ウェアラブル端末に向けた高効率な電波式ワイヤレス給電・通信

ウェアラブル端末に向けた高効率な
電波式ワイヤレス給電・通信
東京理科大学理工学部
電気電子情報工学科
教授楳田
洋太郎
1
新技術の概要
• ミリ波または準ミリ波帯のアレーアンテナを用
いることにより、電波方式ワイヤレス給電によ
り、数m以上の遠隔からウェアラブル端末に、
従来にない高効率の常時給電を行う。
• 送信機部分に全ディジタル方式の包絡線パ
ルス幅変調技術を適用することにより、高効
率かつ耐環境性の高い通信を簡易かつ均一
に実現する。
2
従来技術とその問題点
• ウェアラブル端末は小型の内蔵バッテリーにより
動作
⇒ 頻繁に充電する必要あり
• 近傍磁界を用いた非接触充電方法が実用化
⇒ 充電可能距離はアンテナの大きさの数倍程度
⇒ 充電中は端末の使用が制限される問題あり
3
従来技術とその問題点（つづき）
• 従来の近傍磁界を用いた非接触充電方法では、
充電中は端末の使用が制限される問題あり
⇒ 遠くまで届く電波による常時給電が実現すれば
端末使用制限は解消可能
4
従来技術とその問題点（つづき）
• 電波方式遠隔ワイヤレス給電・通信システムの構成例
ワイヤレス
給電用送信機
DC/AC変換
（ｱﾚｰｱﾝﾃﾅ
流
制御）
アンテナ
1
・
・
・
DC電源
高効率ﾋﾞｰﾑ収束・
DC/AC変換
アンテナ
1
ﾁｬﾝﾈﾙ情報
流
アンテナ
1
M
・
・・
送受信回路
電力
送受信回路
電力
・
・
・
DC電源
整流回路
バッテリー
・
・
・
基地局通信装置
ウェアラブル
通信端末
・
・・
N
高効率AC/DC変換
高効率ディジタル送信機
L
5
従来技術とその問題点（つづき）
• 問題点：
電波による給電は効率が低い（1%程度以下）
⇒ 十分に充電するためには、ワイヤレス給電
用送信機の出力電力を大きくしなければな
らないことが問題
6
従来技術とその問題点（つづき）
• 別の問題：
ウェアラブル端末内の通信用送信系中の電力
増幅器の電力効率が低い
⇒ 端末送信系の消費電力が大きい
⇒ さらにワイヤレス給電用送信機の出力電力
が大きいことが必要
7
従来技術とその問題点（つづき）
• 従来のｳｪｱﾗﾌﾞﾙ端末遠隔ﾜｲﾔﾚｽ常時給電の課題まとめ：
• 電波方式ワイヤレス給電の電力効率が低い
• 端末送信系の電力効率が低い
• ワイヤレス給電用送信機は多くの電力を出
力することが必要
• 電波による遠隔ワイヤレス常時給電は利便
性は高いが、エネルギーの無駄が大きい
8
新技術の特徴・従来技術との比較
• 新技術：
• 従来のウェアラブル端末の電波による遠隔ワイヤレ
ス常時給電は、利便性は高いが、エネルギーの無
駄が大きい
• ワイヤレス給電効率を飛躍的に高める
• 端末送信系の電力消費を抑える
• 電波による遠隔ワイヤレス常時給電に必要な給電
用送信機の送信エネルギーの無駄を抑える
9
新技術の特徴・従来技術との比較（つづき）
• 新技術（つづき）：
• 電波による遠隔ワイヤレス常時給電に必要な給
電用送信機の送信エネルギーの無駄を抑える
• 遠隔ワイヤレス常時給電による、充電不要かつ
省エネルギーなウェアラブル通信システムを実
現する
10
新技術の実現手段（１）
• 問題点（１）：
• ウェアラブル端末等の小形端末ではアンテナサイズ
も小形になる
⇒ アンテナ利得が低下
⇒ 給電効率が低下
• 解決策（１）：
• アンテナの高利得化：
– 高周波化 ⇒ アレーアンテナの多素子化 ⇒ ビーム
収束性能向上
⇒ ミリ波帯多素子平面アレーアンテナの使用
11
新技術の実現手段（１）（つづき）
• ミリ波多素子平面アレーアンテナを用いたウェアラブル
端末への電波式無線電力伝送系の一例
アレーアンテナの諸元
素子アンテナ
方形MSA
素子辺長:a,b
0.325λ[m]
素子間隔:d
0.664λ[m]
比誘電率:εr
2.27
アンテナ送信アンテナ 0.2m四方
外形寸法受信アンテナ 0.02m四方
アンテナの位置関係正面のみ
ワイヤレス給電用
送信機アンテナ
ウェアラブル端末
アンテナ
素子アンテナ：
方形マイクロストリップ
（パッチ）アンテナ
12
新技術の実現手段（１）（つづき）
• 実装可能なアレーアンテナの素子数と周波数の関係
13
新技術の実現手段（１）（つづき）
• 各伝送周波数における電力伝送効率と伝送距離の関係
アレーアンテナ間の伝送効率は周波数の二乗に比例して向上
