(57)【要約】【課題】回路規模の増大を招くことなく、より効率的に、各電力送信装置から送信されるマイクロ波がレクテナ基地局において受信される際の位相を揃えると共に、各電力送信装置で異常が発生した場合の送電効率の低下を抑制する無線電力伝送システム、電力送信装置及びレクテナ基地局を得る。【解決手段】レクテナ基地局４のモニタアンテナ２５で受信したマイクロ波の電波強度を用いてＲＥＶ法に基づく演算を行うことで、電力送信装置１の位相を調整するだけでなく、電力送信装置１の異常検出にＲＥＶ法の測定結果を用いることで、回路規模の増大を抑えると共に、異常が発生した電力送信装置１に対する電力供給を配電部３２によって停止することで、システム全体の効率低下を回避する。【選択図】図４
2012217323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとにマイクロ波を生成する複数の電力送信装置からレクテナ基地局にマイクロ波を送信し、上記レクテナ基地局で受信して直流電力に変換する無線電力伝送システムにおいて、
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、ＲＥＶ法による演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記ＲＥＶ法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備え、
上記複数の電力送信装置はそれぞれ、上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記パイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、このパイロット信号受信アンテナにより受信したパイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記位相監視制御部からの上記コマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えた
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項２】
上記位相監視制御部は、上記ＲＥＶ法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さい場合は、当該電力送信装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送システム。
【請求項３】
異常が発生した当該電力送信装置は、上記位相監視制御部の指示により上記配電部を介して上記増幅器への電力供給を停止することを特徴とする請求項１または２記載の無線電力伝送システム。
【請求項４】
上記位相監視制御部は、上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度と位相変化にもとづき、上記ＲＥＶ法による演算を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の無線電力伝送システム。
【請求項５】
太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとにマイクロ波を生成する複数の電力送信装置から送信されるマイクロ波を受信して直流電力に変換するレクテナ基地局において、
上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、ＲＥＶ法による演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記ＲＥＶ法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備えたことを特徴とするレクテナ基地局。
【請求項６】
太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとに生成したマイクロ波を、レクテナ基地局に送信する電力送信装置において、
上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記レクテナ基地局からのパイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、受信した上記パイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記レクテナ基地局からのコマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えた
ことを特徴とする電力送信装置。
【請求項７】
電源装置から供給される電力をもとにマイクロ波を生成し、監視制御装置の指示する方向にマイクロ波を指向させる複数の電力送信装置からレクテナ基地局にマイクロ波を送信し、上記レクテナ基地局で受信して直流電力に変換する無線電力伝送システムにおいて、
