無人航空機型基地局ドローン基地局)に無人航空機型基地局(ドローン基地局
ドローン基地局 におけるエネルギー源の開発とその応用代表研究者

1

安昌俊

千葉大学大学院 工学研究院教授

はじめに

無人飛行機市場は 2025 年までに市場規模が 8 兆円を超えると試算されており、今後、多くの企業がこの分野に進出することが予測されている[1]。特に、Amazon 社の小荷物配達構想はこれまでの物流概念を変える革新的な技術として注目を浴びている。さらに Google 社と Facebook 社により、インターネットが整備されていない途上国や遠隔地にドローンを利用して通信を提供する計画が研究されている。
また、5×5 Technologies Inc.は橋梁や発電所、送電鉄塔、大型プラントなどの点検に応用できる関連技術の研究を行っている(図 1 を参照)。国内においては、KDDI による災害時に携帯電話サービスの利用が困難なエリアの一時的な復図 1 ドローンによる携帯電話基地局点検旧を目的として、小型の携帯電話基地局を搭載した「無人航空機型基地局 (ドローン基地局) の実証実験を 2017 年
12 月 14 日に鹿児島県熊毛郡屋久島町で行った。しかし、ドローンはバッテリを主な駆動電源として利用しているため、持続的な飛行が困難である。長距離輸送、空中インターネットサービス計画、自然災害・防犯監視などにドローンを活用するためには持続的な飛行が必要であるため、バッテリのみならずエネルギーをどのように効率よく安定的に供給するかは解決しなければならない課題となる。
エネルギーの供給に関する技術として、無 電送技術がに研究されている。無 電送技術は用電源 ー ルなどをずに電 を無 で 送・供給する技術である。発により、 電、、 電信と分けられる。長距離 送を実 するためには、 イ ロ を用いた無 電送が くれている。 イ ロ など電 による無 電送は、 国の A A を中 にから発電した電 を地 に送り す技術として く研究されている。日 において 、航空研究 発機構( A A)や大学などで エネルギーを中 とした研究が行 れている。
研究は、 イ ロ 無 電送技術に 目し、ドローン の新しいエネルギー源として実 さ ると社 イン ラの点検、の自然災害監視活動、さらに大規模災害時におけるの通信としての通信サービス計画 の実 のための、エネルギー 電技術を目 した研究 発である。 研究により無 電送がドローン のエネルギー源として応用できれば、 電 の時 的を けずに持続的か 安定的にエネルギーを ながらな活 ができる。さらにバッテリなどを搭載する必要なくなり、安で小型 することがとなる。この なドローンの応用は、遠隔地や離島、または通 の通信インラがすでにある地 に して 、大規模災害時にの通信、災害 送を提供するとして 応用できるため、 の実 に けた研究をする。

線 力伝
盛ん
線 力伝
専
ケ ブ
使わ
力 線 伝生方式① 磁誘導方式 ②磁界共鳴方式 ③ 波受 方式
伝
現マ ク 波線 力伝 広 使わ
マ ク 波波線 力伝 米 N S 心 宇宙
力 球だ
広本も 宇宙開J X 京都高心わ本
マ ク 波 線 力伝
着等
現 せ 事会 フ
火山等
緊急手段
等 現充
指開
本線力伝
等
充 等 間 制約 受
つ得
様々 躍 期待
性も価化
可能
様等へ
常フ
域 対 も
緊急手段
放役割
もそ 現 向
結果 報告

