Research on High Power Rectifier for Narrow Beam Wireless Power Transfer

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K04042
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 篠原 真毅 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (10283657)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ワイヤレス給電 / マイクロ波送電 / レクテナ / 整流回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では空間伝送型ワイヤレス給電のうち、narrow beam型ワイヤレス給電のための大電力受電整流回路の開発、が主目的となる。大電力受電整流回路では開発例が少ない周波数5.7GHzで10W出力、効率70%以上を目標とする。整流回路として当初シングルシャント整流回路、チャージポンプ整流回路、フルブリッジ整流回路の大電力化に関する理論計算及び計算機シミュレーションを行い、その結果本研究目的にはシングルシャント整流回路が最適と結論付けた。続いて従来用いられてきたF級負荷型シングルシャント整流回路に加え、新たにR級負荷型シングルシャント整流回路を考案し比較検討を行い、実際に整流回路を製作してRF-DC変換効率を測定した結果、F級負荷型では入力電力3.96Wの時に効率68.5%、出力電圧11.7Vであったのに対し、R級負荷型では入力電力4.22Wの時に効率74.0%、出力電圧14.8Vと、F級負荷型のほうが電圧が低く出るために大電力に向くことが分かった。整流回路単体では70%以上の目標は達成したものの、出力10Wが達成していないため、複数の整流回路を接続してアレー化を行い、narrow beam型ワイヤレス給電に最適なシステム開発を目指した。Narrow beam型ワイヤレス給電の一例として、ドローンへのワイヤレス給電システムを想定し、本研究で得た設計知見を活かして軽量大出力の整流回路付きアンテナ(レクテナ)アレーを開発した。16素子アレーレクテナによって、43.6W、5.7GHz入力から61.9%の変換効率で直流を発生することに成功した。Narrow beam型ワイヤレス給電の場合はレクテナアレーに理想の(均一・最適な電力の)マイクロ波ビームをあてることが難しく、効率の低下がみられるが、ドローンの飛行には十分な直流電力を得ることができ、narrow beam型ワイヤレス給電のための大電力受電整流回路の開発は成功したといえる。