JP2013005378A - Photovoltaic power generation satellite system and radiation phase setting method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、宇宙空間に展開されているソーラーパネルが発電する電力をマイクロ波に重畳して地上に送信し、地上でマイクロ波に重畳されている電力を抽出する太陽光発電衛星システムと、そのマイクロ波を送信する送電用アンテナ素子の放射位相を設定する放射位相設定方法とに関するものである。 The present invention relates to a photovoltaic power generation satellite system that extracts the electric power superimposed on the microwave on the ground by superimposing the electric power generated by the solar panel deployed in outer space on the microwave and transmitting it to the ground. The present invention relates to a radiation phase setting method for setting a radiation phase of a power transmitting antenna element that transmits a microwave.
太陽光発電衛星システム（Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）では、宇宙空間に展開されている広大なソーラーパネルが発電する電力をマイクロ波に重畳し、直径約１００ｍ以上の巨大な送電用アレーアンテナ（例えば非特許文献１を参照）が、そのマイクロ波を地球上に設置されている直径約２ｋｍの巨大な受電用アレーアンテナ（例えば非特許文献１を参照）に向けて送信する。
また、太陽光発電衛星システムは、地球上に設定されている整流回路が、受電用アレーアンテナにより受信されたマイクロ波に重畳されている電力を抽出する。
In a solar power satellite system (Solar Power Satellite System), a large power transmission array antenna (for example, non-patented) with a diameter of about 100 m or more is superimposed on microwaves by generating electric power generated by a vast solar panel deployed in outer space. Reference 1) transmits the microwave toward a huge power receiving array antenna (for example, see Non-Patent Document 1) having a diameter of about 2 km installed on the earth.
In the photovoltaic power generation satellite system, a rectifier circuit set on the earth extracts power superimposed on a microwave received by a power receiving array antenna.
図９は以下の特許文献１に開示されている太陽光発電衛星システムを示す全体概要図である。
図９において、ソーラーパネル１は宇宙空間に展開されており、太陽光を受けて電力を発電する光電変換機器である。
ロータリージョイント２はソーラーパネル１とマイクロ波変換部３の間に接続されている接続部材であり、ソーラーパネル１により発電された電力をマイクロ波変換部３に伝達する。
なお、ソーラーパネル１が太陽から適正な角度で太陽光を受けることができるように、太陽光発電衛星と太陽の位置関係によってソーラーパネル１が回転させられるが、その場合でも、ロータリージョイント２は、ソーラーパネル１により発電された電力を確実にマイクロ波変換部３に伝達することができる。
FIG. 9 is an overall schematic diagram showing a photovoltaic power generation satellite system disclosed in
In FIG. 9, a
The
The
マイクロ波変換部３はソーラーパネル１により発電された電力をマイクロ波に重畳し、電力マイクロ波（電力が重畳されているマイクロ波）を送電用アレーアンテナ４に出力する。
送電用アレーアンテナ４は複数の送受信両用アンテナ素子５から構成されており、送受信両用アンテナ素子５はマイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波を地球７上の受電用アレーアンテナ８に向けて送信する一方、地球７上のパイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１を受信する。
図中、６は送電用アレーアンテナ４から送信された電力マイクロ波のビームである。
The
The power transmitting
In the figure, reference numeral 6 denotes a power microwave beam transmitted from the power transmitting
受電用アレーアンテナ８は地球７上の所定の場所に設置されており、送電用アレーアンテナ４から送信された電力マイクロ波を受信する複数の受電用アンテナ素子９から構成されている。
パイロット信号送信機１０は受電用アレーアンテナ８の中心に設置されており、パイロット信号１１を送電用アレーアンテナ４に向けて送信する。
整流回路１２は複数の受電用アンテナ素子９により受信されたマイクロ波に重畳されている電力を抽出する回路である。
The power
The
The
図１０は特許文献１に開示されている太陽光発電衛星システムの衛星側の詳細内部構成を示す構成図である。
図１０において、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎは、送電用アレーアンテナ４を構成しているアンテナ素子（図９の送受信両用アンテナ素子５）であり、移相器２３−１〜２３−Ｎから出力された電力マイクロ波を地球７上の受電用アレーアンテナ８に向けて送信する一方、地球７上のパイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１を受信する。
受信機２１−１〜２１−Ｎは送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎにより受信されたパイロット信号１１を復調する。
FIG. 10 is a configuration diagram showing a detailed internal configuration on the satellite side of the photovoltaic power generation satellite system disclosed in
In FIG. 10, transmission / reception antenna elements 5-1 to 5-N are antenna elements constituting the power transmitting array antenna 4 (transmission /
The receivers 21-1 to 21-N demodulate the
位相共役器２２−１〜２２−Ｎは送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎにおけるパイロット信号の受信位相を抽出し、その受信位相から送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎの放射位相を導出する。
移相器２３−１〜２３−Ｎはマイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波の放射位相として、位相共役器２２−１〜２２−Ｎにより導出された放射位相を設定する。
図中、２４はパイロット信号１１の等位相面（位相が揃っている面）である。
The phase conjugators 22-1 to 22-N extract the reception phase of the pilot signal in the transmission / reception antenna elements 5-1 to 5-N, and the radiation phase of the transmission / reception antenna elements 5-1 to 5-N from the reception phase. Is derived.
