(57)【要約】      （修正有）【課題】小型の受信アンテナを用いても無線電力伝送が可能な、電力伝送用送信アンテナを提供する。【解決手段】電力伝送用送信アンテナは、アレーアンテナを用いて放射ビームを集束させて、ビーム径を小さくする。アンテナ面上にある放射素子２−Ｎへの給電位相を位相調整素子２’−Ｎで調整して、凹面状の波を形成し、電波ビームが仮想的に焦点を結ぶように放射する。さらに放射素子２−Ｎに給電する振幅と位相の両方を、ガウスビームの分布関数に等しくすることによって、ビームの集束特性を光学的な推定特性に近づけることができる。ビームを振るためには、新たな仮想焦点をアンテナ正面からずらして設定し、旧仮想焦点から新仮想焦点までの距離差分だけ、各放射素子２−Ｎの位相を初期値から変化させる。実際にはビーム径が最小になる位置とその直径は、模擬計算により決定される。【選択図】図２
2016208229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射素子を平面上あるいは曲面上に配列したアレーアンテナにおいて、各放射素子に位相調整素子を装着し、各放射波が仮想的に一点に集束するように、各放射素子の位相を、中心が仮想点である球面との距離差分だけ変化させることを特徴とする電磁波ビーム伝送装置
【請求項２】
請求項1の装置において、各放射素子に位相のみならず振幅も調整する素子を装着し、放射素子の位相と振幅を、ガウスビーム内で各放射素子に相当する位置における振幅と位相にほぼ等しくすることを特徴とする電磁波ビーム伝送装置
【請求項３】
請求項1あるいは請求項２の装置において、仮想的に集束する点をアンテナ正面からずらして設定し、正面の仮想焦点からずらした仮想焦点までの距離差分だけ、各放射素子の位相を初期値からずらすことを特徴とする電磁波ビーム伝送装置
【請求項４】
請求項1、請求項２あるいは請求項３の装置において、アンテナ放射パターンを模擬計算により確定した後、ビーム径が送信アンテナ径よりも小さい位置に受信アンテナを設置することを特徴とする電磁波ビーム伝送装置   
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波によりエネルギーを効率よく送れ、かつ形状を小型にできる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の無線通信では、受信側装置が動いて大きな影響を受けないために、受信アンテナよりはるかに大きい電波ビームを送る必要があった。それに対し電力伝送用アンテナでは、受信アンテナにより大部分のビームを溢れることなく受信できる必要がある。
無線で電力伝送する技術としては、磁界（共振）結合や電界結合、ビーム伝送などがある。本発明は、ある程度（１ｍ程度）以上伝送できるビーム伝送に関するものである。
【０００３】
ビーム伝送において、ビームの制御性を改善する技術がある。特許文献１〜特許文献３であるが、いずれも平面波(無限に広い)の方向を制御することに関するものである。細いビームの存在域を制御するものではない。
細いビームは、エルミートガウスモードで展開できる（非特許文献１）。その実現には、レンズや反射鏡が使われており、アレーアンテナで実現する例は無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願平6-253477  「太陽発電の発送電装置」
【特許文献２】特開2013-005378  「太陽光発電衛星システム及び放射位相設定方法」
【特許文献３】特開2006-287451  「フェーズドアレイアンテナ及びその位相制御方法」．
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三好旦六，光・電磁波論，培風館，1982.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のアンテナの技術、特にアレーアンテナでは電磁波ビームを平行にして放射する。その結果、回折効果のためビームが広がってしまい、放射電力の大部分を受信するためには極めて大きな受信アンテナが必要となってしまう。そのため設備が大掛かりになり、コストがかかってしまう弊害が有った。逆にコストを下げるために受信アンテナを小さくすると、ビームのエネルギーが受信アンテナから溢れてしまい、損失となってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上述べた先行技術の問題点を除くため、アレーアンテナを用いて、放射ビームを平行光線でなく、集束させる。アレーアンテナは、同一面上に小型の放射素子が、1次元あるいは２次元方向に複数配列されている。各放射素子への給電電圧あるいは給電電流の位相さらには振幅も調整して、凹面状の波を形成し、電波ビームが仮想的に焦点を結ぶように放射する。
