力端子を共通接続する場合には、トランスや相互誘導コイル等で入力と出力とを直流的に完全に切り離さない限りコンデンサがショートされ、レクテナ素子一個分の電圧しか得られないことになる。特許文献1に開示されているレクテナ装置はまさにこの状態であり、レクテナ素子一個分の電圧しか得られないものと推測される。 When the second input terminal of the rectifier circuit is connected in common, the capacitor is short-circuited unless the input and the output are completely separated from each other by a transformer, a mutual induction coil, etc., and only a voltage corresponding to one rectenna element can be obtained. It will be. The rectenna device disclosed in Patent Document 1 is in this state, and it is assumed that only a voltage corresponding to one rectenna element can be obtained.
10 レクテナ装置
11 レクテナ素子
12 アンテナ
13 受波装置
14 フィルタ
15 整流回路
16 接続線
21 第1入力端子
22 第2入力端子
23 ダイオード
24 ダイオード
25 コンデンサ
26 コンデンサ
27 第1出力端子
28 第2出力端子
31 平面導体
32 接続線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Rectenna apparatus 11 Rectenna element 12 Antenna 13 Receiver 14 Filter 15 Rectifier circuit 16 Connection line 21 First input terminal 22 Second input terminal 23 Diode 24 Diode 25 Capacitor 26 Capacitor 27 First output terminal 28 Second output terminal 31 Plane Conductor 32 Connection line
Claims (1)
A rectenna device comprising a plurality of rectenna elements each having a wave receiving means for generating a high-frequency current in response to an electromagnetic wave and a rectifying means for rectifying the high-frequency current supplied by the wave receiving means, and connecting them in series. Using a voltage doubler rectifier circuit that can form the first output terminal and the second output terminal on the same surface of the substrate as rectifying means, making all the rectenna elements independent and connecting lines connecting the outputs of the rectenna elements in series Other than the above, there is no part to connect each rectenna element in a direct current manner.
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Cited By (1)
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FR3017752A1 (en) * | 2014-02-14 | 2015-08-21 | Inst Mines Telecom | CONTINUOUS RADIO FREQUENCY ENERGY CONVERSION DEVICE AND CORRESPONDING SENSOR |
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