(57)【要約】【課題】  パイロット受信波と送信波のカップリングがなく、演算処理が不要で、小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を得る。【解決手段】  受信アンテナの設置位置から送られるパイロット信号がＡＭ変調された光であるレトロディレクティブアレーアンテナ装置であって、複数の送信アンテナ素子から構成されたアレーアンテナと、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれに対応させてその近傍に１つずつ設置され、上記パイロット信号を受光して電気信号に変換する受光手段と、上記受光手段のそれぞれに対応させて設けられ、上記受光手段から出力される電気信号の位相を反転させ、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれから上記電気信号の位相が反転された位相の電波を放射させる位相共役回路と、を備え、上記アレーアンテナの主ビームを上記パイロット信号の到来方向へ向ける。【選択図】  図２
2005328650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信アンテナの設置位置から送られるパイロット信号がＡＭ変調された光であるレトロディレクティブアレーアンテナ装置であって、複数の送信アンテナ素子から構成されたアレーアンテナと、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれに対応させてその近傍に１つずつ設置され、上記パイロット信号を受光して電気信号に変換する受光手段と、上記受光手段のそれぞれに対応させて設けられ、上記受光手段から出力される電気信号の位相を反転させ、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれから上記電気信号の位相が反転された位相の電波を放射させる位相共役回路と、を備え、上記アレーアンテナの主ビームを上記パイロット信号の到来方向へ向けるレトロディレクティブアレーアンテナ装置。
【請求項２】
上記複数の送信アンテナ素子を宇宙空間に置かれた複数の発電衛星のそれぞれに１つ以上ずつ設置し、上記それぞれの発電衛星で太陽光発電した電気エネルギーを上記発電衛星のそれぞれに設置された送信アンテナ素子から放射される電波とし、上記パイロット信号の到来方向へ無線送電する請求項１記載のレトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた宇宙太陽光発電システム。
【請求項３】
上記複数の送信アンテナ素子を宇宙空間に置かれた発電パネルを有する発電ステーションに設置し、上記発電ステーションで太陽光発電した電気エネルギーを上記発電ステーションに設置された送信アンテナ素子から放射される電波とし、上記パイロット信号の到来方向へ無線送電する請求項１記載のレトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた宇宙太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送信アンテナが複数のアンテナ素子から構成されている場合に、受信アンテナの設置地点から送られてくるパイロット信号にしたがって、上記複数のアンテナ素子により合成される送信アンテナの主ビームを、自動的に上記受信アンテナの方向へ向ける、レトロディレクティブアレーアンテナ装置およびこれを用いた宇宙太陽光発電システムに関し、特にパイロット信号としてＡＭ変調された光を用いたレトロディレクティブアレーアンテナ装置およびこれを用いた宇宙太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のアンテナ素子から構成されたアレーアンテナにおいて、送信アレーアンテナと受信アンテナとの相対位置が変化する場合には、レトロディレクティブアレーアンテナの採用が考えられる。レトロディレクティブアレーアンテナとは、受信アンテナの設置場所から各送信アンテナ素子またはその近傍へ送られてくるパイロット信号を利用して、送信アレーアンテナを構成する各送信アンテナ素子の給電位相を自動的に制御して、送信アレーアンテナで合成された送信ビームを受信アンテナの方向へ向けるアレーアンテナである。
【０００３】
一般には、パイロット信号としては、送信アンテナから送信される電波の周波数からわずかにずらした周波数の電波が用いられる。受信アンテナの設置場所から各送信アンテナ素子またはその近傍へ送られてきたパイロット信号は、送信アンテナ素子ごとに設置された位相共役回路を通り、位相項の符号が逆転され、各送信アンテナ素子から送信電波として送信される。このため、各送信アンテナ素子から放射された各電波は、パイロット信号の方向、すなわち受信アンテナ方向で同位相となり、したがって、送信アレーアンテナで合成された送信パターンの主ビームは、自動的に受信アンテナの方向を向く。なお、この動作原理については、以下に記載の非特許文献に説明されている。
【０００４】