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナで生成した電力を合成する整流合成部を備え、
上記複数の電力送信装置はそれぞれ、マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記レクテナ基地局の方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記監視制御装置からの制御コマンドに基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記電源装置から供給された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備え、
上記監視制御装置は、上記電力送信装置の近傍に配置されたモニタアンテナが受信する上記マイクロ波の電波強度を基に、ＲＥＶ法演算により上記レクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更する制御コマンドを生成し、かつ上記ＲＥＶ法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
【請求項８】
上記監視制御装置は、上記ＲＥＶ法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さい場合は、当該電力送信装置に異常が発生したと判定することを特徴とする請求項７記載の無線電力伝送システム。
【請求項９】
異常が発生した当該電力送信装置は、上記監視制御装置の指示により上記配電部を介して上記増幅器への電力供給を停止することを特徴とする請求項７または８記載の無線電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとに生成したマイクロ波を複数の送信装置から送信し、これを受信装置により受信して電力を生成する無線電力伝送システム、これに用いる電力送信装置及びレクテナ基地局に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、宇宙空間の軌道上に配置された発電用の衛星から、地上の受信装置であるレクテナ基地局へマイクロ波による電力伝送を行う従来の無線電力伝送システムが記載されている。
この従来の無線電力伝送システムでは、レクテナ基地局から送信されるパイロット信号を、発電用の衛星において受信し、レクテナ基地局に対してパイロット返信信号を送信するというものである。パイロット信号はスペクトル拡散変調がされており、各衛星にパイロット信号を識別して基準位相を取り出す。
一方、パイロット返信信号にもスペクトル拡散変調が施され、レクテナ基地局において、各パイロット返信信号の位相情報を抽出して各発電用の衛星の位相遅延が求められ、この位相遅延をパイロット信号の位相に反映するフィードバック系を形成することによって、各発電用の衛星からのマイクロ波の位相を揃え、より大きな電力を得ようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１９８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された従来の無線電力伝送システムによれば、地上のレクテナ基地局では、送信するパイロット信号の拡散変調を行い、受信したパイロット返信信号の逆拡散復調を行う回路と、逆拡散により得られた各衛星のパイロット返信信号の位相を比較して、これを一致させるべくフィードバックする回路が必要となり、設備が増大するという問題点がある。
【０００５】
また、軌道上の各衛星においても、パイロット信号を逆拡散復調し、パイロット返信信号を拡散変調して生成するための回路が必要となり、回路規模が増大するという問題点とともに、これらの回路を駆動するための電力が必要となり、光電変換によって生成された電力の一部がパイロット信号関係の回路によって消費され、全体の送電効率が低下するという問題点もあった。
さらに、パイロット信号の送受信により、各衛星からのマイクロ波の位相を揃えることは出来ても、衛星側で発生した異常の検出、及びそれに伴って送電効率が低下するという問題点もあった。  
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、回路規模の増大を招くことなく、より効率的に、各電力送信装置から送信されるマイクロ波がレクテナ基地局において受信される際の位相を揃えると共に、各電力送信装置で異常が発生した場合の送電効率の低下を抑制する無線電力伝送システム、電力送信装置及びレクテナ基地局を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る無線電力伝送システムは、太陽光を受けて光電変換し、得られた電力をもとにマイクロ波を生成する複数の電力送信装置からレクテナ基地局にマイクロ波を送信し、上記レクテナ基地局で受信して直流電力に変換する無線電力伝送システムにおいて、
