2021 Fiscal Year Research-status Report
Establishment of ultra-high efficiency microwave wireless power transmission technology for undetectable power receivers in metal housing
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20K14730
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
村田 健太郎 岩手大学, 理工学部, 助教 (20848030)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 無線電力伝送 / マイクロ波 / 空洞共振 / 寄生アンテナ / 電磁遮蔽 / 負荷変調 / Sパラメータ / 勾配法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、車両や産業機器を想定した金属筐体内のデバイスに対し、マイクロ波を用いてハーネスレスで給電可能とする技術の確立を目指す。
提案法では、下記2つの原理に基づきフィードバック不要で給電効率の最大化を図る。第一に、電磁遮蔽空間で成立する「送電アンテナへの反射電力最小化＝受電アンテナへの給電効率最大化」の特質を利用する。第二に、寄生アンテナの負荷制御時に送電アンテナで観測される反射量の変動から、反射量を特徴づける寄生アンテナのSパラメータを推定する。以上より、推定Sパラメータから反射量を最小とする寄生アンテナの負荷条件を特定でき、間接的に給電効率を向上する。
本年度は、給電効率向上ならびに不感点削減を目的とし、複数の寄生アンテナを用いた手法について検討した。実証実験では、2素子を用いた場合、単素子の場合と比較し、最大14.4倍の給電効率の改善と最大72.7%の給電効率を達成した。また更なる特性改善を目指し、3素子以上に拡張可能なSパラメータ推定式と反射最小化アルゴリズムを考案し、次年度の実証実験に向けた自動測定系の準備を完了した。
一方、筐体での電力損失やリークが無視できない場合、上記手法が機能しないケースが発現することも確認した。そこで、受電アンテナでも負荷制御を行うことで寄生アンテナを介した伝達特性を推定する手法を確立し、給電効率を直接最大化する負荷値を一意に特定することが可能となった。加えて、寄生アンテナと自動整合回路の協調制御により反射最小化と給電効率最大化を両立する最適条件の導出に成功し、電磁界解析によりその有効性を確認した。
上記に関連し、国内学会6件と招待講演1件の発表を行い、国際学術誌IEEE AWPLに論文2件が採録となった。また国際学会AT-AP-RASC 2022への投稿論文が採択となり、同学会にてYoung Scientist Awardの受賞が決定した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
提案法である反射最小化規範の手法による給電効率は現時点で70%超と、事業開始当初の目標値90%超に達していないものの、既に他の研究機関が提案する手法と同水準に到達している。特に、(1)当該年度に考案した多素子の寄生アンテナへの拡張法を利用することで、空間的自由度を活用した更なる給電効率向上と不感点削減の効果が十分見込める。
またこれまでの実証実験過程で、筐体での電力損失やリークが無視できない場合、提案法が機能しないケースが発現するという、研究計画当初に想定していなかった不測の問題が発生したが、(2)受電アンテナでも負荷制御を行うことで寄生アンテナを介する伝達特性を推定可能とする手法を確立し、給電効率を直接的に最大化可能であることを証明した。
更に(3)寄生アンテナと自動整合回路の協調制御により、反射最小化と給電効率最大化を両立可能な条件式の導出に成功し、これにより提案法により達成可能な最大給電効率を理論的に証明することができた。
(1)-(3)の手法はいずれも電磁界解析に基づく有効性の確認にとどまっているが、上記手法の実証実験に向けた自動測定系のハードウェア構築（自動負荷制御部および自動整合回路）およびアルゴリズムのプログラミングは既に完了しており、速やかに実証実験を開始することができ、次年度早期に給電効率目標値に到達可能な見込みである。
なお上記3手法の各実証実験結果をそれぞれ国際学術誌に投稿する予定であり、既に採録済みの論文2件を含めると、当初の計画である論文投稿1件／年の目標を大きく上回る件数となり、研究は当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの実績を踏まえR4年度の検討内容は下記3項目に集約される。
第一に、3素子以上の寄生アンテナを用いた反射最小化規範の手法について実証実験を行う。従来の実験では、手動により寄生アンテナ負荷の調整を行っていたが、新たにステッピングモータを用いた自動負荷制御系を構築し、提案法の動作検証を短時間で実施可能とする。また3素子への拡張アルゴリズムについては、既に自動測定系に実装済みであり、速やかに実験が開始できる。4素子以上の場合については、他の実験状況を勘案の上、実施を検討する。
第二に、受電アンテナの負荷制御に基づく給電効率最大化規範の手法の実証実験を行う。特に本実験では、従来の反射最小化規範の手法が機能しなかったケースを再現するため、筐体に電波吸収体を設置したり、半波長以上のスリットを形成した状態で実験を行い、新たに提案する給電効率最大化規範の手法の有効性・優位性を明らかとする。また電磁界シミュレーションに基づき電磁界分布を精査することで、従来法が機能しない現象についても解析を行う。
第三に、寄生アンテナと自動整合回路の最適協調制御に関する実証実験を行う。自動整合回路には、ダブルスラグチューナを使用し、ステッピングモータを用い自動制御可能とする。寄生アンテナ負荷と自動整合回路を最適条件に設定することで、理論最大値に匹敵する給電効率を実現し、目標値90%超を達成することを目指す。
なおR4年度の実験から、受電アンテナ位置を25点(従来は9点)に増加した筐体を導入し、更にステッピングモータを用いた撹拌機制御により筐体内の環境を自動的に変化させることで、異なる条件下の膨大な実験データを効率的に取得可能とする。これにより、従来の手法に対する提案法の優位性を統計的に評価・明確化することができる。
上記3点の実証実験結果を国際学術誌IEEE TMTTまたはMWTLに投稿し年度内採録を目指す。
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