この例として、三菱電機技報Vol.55,  No.4,  pp.50〜54（1981）に示された太田他“Lバンドレトロディレクティブアレーアンテナの試作”がある。パイロット信号受信アンテナと送信アンテナ素子として、同じアンテナを用いており、送信波と受信波をサーキュレーターにより分離している。
【０００５】
また、パイロット信号受信アンテナと送信アンテナ素子として、異なるアンテナを用いる場合もある。この場合には、送信アンテナ素子ごとにパイロット信号受信アンテナを設置する必要があるため、アンテナ装置が大型化する。そこで、特許第３３７２５８３号のように、送信アレーアンテナを複数のサブアレーに分割し、各サブアレーにはパイロット信号受信アンテナを数個だけ設ける方法がある。この方法では数個のパイロット信号受信アンテナで受信したそれぞれのパイロット信号の位相を検出してパイロット信号の方向を割り出している。さらにサブアレー上に配置された多数の送信アンテナ素子から放射される電波が、パイロット信号方向で同位相になるよう、各送信アンテナ素子の移相器を制御するが、その際は、上記のパイロット信号方向を用いて、移相器で与える位相量を演算している。このように演算処理機能を追加することによってパイロット信号受信アンテナの数を減らすことができる。
【０００６】
【非特許文献１】三菱電機技報Vol.55,  No.4,  pp.50〜54（1981）太田他“Ｌバンドレトロディレクティブアレーアンテナの試作”
【特許文献１】特許第３３７２５８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パイロット信号受信アンテナと送信アンテナ素子として同じアンテナを用いる場合には、パイロット受信波と送信波のカップリングが生じるという問題がある。パイロット受信波と送信波のカップリングが生じると、パイロット信号を受信する際、送信波も合わせて受信してしまう。したがって、受信されるパイロット信号の位相がずれ、送信アレーアンテナで合成される主ビームの方向が受信アンテナの方向からずれてしまう。また、サーキュレーターを送信アンテナ素子ごとに設置すると、アンテナ装置が大型になり重量も増加するという問題がある。
【０００８】
送信アレーアンテナを複数のサブアレーに分割し、サブアレーごとにパイロット信号受信アンテナを設ける方法は、各送信アンテナ素子から送信する電波の位相を調節するための演算処理が必要になるという問題がある。大型のアレーアンテナでは、演算処理量が多くなることにより、演算処理が必要でない場合に比べてビーム走査のレスポンスが遅くなる。また、演算処理のための回路を必要とし、アンテナ装置の大型化、重量増が問題になる。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、パイロット受信波と送信波のカップリングがなく、演算処理が不要で、小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。さらに、上記レトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた宇宙太陽光発電システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレトロディレクティブアレーアンテナ装置は、受信アンテナの設置位置から送られるパイロット信号がＡＭ変調された光であるレトロディレクティブアレーアンテナ装置であって、複数の送信アンテナ素子から構成されたアレーアンテナと、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれに対応させてその近傍に１つずつ設置され、上記パイロット信号を受光して電気信号に変換する受光手段と、上記受光手段のそれぞれに対応させて設けられ、上記受光手段から出力される電気信号の位相を反転させ、上記複数の送信アンテナ素子のそれぞれから上記電気信号の位相が反転された位相の電波を放射させる位相共役回路と、を備え、上記アレーアンテナの主ビームを上記パイロット信号の到来方向へ向けるものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、パイロット信号にＡＭ変調された光を使用し、その受光手段を複数の送信アンテナ素子のそれぞれに対応させてその近傍に１つずつ設置し、また、位相共役回路を送信アンテナ素子毎に設けているので、パイロット受信波と送信アンテナ素子の送信電波のカップリングがなく、送信電波の主ビームを高速かつ自動的にパイロット信号の到来方向に向けることができるレトロディレクティブアレーアンテナ装置を得られる。また、小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１に係るレトロディレクティブアレーアンテナ装置における複数の送信アンテナ素子と受信アンテナの送受信関係を示す模式図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る送信アンテナの構成説明図である。