上記レクテナ基地局は、上記マイクロ波を受信するレクテナと、上記レクテナの近傍に設けられ、上記マイクロ波を受信するモニタアンテナと、上記複数の電力送信装置へパイロット信号を送信するパイロット信号送信アンテナと、ＲＥＶ法の測定に基づく演算により上記モニタアンテナで受信されるマイクロ波の電波強度、またはレクテナで変換される直流電力が最大になるように、上記複数の電力送信装置におけるマイクロ波の位相を変更するコマンド信号を生成し、かつ、上記ＲＥＶ法の測定結果から上記複数の電力送信装置の異常を判定する位相監視制御部を備え、上記複数の電力送信装置はそれぞれ、上記マイクロ波を上記レクテナ基地局へ送信する複数の送信アンテナ素子と、上記パイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナと、このパイロット信号受信アンテナにより受信したパイロット信号の到来方向を検出する追尾受信機と、この追尾受信機により検出したパイロット信号の到来方向に、上記複数の送信アンテナ素子から送信するマイクロ波が指向するように位相調整を行うビーム駆動制御部と、上記位相監視制御部からの上記コマンド信号に基づいて、上記マイクロ波の位相変更を行う位相制御部と、上記太陽光から変換された電力を用いて上記マイクロ波を増幅する複数の増幅器と、上記各増幅器への電力供給を制御する配電部を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、複数の電力送信装置からのレクテナ基地局に送信されるマイクロ波の位相が揃うように、電力送信装置の位相を調整するので、回路規模の増大を抑制することができる。さらに、電力送信装置の異常を判定し、異常が発生した電力送信装置への電力供給を停止することで、異常が発生した場合の送電効率の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送システムの構成を示す構成図である。
【図２】実施の形態１における電力送信装置の位置及び姿勢変化の例を示す模式図である。
【図３】実施の形態１における電力送信装置の送信パネルの外形を示す外形図である。
【図４】実施の形態１における電力送信装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】実施の形態１におけるレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】実施の形態１における無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２に係る無線電力伝送システムの構成を示す構成図である。
【図８】実施の形態２における電力送信装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】実施の形態２におけるレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。
【図１０】実施の形態２における無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送システム、レクテナ基地局及び電力送信装置について図１乃至図５を用いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送システムの構成図であり、図１（ａ）は離散的に配置される電力送信装置からマイクロ波伝送するケースを、図１（ｂ）は機械的に結合された複数の電力送信装置からマイクロ波伝送するケースを表わしている。尚、図１（ａ）や図１（ｂ）における電力送信装置を含む送信側装置は、宇宙空間に配置されるものや、地球上や成層圏などに配置されるものなどが考えられる。
図１（ａ）において、１は太陽光を受けて光電変換して電力を生成し、マイクロ波により送電する電力送信装置である。２は各電力送信装置１の基準信号の源振信号を統制する源振統制装置であり、３は源振統制装置２からの基準信号を受信する受信アンテナであるが、源振統制装置２と各電力送信装置１との間の基準信号の送受信は、無線伝送であっても有線伝送であっても良い。４は電力送信装置２からのマイクロ波を受信して電力を生成するレクテナ基地局であり、５は複数のマイクロ波受信アンテナ及び整流回路からなるレクテナである。レクテナ基地局４は後述するパイロット信号送信アンテナを有し、電力送信装置１へ向けてパイロット信号を送信する。レクテナ５及びパイロット信号送信アンテナはレクテナ基地局４の一部をなす。
図１（ｂ）において、６は複数の電力送信装置１を結合する機械的構造体であり、源振統制装置２と各電力送信装置１との間で基準信号の送受信を行うことについては上述のとおりである。
【００１１】
各電力送信装置１はそれぞれマイクロ波をレクテナ基地局４へ向けて送信し、レクテナ基地局４内のレクテナ５によりマイクロ波が受信され合成されるが、このレクテナ５による受信の際に位相が相互にずれていると、レクテナ基地局４で生成される電力は低下することとなる。このような位相のずれは、各電力送信装置１で生成するマイクロ波の基準となる基準信号の位相ずれや、各電力送信装置１の位置変化や姿勢変化を要因として発生する。