【発明の効果】
【０００８】
これにより、あたかも巨大なレンズで光を集中させることと同様な効果が得られ、小型の受電アンテナでもビーム全体を受けることができる。そのため、受電アンテナを送電アンテナと、同程度あるいはそれ以下に小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１であり、アレーアンテナの各放射素子に与える位相の、１決定法を示す図である。
【図２】生成されるビームの形状を、模式的に示す側面図である。座標も共に定義している。
【図３】各放射素子に与えられる励振（電圧あるいは電流）の振幅と位相を示す図である。横軸は素子のある座標値、縦軸は振幅（正規化値）と位相（ラディアン）を示す。
【図４】アレーアンテナの放射パターンを、焦点の位置(zr = 1 m)での断面で示す。横軸は座標値、縦軸は正規化電力を示す。
【図５】アレーアンテナの放射パターンを、焦点より近い位置(zr = 0.5m)で示す。
【図６】アレーアンテナの放射パターンを、焦点より遠い位置(zr = 1.5m)で示す。
【図７】仮想焦点の距離を変えた時、実際のビーム径が最小になる位置とその直径を示す図である。
【図８】実施例２であり、アレーアンテナでガウスビームを生成することを、説明するための図である。
【図９】ガウスビームを生成するため、各放射素子に与えられる励振の振幅と位相を示す図である。
【図１０】ガウスビーム生成アレーアンテナの放射パターンを、焦点の位置(zr = 1 m)で示す。
【図１１】ガウスビーム生成アレーアンテナで仮想焦点の距離を変えた時、実際のビーム径が最小になる位置とその直径を示す図である。単なる球面状位相分布と、比較している。
【図１２】実施例３であり、ビームを横方向に振る場合、各放射素子に与える位相の決定法を示す図である。
【図１３】ビームを横方向に振った場合、模擬計算により得られた放射パターンを示す。
【図１４】応用例の1で、電波ビームによるエネルギー輸送システム構成を示す。
【図１５】応用例の2で、災害時に臨時の送電線を敷設する例を示す。
【図１６】応用例の３で、自動車への無接触充電装置を示す。
【図１７】応用例の４で、走行している自動車へ電力供給するシステムを示す。
【図１８】応用例の５で、双方向の無線通信へ適用する例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明では、アレーアンテナを用いる。アレーアンテナは、同一面上に小型の放射素子が、1次元あるいは２次元方向に複数配列されている。各放射素子への給電電圧あるいは給電電流の位相さらには振幅も調整して、凹面状の波を形成し、電波ビームが仮想的に焦点を結ぶように放射する。以下図面を使いつつ、発明を実施する形態を説明する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１は位相のみ調整して、球面波面を形成するものである。各放射素子に与える位相決定法を、図１により説明する。ここでは簡単のため、アレーアンテナは平面状でかつ1次元モデルとする。アンテナ１は、金属板の上に放射素子２が適当な距離をおいて配列されている。素子には番号を、１からNまで振っている。素子単独の放射パターンは、議論を簡単にするため、とりあえず等方性とする。パターンが等方性でない時もほとんどの場合、以後説明する配列パターンに素子パターンを掛ければ良い。またアレーアンテナが２次元あるいは曲面の形状であっても、以下の解析法を適用できる。
【００１２】
アンテナの正面方向3上に受信アンテナ4が置かれている。各素子からの放射波を、アンテナ正面方向で距離zf0にある仮想焦点５に集束させることを考える。そのためには、図中ｎ番目素子について幾何光学的に考えれば、距離ABに相当する位相を加えて給電すればよいことが分かる。すなわち、角度∠FAOをΘnとして、距離AFは次式で表される。
【数１】
2016208229.tif 000003
従ってn番目素子に，次の位相Δnを与えれば良い。