2

無線電力伝送技術

基本原理
無線電力伝送技術は、大きく非放射型と放射型の 2 種類に分けることができる。さらに、非放射型は電磁誘導式、磁界共振式、電界結合式、エバネセント波式と分けられ、放射型はマイクロ波無線電力伝送とレーザ式に分けられる。それぞれの方式は伝送電力と伝送距離によって異なり、大電力の伝送は、非放射型が優れている。しかし、伝送距離を考慮すると放射型が優れた性能を実現できる。
無線電力伝送は電磁波を介してエネルギー伝送を行う。微小ループアンテナのように磁界を放射する放射源の近傍においては、磁界成分が支配的で、電磁界の電界と磁界の比率（E/H）、すなわち波動インピーダン
2-11
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低
方 微 ダ ポナ界 放射 放射 近傍界成 支そ 波
ピ ダ
高 値そ放射ざつそ 波
ピ ダ
36 Ω 由間 ピ ダ
放射 近傍 波ピ ダ
由 間
ピ ダ
異 領域 近傍界 呼充波
ピ ダ
由 間
ピ ダ
近付 領域 方界 呼ぶ 近傍界 方界 境界
も/波 / π例 周波数6H
放射96 以近傍界 96
方界周波数 H境界非放射近傍界線 力伝
方 放射
方界線 力伝般（１）電磁誘導方式
電磁誘導方式は、ファラデーの電磁誘導則に基づいている。ファラデーの電磁誘導則とは、磁束の変化を打ち消す方向に誘導起電力が発生するということで、式は以下のようになる。
スは図 2 のように い。一 、 小 イ ールアン
テ のように電 をする
源のにおいては電分が 配的で、 の 動のイン ー ンスは い になる。 して、源から遠 かるにれて、 の 動のイン ー ンスは 7 .7 の自空 イン ー ンスに一定となる。このような、源ので 動のイン ー ンスが自 空 インー ンスと大きく なるをと び、距離が 分に離れて 動のイン ー ンスが自 空イン ー ンスにいたを遠と。と遠のは図 2 から 分かるように距離長が 1 2 になる地点である。 えば、が0 z であれば、源から距離が 7 km 内であれば、7 km を超えれば遠となる。また、が 1G z であれば、48mm がとなる。
型は、を利用して無 電送を行う。一、型は、遠を利用して無 電送を行うのは一 的である。

図2

近傍界と遠方界(1)

ただし、 はコイルの巻き数、 は磁束である。図 3 は電磁誘導方式の基本概念を示す。コイルの 1 次側に交流電圧を供給すると磁束が発生し、2 次側ではこの磁束を打ち消すように誘導起電力が発生する。この 2 次側に発生する電力を機器の充電に利用することがで

図3 電磁誘導方式きる。

（２）マイクロ波無線電力伝送
図 4 は宇宙航空研究開発機構(JAXA)が構想した宇宙から発電し、地球に高エネルギーを送る出すマイクロ波無線電力伝送の概念を示す。1964 年、ウィリアム C ブラウン(William C. Brown)によって整流器付きアンテナであるレクテナ(Rectenna: Rectify Antenna )を用いて、長距離無線電力伝送の実証実験を行った[2]。マイクロ波無線電力伝送は、マイクロ波を生成し、指向性を持たせた送信機を用いてマイクロ波にエネルギーを乗せて電力伝送が実現可能であることを示した。 受信機には、受診されたマイクロ波をレクテナで、直流電流に変換する。マイクロ波無線電力伝送の大きな問題としては、非常に大規模なアンテナが必要となる。また、大規模マイクロ波無線電力伝送技術は、宇宙から発電した高エネルギーをマイクロ波に乗せて地球に送りだすため、距離に比例してマイクロ波が広範囲に広がる。そのために起こりうる人体や環境への影響を十分考慮する

図4

マイクロ波電力伝送 (出典：JAXA)必要がある。

受信レクテナ
マイクロ波を利用した無線電力伝送技術は 1960 年代から研究が進められてきた。レクテナと呼ばれる電磁2-22
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波 受
気取装置
線 力伝 シ ム
成 素
つレク ナ 本 造 示
3 レク ナ 本ナ
回路
成マ ク 波
ナ 同調回路希望周波数 号 受
受号 Ω マ チ グ回路 調回路 入力回路
力レク ナ 本 造
気蓄 回路
蓄
6 本
作 6 素子レク ナ 示 本受線 号取装置
周波数使3H
H 最取設
般 レク ナ設 マ ク
ダ ポパ チ
ナ 広 使わ
マ ク
ナ 軽量化
化 可能
狭 域
ナ 入射力 制限
低 得もデメ
本化 偏波 性マ ク
パ チ
ナ 採
レク ナ設
2-3 指向性電力伝送
当初、電力伝送に使用される周波数は伝送距離を伸ばすことを重点に 2GHz 帯を考慮した。しかし、使用周波数を 2GHz 帯で検討すると送信アンテナとして使用されるホーンアンテナの開口面も大きくなり、距離が延びると無線信号が広がる。また、受信レクテナのサイズが決まっているため、多くのエネルギーを受信できない。そこで、今回の研究では使用される周波数を 2.13GHz と 5.8GHz の二つの周波数で検討を行った。図 7は無線電力伝送実験装置を示す。使用周波数が 2.13GHz のホーンアンテナの開口面は 445mm×325mm、5.8GHzの開口面は 112mm×85mm であり、一般的に低い周波数を使用すると伝搬損失は低い。しかし、送信ホーンアンテナの開口面が広くなるため、より広い角度で放射される。その結果、単位面積当たりの受信電力も急速に減衰する。本研究では、送信アンテナから放射された信号の距離が延びるに伴い広がることを抑えるため、
特に 5.8GHz の送信システムでは送信信号に指向性を持たせた送信ビームフォーミングを用いて検討を行っを 信し、整流して電 として り出すは無 電送 ステ の主要な構 要 の 1である。図 5 にはテ の基 構 を す[ ]。
テ は基 的にアンテ と整流で構 される。空中の イ ロ はアンテ とにより信 が 信される。
信された信 は 50ッ ンで 整され、整流にされる。整流から出
図5
テ の基 構された電 エネルギーはエネルギー 電でえられる。図 には 研究で用いられた試 1テ を す。 研究では、 信した無 信 からエネルギーを り出すとして、用が 2.1 G z と 5.8G z で 大エネルギーを り出すように 計した。一 的にテ計は イ ロストリップ イ ールや ッ アンテ が くれる。 イ ロ
ストリップアンテ はと小型 がとなる。しかし、 帯 でアンテ にされる電 にがあり、さらに 利大きなリットであるため、 研究では、小型 と特 がない イ ロストリ
ップ ッ アンテ を 用してテ計を行った。