図１において、１は送信アンテナ素子、２は受信アンテナ、３は受信アンテナ２の設置場所から各送信アンテナ素子１に送られるレーザー光、４は複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビームである。また、図２において、５は受光素子、６は位相共役回路、７はそれぞれの送信アンテナ素子１から送信される電波である。受光素子５と位相共役回路６は送信アンテナ素子１ごとに各送信アンテナ素子１の近傍に設置される。また、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４は、受信アンテナ２の方向に向いている。
【００１３】
次に動作について図１と図２を用いて説明する。受信アンテナ２の設置場所から、パイロット信号として送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調したレーザー光３が出射される。そして、レーザー光３は、送信アンテナ素子１ごとに設置された受光素子５で受光され、光から電気信号に変換される。レーザー光３は送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調されているので、受光素子５で変換された電気信号の周波数は送信アンテナの送信電波の周波数と同じである。また、この電気信号は、受信アンテナ２と各送信アンテナ素子１の距離に相当する分だけ、位相遅れを生じている。受光素子５から出力された電気信号は、位相共役回路６を通って位相項の符号が逆転され、それぞれの送信アンテナ素子１から電波７として送信される。各送信アンテナ素子１から放射された電波７は、各位相共役回路６によって、位相符号が反転しているため、前述の位相遅れがキャンセルされる。したがって、前出の従来技術文献“Lバンドレトロディレクティブアレーアンテナの試作”の第５０頁に説明されるように、それぞれの送信アンテナ素子１からの送信電波が、受信アンテナ２とそれぞれの送信素子アンテナ１の相対位置に基づく伝搬時間の差に関係なく、パイロット信号の到来方向すなわち受信アンテナ２の方向で同位相になり、この方向に主ビーム４が形成される。したがって、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４は、自動的に受信アンテナ２の方向を向く。
【００１４】
以上のように、パイロット信号としてレーザー光３を用いる場合には、パイロット信号の受信手段となる受光素子５が、従来の電波によるパイロット信号の受信用アンテナより小型・軽量であるため、送信アンテナ全体を小型化・軽量化することができる。また、パイロット信号としてレーザー光３を用いているので、送信アンテナにおけるパイロット受信波と送信電波のカップリングが生じない。さらに、送信アンテナ素子１ごとに、受光素子５、位相共役回路６を設置しているので、各送信アンテナ素子１は、受信電気信号の位相項の符号を逆転した送信電波を単純に返送するだけである。これに対して前述の特許第３３７２５８３号の発明では、パイロット信号の位相を一旦検出してパイロット信号方向を割り出し、さらにその情報を基に、各送信アンテナ素子に移相器で与える位相量を演算している。この演算時間は１個の演算装置が担当する送信アンテナ素子数に応じて増加し、また、移相器の制御時間も増加する。これに対して本発明は、複数の送信アンテナ素子１各々が、同時に送信処理をしているため、この演算および制御時間が不要であり、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４を高速かつ自動的に受信アンテナ２の方向に向けることができる。
【００１５】
したがって、パイロット受信波と送信アンテナ素子の送信電波のカップリングがなく、高速なビーム追尾ができ、かつ小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を得ることができる。
【００１６】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る、レトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた無線電力伝送システムである宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成説明図である。この宇宙太陽光発電システムでは、複数の送信アンテナ素子を宇宙空間に配置された複数の発電衛星に設置し、受信アンテナを受電設備に設置し、複数の発電衛星において太陽光発電した電気エネルギーを複数の送信アンテナ素子から受電設備の受信アンテナに無線送電するものである。図４は、この発明の実施の形態２に係る送信アンテナの構成説明図である。
図３において、８は発電衛星、９は受電設備である。通常、発電衛星８は宇宙空間に複数個配置される。また、それぞれの発電衛星８には、送信アンテナを形成する送信アンテナ素子１を１つ以上設置する。なお、ここではそれぞれの発電衛星８に送信アンテナ素子１を１つずつ設置した場合を例示して説明する。また、図４において、１０は低雑音増幅器、１１は電力増幅器、６は位相共役回路であり、受光素子５と位相共役回路６と低雑音増幅器１０と電力増幅器１１が送信アンテナ素子１ごとに各送信アンテナ素子１の近傍に設置される。また、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４は、受信アンテナ２の方向に向いている。