【数２】
2016208229.tif 000004
ただし、k：波数( = 2π / λ)、λ：波長、Θmin ：最も外の素子に対応したΘnである。
【００１３】
図２は、図1のように設計した時の、ビーム形状の側面図を示す。幾何光学的には、直線的なビーム形状１０となるはずである。しかし実際には電波の回折効果のため、曲線状のビーム形状１１のようになる。ビーム径が最小になる位置１１’ は、仮想的な焦点位置すなわち光学的な推定位置と異なる。またその半径は、有限の大きさ１１’’となる。それらは送電アンテナ径、周波数、距離により決まる。従って模擬計算によってはじめて、この給電位相が決定できる。
位相は、各放射素子に付随した位相調整素子２’により、調整できる。随時変化させるには可変移相器を用いるが、一度設定して変えない場合は半固定移相器や長さを決めた伝送線を使うことができる。
【００１４】
図３は、アンテナ寸法１ｍ、放射素子１７個、周波数2.45GHz、素子間隔λ/2（λは波長）のアンテナで、仮想焦点距離１ｍに集束する場合の励振分布を示す。横軸１２は各素子の位置である。縦軸１３は左側が位相をラヂアンで、右側は振幅を相対値で、各々表す。各素子の位置１２において、振幅１３’は一様な値（ここでは１に正規化されている）である。位相１４’は図1の距離ABに応じて決まるので、２次曲線に似た形である。
【００１５】
図３に示した励振分布の時、アンテナ全体から放射されるパターンは、模擬計算の結果図４のようになる。横軸１５は仮想焦点を含む面内の座標値であり、縦軸１６は界(電界あるいは磁界)の強度を相対値で表している。このパターン１６’は、断面パターンを表すことになる。焦点面内のパターンは、理論的に励振分布のフーリエ変換で与えられることが既知であるが、模擬計算でも実際そのようになっていることが示されている。
【００１６】
図５は、仮想焦点とアンテナの中間点を含む面での、断面パターンである。アンテナ面上の励振分布の影響が残っており、ビーム幅がアンテナ寸法１ｍに近い。
【００１７】
図６は、アンテナから仮想焦点までの１．５倍の距離の面で、断面パターンを示す。図4に示したフーリエ変換像が、回折の影響で崩れており、ビーム幅が広くなっていることが分かる。
【００１８】
図4から図6で分かるように、観測する断面の位置によってビーム形状は変わる。受信アンテナの寸法はビームの径（ここでは直径）で決まるので、アンテナの応用上はビームの最小径が重要である。仮想焦点距離１７を一般の変数として、上記の模擬計算を行い、結果を図7にまとめた。ビーム径が最小になる位置zr（左縦軸１８で示す）は、仮想焦点距離が1.2m以下では仮想焦点位置であるが、それ以上になると仮想焦点より近いところで最小になることが示されている。
【００１９】
図７の最小ビーム径１９’は、電力放射パターンで最大値から1/e2になる点間の距離で定義している。右縦軸１９は受信アンテナ径としているが、アンテナ４がこの最小ビーム径をカバーする場合を想定しているためである。例えば仮想焦点距離を1.2ｍにすると、ビームは距離0.98mで最小になり、受信アンテナが前記の最小ビーム径をカバーする場合、0.189mの直径が必要であることが分かる。
【実施例２】
【００２０】
実施例２は位相と振幅を調整して、ガウスビームを形成するものである。図8は、アンテナ１からガウスビーム１１を放射していることを側面図で示している。ガウスビームとは、界分布（この場合断面内パターン）がガウス関数で表されるビームである。従って形状１１は、ある強さの点（例えば、電力強さが1/e2になる点）の変化を表している。形状１１は、z方向に１１’だけ離れた点で最小の幅になる。
位相と振幅は、各放射素子に付随した位相振幅調整素子２’により、調整できる。随時変化させるには可変移相器と可変減衰器を用いるが、一度設定して変えない場合は半固定移相器や長さを決めた伝送線と減衰器を組み合わせて使うことができる。
【００２１】
アレーアンテナによりこのガウスビームを実現するためには、ｎ番目の放射素子に下記の振幅と位相を与えれば良い。
【数３】
2016208229.tif 000005
ここに、w01は最小ビームの半径、 w1(0)はアンテナ面上でのビーム半径、 xnはｎ番目の放射素子の位置座標を表す。また、位相Δn1と位相Δn2は、次式で表される。
【数４】
2016208229.tif 000006
【数５】