た。

3

実験結果

3HH(a) 2.1 G z(b) 5.8G z

6 試作した 16 素子レクテナ
図 7 は無線電力伝送実験装置を示す。2.13GHz では一つのホーンアンテナ、5.8GHz では４つのホーンアンテナを結合した構造で実験装置を組んだ。無線電力伝送実験装置の信号発生は電界効果トランジスタ（Fieldeffect transistor, FET）発信器により、2.13GHz と 5.8GHz の信号を生成した。2.13GHz では生成された信号を 20dBm から 38dBm まで増幅できるアンプを挿み、アンテナ利得 16dBi のホーンアンテナを経由して送信される。2GHz 帯 は人体に影響が大きいため、増幅機の出力は 1 ワットで行った。5.8GHz では、生成された信号を分配機に入力し、４つの出力信号として分配される。４つの出力信号はそれぞれ４つの移相機に入力
図3
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3H

H(a) 2.1 G z(b) 5.8G z

線電力伝送実験装置
され、位相制御パソコンにより入力された信号を 5.625 度の分解度で位相を変更した。位相変更された信号を 1 ワットアンプに入力するにはその電力が低いため、中間アンプを経由し、1 ワットアンプに入力される。
総送信電力は 4 つのアンプから出力されるため４ワットとなる。5.8GHz の送信ホーンアンテナもアンテナ利得が 16dBi であるものを使用した。
表 1 無線電力伝送実験装置の諸元
SpecificationDevice
2.13GHz
5.8GHzSignal generator
10dBm
10dBm
Power divider-6.4dB
Phase shifter
6-bit shifter
Sub-amplifier
30dB
Power amplification
20dBm ～ 38dBm
30dBm±2dB
Horn antenna
15dBi
15dBi
Patch antenna
5.8dBi6.2dBi
Rectenna
16 patch antennas
16 patch antennas
図7 無受信レクテナは 4×4 のパッチアンテナで構成され、各パッチアンテナ設計は誘電率 10，膜厚 1.6 mm のPTFT (Teflon)ボードを用いて行い 2.13GHz のレクテナは 5.8 dBi、5.8GHz のレクテナは 6.2dBi の利得を得る。
表 1 には無線電力伝送実験装置の諸元を示す。図 8 は 2.13GHz と 5.8GHz の送信ビーム特性を示す。今回の実験では、4 つのホーンアンテナを用いて実験を行った。単体のホーンアンテナでのビーム発散角 (BeamDivergence)が周波数 2.13GHz と 5.8GHz でそれぞれ、39 度、38 度となる大きな差はない。しかし、ビームフォーミングを行うとビーム発散角は 22 度と単体のホーンアンテナンの場合と比べ狭くなる。一般的に低い周波数を使用すると距離に対して伝搬損失は低い。しかし、送信ホーンアンテナの構造により広い角度で放射されるため、単位面積当たりの受信電力が急速に減衰する。そのため、ビーム特性( M 2 )は以下の式で評価を行った[4]。
M2 =tan θ divω=ω 0 tan θ div,0(2)だし、 θ は測定したビーム広がり、 θ div,0 = λ / π ⋅ d で定義される回折限界ガウスビームのビーム広がりである。図8の結果から単体のホーンアンテナ（2.13GHz）の θ div は19.47度、θ div ,0 は5.77度であり、5.8GHz
では、θ div は18.96度、θ div ,0 は8.6度で、ビーム特性( M 2 )は、2.4GHz が3.34、5.8GHzは2.20となる。一方、ビームフォーミング（5.8GHz）を行うと θ div は10.87度、 θ div ,0 は8.6度となるため、ビーム特性は1.26となた