図２は電力送信装置１に設けられた電力伝送用のマイクロ波送信アンテナ７の位置及び姿勢変化の例を示しており、個々のマイクロ波送信アンテナ７に生じている姿勢の変化を方位方向の角度変化θＡＺ、仰角方向の角度変化θＥＬで表わし、位置の変化を１つの仮想平面Ｓからの距離ΔＬで表わす。姿勢の変化（θＡＺ、θＥＬ）が生じることによって、各電力送信装置１から送信されるマイクロ波の方向がレクテナ５の方向からずれるので、これを補正するためにパイロット信号が用いられる。即ち、各電力送信装置１はパイロット信号を受信して到来方向を求め、パイロット信号の到来方向へマイクロ波の送信方向が指向するように制御される。また、位置の変化ΔＬが生じることによって、各電力送信装置１から送信されるマイクロ波は装置毎にその変化ΔＬ分の位相ずれを生じることになる。この位置変化ΔＬに起因して生じる位相ずれを補正するための装置構成について検討する必要が生じるものである。
【００１２】
次に、この発明の実施の形態１に係る電力送信装置及びレクテナ基地局の構成を図３乃至図５に基づき説明する。
図３は電力送信装置１に設けたマイクロ波送信アンテナ７の送信パネルの外形を示す外形図であり、８は基板、９は基板８の面上にアレイ配置され、マイクロ波を送信する複数の送信アンテナ素子、１０はパイロット信号を受信するパイロット信号受信アンテナである。送信アンテナ素子９は基板８の面上にアレイ配置されており、基板８に設けた給電線路によりマイクロ波給電されている。
【００１３】
図４は電力送信装置１の構成を示す機能ブロック図である。
図４において、１１は源振統制装置２から入力される基準信号の入力端子、１２は基準信号を逓倍しマイクロ波を出力する逓倍器、１３はマイクロ波の位相を調整する移相器、１４はマイクロ波を各送信アンテナ素子９に分配する分配器、１５は分配されたマイクロ波の位相を調整する移相器、１６はマイクロ波を増幅する増幅器である。１７は光電変換部、３２は増幅器１６へ供給される電力のＯＮ／ＯＦＦをコマンド判別器２１からのコマンドに基づいて切換える配電部であり、光電変換部１７にて生成した電力を配電部３２経由で増幅器１６へ入力して所定の電力レベルのマイクロ波が生成され、増幅器１６に接続された送信アンテナ素子９から空間へ放射される。増幅器１６と送信アンテナ素子９との接続は、１対１に接続されていても良いし、１対４のように１個の増幅器１６に対して複数個の送信アンテナ素子９が接続されるものでも良い。１８はパイロット信号受信アンテナ１０から得られる和信号及び差信号に基づきパイロット信号の到来方向（θＡＺ、θＥＬ）を求める追尾受信機であり、１９はパイロット信号の到来方向（θＡＺ、θＥＬ）へ送信アンテナ素子９から送信するマイクロ波が指向するように各移相器１５の移相量を求めるビーム駆動制御部である。２０は追尾受信機１８により受信したパイロット信号の和信号からコマンド信号を復調する復調器、２１は電力送信装置１に付された識別符号（この識別符号を自己の識別符号として記憶しているものとする。）と、復調器２０により復調して検出された制御信号に含まれる識別符号とを比較し、符号が一致している場合に、制御信号に含まれるコマンドを出力するコマンド判別器、２２はコマンド判別器２１からのコマンドに基づき、ＲＥＶ法（素子電界ベクトル回転法：ＲＥＶは、Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｖｅｃｔｏｒの略語）に関連する位相調整制御を行うＲＥＶ制御部、２３は移相器１３及び移相器１５に対して位相設定する位相制御部である。
【００１４】
図５はレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。図５において、２４はレクテナ５により受信したマイクロ波を整流して合成し電力生成する整流合成部であり、２５は電力送信装置１から送信されたマイクロ波を受信するモニタアンテナであり、２６はモニタアンテナ２５により受信したマイクロ波の電波強度を検出する受信機である。ここで、レクテナ５とモニタアンテナ２５とは、ともに電力送信装置１の複数の送信アンテナ素子９から送信されるマイクロ波を受信するものであり、レクテナ５の近傍にモニタアンテナ２５は配置されるが、好ましくはレクテナ５の開口面上の略中央にモニタアンテナ２５を設ける。
２７は電波強度Ｐを監視し、各電力送信装置１の位相制御を行う位相監視制御部である。２８はパイロット信号を生成し出力するパイロット信号送信部、パイロット信号送信部２８において、２９は位相監視制御部２７から出力されるコマンド信号（制御対象の電力送信装置１の識別符号を含む）によりパイロット信号の搬送波を変調する変調器、３０はパイロット信号を増幅等してパイロット信号送信アンテナ３１へ出力する送信機である。
【００１５】
