レクテナ

レクテナとは

レクテナ（rectenna）とは、rectifying antennaの略で、マイクロ波を直流電流に整流変換するアンテナのことです。主にマイクロ波送電に用いられ、その外観は一般的なアンテナとは大きく異なり、格子状にエレメントが配置されているのが特徴です。

レクテナの基本原理

最もシンプルなレクテナは、ダイポールアンテナの間にショットキーダイオードを配置したものです。マイクロ波がアンテナに誘導する電流を、ダイオードが直流電流に変換します。ショットキーダイオードは電圧降下が小さく、消費電力が少ないため、この用途に最適です。

大型のレクテナは、このようなダイポール素子を多数組み合わせた構成になっています。

レクテナはマイクロ波エネルギーを非常に効率良く電流に変換できます。実験室環境では80％以上の変換効率が確認されていますが、一般的には70％強の効率です。

また、電流をマイクロ波に変換する「逆レクテナ」の研究も行われていますが、その効率は1％にも満たないのが現状です。

レクテナの応用

宇宙太陽光発電

レクテナの高効率と低コストから、宇宙太陽光発電システム（人工衛星からのマイクロ波電力伝送）への応用が期待されています。このシステムでは、宇宙空間で太陽光発電を行い、その電力をマイクロ波に変換して地上に送信し、地上のレクテナで受電します。

RFIDタグ

近年では、電波方式のRFID（Radio Frequency Identification）の整流部分にレクテナが応用されています。小型のレクテナ素子を電力源とするRFIDタグや非接触ICカードなどが実用化されています。これらのデバイスでは、読み取り機からの電波をレクテナが受信し、その電力でICチップを起動し、データを読み取り機に送信します。

その他の応用

その他にも、以下のような応用が考えられています。

遠隔地の観測装置への電力供給
長時間滞空可能な無人偵察機への電力供給
小型無線電子機器の電力源

レクテナの歴史

レクテナの歴史は、1960年代の長距離無線送電の開発に遡ります。1964年には、アメリカの電気技術者ウィリアム C. ブラウンがレクテナを搭載した模型ヘリコプターを用いて、地上からのマイクロ波送電を実証しました。そして、1969年にはレクテナの特許を取得しました。1970年代以降は、宇宙空間からマイクロ波で電力を送る宇宙太陽光発電が主要な研究テーマとなりました。

高周波レクテナ

最も単純な鉱石ラジオでは、アンテナと整流ダイオードがレクテナとして機能し、イヤホンに信号を送る前に直流成分を取り除きます。高出力無線送信機の近くに住む人々は、長い受電アンテナで電球を灯すのに十分な電力を得られることを発見したと考えられます。しかし、この事例は限られた地域でのみ機能し、1本のアンテナしか使用しません。レクテナは、広範囲に複数のアンテナを設置することで、より多くのエネルギーを得ることができます。

光学レクテナ（ナンテナ）

ナノテクノロジーを用いて、レクテナを縮小することで、太陽電池よりも高い効率で光を電流に変換できる光学レクテナ（またはナンテナ）と呼ばれる装置が研究されています。理論的には、装置を縮小しても高い効率を維持できるとされていますが、アメリカ国立再生可能エネルギー研究所の実験では、赤外線を用いた場合、効率は1％程度にとどまっています。しかし、ミズーリ大学などでは、低コストで高効率なナンテナの開発が進められています。また、原子層堆積技術を用いることで、太陽エネルギーの変換効率を70%以上にできる可能性も示唆されています。

まとめ

レクテナはマイクロ波を直流電流に変換する画期的な技術であり、その高い変換効率と低コストから、さまざまな分野での応用が期待されています。宇宙太陽光発電から、身近なRFIDタグまで、レクテナは私たちの生活をより便利で持続可能なものにする可能性を秘めています。今後の技術革新により、レクテナの活躍の場はますます広がっていくでしょう。

出典

ウィキメディア・コモンズには、レクテナに関するメディアがあります。
https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Rectennas
* William C. Brown's Distinguished Career
http://www.smecc.org/william_c__browns_distinguished_career.htm

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