【００１７】
次に動作について図３と図４を用いて説明する。複数の発電衛星８では、太陽光を集光し、電気エネルギーに変換する。一方、受電設備９に設置された受信アンテナ２の設置場所から、パイロット信号として送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調したレーザー光３が出射される。そして、レーザー光３は、送信アンテナ素子１ごとに設置された受光素子５で受光され、光から電気信号に変換される。なお、レーザー光３は送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調されているので、受光素子５で変換された電気信号の周波数は送信アンテナの送信電波の周波数と同じである。受光素子５から出力された電気信号は、低雑音増幅器１０によって増幅された後、位相共役回路６を通って位相項の符号が逆転され、電力増幅器１１に入力される。電力増幅器１１では、発電衛星８によって発電された電気エネルギーによって、電気信号を電力増幅する。そして、増幅された電気信号はそれぞれの送信アンテナ素子１から電波７として送信される。
したがって、実施の形態１と同じ原理により、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４は、自動的に受信アンテナ２の方向を向き、送信された電波４は、受電設備９に設置された受信アンテナ２で受信される。
【００１８】
このような宇宙太陽光発電システムでは、通常、各発電衛星８と受電設備９の間の距離が時間とともに変化する。しかしながら、この発明の実施の形態１に係るレトロディレクティブアンテナ装置を用いれば、パイロット信号としてレーザー光３を利用することにより、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４を自動的に受電設備９に設置された受信アンテナ２の方向に向けることができる。
【００１９】
以上のように、パイロット信号としてレーザー光３を用いる場合には、パイロット信号の受信手段となる受光素子５が、従来の電波によるパイロット信号の受信用アンテナより小型・軽量であるため、送信アンテナ全体を小型化・軽量化することができる。また、パイロット信号としてレーザー光３を用いているので、送信アンテナにおけるパイロット受信波と送信電波のカップリングが生じない。さらに、送信アンテナ素子１ごとに、受光素子５、位相共役回路６を設置しているので、前述の実施の形態１と同様に演算処理をせず、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４を高速かつ自動的に受信アンテナ２の方向に向けることができる。
【００２０】
従って、パイロット受信波と送信アンテナ素子の送信電波のカップリングがなく、かつ小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を用い、各発電衛星と受電設備の間の距離が時間とともに変化する場合にも、送信電波の主ビームを高速かつ自動的にパイロット信号の到来方向に向けることができる宇宙太陽光発電システムを得られる。
【００２１】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る、レトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた無線電力伝送システムである宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成説明図である。この宇宙太陽光発電システムでは、複数の送信アンテナ素子１を宇宙空間に配置された１つの発電ステーション１２に設置し、受信アンテナ２を受電設備９に設置し、上記発電ステーション１２において太陽光発電した電気エネルギーを複数の上記複数の送信アンテナ素子１から受電設備９の受信アンテナ２に無線送電するものである。ここでは、発電ステーション１２は複数の送電パネル１３で構成され、複数の送電パネル１３の間を可動接続手段で接続している。なお、一般に剛性の関係から複数の送電パネル１３の間は可動状態にされる。また、それぞれの送電パネル１３は、発電ステーション１２に配置された複数の送信素子アンテナ１の１つ以上の送信アンテナ素子１および太陽電池などを備えて形成されている。
【００２２】
次に動作について図４と図５を用いて説明する。複数の送電パネル１３では、太陽電池で太陽光を集光して電気エネルギーに変換する。一方、受電設備９に設置された受信アンテナ２の設置場所から、パイロット信号として送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調したレーザー光３が出射される。そして、レーザー光３は、送信アンテナ素子１ごとに設置された受光素子５で受光され、光から電気信号に変換される。なお、レーザー光３は送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調されているので、受光素子５で変換された電気信号の周波数は送信アンテナの送信電波の周波数と同じである。受光素子５から出力された電気信号は、低雑音増幅器１０によって増幅された後、位相共役回路６を通って位相項の符号が逆転され、電力増幅器１１に入力される。電力増幅器１１では、送電パネル１２において発電された電気エネルギーによって、電気信号を電力増幅する。そして、増幅された電気信号はそれぞれの送信アンテナ素子１から送信電波７として送信される。