The phase shifters 23-1 to 23-N set the radiation phase derived by the phase conjugaters 22-1 to 22-N as the radiation phase of the power microwave output from the
In the figure, 24 is an equiphase surface (a surface where the phases are uniform) of the
以下、図９及び図１０を参照しながら、太陽光発電衛星システムの処理内容を説明する。
太陽光発電衛星システムの宇宙構造体は、高度約１１００ｋｍの低軌道（ＬＥＯ：Ｌｏｗ Ｅａｒｔｈ Ｏｒｂｉｔ）上に位置し、その宇宙構造体の１つである送電用アレーアンテナ４は、直径が１００ｍ以上の巨大アンテナであり、発電量が１０ＧＷである（地球上の発電所１基分の容量に匹敵している）。
このため、送電用アレーアンテナ４は、多数の送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎから構成される。
Hereinafter, the processing content of the photovoltaic power generation satellite system will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
The space structure of the photovoltaic power generation satellite system is located on a low earth orbit (LEO) with an altitude of about 1100 km, and a power
For this reason, the power transmitting
このとき、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎが等間隔又は均一に配置される場合、送電用アレーアンテナ４から送信される電力マイクロ波のビーム６には、受電用アレーアンテナ８に向けられる主ビームのほかに、サイドローブと呼ばれるビームが発生する。また、送受信両用アンテナ素子５の重ね合わせによる電力マイクロ波の素子間の位相干渉に応じて生じるグレーティングローブが発生する。
そのサイドローブやグレーティングローブは、送信目標である受電用アレーアンテナ８以外の方向に散乱や散逸してしまうため、電力伝送効率の低下を招く要因になり、また、他の装置に対して、ＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）による誤動作を引き起こす要因になり、可能な限り抑圧する必要がある。
そこで、特許文献１では、サイドローブやグレーティングローブの発生を抑圧するため、図１１に示すように、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎを不等間隔又は不均一に配置するようにしている。
At this time, when the transmitting / receiving antenna elements 5-1 to 5-N are arranged at equal intervals or uniformly, the power microwave beam 6 transmitted from the power transmitting
The side lobes and grating lobes are scattered or dissipated in directions other than the power
Therefore, in
太陽光発電衛星システムにおける最も重要な要素は、ソーラーパネル１により発電された電力が重畳されている電力マイクロ波の主ビームを、地球７上の所定地点に設置されている受電用アレーアンテナ８に対して、如何に指向・追尾させるかということである。
最適な指向・追尾方式として、レトロディレクティブ方式が挙げられる。図１２はレトロディレクティブ方式の概念を示す説明図である。
図９の太陽光発電衛星システムでは、レトロディレクティブ方式を採用しているものとして説明する。
The most important element in the photovoltaic power generation satellite system is that the main beam of the power microwave on which the power generated by the
The retrodirective method can be cited as the optimum pointing / tracking method. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the concept of the retrodirective method.
The solar power generation satellite system of FIG. 9 will be described as adopting the retrodirective method.
受電用アレーアンテナ８の中心に設置されているパイロット信号送信機１０は、特定周波数のパイロット信号１１を送電用アレーアンテナ４に向けて送信する。
パイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１の等位相面２４が送電用アレーアンテナ４を構成している送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎに到達すると、受信機２１−１〜２１−Ｎがパイロット信号１１を検出して復調する。
位相共役器２２−１〜２２−Ｎは、受信機２１−１〜２１−Ｎがパイロット信号１１を復調すると、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相を抽出する。
即ち、送電用アレーアンテナ４上の位相基準点から見て、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎが配置されている位置に依存している下記の式（１）で表される位相成分を抽出する。
A
When the
When the receivers 21-1 to 21 -N demodulate the
That is, when viewed from the phase reference point on the power transmitting
また、θはパイロット信号１１の等位相面２４と送受信両用アンテナ素子５−ｎが構成する平面とのなす角度であり、一般にパイロット信号１１の入射角と呼ばれる。
λは伝送するマイクロ波の波長であり、Ｄｎは送電用アレーアンテナ４上の位相基準点（図１２の例では、送受信両用アンテナ素子５−１が配置されている位置）から各送受信両用アンテナ素子５（図１２の例では、送受信両用アンテナ素子５−２）が配置されている位置までの距離である素子間隔を表している。
Further, θ is an angle formed by the
λ is the wavelength of the microwave to be transmitted, and D n is each transmitting / receiving antenna from the phase reference point on the power transmitting array antenna 4 (in the example of FIG. 12, the position where the transmitting / receiving antenna element 5-1 is disposed). The element interval which is the distance to the position where the element 5 (in the example of FIG. 12, the transmitting / receiving antenna element 5-2) is arranged is shown.
位相共役器２２−１〜２２−Ｎは、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相φｎを抽出すると、その受信位相φｎから送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎの放射位相を導出する。
即ち、位相共役器２２−１〜２２−Ｎは、下記の式（２）に示すように、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎの放射位相として、その受信位相φｎの複素共役成分φｎ ＊を算出する。
That is, as shown in the following formula (2), the phase conjugators 22-1 to 22-N are complex conjugate components of the reception phase φ n as the radiation phases of the transmission / reception antenna elements 5-1 to 5-N. Calculate φ n * .
マイクロ波変換部３は、ソーラーパネル１により発電された電力をマイクロ波に重畳し、電力マイクロ波（電力が重畳されているマイクロ波）を移相器２３−１〜２３−Ｎに出力する。
移相器２３−１〜２３−Ｎは、マイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波の放射位相として、位相共役器２２−１〜２２−Ｎにより導出された放射位相φｎ ＊を設定する。
これにより、放射位相φｎ ＊が設定された電力マイクロ波は送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎから送信されるが、パイロット信号１１の入射角と全く同一方向に電力マイクロ波を放射するための等位相面２４が形成される。
The
The phase shifters 23-1 to 23-N set the radiation phase φ n * derived by the phase conjugators 22-1 to 22-N as the radiation phase of the power microwave output from the
Thereby, the power microwave in which the radiation phase φ n * is set is transmitted from the transmission / reception antenna elements 5-1 to 5-N, but the power microwave is radiated in the same direction as the incident angle of the
図１２では、１次元のリニアアレーの例を用いて説明したが、２次元の平面アレーについても同様に成立する。
このようにして、電力マイクロ波は、パイロット信号１１の方向へ自動的に指向制御される。
このレトロディレクティブ方式は、構造が比較的単純であり、式（２）を演算するだけで演算負荷も小さく、処理反応速度も速いため、衛星の軌道からのずれや摺動（ある点を中心としてガウス分布上に起動が変動すること）などの衛星の姿勢誤差への対応にも優れ、常に地上のパイロット信号送信機１０（受電用アレーアンテナ８）の方向へ電力マイクロ波を指向・追尾させることができる。
Although FIG. 12 has been described using an example of a one-dimensional linear array, the same holds true for a two-dimensional planar array.