div4
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優れたビームの形成ができる。一般的に位相配列アンテナの各素子数を増やし、全体的な面積を広げても優れたビーム特性を実現できる。
図9は2GHz帯周波数の変換効率特性を示す。RF-DC 変換効率は次の式で定義される。
り、

η=

Pdc
× 100%
Pr(3)

力直流電力、P は受信電力を示す。レク テ ナ の 入力 電 力 が8dBmと11dBmに固定 し、 周波数 を2.1GHzから2.17GHzまで可変した際のRF-DC変換効率特性である。測定結果から分かるようにレクテナの入力電力が高いと変換効率も向上することが分かる。負荷インピーダンスが297.3Ωであるため、2.13GHzから2.15GHzの間で最適な変換効率を実現できる。
図10は5.8GHz実験装置のRF-DC変換効率を示す。測定結果からビームフォーミングを行わない場合、距離が200mmの際には49%、400mmの際には75%と距離が近くなるに伴い変換効率が悪くなっている。一方、距離が延びると変換効率も向上する。その理由としては、入射電力密度が一様ではないため、場所により各レクテナ素子からの出力が異なり、変換効率が悪化されと考えられる。一方、ビー ムフォ ー ミ ン グ を行った場 合 は、距離が200mmの際には 63%、400mmの際には78%と距離の変 化 に 対 して、変 換
ここで Pdc は出r

図 8 ビー

効率の変動が少ないことが分かる。

4本

図

むすび

ム特性

9 2GHz 帯周波数の変換効率特性

マ ク 波 線 力伝
着
現 せ 事会火山等
緊急手段等 現充指開本線 力伝等充 等間 制約 受
つ得
様々 躍 期待作 装置
結果
ムフォ ミ グ
線 力伝
伝 可能
等
可能
示

研究は、 イ ロ 無 電送技術に 目し、ドローン の新しいエネルギー源として実 さ る と社
イン ラの点検、の自然災害監視活動、さらに大規模災害時におけるの通信としての通信サービス計画 の実 のための、エネルギー 電技術を目した研究 発である。 研究により無 電送がドローン のエネルギー源として応用できれば、 電 の時的を けずに持続的か 安定的にエネルギーをながらな活 ができる。試 したを用いた実験からビーー ン を行う無 電送が効率良くエネルギー 送がであることからドローンの電源として利用であることを した。

等
フ

図 10

【参考文献】

レクテナの変換効率特性(5.8GHz)[1] https://www.tractica.com/wp-content/uploads/2016/04/DCA-15-chart2.jpg[2] W. C. Brown, ``The history of power transmission by radio waves,'' IEEE Trans. on Microwave
Theory and Techniques, vol.32, no.9, pp.1230-1242, September 1984.

5公益財団法人電気通信普及財団
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[3] C. Ahn, T. Kamio, H. Fujisaka and K. Haeiwa, ``Prototype of 5.8GHz Wireless Power
Transmission System for Electric Vehicle System,'' Proc. of IEEE International Conference on
Environmental Science and Technology (ICEST 2011), Singapore, vol.1, pp.128-131, February
2011.
[4] K. Komurasaki, T. Nakagawa, S. Ohmura, and Y. Arakawa, ``Energy Transmission in Space
Using an Optical Phased Array, '' Transactions JSASS Space Tech. Japan, vol.3, pp.7-11, 2005.

〈発題名表資料〉

掲載誌・学会名等

発表年月

Wireless Power Transmission for Drone
Relay StationProc. of International Conference on
Environment, Geology, Materials(ENGEMA2020)

2020 年 8 月 (発表予定)

Compressed Sensing based Low
Complexity 2D-DOA Estimation by
Separation and Pair-Matching Approach

IEICE Communications Express

2020 年 6 月

Reducing Channel Spatial Correlation by
Rotating Planar Antenna Array

Elsevier ICT express

2019 年 12 月

6
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