(57)【要約】【課題】電波を効率よく利用して電力変換を行うことが可能なレクテナ装置を提供する。【解決手段】レクテナ装置１は、送信装置から受信装置へメインローブなどの主要波を伝搬する電波に含まれるサイドローブなどの不要波を受信する不要波受信部２と、受信した不要波を電力に変換する電力変換部３と、を備えるものである。サイドローブなどの不要波を受信し、電力に変換することにより、電波を効率よく利用して電力変換を行うことができる。【選択図】図１
2015192517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置から受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信する不要波受信部と、
前記受信した不要波を電力に変換する電力変換部と、
を備えるレクテナ装置。
【請求項２】
前記主要波は、前記電波のメインローブであり、前記不要波は、前記電波のサイドローブである、
請求項１に記載のレクテナ装置。
【請求項３】
前記不要波受信部は、前記サイドローブの放射方向と交差する位置に配置されている、
請求項２に記載のレクテナ装置。
【請求項４】
前記不要波受信部は、前記メインローブの放射方向と重ならない位置に配置されている、
請求項２または３に記載のレクテナ装置。
【請求項５】
前記送信装置は、前記電波を送信する複数の送信アンテナを備え、
前記不要波受信部は、前記複数の送信アンテナのそれぞれに対応した複数のレクテナアンテナを含む、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
【請求項６】
前記電波には複数の前記不要波が含まれ、
前記不要波受信部は、複数の前記不要波のそれぞれに対応した複数のレクテナアンテナを含む、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
【請求項７】
前記不要波受信部は、直列に配置され、指向性の角度を調整可能な複数のレクテナアンテナを含む、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
【請求項８】
前記電力変換部は、前記変換した電力を前記送信装置へ供給する、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレクテナ装置。
【請求項９】
送信装置、受信装置及びレクテナ装置を備えた無線システムであって、
前記レクテナ装置は、
前記送信装置から前記受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信する不要波受信部と、
前記受信した不要波を電力に変換する電力変換部と、
を備える無線システム。
【請求項１０】
レクテナ装置における電力変換方法であって、
送信装置から受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信し、
前記受信した不要波を電力に変換する、
電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レクテナ装置、無線システム及び電力変換方法に関し、特に、電波を電力に変換するレクテナ装置、無線システム及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波から電力を収穫するレクテナに関連する技術として、特許文献１、非特許文献１及び２が知られている。現在、レクテナ技術は宇宙空間に配置された発電用の衛星から、地上に配置したレクテナ基地局へマイクロ波による電力伝送システムに関する研究が進められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
マイクロ波による電力伝送システムに関する研究においては、送信アンテナのメインローブから放射された電波を受信し、レクテナによる電力変換が想定されている。例えば、非特許文献１では将来の大型マイクロ波受電設備を想定し、メインローブを用いたレクテナアレイシステムの高効率化を実現している。非特許文献１では高効率化を実現するために、アンテナ利得の向上、整流回路の高効率化、ＤＣ合成最適化を行っている。アンテナ利得の向上には、１素子あたりの利得が最大となるよう素子間隔の最適化を行う。整流回路においては２００ｍＷ入力時に計算値６３．７％、実測値６２％のＲＦ−ＤＣ変換効率を得ている。
【０００４】
また、ＭＨｚ帯の周波数帯域においても、レクテナによる電力変換が非特許文献２などにより報告されている。非特許文献２では、８１．９ＭＨｚの周波数を使用したＦＭ放送の電波をレクテナにより受信し、アンテナへの入力電力が−２２ｄＢｍ時に、レクテナ１素子で９２４ｍＶ、レクテナ２素子では１．７２Ｖの出力電圧を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２１７３２３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】山本敦士、下川床潤、津留正臣、佐々木拓郎、本間幸洋著、“５．８ＧＨｚレクテナアレイシステムの高効率化”、電気情報通信学会、信学技報、IEICE Technical Report WPT2012-31(2012-12)、２０１２年１２月