In this way, the direction of the power microwave is automatically controlled in the direction of the
This retro-directive method is relatively simple in structure, and the calculation load is small and the processing response speed is fast just by calculating equation (2). Excellent response to satellite attitude errors, such as fluctuations in the start of the Gaussian distribution), and always directs and tracks power microwaves in the direction of the ground pilot signal transmitter 10 (receiving antenna 8). Can do.
従来の太陽光発電衛星システムは以上のように構成されているので、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎが不等間隔又は不均一に配置されている。このため、サイドローブやグレーティングローブの発生を抑圧することができるが、送受信両用アンテナ素子５−１〜５−Ｎでは、電力マイクロ波の送信とパイロット信号１１の受信を同時に行う必要がある。一般に、送受両用の機能を有するアンテナ素子（モジュール）は、送信機能単体又は受信機能単体に機能を限定しているアンテナ素子（モジュール）よりも構造が複雑で構成品点数が多い。そのため、送受両用の機能を有するアンテナ素子は、単機能のアンテナ素子と比較して、製造単価が高額で、重量が重く、故障率が高いという大きな問題を有している。このことは、宇宙空間で稼動する太陽光発電衛星システムの製造コスト、輸送コスト、維持コストの増大を招き、システムにおける費用対効果に著しいデメリットを引き起こしかねない課題があった。
Since the conventional photovoltaic power generation satellite system is configured as described above, the transmitting / receiving antenna elements 5-1 to 5-N are arranged at unequal intervals or unevenly. For this reason, although generation | occurrence | production of a side lobe or a grating lobe can be suppressed, it is necessary for the transmission / reception dual-purpose antenna elements 5-1 to 5-N to simultaneously transmit the power microwave and receive the
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、送受両用の機能を有するアンテナ素子を用いることなく、送電用アレーアンテナを構成して、製造コスト、輸送コスト、維持コストなどを低減することができる太陽光発電衛星システム及び放射位相設定方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and constitutes an array antenna for power transmission without using an antenna element having a function for both transmission and reception, so that manufacturing costs, transportation costs, maintenance costs, etc. can be reduced. It is an object to obtain a photovoltaic power generation satellite system and a radiation phase setting method that can be reduced.
この発明に係る太陽光発電衛星システムは、送電用アレーアンテナが、電力重畳手段により電力が重畳されたマイクロ波を送信する複数の送電用アンテナ素子と、受電用アレーアンテナから送信されたパイロット信号を受信する複数のパイロット信号受信用アンテナ素子とから構成されており、複数の送電用アンテナ素子が不等間隔又は不均一に配置され、複数のパイロット信号受信用アンテナ素子が送電用アンテナ素子が配置されていない隙間部分に配置されており、放射位相設定手段が、各々の送電用アンテナ素子と組となる複数のパイロット信号受信用アンテナ素子におけるパイロット信号の受信位相を抽出して、その抽出した複数の受信位相を合成し、合成後の受信位相に応じて当該送電用アンテナ素子の放射位相を設定するようにしたものである。 In the photovoltaic power generation satellite system according to the present invention, a power transmitting array antenna transmits a plurality of power transmitting antenna elements that transmit microwaves with power superimposed by a power superimposing means, and a pilot signal transmitted from the power receiving array antenna. A plurality of antenna elements for receiving pilot signals, and a plurality of antenna elements for power transmission are arranged at irregular intervals or unevenly, and a plurality of antenna elements for receiving pilot signals are arranged with antenna elements for power transmission The radiation phase setting means extracts the pilot signal reception phases in the plurality of pilot signal reception antenna elements that are paired with each of the power transmission antenna elements, and the extracted plurality of Combining the reception phase, and setting the radiation phase of the power transmission antenna element according to the reception phase after the combination Those were.
この発明によれば、送電用アレーアンテナが、電力重畳手段により電力が重畳されたマイクロ波を送信する複数の送電用アンテナ素子と、受電用アレーアンテナから送信されたパイロット信号を受信する複数のパイロット信号受信用アンテナ素子とから構成されており、複数の送電用アンテナ素子が不等間隔又は不均一に配置され、複数のパイロット信号受信用アンテナ素子が送電用アンテナ素子が配置されていない隙間部分に配置されており、放射位相設定手段が、各々の送電用アンテナ素子と組となる複数のパイロット信号受信用アンテナ素子におけるパイロット信号の受信位相を抽出して、その抽出した複数の受信位相を合成し、合成後の受信位相に応じて当該送電用アンテナ素子の放射位相を設定するように構成したので、送受両用の機能を有するアンテナ素子を用いることなく、送電用アレーアンテナを構成することが可能になり、製造コスト、輸送コスト、維持コストなどを低減することができる効果がある。 According to this invention, the power transmitting array antenna transmits a plurality of power transmitting antenna elements that transmit the microwaves with power superimposed by the power superimposing means, and the plurality of pilots that receive the pilot signals transmitted from the power receiving array antenna. Signal receiving antenna elements, a plurality of power transmitting antenna elements are arranged at irregular intervals or unevenly, and a plurality of pilot signal receiving antenna elements are arranged in a gap where no power transmitting antenna elements are arranged. And the radiation phase setting means extracts the reception phase of the pilot signal in the plurality of antenna elements for receiving the pilot signal paired with each antenna element for power transmission, and combines the extracted reception phases. Because it is configured to set the radiation phase of the power transmitting antenna element according to the combined received phase, Without using the antenna element having a function, it is possible to configure the transmission array antenna, manufacturing costs, transportation costs, there is an effect that it is possible to reduce such maintenance cost.
