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» 2022年04月05日 11時30分 公開

マイクロ波による電力伝送技術の基礎理論(アンテナの解説)福田昭のデバイス通信(355) imecが語るワイヤレス電力伝送技術(9)(1/2 ページ)

今回は、アンテナ(主に送電用アンテナ)を解説した講演部分を紹介する。

[福田昭,EE Times Japan]

高周波の電磁界を空中に放射するアンテナの特性

 半導体のデバイス技術とプロセス技術に関する世界最大の国際学会「IEDM(International Electron Devices Meeting)」が昨年(2021年)12月11日〜15日に米国カリフォルニア州サンフランシスコで開催された。同年12月17日以降は、インターネットを通じてオンデマンドで録画済みの講演ビデオを視聴可能になった。

 IEDMは12日に「ショートコース」と呼ぶ技術講座をプレイベントとして実施した。その1つである「Emerging Technologies for Low Power Edge Computing (低消費エッジコンピューティングに向けた将来技術)」を共通テーマとする6件の講演の中で、「Practical Implementation of Wireless Power Transfer(ワイヤレス電力伝送の実用的な実装)」が極めて興味深かった。講演者はオランダimec Holst Centreでシニアリサーチャー、オランダEindhoven University of TechnologyでフルプロフェッサーをつとめるHubregt J. Visser氏である。

 そこで本講演の概要を本コラムの第347回から、シリーズでお届けしている。なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者のご理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer(ワイヤレス電力伝送の実用的な実装)」のアウトライン。直訳すると「1. はじめに」「2. 誘導型ワイヤレス電力伝送」「3. 放射型ワイヤレス電力伝送の歴史(黎明期)」「4. 放射型ワイヤレス電力伝送の歴史(現代)」「5. 放射型ワイヤレス電力伝送の基礎」「6. レクティナ」「7. 放射型ワイヤレス電力伝送の応用例」「8. 将来への展望」となる。前回から「5. 放射型ワイヤレス電力伝送の基礎」の講演部分を紹介している[クリックで拡大] 出所:imecおよびEindhoven University of Technology(IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから)

 前回から、マイクロ波を使った電力伝送の基礎理論に関する講演部分を紹介している。講演全体では、5番目のパート「5. 放射型ワイヤレス電力伝送の基礎」に相当する。このパートは5つのサブパートに分かれている。今回は最初のサブパートである、「アンテナ(主に送電用アンテナ)」の講演部分を説明しよう。

マイクロ波電力伝送の基礎理論を解説するサブパートのアウトライン。「5.1 アンテナ」「5.2 フリスの伝達公式」「5.3 アンテナの整合」「5.4 利用可能な周波数帯域と許容電力レベル」「5.5 結論」で構成する[クリックで拡大] 出所:imecおよびEindhoven University of Technology(IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから)

送電用アンテナを等価回路で理解する

 送電用アンテナは、電力源(高周波の交流電源)から高周波電力を受け取り、空中に電磁波として放射する。この仕組みを等価回路で表現すると、最大電圧VAを発生する電圧源から特性インピーダンスをRAとする伝送線路を経由して、負荷インピーダンスをRLとするアンテナに電力を供給する回路となる。インピーダンス整合が取れている、すなわちRAとRLが等しい場合は、アンテナへの入力電力Pは電圧VAの2乗に比例し、特性インピーダンスRAに反比例する式にまとめられる。

 特性インピーダンスRAと負荷インピーダンスRLが異なる場合は、反射による損失が生じる。この目安となるのが「電圧反射係数(Voltage reflection coefficient)Γ」である。ΓはRLとRAの合計を分母、RLとRAの差分を分子とする係数であり、RLとRAが等しい場合はゼロになる。

送電用アンテナとその等価回路(矢印の右側が等価回路)、送電用アンテナの入力電力[クリックで拡大] 出所:imecおよびEindhoven University of Technology(IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから)

 送電用アンテナの特性を考慮するときに重要なのが、送電用アンテナと受信用アンテナの距離(r)である。送電用アンテナが放射する電磁界のパターンを一定に維持する、つまり遠方界(Far-field)あるいは遠方放射界として扱えるようにするには、送電アンテナの大きさ(最大長)Lと電磁界の波長λで決まる伝送距離(rff)を確保しなければならない。具体的には、Lの2乗の2倍をλで割った寸法よりも、伝送距離(rff)を長くしておく必要がある。

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