2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K04615
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
齊藤 敦 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (70313567)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 無線電力伝送 / 送信用アンテナ / 超伝導バルク共振器 / 整流回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和２年度は、超伝導バルクディスク共振器型アンテナの３次元モデルを提案・設計し、最適なバルクディスク径、臨界結合条件、誘電体の実効比誘電率を調査した。初年度の目標である、伝送距離0.5 m、入力電力10 mW以上、受信電力0.01 mW 以上に対して、伝送距離0 m、入力電力50.1 mW、受信電力6.18 mWを得ることができ、伝送効率14.9％を達成した。
令和３年度は、電波暗室の整備を行い、最大入力電力100W、最大伝送距離 1 m の無線電力伝送実験が可能なシステムを構築した。この整備により、電力伝送効率の距離依存性が可能となった。また、昨年度最適化した送信用１素子超伝導バルクアンテナと市販のホーンアンテナを用いて、電力伝送効率の距離依存性に関する実験を行った。その結果、伝送距離40 cm、入力電力6.1 W、受信電力90 mW を得ることができ、伝送効率1.485％を達成した。これの結果は銅バルク共振器を用いたアンテナよりも３倍程度高い電力伝送効率であり、アンテナ部での熱損失が少ないことを明らかにでき、令和3年度の目標である、入力電力10 W以上、伝送距離1 m、受信電力0.1 W 以上、電力伝送効率1% 以上に対して順調な成果と言える。さらに、マイクロ波帯整流回路をプリント基板上のマイクロストリップ線路回路を用いて設計・作製し、1.5 cm 離れて受信したマイクロ波電力を整流することで、定格電圧 6V 用LEDを点灯させることに成功した。これらの成果は、EUCAS 2021（国際会議）にて１件のポスター発表、ISS 2021（国際会議）にて１件の口頭発表、応用物理学会（国内学会）において3件の口頭発表をすることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和３年度は、電磁界解析用PCの購入と市販ソフト（CST STUDIO SUITE）の年間利用ライセンス契約を引き続き行うことで、超伝導バルクディスク共振器型アンテナの３次元モデルを設計し、最適なモデルを実験に反映できた。また、5 GHｚ 帯のマイクロ波を空間に放射するために、パワーアンプ及び電波暗室（2ｍ×2ｍ×3ｍ）の整備を行い、最大入力電力100 W、最大伝送距離 1 m の無線電力伝送実験が可能なシステムを構築した。この整備により、電力伝送効率の距離依存性が可能となった。また、昨年度最適化した送信用１素子超伝導バルクアンテナと市販のホーンアンテナを用いて、電力伝送実験を行った。その結果、伝送距離40 cm、入力電力6.1 W、受信電力90 mW を得ることができ、伝送効率1.485 % を達成した。これの結果は銅バルク共振器を用いたアンテナを用いた場合よりも３倍程度高い電力伝送効率であることを明らかにできた。令和3年度の目標である、入力電力10 W以上、伝送距離1 m、受信電力0.1 W 以上、電力伝送効率1% 以上に対して順調な成果と言える。さらに、マイクロ波帯整流回路をプリント基板上のマイクロストリップ線路回路を用いて設計・作製し、1.5 cm 離れて受信したマイクロ波電力を整流することで、定格電圧 6V 用LEDを点灯させることに成功した。アンテナのモデル改良については、円偏波アンテナモデル及び多素子アンテナの１次設計を終了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度は前年度の実験結果を設計に反映させ、モデルの改善を行うことで、より低損失・高効率なアンテナ構造を明らかにする。具体的には、１共振アンテナに対して位相の異なる入力を直交入力する円偏波アンテナである。デバイス設計は現在までの最適設計に、入力ポートを追加するのみで実現可能である。円偏波アンテナの導入により伝送効率の向上が期待できる。さらに、多素子（５素子）アレイアンテナを設計し、伝送効率の向上及び入力電力の向上を試みる。この際、電力入力に対する冷凍機の温度上昇が、円偏波アンテナや他素子アレイアンテナで抑制されるかを詳細に調査する。
以上の試みにより最終目標を達成できる見通しが出てくる。特に、アレイ化により入力電力の飛躍的な向上が期待できる。
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Research Products
(6 results)
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[Presentation] Design and Fabrication of Microwave Transmit Antenna Using HTS Thick Disk for Wireless Power Transfer2021
Author(s)
Atsushi Saito, Fumiya Shimada, Takehiro Sato, Kazushi Kiyooka, Masafumi Shibata, Satoshi Ono, Masanori Takeda, Yuzuru Narita, Kensuke Nakajima
Organizer
34th International Symposium on Superconductivity (ISS 2021), DE4-3, Online
Int'l Joint Research
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