⇒ アンテナの利得向上には高周波化（ミリ波）が有利
14
新技術の実現手段（１）（つづき）
• ミリ波を用いた給電におけるDC／AC変換、
AC／DC変換の高効率化
– ミリ波化による問題点：
• 高周波化によるトランジスタ利得の低下 ⇒ 効率低下
– 解決策：
• 高調波処理の導入（F級動作等）による電力増幅器
（DC/AC変換）、整流器（AC／DC変換）の高効率化
• ミリ波特性に優れた高速な半導体素子（GaN系トラ
ンジスタ、InGaAs系トランジスタ等）の使用
15
新技術の実現手段（２）
• 問題点（２）：
– ウェアラブル端末内通信用送信系中の電力増
幅器の電力効率が低い
• 解決策（２）：
– 最も高効率（理論効率１００％）なスイッチング電力増
幅器を使用
– 定振幅のスイッチング電力増幅器で線形増幅すること
が必要
⇒ 搬送波の包絡線（振幅）をオン・オフしパルス幅
変調（PWM)する方式のディジタル送信機を開発
16
新技術の実現手段（２）（つづき）
• スイッチング電力増幅器（D級増幅器）
17
新技術の実現手段（２）（つづき）
• ディジタル送信機（直交変調型包絡線パルス幅変調方式）
U/C 出力 (I-ch)
パルス幅変調
（PWM）
“1”“-1”“0”
ベースバンド
信号
t
COS -COS
t
fs
３値
DSM
U/C
“1”“-1”“0”
Q
I-Q
交互出力
U/C
t
ベースバンド
信号
I
I
Q
COS -SIN -COS SIN
t
アンテナ
送信
３値
DSM
Q-ch
交互出力
fc
I-ch
t
D級
PA
fi
BPF
増幅
fc
※DSM: Δ-Σ変調器
t
パルス幅変調
（PWM）
※BPF: バンドパスフィルタ
U/C 出力 (Q-ch)
-SIN
※fs: DSM 標本化周波数
SIN
t
16
※fc:搬送波周波数
16
※fi: 交互出力周波数
18
新技術の実現手段（２）（つづき）
• 直交変調型包絡線パルス幅変調方式ディジタ
ル送信機の効果
– 定振幅のRF信号を振幅に合わせてオン・オフ（包
絡線PWM)
⇒ 等価的に振幅を表現可能
• 高効率かつ高い線形性（低歪）で増幅が可能
– 電力増幅器を除き全ディジタル化が可能
• 耐環境性（ロバスト性）が高い
• 均一性が高いため高歩留まり、低コスト化が可能
19
想定される用途
• ウェアラブル端末の常時ワイヤレス給電
• 携帯電子機器（携帯電話、スマートホン、タブ
レット端末、ノートパソコン等）の常時ワイヤレ
ス給電
• 電源を持たないセンサーシステム（センサー
ネットワーク等）への常時ワイヤレス給電
• 一般に、低消費電力かつ耐環境性の要求さ
れる無線通信端末・装置の送信系
20
研究開発の進捗状況
• ミリ波電波方式ワイヤレス給電：
– 高周波化によるアンテナ効率向上の理論的予測
は完了
– ミリ波帯多素子アレーアンテナ、電力増幅器、整
流器の設計、試作、評価は今後実施予定
• 高効率ディジタル送信機：
– ハードウェア規模の小さい構成を提案（特許1件）、
シミュレーションにより特性を評価済み
– 試作による実験的検証は今後実施予定
21
実用化に向けた課題
• ミリ波電波方式ワイヤレス給電：
– 高効率な多素子平面アレーアンテナの設計・製
造および制御
– ミリ波による被曝評価、EMC評価
• 高効率ディジタル送信機：
– 量子化雑音の低減（アンテナ放射による与干渉
の低減、電力効率の向上）
22
企業への期待
• 下記のテーマについて研究開発（設計、試作、
評価）に共同で取り組んでいただける企業を
募集しています：
• 高効率電波ビーム収束が可能なミリ波多素
子平面アレーアンテナ
• ワイヤレス給電用高効率スイッチング電力
増幅器および高効率整流器
• 省電力通信用高効率ディジタル送信機
23
本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称
出願番号
出願人
発明者
：信号処理装置及び送信装置
：特願2014−204904
：学校法人東京理科大学
：楳田洋太郎、野田昂志、
染谷和、飯倉祥晴
24
お問い合わせ先
東京理科大学
研究戦略・産学連携センター
担当URA 国本幸紀
ＴＥＬ０３−５２２８−７４４０
ＦＡＸ０３−５２２８−７４４１
e-mail ｕｒａ＠ａｄｍｉｎ.ｔｕｓ.ａｃ.ｊｐ
25

Download Report