【非特許文献２】新井宏之、吉田稔、ミケカチョモラ著、“ＦＭ放送波を回収する直流出力増加効果を有するレクテナの検討”、信学技報、vol.112、no 53、AP2012-23、pp65-68、２０１２年５月１７日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在の関連するレクテナ技術では、アンテナから放射された電波のうち、メインローブを用いて電力変換を行っている。関連する技術では、電波のメインローブのみを電力変換の対象としており、その他の成分について考慮されていないため、電波を効率よく利用して電力変換を行うことが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、電波を効率よく利用して電力変換を行うことが可能なレクテナ装置、無線システム及び電力変換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るレクテナ装置は、送信装置から受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信する不要波受信部と、前記受信した不要波を電力に変換する電力変換部と、を備えるものである。
【００１０】
本発明に係る無線システムは、送信装置、受信装置及びレクテナ装置を備えた無線システムであって、前記レクテナ装置は、前記送信装置から前記受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信する不要波受信部と、前記受信した不要波を電力に変換する電力変換部と、を備えるものである。
【００１１】
本発明に係る電力変換方法は、レクテナ装置における電力変換方法であって、送信装置から受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信し、前記受信した不要波を電力に変換するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電波を効率よく利用して電力変換を行うことが可能なレクテナ装置、無線システム及び電力変換方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係るレクテナ装置の概要を説明するための概略構成図である。
【図２】実施の形態１に係る基地局アンテナの指向性を説明するための特性図である。
【図３】実施の形態１に係る基地局アンテナの指向性を説明するための特性図である。
【図４】実施の形態１に係る基地局システムの構成を示す構成図である。
【図５】実施の形態１に係る無線通信システムの構成を示す構成図である。
【図６】実施の形態１に係るレクテナの構成を示す構成図である。
【図７】実施の形態２に係る基地局システムの構成を示す構成図である。
【図８】実施の形態３に係る基地局システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態の概要）
図１は、実施の形態に係るレクテナ装置の概略構成を示している。図１に示すように、実施の形態に係るレクテナ装置１は、不要波受信部２、電力変換部３を備えている。不要波受信部２は、送信装置から受信装置へ主要波を伝搬する電波に含まれる不要波を受信する。電力変換部３は、受信した不要波を電力に変換する。
【００１５】
このように、レクテナ装置において、サイドローブのような不要波を受信し、電力に変換することにより、電波を効率よく利用して電力変換を行うことができる。
【００１６】
上記のように、関連するレクテナ技術では、アンテナから放射された電波のうち、メインローブを用いて電力変換を行っている。このため、データ伝送など本来別の目的で使用している電波をレクテナにて電力変換を行ってしまうと、本来の目的で使用する電波の伝播距離に影響を与えてしまう恐れがあるという問題がある。これは、波源から放射されるメインローブを受信する形でレクテナを設置、電力変換を行うと、放射されるエネルギーをレクテナにて収穫する形となり、伝搬距離に影響を与えてしまうためである。
【００１７】
また、関連するレクテナ技術では、送信側と受信側の距離が長くなるにつれて、エネルギーが減衰してしまうため変換効率が悪化してしまうという問題点がある。
【００１８】
なお、アンテナから放射される電波には、水平面の指向性と、垂直面の指向性が存在する。基地局アンテナから放射されるアンテナでは、一般的に水平面は無指向性であるが、垂直面には指向性が存在する。指向性にはメインローブ（主要波）とサイドローブが同時に存在する。サイドローブは長距離の電波伝播としては、弱電界であるため、通常不要波として扱われるものである。
【００１９】
そこで、実施の形態では、基地局から放射される電波において、伝播距離を損なうことなく、基地局近辺の電波を電力に変換することを可能とする。すなわち、基地局アンテナより放射される電波において、伝搬そのものは基地局アンテナから放射されるメインローブにより行われる。その際、基地局アンテナから放射されるサイドローブは不要波となる。不要波であるサイドローブを有効活用するために、垂直面サイドローブを十分に受信可能な基地局に隣接した位置にレクテナを設置、固定する。基地局に隣接した位置にレクテナを設置することで、電力に変換したエネルギーの高効率化が可能である。また、垂直面サイドローブを利用することで、水平面や垂直面メインローブの伝播距離への影響を回避する。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して実施の形態１について説明する。図２は、本実施の形態に係る基地局アンテナの垂直面の指向性を示している。基地局アンテナ１０１は、携帯電話など他の装置と通信を行うために電波を送信するアンテナである。図２の例では、基地局アンテナ１０１は、アンテナモデルとしてコーリニアアンテナを使用している。