実施の形態１．
本発明は、送電用アレーアンテナとして、送受両用の機能を有するアンテナ素子ではなく、マイクロ波の送信だけを行う送電用アンテナ素子と、パイロット信号の受信だけを行うパイロット信号受信用アンテナ素子とを用いるものであるが、単純に送電用アンテナ素子とパイロット信号受信用アンテナ素子に分離しただけでは、送電用アレーアンテナとしての機能を損なう可能性がある。
それは先に説明したレトロディレクティブ方式において、送電用アンテナ素子とパイロット信号受信用アンテナ素子を同一平面上の異なる位置に配置することになるため、パイロット信号受信用アンテナ素子におけるパイロット信号の受信位相と、そのパイロット信号受信用アンテナ素子と位置が異なる送電用アンテナ素子の放射位相が異なる問題である。
The present invention uses, as an array antenna for power transmission, not an antenna element having a dual function, but a power transmission antenna element that performs only microwave transmission and a pilot signal reception antenna element that performs only reception of a pilot signal. However, simply separating the power transmitting antenna element and the pilot signal receiving antenna element may impair the function as a power transmitting array antenna.
In the retrodirective method described above, the power transmitting antenna element and the pilot signal receiving antenna element are arranged at different positions on the same plane, so that the pilot signal reception phase in the pilot signal receiving antenna element, This is a problem that the radiation phase of the power transmitting antenna element having a position different from that of the pilot signal receiving antenna element is different.
本発明では、この問題を送電用アンテナ素子の位置を中心とする線対称又は点対称となる最低２個のパイロット信号受信用アンテナ素子におけるパイロット信号の受信位相を合成するだけで、特別な補正処理を実施することなく、送電用アンテナ素子の放射位相を設定することにより、レトロディレクティブ方式を維持可能とするものである。
また、太陽光発電衛星システムとしての電力送電量を維持するために、送電用アンテナ素子の総数を変えない場合、送電用アンテナ素子と別個にパイロット信号受信用アンテナ素子を搭載する分だけ、送電用アレーアンテナの大型化を招く可能性があるが、本発明では、不等間隔又は不均一に配置している送電用アンテナ素子の間に存在する不定形な間隙を利用して、パイロット信号受信用アンテナ素子を配置するようにしているため、送電用アレーアンテナ自体の大きさは、従来と変化しないという利点も享受することができる。
In the present invention, a special correction process is performed by synthesizing the reception phases of pilot signals in at least two pilot signal receiving antenna elements that are line-symmetric or point-symmetric about the position of the power transmitting antenna element. The retrodirective method can be maintained by setting the radiation phase of the power transmitting antenna element without implementing the above.
Also, if the total number of antenna elements for power transmission is not changed in order to maintain the amount of power transmitted as a solar power satellite system, the amount of power for transmitting power is the same as that for installing pilot signal receiving antenna elements separately from the antenna elements for power transmission. Although the array antenna may be increased in size, in the present invention, an irregular gap existing between power transmission antenna elements that are arranged at irregular intervals or unevenly is used to receive a pilot signal. Since the antenna elements are arranged, it is possible to enjoy the advantage that the size of the power transmitting array antenna itself does not change from the conventional one.
図１はこの発明の実施の形態１による太陽光発電衛星システムを示す全体概要図である。
図１において、ソーラーパネル１は宇宙空間に展開されており、太陽光を受けて電力を発電する光電変換機器である。
ロータリージョイント２はソーラーパネル１とマイクロ波変換部３の間に接続されている接続部材であり、ソーラーパネル１により発電された電力をマイクロ波変換部３に伝達する。
なお、ソーラーパネル１が太陽から適正な角度で太陽光を受けることができるように、太陽光発電衛星と太陽の位置関係によってソーラーパネル１が回転させられるが、その場合でも、ロータリージョイント２は、ソーラーパネル１により発電された電力を確実にマイクロ波変換部３に伝達することができる。
1 is an overall schematic diagram showing a photovoltaic power generation satellite system according to
In FIG. 1, a
The
The
マイクロ波変換部３はソーラーパネル１により発電された電力をマイクロ波に重畳し、電力マイクロ波（電力が重畳されているマイクロ波）を送電用アレーアンテナ４に出力する処理を実施する。なお、マイクロ波変換部３は電力重畳手段を構成している。
送電用アレーアンテナ４は複数の送電用アンテナ素子３１と複数のパイロット信号受信用アンテナ素子３２から構成されており、送電用アンテナ素子３１はマイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波を地球７上の受電用アレーアンテナ８に向けて送信する一方、地球７上のパイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１を受信する。
なお、複数の送電用アンテナ素子３１は不等間隔又は不均一に配置され、複数のパイロット信号受信用アンテナ素子３２は送電用アンテナ素子３１が配置されていない隙間部分に配置されている。
図中、６は送電用アレーアンテナ４から送信された電力マイクロ波のビームである。
The
The power
The plurality of power
In the figure, reference numeral 6 denotes a power microwave beam transmitted from the power
受電用アレーアンテナ８は地球７上の所定の場所に設置されており、送電用アレーアンテナ４から送信された電力マイクロ波を受信する複数の受電用アンテナ素子９から構成されている。
パイロット信号送信機１０は受電用アレーアンテナ８の中心に設置されており、パイロット信号１１を送電用アレーアンテナ４に向けて送信する。
整流回路１２は複数の受電用アンテナ素子９により受信されたマイクロ波に重畳されている電力を抽出する回路である。なお、整流回路１２は電力抽出手段を構成している。
The power
The
The
図２はこの発明の実施の形態１による太陽光発電衛星システムの衛星側の詳細内部構成を示す構成図である。
図２において、送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎは送電用アレーアンテナ４を構成しているアンテナ素子（図１の送電用アンテナ素子３１）であり、移相器３５−１〜３５−Ｎから出力された電力マイクロ波を地球７上の受電用アレーアンテナ８に向けて送信する。
パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎは送電用アレーアンテナ４を構成しているアンテナ素子（図１のパイロット信号受信用アンテナ素子３２の一部）であり、地球７上のパイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１を受信する。
パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎは送電用アレーアンテナ４を構成しているアンテナ素子（図１のパイロット信号受信用アンテナ素子３２の一部）であって、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎと組をなしており、地球７上のパイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号１１を受信する。
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed internal configuration on the satellite side of the photovoltaic power generation satellite system according to
In FIG. 2, power transmission antenna elements 31-1 to 31 -N are antenna elements (power
The pilot signal receiving
The pilot signal receiving
受信機３３ａ−１〜３３ａ−Ｎはパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎにより受信されたパイロット信号１１を復調する。
受信機３３ｂ−１〜３３ｂ−Ｎはパイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎにより受信されたパイロット信号１１を復調する。
The
The
位相合成器３４−１〜３４−Ｎは受信機３３ａ−１〜３３ａ−Ｎ，３３ｂ−１〜３３ｂ−Ｎの出力信号から、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎ，３３ｂ−１〜３３ｂ−Ｎにおけるパイロット信号の受信位相を抽出して、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎにおけるパイロット信号の受信位相と、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎにおけるパイロット信号の受信位相とを合成し、合成後の受信位相から送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎの放射位相を導出する。
移相器３５−１〜３５−Ｎはマイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波の放射位相として、位相合成器３４−１〜３４−Ｎにより導出された放射位相を設定する。
なお、受信機３３ａ−１〜３３ａ−Ｎ，３３ｂ−１〜３３ｂ−Ｎ、位相合成器３４−１〜３４−Ｎ及び移相器３５−１〜３５−Ｎから放射位相設定手段が構成されている。
図中、２４はパイロット信号１１の等位相面（位相が揃っている面）である。
The phase synthesizers 34-1 to 34-N receive pilot signal receiving
The phase shifters 35-1 to 35 -N set the radiation phase derived by the phase combiners 34-1 to 34 -N as the radiation phase of the power microwave output from the
The
In the figure, 24 is an equiphase surface (a surface where the phases are uniform) of the
次に動作について説明する。
図３はこの発明の実施の形態１による太陽光発電衛星システムの処理内容の一部（放射位相設定方法）を示すフローチャートである。
図４はこの発明の実施の形態１による太陽光発電衛星システムで使用している座標系を示す説明図である。
図４の例では、ＸＹＺの３次元直交座標系の原点は、送電用アレーアンテナ４の中心にとり、送電用アレーアンテナ４はＹＺ平面上の平面アレーとしている。
つまり、送電用アレーアンテナ４上に配置される送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎ及びパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎ，３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎは全てＹＺ平面上に位置している。座標原点を送電用アレーアンテナ４の中心におき、これを位相基準点とすれば、レトロディレクティブ方式について示した図１２の素子間隔Dｂは、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎ，３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎの座標値と見なせる。
Next, the operation will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing a part of the processing contents (radiation phase setting method) of the photovoltaic power generation satellite system according to
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a coordinate system used in the photovoltaic power generation satellite system according to
In the example of FIG. 4, the origin of the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is the center of the power
That is, the power transmitting antenna elements 31-1 to 31-N and the pilot signal receiving
また、図４の例では、パイロット信号送信機１０から送電用アレーアンテナ４に到来するパイロット信号１１の到来角度を、そのパイロット信号１１の到来方向をＸＹ平面に射影した線分ＡＢとＸ軸のなす角をアジマスＡＺ、パイロット信号１１の到来方向と線分ＡＢのなす角をエレベーションＥＬとして定義している。
このとき、ＹＺ平面にある送電用アレーアンテナ４上の座標（Ｙｎ（ｒ），Ｚｎ（ｒ））に配置される第ｎ番目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ（または、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎ）におけるパイロット信号１１の受信位相φｎ（ｒ）は、下記の式（３）で与えられる。ただし、１≦ｎ≦Ｎ、Ｎはパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ（または、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎ）の総数である。
以降の表現では、（ｒ）はパイロット信号受信用アンテナ素子３２、（ｔ）は送電用アンテナ素子３１を表すものとする。
At this time, the n-th pilot signal receiving
In the following expression, (r) represents the pilot signal receiving antenna element 32, and (t) represents the power transmitting
太陽光発電衛星システムが図１２に示すレトロディレクティブ方式を採用している場合、パイロット信号受信用アンテナ素子３２におけるパイロット信号１１の受信位相φｎ（ｒ）の複素共役値（下記の式（４）で示される位相値φｎ ＊（ｒ））を電力マイクロ波の放射位相として、送電用アンテナ素子３１から放射すれば、パイロット信号１１と同一方向に電力マイクロ波を指向することができるはずである。
しかし、この実施の形態１では、送電用アンテナ素子３１−ｎとパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを分離し、ＹＺ平面上の異なる位置に配置する必要があるため、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標を（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））とすると、（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））≠（Ｙｎ（ｒ），Ｚｎ（ｒ））の関係が成立する。
送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））におけるパイロット信号１１の受信位相φｎ（ｔ）は、下記の式（５）で与えられる。
The reception phase φ n (t) of the
このように、（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））≠（Ｙｎ（ｒ），Ｚｎ（ｒ））であるため、φｎ（ｔ）≠φｎ（ｒ）となり、レトロディレクティブ方式の概念が成立しなくなる。したがって、このままでは、電力マイクロ波のビーム６はパイロット信号１１の到来方向へは指向しなくなる問題が発生する。
この実施の形態１では、この問題を解決するために、各々の送電用アンテナ素子３１−ｎに対して、特定の位置関係を有する２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを組み合わせ、２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相φｎ（ｒ）を合成し、合成後の受信位相φｎ（ｒ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相φｎ ＊（ｔ）を導出することで、レトロディレクティブ方式を成立させている。
Thus, since (Y n (t), Z n (t)) ≠ (Y n (r), Z n (r)), φ n (t) ≠ φ n (r) and the retro directive The concept of the method is no longer valid. Accordingly, there is a problem that the power microwave beam 6 is not directed in the direction of arrival of the