次に動作について説明する。レクテナ基地局４のパイロット信号送信アンテナ３１から送信されたパイロット信号は、電力送信装置１のパイロット信号受信アンテナ１０により受信される。図３にはパイロット信号受信アンテナ１０の構成の一例が示されており、この例では、基板８の面上中央に設けた５つのアンテナ素子により構成されている。
追尾受信機１８はパイロット信号受信アンテナ１０により受信した信号を合成して、ＡＺ方向の和信号及び差信号を、ＥＬ方向の和信号及び差信号を生成する。追尾受信機１８は、パイロット信号のＡＺ方向及びＥＬ方向が変化することにより、これらの和信号、差信号の値が変化する性質を利用して、パイロット信号の到来方向であるθＡＺとθＥＬとを求め出力する。
ビーム駆動制御部１９はパイロット信号の到来方向である（θＡＺ、θＥＬ）方向へマイクロ波送信するために、各移相器１５に設定する位相量を算出し位相制御部２３へ出力し、位相制御部２３は入力された位相量により各移相器１５の位相を設定する。
このような動作によって、図２に示した位置及び姿勢の変化のうち、姿勢により生じるレクテナ基地局４のレクテナ５の方向と電力送信装置１から送信するマイクロ波の指向方向とのずれが補正される。なお、パイロット信号受信アンテナ１０の構成及び配置は、図３に示すものに限られるものではなく、上記のようにパイロット信号到来方向の２次元的な変化に対応して和信号及び差信号の値が変化するものであればよい。
【００１６】
とくに電力送信装置１の初期及び定期メンテナンスにおける各送信アンテナ素子９の位相調整には、ＲＥＶ法を用いた移相器１５の調整方法を用いることができる。図４に示すＲＥＶ制御部２２からは、このＲＥＶ法に基づき位相設定値が出力され、位相制御部２３はＲＥＶ制御部２２から入力された位相設定値により移相器１５の移相を設定する。ＲＥＶ法は複数の移相器１５のうち１つの移相器の位相を回転し、そのときの合成波の電波強度を計測していき、これをすべての移相器１５に対して行い、計測した電波強度に基づき、基板面正面方向への放射電波が最大となる各移相器１５の位相設定値を求めるものである。電波強度の計測には、基板８の面上又は近傍にプローブアンテナを設ける計測方法や、レクテナ基地局４のモニタアンテナ２５を用いる計測方法がある。なお、電力送信装置１の初期及び定期メンテナンスにおいて、電力送信装置１毎に単独で行う位相調整では、調整対象とする電力送信装置１はマイクロ波送信し、それ以外の電力送信装置１のマイクロ波送信は停止しておく。各移相器１５の位相を回転して、受信機２６により計測した電波強度（又は電波強度と位相）に基づいて、ＲＥＶ法によって位相調整量を求める演算は位相監視制御部２７で行い、求めた位相調整量をコマンド信号に格納し、パイロット信号に重畳して電力送信装置１へ送信する。電力送信装置１では受信したパイロット信号からコマンド判別器２１によってコマンドを再生し、ＲＥＶ制御部２２により格納された位相調整量を位相制御部２３へ出力する。
【００１７】
また、ＲＥＶ法によって位相調整量を求める演算を電力送信装置１のＲＥＶ制御部２２で行うことも可能である。この場合、各移相器１５の位相を回転して、受信機２６により計測した電波強度（又は電波強度と位相）のデータを位相監視制御部２１でコマンドに格納し、パイロット信号に重畳して電力送信装置１へ送信する。ＲＥＶ制御部２２では、再生された電波強度のデータに基づきＲＥＶ法によって位相調整量を求める演算を行い、位相調整量を位相制御部２３へ出力する。
なお、ＲＥＶ法によって位相調整量を求める演算は、例えば「電子通信学会論文誌'82/5. Vol. J65-B No.5 555-560頁「フェイズドアレーアンテナの素子振幅位相測定法―素子電界ベクトル法―」などに示されるように、広く知られている。
【００１８】
次に図２に示した位置変化ΔＬによって生じる電力送信装置１間の位相ずれを補正する処理の一例について説明する。レクテナ基地局４の位相監視制御部２７は、まず電力送信装置１をその識別符号により指定し、当該電力送信装置１の移相器１３に対して、位相の変更を指令するコマンド信号（指定した識別符号を含む）をレクテナ基地局４からパイロット信号に重畳して送信する。識別符号が一致する電力送信装置１は、コマンド信号に基づき、移相器１３の移送量を所定量変更する。この変更によって、レクテナ基地局４のモニタアンテナ２５で受信されるマイクロ波の電波強度Ｐが変化し、レクテナ基地局４の受信機２６で検出される。この移相器１３への移相量変更指示及び受信機２６での検出を、移相器１３の全移相状態数回だけ繰り返して、次の電力送信装置１への移相量変更指示に移る。
これを順々に電力送信装置１毎に繰り返して行っていくことにより、マイクロ波の電波強度Ｐを取得し、ＲＥＶ法に基づく演算によって、それぞれの電力送信装置１の送信パネル全体の位相を一律に変更する位相調整量（移相器１３の位相調整量）を求めることができる。なお、ここで説明したＲＥＶ法は、受信機２６で検出したマイクロ波の電波強度Ｐではなく、整流合成部２４が出力する直流電力の大きさを用いてもよい。
【００１９】