【００２１】
図２に示すように、基地局アンテナ１０１のアンテナ正面方向（水平方向）に向けてメインローブ１１１が放射され、このメインローブ１１１が電波伝播を行う。また、メインローブ１１１の垂直方向両側にサイドローブ１１２が放射されている。
【００２２】
メインローブ１１１の電波をレクテナにより電力変換を行ってしまうと、基地局アンテナ１０１から放射されるエネルギーの総量が減少してしまうため、エネルギーの電波伝搬が可能な距離が短縮されてしまう。そのため、本実施の形態では、伝搬距離に影響がないメインローブ１１１脇のサイドローブ１１２を使用し、レクテナによるサイドローブ１１２の受信・電力変換を行う。
【００２３】
図３は、基地局アンテナ１０１の一例であるコーリニアアンテナの垂直面（垂直方向）の指向性１２１、水平面（水平方向）の指向性１２２を示している。指向性１２２に示すようにコーリニアアンテナは水平面では無指向性であり、指向性１２１に示すようにコーリニアアンテナは垂直面ではメインローブとサイドローブが存在する。
【００２４】
図４は、本実施の形態に係る基地局システムの構成を示している。図４に示すように、基地局システム１００は、基地局アンテナ１０１、基地局本体１０２、レクテナ２００を備えている。基地局アンテナ１０１と基地局本体１０２とが基地局１１０を構成するとも言える。基地局１１０は、例えば、無線通信システムにおいて、携帯電話とデータ通信を行うために電波を送信する基地局であるが、その他の目的（用途）で他の装置へ電波を送信する装置であってもよい。
【００２５】
基地局アンテナ１０１は、基地局本体（もしくはアンテナ台）１０２の上で垂直方向に複数配置されている。図４の例では、複数の基地局アンテナ１０１をアレー化し、電波伝搬を行っている。
【００２６】
レクテナ（レクテナ装置）２００は、受信する電波を電力に変換し、変換した電力を出力する電力変換装置である。特に、図４のレクテナ２００は、基地局１１０に隣接した位置、および基地局アンテナ１０１から放射されるサイドローブ１１２を効率的に受信できる位置に配置した基地局隣接レクテナである。図４の例では、基地局本体（もしくはアンテナ台）１０２の側面にレクテナ２００が取り付けられている。
【００２７】
なお、図４では、１つのレクテナ２００を配置しているが、複数のレクテナ２００を配置してもよい。複数のレクテナ２００を配置する場合は、基地局を中心にレクテナを円状にアレー化することで、レクテナで受信した電力をより高効率に変換できる。例えば、複数の基地局アンテナ１０１のそれぞれに対してレクテナ２００を備えてもよい。また、基地局本体（もしくはアンテナ台）１０２の複数の側面のそれぞれにレクテナ２００を備えてもよい。
【００２８】
サイドローブ１１２を効率的に受信するには、サイドローブ１１２に対し垂直に、かつ近距離にレクテナ２００（アンテナ）を設置する必要がある。基地局アンテナモデルとして使用しているコーリニアアンテナはメインローブ１１１を基準とした場合のサイドローブ角が４０°となっている。よって、メインローブ１１１から垂直方向に４０°傾けた地点の延長線上にレクテナ２００を設置する。レクテナ２００を基地局アンテナ１０１に極端に近づけた場合は、基地局アンテナ１０１から放射されるメインローブ１１１による電波伝搬に影響を与えてしまうため、配置の際にはメインローブ１１１の伝搬を損なわないように配慮を行う。すなわち、サイドローブ１１２の放射方向の位置で、かつ、メインローブ１１１に重ならない位置にレクテナ２００を配置することが好ましい。
【００２９】
図５は、本実施の形態に係る無線通信システムの構成を示すブロック図である。図５に示すように、無線通信システムは、図４の基地局１１０及びレクテナ２００、受信装置３００を備えている。受信装置３００は、電波を受信する受信アンテナ３０１を備えている。例えば、受信装置３００は、携帯電話など基地局１１０とデータ通信を行う無線通信装置である。
【００３０】
基地局（送信装置）１１０は、基地局１１０に設置している基地局アンテナ（送信アンテナ）１０１から電波を送信する。このとき、電波のメインローブ１１１は基地局１１０が所望する受信アンテナ３０１へ伝播される。メインローブ１１１を介してデータ等が基地局１１０から受信装置３００へ伝送される。
【００３１】
また、電波のサイドローブ１１２は基地局１１０に隣接したレクテナ２００にて受信する。レクテナ２００は、受信した電波のサイドローブ１１２を電力変換し、有線の電力伝送線路２１１を介して基地局１１０へ電力伝送を行う。基地局１１０は、レクテナ２００から供給された電力を電源として使用してもよいし、任意の目的で使用してもよい。また、レクテナ２００は、基地局１１０以外の他の装置へ電力を供給してもよい。
【００３２】
