マイクロ波による電力伝送技術の基礎理論（序章）：福田昭のデバイス通信（354） imecが語るワイヤレス電力伝送技術（8）

[福田昭，EE Times Japan]

マイクロ波による給電を支える電磁気学とアンテナ工学

　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11〜15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務める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。今回から「5. 放射型ワイヤレス電力伝送の基礎」の講演部分を紹介する。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）

　本シリーズの第4回から前回（第7回）までは、電磁波（マイクロ波）を電力伝送に応用する試みの歴史を概観した。今回からは、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く。理論的な支えとなる学問は「電磁気学」と「アンテナ工学」である。

マイクロ波給電の実用化は小電力用途から

　講演者のVisser氏は、「4. 放射型ワイヤレス電力伝送の歴史（現代）」の講演部分の末尾で、マイクロ波による電力伝送の実用化は小電力用途から始まるとの見解を述べていた。具体的には、「ワイヤレスのセンサー端末」を挙げる。

　それから、マイクロ波給電システムの基礎理論を紹介するパート「5. 放射型ワイヤレス電力伝送の基礎」へと話題を移した。始めに、マイクロ波給電システムを構成する要素を説明した。

　送電側は電力源と送信アンテナで構成する。ここで重要なのは、送信するマイクロ波が遠方界（far field）となるようにアンテナの寸法と伝送距離を決めることだろう。遠方界では、マイクロ波の放射パターンが伝送距離によって変化せず、一定の形状を維持するからだ。

　受電側は受信アンテナ、インピーダンス整合回路、整流回路、直流電圧変換回路、バッテリー、負荷（給電対象の電子回路）で構成する。受信した高周波電力（交流電力）を整流回路によって直流電力に変換し、必要とされる電圧に調整し、バッテリー（2次電池）に蓄える。

マイクロ波給電システムを構成する要素。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）

　このようなシステムを前提に、Visser氏は電力伝送の基礎理論を解説した。そのアウトラインは「アンテナ」、「フリスの伝達公式」、「アンテナの整合」、「利用可能な周波数帯域と許容電力レベル」、「結論」になっていた。

マイクロ波電力伝送の基礎理論を解説するパートのアウトライン。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）

⇒（次回に続く）