なお、電波強度Ｐのみだけでなく、マイクロ波の位相変化も測定して、ＲＥＶ法に基づく演算によって、それぞれの電力送信装置１の送信パネル全体の位相を一律に変更する位相調整量（移相器１３の位相調整量）を求めるようにしてもよい。
特開２００１−２０１５２６号公報に詳しく説明されている修正されたＲＥＶ法によれば、マイクロ波の電波強度と位相とを計測していき、これらの計測結果に基づいて、ＲＥＶ法の対象となる移相器の全移相状態に応じた振幅誤差及び位相誤差を考慮した高精度な位相調整を行うこともできる。
図５に示すようにレクテナ基地局４のモニタアンテナ２５には受信機２６が接続されており、この受信機２６によって、電力送信装置１から送信されたマイクロ波の合成波の電波強度と位相が検出されるので、上記の修正されたＲＥＶ法を用いて、電力送信装置１毎に移相器１５の高精度な位相調整を行うこともできる。
【００２０】
図５に示したレクテナ基地局４は、位相監視制御部２７が電力送信装置２の識別符号を指定し、この識別符号を含むコマンド信号を変調器２９へ出力することにより、変調器２９においてパイロット信号にコマンド信号が重畳され、送信機３０で送信されることにより、「位相の変更を指令する」ことが実行される。
図４に示す電力送信装置１は、パイロット信号受信アンテナ１０により受信し追尾受信機１８により合成された和信号を復調して、パイロット信号に重畳されたコマンド信号（識別符号を含む）を再生し、コマンド判別器２１は予め記憶している識別符号と比較して一致する場合にコマンドをＲＥＶ制御部２２へ出力し、ＲＥＶ制御部２２はコマンドを受けて位相制御部２３へ移相器１３の位相変更を指示する。
【００２１】
以上のように、レクテナ基地局４からの指令に基づいて次々と各電力送信装置１の位相を変更していき、レクテナ基地局４に設けたモニタアンテナ２５と受信機２６によりマイクロ波の電波強度Ｐ（又は電波強度Ｐ及び位相φ）を検出し、位相調整を行うことにより、図２に示した位置変化ΔＬに伴う、マイクロ波の位相ずれの補正ができるとともに、各電力送信装置１に供給される基準信号の位相についても内包されて、この位相調整によって補正されることになり、各電力送信装置１からの位相ずれが補正されてレクテナ基地局４において、より大きな電力を得ることができる。
また、従来技術に開示されたような発電用の衛星側にパイロット返信信号を送信するための拡散変調器や送信機を持たせる必要がないので、回路規模の増大を抑えることができ、軽量化が図られるとともに装置の信頼性を向上することができる。また、パイロット信号にコマンド信号を重畳して送信することによって、電力送信装置１側のコマンド信号の受信系をパイロット信号の受信系を用いて構成することができ、さらに回路規模の縮小化を図ることができる。
【００２２】
次に無線電力伝送システム全体の動作を、図６を用いて説明する。図６はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
ステップＳ１では、レクテナ基地局４の位相制御監視部２７によって、電力送信装置１から送信されるマイクロ波をモニタアンテナ２５で受信し、受信機２６で検出した電波強度Ｐをモニタする。検出した電波強度Ｐがしきい値Ｐ１より大きいかどうかをステップＳ２により判定する。電波強度Ｐがしきい値Ｐ１よりも大きい場合は、システムが正常であると判断して、パイロット信号を用いて電力送信装置１に電力送信開始の指示を送る。
【００２３】
また、電波強度Ｐがしきい値Ｐ１よりも小さい場合は、図２に示した電力送信装置１の位置変化及び姿勢変化などを要因とする位相ずれが発生していると判断し、ステップＳ３におけるＲＥＶ法の実施を指示する。ステップＳ３のＲＥＶ法測定が終了した時点で、ステップＳ４にて電力送信装置１の電力送信を一時停止した後、ステップＳ５にて位相制御監視部２７は、ＲＥＶ法測定データを基に全ての系統について異常が発生していないかの判定を行う。位相監視制御部２７でＲＥＶ法の測定結果から、各電力送信装置１に対する位相補正値を算出する際に、各電力送信装置１の振幅寄与も同時に算出される。この振幅寄与は全電力送信装置１でほぼ一定であり、装置間の製造ばらつき等を考慮して異常が発生しているかの判定に用いるしきい値を決定すればよく、この場合には、位相監視制御部２７は、ＲＥＶ法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さいとき、当該電力送信装置に異常が発生したと判定する。
なお、電波強度Ｐだけでなく位相φまで用いた高精度なＲＥＶ法の場合は、各電力送信装置１の移相量についても異常が発生していないかの判定ができる。この場合は、移相量の実力値が把握できていれば、その実力値の範囲を勘案してしきい値を決定する。
【００２４】