図６は、本実施の形態に係るレクテナの内部構成の概要を示している。図６に示すように、レクテナ２００はレクテナアンテナ２０１、整流回路２０２、フィルタ回路２０３、ＤＣ−ＤＣ変換回路２０４を備えている。
【００３３】
レクテナアンテナ２０１は、基地局１１０から放射された電波のうちのサイドローブ１１２を受信する。整流回路２０２は、レクテナアンテナ２０１で受信した交流信号を整流回路にて直流信号に変換（電力変換）する。フィルタ回路２０３は、整流回路２０２が出力する直流信号から不要な周波数成分を除去する。ＤＣ−ＤＣ変換回路２０４は、フィルタ回路２０３を通した直流信号をＤＣ−ＤＣ変換し、所望の直流電圧に変換する。
【００３４】
図６のレクテナ２００の動作を説明すると、基地局１１０から放射された電波のうち、伝搬用のメインローブ１１１を除いたサイドローブ１１２を基地局１１０に隣接したレクテナアンテナ２０１にて受信する。レクテナアンテナ２０１にて受信した電波は、整流回路２０２にて電力変換を行う。さらに、変換された電力はフィルタ回路２０３、ＤＣ−ＤＣ変換回路２０４を通して電力伝送線路２１１へ出力される。
【００３５】
以上のように、本実施の形態では、不要波であるサイドローブを有効に受信できる地点にレクテナを設置する。アンテナから放射されるサイドローブは、垂直方向に空間励振を行っているので、レクテナの設置角度を最適化することが可能である。また、基地局に隣接した地点にレクテナを設置することができ、送信側と受信側を近距離に固定することが可能である。
【００３６】
すなわち、本実施の形態に係る基地局隣接レクテナは、基地局アンテナから放射された電波のうち不要波を効率的にかつ安定的に電力に変換することができる。その理由は、基地局アンテナから放射される垂直面偏波のサイドローブを最適に受信できる位置にレクテナを配置するためである。最適に受信できる位置とは、基地局に隣接した近距離、かつレクテナ側の指向性を機械的、あるいは電気的に制御することにより実現する。
【００３７】
また、レクテナの配置に関しても、レクテナの指向性を制御することでレクテナの配置に自由度が生まれる。指向性を制御する際にも、レクテナ自体は固定するため、各レクテナへの給電位相差を制御することで、非常に簡易に指向性を最適な方向へ向けることが可能である。
【００３８】
（実施の形態２）
実施の形態１の他の例として、図７に基地局１１０を中心としてレクテナ２００をアレー化した構成を示す。コーリニアアンテナから放射されるサイドローブはアンテナの上下に放射されるため、基地局アンテナ１０１の上下にレクテナ２００を設置し、上下のレクテナ２００により受信・電力変換する。
【００３９】
アレー化により基地局アンテナ１０１から放射されるメインローブの電波を損失させずにサイドローブの電力変換効率の向上が見込まれる。
【００４０】
（実施の形態３）
実施の形態１の他の例として、図８にレクテナのアンテナ素子を直列にアレー化した構成を示す。アンテナ素子を直列につなぐ際に、各アンテナ素子への給電位相を、給電線路やコンデンサを使うことで、電気長を変化させる。これにより、アンテナ素子からの指向性を基地局アンテナから放射されるサイドローブを効率的に受信可能な方向へ向けることができる（指向性を調整可能である）。
【００４１】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００４２】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【００４３】
（付記１）
アンテナなどの放射素子から放射された電波を受信し、電力に変換できるレクテナにおいて、
そのレクテナを設置するにあたり、固定放射素子においてその近辺で生じる不要波を効率的に受信できる位置に配置することで、効率的に不要波の電力変換を行う装置。
【００４４】
（付記２）
電力変換を行うにあたり、放射素子からレクテナへの周波数、距離を考慮し、送信アンテナから放射される電波のうち、特に垂直面におけるサイドローブを効率的に受信できるよう、受信側のレクテナにおいても垂直偏波を効率的に受信できる複数配置されたレクテナ。
【００４５】
（付記３）
レクテナの配置に関して、レクテナを直列に配置し各レクテナに給電する位相を給電線路の長さやコンデンサによる電気長を変化させることで、指向性を最適な角度に固定できるレクテナ。
【符号の説明】
【００４６】
１      レクテナ装置
２      不要波受信部
３      電力変換部
１００  基地局システム
１０１  基地局アンテナ
１０２  基地局本体
１１０  基地局
１１１  メインローブ
１１２  サイドローブ
１２１、１２２  指向性
２００  レクテナ
２０１  レクテナアンテナ
２０２  整流回路
２０３  フィルタ回路
２０４  ＤＣ−ＤＣ変換回路
２１１  電力伝送線路
３００  受信装置
３０１  受信アンテナ
【図１】
2015192517.tif 000003
【図２】
2015192517.tif 000004
【図３】
2015192517.tif 000005
【図４】
2015192517.tif 000006
【図５】
2015192517.tif 000007
【図６】
2015192517.tif 000008
【図７】
2015192517.tif 000009
【図８】
2015192517.tif 000010