2016208229.tif 000007
ここにガウス分布の分散σ2は、次式で表される。
【数６】
2016208229.tif 000008
【００２２】
図9は、w01 = 0.197 m, σ = 0.197 m の場合の励振分布を示す。振幅１３’は一定ではなく、いわゆるガウス型であり、その幅はσで表される。位相１４’は球面の位相分布Δn2に対し、Δn1との分だけバイアスがかかっている。
【００２３】
図９の励振分布の時、模擬計算により得られる放射パターン１６’を、図10に示す。この場合放射パターンもガウス型のパターンであり、サイドローブは低くてほとんど分からない。
【００２４】
仮想焦点の距離６を変えて、ビームが最小直径になる位置１１’とその値１１’’を求めると、図１１となる。仮想焦点距離が1.2くらいまでは、球面位相型とガウスビーム型で変わらないが、それ以上では大きい差が生じる。例えば、仮想焦点距離が2mでの最小位置は、球面位相型で1.4mと近いのに対し、ガウスビーム型では1.8mと遠くで集束するようになる。
【実施例３】
【００２５】
ビームをアンテナ正面方向３から、斜め方向に振る場合がある。そのためには図１２に示すように、アンテナとの距離zf0 の断面内でx方向にxf0２１だけずらした点Ｇに、仮想焦点２０を移す。従って放射素子（Ａ）に与える位相を、距離ＡＧに応じて変えれば良い。特に点Ｇがあまり軸４から離れない場合は近似的に、球面位相型あるいはガウスビーム型の励振位相に対し、次の値Δ3だけ足してやれば良い。
【数７】
2016208229.tif 000009
ここに、ＡＦおよびＡＧが正面方向と成す角度を、各々θn およびθn0 で表している。
【００２６】
このようにして、模擬計算により図１３の放射パターンを得る。この場合ビーム仮想焦点２０は、アンテナとの距離zf0 =1mの断面内で横方向に１ｍずらしている。図から、ビーム振れ幅２２は１ｍとなっていることが分かる。
[応用実施例１]
【００２７】
図１４は、本発明により電磁波エネルギーを水平方向に伝送する応用実施例を示している。発電所側の入力２３から取り込んだ交流電力は、整合器２４により電磁波に変換され、鉄塔２５上の送信アンテナ１に導かれる。本発明により放射波は集束するビーム状になり、受信アンテナ４に到達する。出力整合器２４−２により整流され、直流あるいは交流で、出力２３−２からこの場合基幹系統網に渡される。
【００２８】
ビーム１１は絞られているので、受信アンテナは送電アンテナより小さくて良い。模擬計算により得られたデータで分かるように、ビーム径が最小になるのは、仮想焦点位置５ではなく少し送信アンテナ側に近い点１１’になる。そこに受電アンテナを置けば、寸法を最も小さくできる。反面、送電電力が大きい場合、整流素子の規格を越える場合がある。その場合、むしろ受電面積を広げた方が良いので、受電アンテナを最小ビーム位置１１’からずらすこととなる。
[応用実施例２]
【００２９】
図１５は、図４に示した電力伝送装置を、地震などの災害時に応用する例である。送電鉄塔２７が倒れている。その発電所側の鉄塔２６−１から電力を取り、移動型電力伝送車３０により、他方の鉄塔２６−２に電力を中継する。そして変電所２８を介して、ユーザ２９に電力を届ける。
【００３０】
移動型電力伝送車３０の移動とアンテナ１と４の調整だけで済むので、鉄塔修復と送電線張替をするより、はるかに迅速に電力を復旧し送れる。
[応用実施例３]
【００３１】
図１６は、図４に示した電力伝送装置を、自動車３１への充電に使う例を示す。この場合、鉄塔２５に据え付けられた整合器２４と送信アンテナ１の下に、車が入り受信アンテナ4により電力を受ける。こうすることによりビームの送受効率は９０％以上になる。
[応用実施例４]
【００３２】
図１７は請求項３の発明を応用したもので、道路32上を走っている自動車３１に対し、自動的に電力供給するシステムを示す。車は走るにつれて、３１−１の位置から３１-2の位置に移る。それに応じ電力供給ビーム１１は、１１−１から１１−２に方向を変える。そのためには、送信アンテナ１の各放射素子の励振位相を、順次変化させることとなる。
[応用実施例５]
【００３３】