したがって、実施の形態１と同じ原理により、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４は、自動的に受信アンテナ２の方向を向き、送信された電波４は、受電設備９に設置された受信アンテナ２で受信される。
【００２３】
このような宇宙太陽光発電システムでは、通常、各送電パネル１３と受電設備９の間の距離が時間とともに変化する。しかしながら、この発明の実施の形態１に係るレトロディレクティブアンテナ装置を用いれば、パイロット信号としてレーザー光３を利用することにより、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４を自動的に受電設備９に設置された受信アンテナ２の方向に向けることができる。
【００２４】
以上のように、パイロット信号としてレーザー光３を用いる場合には、パイロット信号の受信手段となる受光素子５が、従来の電波によるパイロット信号の受信用アンテナより小型・軽量であるため、送信アンテナ全体を小型化・軽量化することができる。また、パイロット信号としてレーザー光３を用いているので、送信アンテナにおけるパイロット受信波と送信電波のカップリングが生じない。さらに、送信アンテナ素子１ごとに、受光素子５、位相共役回路６を設置しているので、前述の実施の形態１と同様に演算処理をせず、複数の送信アンテナ素子１により合成された送信電波の主ビーム４を高速かつ自動的に受信アンテナ２の方向に向けることができる。
【００２５】
従って、パイロット受信波と送信アンテナ素子の送信電波のカップリングがなく、かつ小型・軽量なレトロディレクティブアレーアンテナ装置を用い、各送電パネルと受電設備の間の距離が時間とともに変化する場合にも、送信電波の主ビームを高速かつ自動的にパイロット信号の到来方向に向けることができる宇宙太陽光発電システムを得られる。
【００２６】
なお、以上の実施の形態１〜３において、受信アンテナ２および受電設備９が設置される場所はこの発明においては限定するものではない。地上、小電力モバイル機器、宇宙に設置された他の衛星や宇宙ステーション等、あらゆる場所が想定される。
【００２７】
また、送信アンテナの送信電波の周波数でAM変調したレーザー光３の生成方法は、この発明においては限定するものではない。半導体レーザー（レーザーダイオード）等あらゆる発光素子が考えられる。
【００２８】
さらに、受光素子５についても、この発明においては限定するものではない。フォトダイオード、フォトトランジスタ等あらゆる受光素子が考えられる。
【００２９】
また、レーザー光３の変調周波数と、送信アンテナからの送信電波の周波数を同一にする必要もない。受光素子５で検出された電気信号を逓倍または分周などにより適切な周波数に変換した後、送信アンテナから送信することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この実施の形態１に係るレトロディレクティブアレーアンテナ装置における複数の送信アンテナ素子と受信アンテナの送受信関係を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る送信アンテナの構成説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る、レトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた無線電力伝送システムである宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る送信アンテナの構成説明図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る、レトロディレクティブアレーアンテナ装置を用いた無線電力伝送システムである宇宙太陽光発電システムの構成を示す構成説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  送信アンテナ素子、２  受信アンテナ、３  レーザー光、４  主ビーム、５  受光素子、６  位相共役回路、７  電波、８  発電衛星、９  受電設備、１０  低雑音増幅器、１１  電力増幅器、１２  発電ステーション、１３  送電パネル。
【図１】
2005328650.tif 000003
【図２】
2005328650.tif 000004
【図３】
2005328650.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005328650.tif 000007