In the first embodiment, in order to solve this problem, two pilot signal receiving
具体的には、以下の通りである。
図５は送電用アンテナ素子３１に対する２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２の配置例を示す説明図である。
図５では、Ｎ個の送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎのうち、送電用アンテナ素子３１−ｎと組となる２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎの配置例を示している。
即ち、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））を中心として、Ｙ軸に線対称な位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置している。
このとき、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎは、送電用アンテナ素子３１−ｎから＋Δｚだけ離れ、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎは、送電用アンテナ素子３１−ｎから−Δｚだけ離れている。したがって、送電用アンテナ素子３１−ｎの座標を（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））とすると、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ）＋Δｚ）、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ）−Δｚ）と表せる。
Specifically, it is as follows.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an arrangement example of two pilot signal receiving antenna elements 32 with respect to the power transmitting
In FIG. 5, among the N power transmitting antenna elements 31-1 to 31-N, the arrangement of two pilot signal receiving
That is, the two pilot signal receiving
At this time, the pilot signal receiving
したがって、受信機３３ａ−ｎは、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎがパイロット信号１１を受信すると（図３のステップＳＴ１）、そのパイロット信号１１を検出して復調する（ステップＳＴ２）。
また、受信機３３ｂ−ｎは、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎがパイロット信号１１を受信すると（ステップＳＴ１）、そのパイロット信号１１を検出して復調する（ステップＳＴ２）。
Therefore, when the pilot signal receiving
Further, when the pilot signal receiving
位相合成器３４−ｎは、受信機３３ａ−ｎ，３３ｂ−ｎがパイロット信号１１を復調すると、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）を抽出する（ステップＳＴ３）。
パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相φａ−ｎ（ｒ）は、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎの座標が（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ）＋Δｚ）なので、下記の式（６）で与えられる。ただし、１≦ｎ≦Ｎ、Ｎはパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎの総数である。
The reception phase φ a−n (r) of the
位相合成器３４−ｎは、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）と、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φｂ−ｎ（ｒ）とを合成して合成位相φｎ（ｔ）を算出する（ステップＳＴ４）。
位相合成器３４−ｎは、受信位相φａ−ｎ（ｒ）と受信位相φｂ−ｎ（ｒ）の合成位相φｎ（ｔ）を算出すると、その合成位相φｎ（ｔ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相を導出する（ステップＳＴ５）。
即ち、位相合成器３４−ｎは、下記の式（９）に示すように、送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相として、その合成位相φｎ（ｔ）の複素共役成分φｎ ＊（ｔ）を算出する。
式（９）の演算結果である複素共役成分φｎ ＊（ｔ）は、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎとパイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎに挟まれている送電用アンテナ素子３１−ｎの座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））におけるレトロディレクティブ方式に合致する位相値となっている。
When the phase synthesizer 34-n calculates the combined phase φ n (t) of the received phase φ a−n (r) and the received phase φ b−n (r), the phase combiner 34-n uses the combined phase φ n (t) for power transmission. The radiation phase of the antenna element 31-n is derived (step ST5).
In other words, the phase synthesizer 34-n uses the complex conjugate component φ n * (t of the combined phase φ n (t) as the radiation phase of the power transmitting antenna element 31-n as shown in the following equation (9). ) Is calculated.
The complex conjugate component φ n * (t), which is the calculation result of Equation (9), is the power
移相器３５−ｎは、位相合成器３４−ｎが送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相として、合成位相φｎ（ｔ）の複素共役成分φｎ ＊（ｔ）を算出すると、マイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波に対して放射位相φｎ ＊（ｔ）を与える（ステップＳＴ６）。
これにより、送電用アンテナ素子３１−ｎから放射位相φｎ ＊（ｔ）で電力マイクロ波が放射される。
When the phase combiner 34-n calculates the complex conjugate component φ n * (t) of the combined phase φ n (t) as the radiation phase of the power transmission antenna element 31-n, the phase shifter 35-n A radiation phase φ n * (t) is given to the power microwave output from the converter 3 (step ST6).
Thereby, the power microwave is radiated from the power transmitting antenna element 31-n at the radiation phase φ n * (t).
ここでは、送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相φｎ ＊（ｔ）を設定する処理内容を示したが、全ての送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎの放射位相φ１ ＊（ｔ）〜φＮ ＊（ｔ）を同様に設定する。
その結果、送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎから送信される電力マイクロ波の等位相面は、パイロット信号１１の等位相面２４が全く同一になる。つまり、パイロット信号１１の到来方向に対して電力マイクロ波を指向することができる。
Here, the processing contents for setting the radiation phase φ n * (t) of the power transmitting antenna element 31-n are shown, but the radiation phases φ 1 * (t of all the power transmitting antenna elements 31-1 to 31-N are shown. ) To φ N * (t) are set similarly.