本発明は、電力伝送だけでなく通信にも応用することができる。例えば、建物３３−１と３３−２の間でビーム１１により、エネルギーすなわち情報のやり取りを行う。通信の場合双方向性が必要なので、アンテナを送信と受信で共用する場合、同一アンテナがこれまで述べた送信アンテナと受信アンテナの役目をすることとなる。従って同じ大きさのアンテナで、ビームの最小点はそれらの中間点に持ってくるのが良い。ただし右向きと左向きの各回線で、送信アンテナと受信アンテナの対を別に設ける場合は、回線間で平衡を取る必要は無く各回線で最適なアンテナを用いれば良い。
【００３４】
このようにすることにより、小さいアンテナにもかかわらず、アンテナから溢れていく電力を少なくなくできる。そのため、送信電力を少なくても十分な通信品質すなわちＳ／Ｎ値を確保できる。またケーブルを引く手間が省け、コストと時間の節約になる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は応用実施例で述べたように、送信と受信アンテナを固定して電線無しで、電力・エネルギーを送る場合に利用できる。例えば、送電線が張りにくいところに、送電することに有効である。災害・緊急時に、送電線が切断されて電力供給が絶たれた地域へ、臨時に送電する。再生可能電力発電所と既存送電網を、安価に接続できる。
【００３６】
本発明によれば、電線が無くても電力・エネルギーを送れるので、移動体への伝送が可能である。例えば電気自動車や列車、さらには飛行体への電力供給に使える。
将来、宇宙で発電し地球へエネルギーを輸送する場合、本提案の技術を応用することができる。
【００３７】
さらに経済効果としては、電力分野の産業界を上記のような新たな分野で活性化することができる。電力輸送を無線で行うことは、電力業界再編成の起爆剤あるいはベンチャー企業の設立を促す可能性がある。
【符号の説明】
【００３８】
１  送信アンテナ
２  放射素子
２−ｎ  n番目の放射素子
２’  位相調整素子
２’−ｎ  n番目の位相調整素子
２’’  位相と振幅の位相振幅調整素子
２’’−ｎ  n番目の位相振幅調整素子
３  送信アンテナ正面方向
４  受信アンテナ
５  仮想焦点
６  送信アンテナから仮想焦点までの距離
７  設計円
８−ｎ  n番目放射素子から仮想焦点までの距離
９  送信アンテナからの受信アンテナまでの距離
１０  初期条件の想定ビーム
１１  実際のビーム形状
１１’  ビーム直径が最小になる位置
１１’’  最小ビーム直径
１２  送信アンテナ上の位置
１３  位相座標
１３’  各放射素子の位相
１４  振幅座標
１４’  各放射素子の振幅
１５  受信アンテナ上の位置
１６  電界レベル座標（相対値）
１６’  電界レベルの変化
１７  送信アンテナから仮想焦点までの距離の座標
１８  ビーム系が最小になる位置の座標
１８’  ビーム系が最小になる位置の変化
１９  ビーム径最小値の座標
１９’  ビーム径最小値の変化
２０  x方向に変化させた仮想焦点
２１  x方向の仮想焦点変化量発電機回転軸
２２  ビーム振れ幅
２３−１  結合部入力側（発電所側） 
２３−２  結合部出力側（基幹系統側） 
２４−１  整合部入力側
２４−２  整合部出力側
２５−１  支柱入力側
２５−２  支柱出力側
２６−１  鉄塔入力側
２６−２  鉄塔出力側
２７  倒れた鉄塔
２８  変電所
２９  ユーザ
３０  移動電力伝送車
３１  自動車
３２  道路
３３−１  通信用建物＃１
３３−２  通信用建物＃２  
【図１】
2016208229.tif 000010
【図２】
2016208229.tif 000011
【図３】
2016208229.tif 000012
【図４】
2016208229.tif 000013
【図５】
2016208229.tif 000014
【図６】
2016208229.tif 000015
【図７】
2016208229.tif 000016
【図８】
2016208229.tif 000017
【図９】
2016208229.tif 000018
【図１０】
2016208229.tif 000019
【図１１】
2016208229.tif 000020
【図１２】
2016208229.tif 000021
【図１３】
2016208229.tif 000022
【図１４】
2016208229.tif 000023
【図１５】
2016208229.tif 000024
【図１６】
2016208229.tif 000025
【図１７】
2016208229.tif 000026
【図１８】
2016208229.tif 000027