電力送信装置１は光電変換部１７から出力される電力をレクテナ基地局４に送信する装置であるため、できるだけ効率よく電力を送信する必要がある。そこで、ＲＥＶ法によって異常があると判断された電力送信装置１に電力を供給すると、電力の無駄が発生してしまう。これを回避するために、ステップＳ５にて異常ありと判定された場合は、ステップ１１にて異常が発生した電力送信装置１に対して、電力の供給をストップする指示をパイロット信号を用いて送信する。指示を受けた電力送信装置１は、配電部３２によって増幅器１６への電力供給を停止する。さらにステップＳ１２では、異常が発生した電力送信装置１の数Ｎが一定値Ｎ１を超えた場合に、ステップＳ２１でオペレータに対して装置の交換を指示する。このとき、無線電力伝送システムとして、最低限の電力伝送が実現できるだけの電力送信装置１の数をＮ１として予め設定しておき、ステップＳ１２の判定に供する。
【００２５】
電力送信装置１に異常がない場合、または異常が発生した電力送信装置１の数ＮがＮ１を超えない場合は、ステップＳ６で電力送信を再開する。これによって、電力送信装置１の位置変化や姿勢変化等による位相ずれ、電力送信装置１の異常発生に伴う送信電力の無駄発生を回避できる。さらに、異常が発生した電力送信装置１の数が多くなり、無線電力伝送システムとしての運用が困難な場合でも、延々とＲＥＶ法による位相調整を繰り返すのではなく、装置交換をオペレータに指示することで、早期の復旧が可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電力送信装置及びレクテナ基地局の構成を図７乃至図１０に基づき説明する。図７はこの発明の実施の形態２に係る無線電力伝送システムの構成図であり、離散的に配置される電力送信装置からレクテナ基地局へのマイクロ波伝送を表している。実施の形態２は実施の形態１に対して、レクテナ基地局の構成を簡素化したものであり、図７における電力送信装置を含む送信側装置とレクテナ基地局は地上に設置される。
図７において、電力送信装置１は監視制御装置４１からの制御コマンドにより送電し、源振統制装置２は各電力送信装置１の基準信号を統制する。モニタアンテナ２５は電力送信装置１のアンテナ面近傍に設置され、受信機２６はモニタアンテナ２５で受信したマイクロ波の電波強度を監視制御装置４１に出力する。監視制御装置４１は各電力送信装置１に対して制御コマンドを出力する。レクテナ基地局４はレクテナ５により電力送信装置１からのマイクロ波を受信して電力する。
【００２７】
各電力送信装置１はそれぞれマイクロ波をレクテナ基地局４へ向けて送信し、レクテナ基地局４内のレクテナ５によりマイクロ波が受信され合成されるが、このレクテナ５による受信の際に位相が相互にずれていると、レクテナ基地局４で生成される電力は低下することとなる。このような位相のずれは、各電力送信装置１で生成するマイクロ波の基準となる基準信号の位相ずれや、各電力送信装置１の位置変化や姿勢変化を要因として発生する。
【００２８】
図８は電力送信装置１の構成を示す機能ブロック図である。図８において、１１は源振統制装置２から入力される基準信号の入力端子、１２は基準信号を逓倍しマイクロ波を出力する逓倍器、１３はマイクロ波の位相を調整する移相器、１４はマイクロ波を各送信アンテナ素子９に分配する分配器、１５は分配されたマイクロ波の位相を調整する移相器、１６はマイクロ波を増幅する増幅器である。４２は電源装置、３２は増幅器１６へ供給される電力のＯＮ／ＯＦＦをコマンド判別器２１からのコマンドに基づいて切換える配電部であり、電源装置４２から供給される電力を配電部３２経由で増幅器１６へ入力して所定の電力レベルのマイクロ波が生成され、増幅器１６に接続された送信アンテナ素子９から空間へ放射される。増幅器１６と送信アンテナ素子９との接続は、１対１に接続されていても良いし、１対４のように１個の増幅器１６に対して複数個の送信アンテナ素子９が接続されるものでも良い。
ビーム駆動制御部１９はコマンド判別器２１からのコマンドに基いて送信アンテナ素子９から送信するマイクロ波が指向するように各移相器１５の移相量を求める。コマンド判別器２１は電力送信装置１に付された識別符号（この識別符号を自己の識別符号として記憶しているものとする。）と、監視制御装置４１からの制御コマンドとを比較し、符号が一致している場合に制御コマンドを出力し、ＲＥＶ制御部２２はコマンド判別器２１からのコマンドに基づき、ＲＥＶ法に関連する位相調整制御を行う。位相制御部２３は移相器１３及び移相器１５に対して位相設定を行う。
【００２９】
図９はレクテナ基地局の構成を示す機能ブロック図である。レクテナ５は電力送信装置１から送信されたマイクロ波を受信し電力を生成する。整流合成部２４はレクテナ５で生成された電力を合成し出力する。
【００３０】
次に動作について説明する。監視制御装置４１は、電力送信装置１から見たレクテナ基地局の方向を制御コマンドとして電力送信装置１に出力する。ここで、電力送信装置１から見たレクテナ基地局の方向は既知の情報である。ビーム駆動制御部１９は制御コマンドに基いて各移相器１５に設定する位相量を算出し位相制御部２３に出力し、位相制御部２３は入力された位相量により各移相器１５の位相を設定する。
【００３１】