As a result, the equiphase surface of the power microwave transmitted from the power transmitting antenna elements 31-1 to 31-N is exactly the same as the
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、送電用アレーアンテナ４が、電力マイクロ波を送信する複数の送電用アンテナ素子３１−ｎと、パイロット信号送信機１０から送信されたパイロット信号を受信する複数のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎとから構成されており、複数の送電用アンテナ素子３１−ｎが不等間隔又は不均一に配置され、複数のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎが、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されていない隙間部分に配置されており、位相合成器３４−ｎが、送電用アンテナ素子３１−ｎと組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を抽出して、その受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成し、その合成位相φｎ（ｔ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相φｎ ＊（ｔ）を導出し、移相器３５−ｎが、マイクロ波変換部３から出力された電力マイクロ波に対して放射位相φｎ ＊（ｔ）を与えるように構成したので、送受両用の機能を有するアンテナ素子を用いることなく、送電用アレーアンテナを構成することが可能になり、製造コスト、輸送コスト、維持コストなどを低減することができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the power
即ち、この実施の形態１によれば、組となる２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを「Ｙ軸に線対称」の位置に配置するという制約だけで、送電用アレーアンテナ４の開口上に配置することができ、両対称点の中心点である送電用アンテナ素子３１−ｎからパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎまでの距離には制約事項がない。
つまり、不等間隔又は不均一に配置された送電用アンテナ素子３１−ｎの間隙部分を利用して、組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置するものであるため、例えパイロット信号受信用アンテナ素子３２を増やしても、送電用アレーアンテナ４の開口を広くする必要がない。このため、送電用アレーアンテナ４の大型化や重量増を抑制することができる。
That is, according to the first embodiment, the two pilot signal receiving
That is, the pilot signal receiving
実施の形態２．
上記実施の形態１では、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））を中心として、Ｙ軸に線対称な位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置するものを示したが、図６に示すように、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））を中心として、Ｚ軸に線対称な位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置するようにしてもよい。
In the first embodiment, two pilot signals are arranged at positions symmetrical with respect to the Y axis with the coordinates (Y n (t), Z n (t)) where the power transmitting antenna element 31-n is disposed as the center. As shown in FIG. 6, the receiving antenna elements 32 a-n and 32 b-n are arranged. As shown in FIG. 6, coordinates (Y n (t), Z n ( Two pilot signal receiving
このとき、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎは、送電用アンテナ素子３１−ｎからΔｙだけ離れ、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎは、送電用アンテナ素子３１−ｎから−Δｙだけ離れている。
送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標を（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））とすると、組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ）＋Δｙ，Ｚｎ（ｔ））で表され、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ）−Δｙ，Ｚｎ（ｔ））で表される。
At this time, the pilot signal receiving
Assuming that the coordinates where the power transmitting antenna element 31-n is arranged are (Y n (t), Z n (t)), the coordinates of the pilot signal receiving
したがって、位相合成器３４−ｎにより抽出されるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）は、下記の式（１０）で与えられる。
位相合成器３４−ｎは、下記の式（１２）に示すように、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）と、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φｂ−ｎ（ｒ）とを合成して合成位相φｎ（ｔ）を算出する。
位相合成器３４−ｎは、受信位相φａ−ｎ（ｒ）と受信位相φｂ−ｎ（ｒ）の合成位相φｎ（ｔ）を算出すると、上記実施の形態１と同様に、その合成位相φｎ（ｔ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相を導出する。
即ち、位相合成器３４−ｎは、下記の式（１３）に示すように、送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相として、その合成位相φｎ（ｔ）の複素共役成分φｎ ＊（ｔ）を算出する。
In other words, the phase synthesizer 34-n uses the complex conjugate component φ n * (t of the combined phase φ n (t) as the radiation phase of the power transmitting antenna element 31-n as shown in the following equation (13). ) Is calculated.
式（１３）の演算結果である複素共役成分φｎ ＊（ｔ）は、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎとパイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎに挟まれている送電用アンテナ素子３１−ｎの座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））におけるレトロディレクティブ方式に合致する位相値となっている。
したがって、Ｚ軸に線対称な位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎが配置されている場合も、上記実施の形態１と同様に動作する。
The complex conjugate component φ n * (t), which is the calculation result of Expression (13), is the power
Therefore, even when two pilot signal receiving
実施の形態３．
上記実施の形態１では、送電用アンテナ素子３１−ｎから放射されるレトロディレクティブ方式に則っている電力マイクロ波のＺ軸位相成分を、Ｙ軸に線対称な位置に配置されている２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相の合成から取得し、上記実施の形態２では、送電用アンテナ素子３１−ｎから放射されるレトロディレクティブ方式に則っている電力マイクロ波のＹ軸位相成分を、Ｚ軸に線対称な位置に配置されている２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相の合成から取得しているものを示したが、これらの場合、一方の軸に対する放射位相のみを得る場合に限られる。
In the first embodiment, the Z-axis phase component of the power microwave conforming to the retrodirective method radiated from the power transmitting antenna element 31-n is arranged in two positions symmetrical with respect to the Y axis. Obtained from the synthesis of the reception phase of the pilot signal in the pilot signal receiving
即ち、上記実施の形態１では、電力マイクロ波のＺ軸位相成分だけを得ているので、図４におけるＥＬ方向にしか、電力マイクロ波のビーム６を指向制御することができない。
また、上記実施の形態２では、電力マイクロ波のＹ軸位相成分だけを得ているので、図４におけるＡＺ方向にしか、電力マイクロ波のビーム６を指向制御することができない。
この実施の形態３では、電力マイクロ波のＺ軸位相成分とＹ軸位相成分を同時に取得して、ＥＬ方向及びＡＺ方向に対して、電力マイクロ波のビーム６を指向制御できるようにしている。
That is, in the first embodiment, since only the Z-axis phase component of the power microwave is obtained, the power microwave beam 6 can be controlled only in the EL direction in FIG.
In the second embodiment, since only the Y-axis phase component of the power microwave is obtained, the power microwave beam 6 can be directed and controlled only in the AZ direction in FIG.
In the third embodiment, the Z-axis phase component and the Y-axis phase component of the power microwave are acquired at the same time so that the power microwave beam 6 can be controlled in the EL direction and the AZ direction.
図７は送電用アンテナ素子３１に対する２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２の配置例を示す説明図である。
図７の例では、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））を中心として、点対称となる位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置している。
このとき、組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ）＋Δｙ，Ｚｎ（ｔ）＋Δｚ）で表され、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎの座標は（Ｙｎ（ｔ）−Δｙ，Ｚｎ（ｔ）−Δｚ）で表される。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an arrangement example of two pilot signal receiving antenna elements 32 with respect to the power transmitting
In the example of FIG. 7, two pilot signal receiving antennas are located symmetrically with respect to the coordinates (Y n (t), Z n (t)) where the power transmitting antenna element 31-n is arranged.
