マイクロ波による電力伝送技術の基礎理論(受信アンテナとインピーダンス整合) : 福田昭のデバイス通信(357) imecが語るワイヤレス電力伝送技術(11) (2/2 ページ)
アンテナとインピーダンス整合回路、整流回路(入力部)は、下図の等価回路で表現できる。受信電力や電圧などの関係式も下図には併記してある。
アンテナから整合回路、整流回路(入力部のみ)までの等価回路と関係式[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)
アンテナが受信する電圧をVg 、アンテナの抵抗をRg 、インピーダンス整合回路の入力インピーダンスをZin 、入力アドミタンス(インピーダンスの逆数)をYin 、入力電圧をVin 、入力電力をPin とする。また、整流回路の入力電圧をVrect 、入力電力をPrect 、とする。
インピーダンス整合回路の入力電力Pin は、入力電圧Vin の2乗と入力アドミタンスYin の実数部に比例する。入力電圧Vin はアンテナの受信電圧Vg に比例し、アンテナ抵抗Rg と入力アドミタンスYin の積によって低下する。整流回路の入力電力Prect は、整流回路の入力電力Vrect の2乗と負荷のアドミタンスYL の実数部に比例する。
また回路のコンダクタンス(アドミタンスの実数部)成分をG、リアクタンス(インピーダンスの虚数部)成分をX、サセプタンス(アドミタンスの虚数部)成分をBと表記し、上記の記号と同様に添字によってブロックを区別する。
電力損失がゼロの場合、整流回路の入力電力Prect はインピーダンス整合回路の入力電力Pin に等しい。このとき整流回路の入力電圧Vrect は、Pin の2倍を負荷コンダクタンスGL で割った値の平方根になる(詳細は上記の図面に掲載した右下の式を参照)。
整流回路に入力する電圧Vrect に関する式の続き[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)
アンテナの出力Pav は、アンテナ受信電圧Vg の2乗をアンテナ抵抗Rg の8倍で割った値である。そこでVg をPav で置き換える。ここから受信電力の感度を最大にすることを考える。このことは、整流回路の入力電圧Vrect を最大化することと同じである。
最大化の条件は、インピーダンス整合回路の入力コンダクタンスGin がアンテナ抵抗Rg の逆数と等しく、入力サセプタンスBin がゼロとなる場合だ。このとき、整流回路の入力電圧Vrect は最大(Vrectmax )となり、Pav の2倍を負荷コンダクタンスGL で割った値の平方根になる。なお負荷コンダクタンスGL の逆数は、負荷抵抗RL の2乗と負荷リアクタンスXL の2乗を合計した値を負荷抵抗RL で割った値でもある(上図の右下に記述した式を参照)。
⇒(次回に続く)
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