単独の電力送信装置１の初期及び定期メンテナンスにおける各送信アンテナ素子９の位相調整には、ＲＥＶ法を用いた移相器１５の調整方法を用いることができる。メンテナンス対象の電力送信装置１だけでマイクロ波を送信し、各移相器１５の位相を回転して受信機２６により計測した電波強度に基づいて、ＲＥＶ法に基づく位相調整量を求める演算を監視制御装置４１で行う。求めた位相調整量は制御コマンドとしてＲＥＶ制御部２２に格納される。このとき、モニタアンテナ２５は電力送信装置１のアンテナ面近傍に配置されるため、予めアンテナ面から十分遠方に配置されたときの位相調整量との差を補正するように位相調整量を算出する。なお、モニタアンテナ２５は電力送信装置１のアンテナ面と同一面に配置しても良い。
【００３２】
次に電力送信装置１間の位相ずれを補正する処理の一例について説明する。まず電力送信装置１をその識別符号により指定し、当該電力送信装置１の移相器１３に対して、位相の変更を指令する制御コマンド（指定した識別符号を含む）を監視制御装置４１から電力送信装置１に対して送信する。識別符号を変えながら、全ての電力送信装置１に対して移相器１３の位相を回転して、受信機２６により計測した電波強度に基づいてＲＥＶ法に基づく演算を監視制御装置４１で行うことで、電力送信装置１間の位相ずれに対する位相調整量を求めることができる。
【００３３】
次に無線電力伝送システム全体の動作を、図１０を用いて説明する。図１０はこの発明の実施の形態２に係る無線電力伝送システムの運用フローを示すフローチャートである。
ステップＳ１で、電力送信装置１からマイクロ波を送信し、定期メンテナンスを行う時間が経過するかをステップ２により判定する。一定時間が経過したら、監視制御装置４１からステップ３におけるＲＥＶ法の実施を電力送信装置１に指示する。
【００３４】
ステップＳ３のＲＥＶ法測定が終了した時点で、ステップＳ４にて電力送信装置１の電力送信を一時停止した後、ステップＳ５にて監視制御装置４１は、ＲＥＶ法測定データを基に全ての系統について異常が発生していないかの判定を行う。監視制御部４１でＲＥＶ法の測定結果から、各電力送信装置１に対する位相補正値を算出する際に、各電力送信装置１の振幅寄与も同時に算出される。この振幅寄与は全電力送信装置１でほぼ一定であり、装置間の製造ばらつき等を考慮して異常が発生しているかの判定に用いるしきい値を決定すればよく、この場合には、監視制御装置４１は、ＲＥＶ法の測定結果から得られた相対振幅が予め設定したしきい値より小さいとき、当該電力送信装置に異常が発生したと判定する。
【００３５】
電力送信装置１は電源装置４２から出力される電力をレクテナ基地局４に送信する装置であるため、できるだけ効率よく電力を送信する必要がある。そこで、ＲＥＶ法によって異常があると判断された電力送信装置１に電力を供給すると、電力の無駄が発生してしまう。これを回避するために、ステップＳ５にて異常ありと判定された場合は、ステップ１１にて異常が発生した電力送信装置１に対して、電力の供給をストップする指示を制御コマンドとして送信する。指示を受けた電力送信装置１は、配電部３２によって増幅器１６への電力供給を停止する。さらにステップＳ１２では、異常が発生した電力送信装置１の数Ｎが一定値Ｎ１を超えた場合に、ステップＳ２１でオペレータに対して装置の交換を指示する。このとき、無線電力伝送システムとして、最低限の電力伝送が実現できるだけの電力送信装置１の数をＮ１として予め設定しておき、ステップＳ１２の判定に供する。
【００３６】
電力送信装置１に異常がない場合、または異常が発生した電力送信装置１の数ＮがＮ１を超えない場合は、ステップＳ６で電力送信を再開する。これによって、電力送信装置１の位相ずれ、電力送信装置１の異常発生に伴う送信電力の無駄発生を回避できる。さらに、異常が発生した電力送信装置１の数が多くなり、無線電力伝送システムとしての運用が困難な場合でも、装置交換をオペレータに指示することで、早期の復旧が可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１  電力送信装置
２  源振統制装置
３  基準信号受信アンテナ
４  レクテナ基地局
５  レクテナ
７  マイクロ波送信アンテナ
８  基板
９  送信アンテナ素子
１０  パイロット信号受信アンテナ
１１  基準信号の入力端子
１２  逓倍器
１３  移相器
１４  分配器
１５  移相器
１６  増幅器
１７  光電変換部
１８  追尾受信機
１９  ビーム駆動制御部
２０  復調器
２１  コマンド判別器
２２  ＲＥＶ制御部
２３  位相制御部
２４  整流合成部
２５  モニタアンテナ
２６  受信機
２７  位相監視制御部
２８  パイロット信号送信部
２９  変調器
３０  送信機
３１  パイロット信号送信アンテナ
３２  配電部
４１  監視制御装置
４２  電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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