At this time, the coordinates of the pilot signal receiving
したがって、位相合成器３４−ｎにより抽出されるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）は、下記の式（１４）で与えられる。
位相合成器３４−ｎは、下記の式（１６）に示すように、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）と、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φｂ−ｎ（ｒ）とを合成して合成位相φｎ（ｔ）を算出する。
位相合成器３４−ｎは、受信位相φａ−ｎ（ｒ）と受信位相φｂ−ｎ（ｒ）の合成位相φｎ（ｔ）を算出すると、上記実施の形態１と同様に、その合成位相φｎ（ｔ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相を導出する。
即ち、位相合成器３４−ｎは、下記の式（１７）に示すように、送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相として、その合成位相φｎ（ｔ）の複素共役成分φｎ ＊（ｔ）を算出する。
In other words, the phase synthesizer 34-n uses the complex conjugate component φ n * (t of the combined phase φ n (t) as the radiation phase of the power transmitting antenna element 31-n as shown in the following equation (17). ) Is calculated.
式（１７）の演算結果である複素共役成分φｎ ＊（ｔ）は、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎとパイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎに挟まれている送電用アンテナ素子３１−ｎの座標（Ｙｎ（ｔ），Ｚｎ（ｔ））におけるレトロディレクティブ方式に合致する位相値となっている。
この実施の形態３では、送電用アンテナ素子３１−ｎから放射されるレトロディレクティブ方式に則っている電力マイクロ波のＺ軸位相成分とＹ軸位相成分を同時に得ることができ、図４におけるＡＺ方向とＥＬ方向に対する電力マイクロ波のビーム指向制御を行うことができる。
The complex conjugate component φ n * (t), which is the calculation result of Expression (17), is the power transmission antenna element 31- sandwiched between the pilot signal receiving
In the third embodiment, the Z-axis phase component and the Y-axis phase component of the power microwave conforming to the retrodirective method radiated from the power transmitting antenna element 31-n can be obtained simultaneously, and the AZ direction in FIG. And beam directivity control of the power microwave with respect to the EL direction.
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、送電用アンテナ素子３１−ｎの位置を中心とする線対称の位置（または点対称の位置）に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置するものを示したが、送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎを不等間隔又は不均一に配置にしているため、送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎの間にできる間隙は不定形である。
そのため、送電用アンテナ素子３１−ｎの位置を中心とする線対称の位置（または点対称の位置）に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置することができない場合もある。
In the first to third embodiments, two pilot signal receiving
Therefore, when two pilot signal receiving
図８は送電用アンテナ素子３１に対する２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２の配置例を示す説明図である。
図８では、送電用アンテナ素子３１−１の位置を中心とする点対称の位置に２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置する際、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１を配置する位置に、別の送電用アンテナ素子３１−２が存在しているために、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１を配置することができない例を示している。先にも述べているように、電力マイクロ波のビーム６が最適になるように、送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎの配置を決めているため、送電用アンテナ素子３１−２の位置を移動することはできない。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an arrangement example of two pilot signal receiving antenna elements 32 with respect to the power transmitting
In FIG. 8, when two pilot signal receiving
そこで、この実施の形態４では、別の送電用アンテナ素子３１が存在するために、組となる２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎのうち、例えば、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎを配置することができない場合、送電用アンテナ素子３１−ｎとパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎを結ぶ線分上の定数倍の外分点にパイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎを配置するようにする。
図８の例では、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１を２倍の外分点の位置に配置している。
即ち、送電用アンテナ素子３１−ｎが配置されている座標が（Ｙ１（ｔ），Ｚ１（ｔ））であるとすると、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１は座標（Ｙ１（ｔ）−Δｙ，Ｚ１（ｔ）−Δｚ）の位置に配置され、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−１は座標（Ｙ１（ｔ）＋２Δｙ，Ｚ１（ｔ）＋２Δｚ）の位置に配置される。
Therefore, in the fourth embodiment, since another power
In the example of FIG. 8, the pilot signal receiving
That is, assuming that the coordinate where the power transmitting antenna element 31-n is arranged is (Y 1 (t), Z 1 (t)), the pilot signal receiving
したがって、位相合成器３４−ｎにより抽出されるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）は、下記の式（１８）で与えられる。
位相合成器３４−ｎは、下記の式（２０）に示すように、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ）と、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φｂ−ｎ（ｒ）とを合成して合成位相φｎ（ｔ）を算出する。
式（２０）において、最後の第１項目はパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎのレトロディレクティブ方式に合致する電力マイクロ波の放射位相になっている。
第２項目はΔｙ、Δｚ及び外分点を与える定数値（ここでは、２)により一意に求まる余剰項である。
したがって、送電用アレーアンテナ４上に全ての送電用アンテナ素子３１−１〜３１−Ｎ及びパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−１〜３２ａ−Ｎ，３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎを配置したときに、各々の送電用アンテナ素子３１−ｎと組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎの座標から、Δｙ、Δｚ及び外分点を与える定数値を補正値として、図２における位相合成器３４−ｎ内のメモリテーブル（位置記憶部）に予め記憶させておくようにする。
そして、実際の運用時に、このように外分点の関係にある２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成する際に、位相合成器３４−ｎ内の位相補正部が、上記の補正値で余剰項をキャンセルするようにすればよい。
以降、位相合成器３４−ｎ内の放射位相設定部が、補正後の受信位相を合成して合成位相φｎ（ｔ）を算出し、その合成位相φｎ（ｔ）から送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相を導出する。
In the equation (20), the last first item is the radiation phase of the power microwave that matches the retrodirective scheme of the pilot signal receiving
The second item is a surplus term that is uniquely determined by a constant value (here, 2) that gives Δy, Δz, and an outer dividing point.
Therefore, when all the power transmitting antenna elements 31-1 to 31-N and the pilot signal receiving
Then, during actual operation, the reception phases φ a−n (r), φ b of the
Thereafter, the radiation phase setting unit in the phase synthesizer 34-n is, by combining received phase corrected calculated combined phase phi n a (t), the power transmission antenna element from the combined
この実施の形態４によれば、送電用アンテナ素子３１−ｎの周囲に、組となる２個のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置する自由度が大きく向上し、複数の送電用アンテナ素子３１を不等間隔又は不均一に配置しているにもかかわらず、その間隙部分を有効に利用して、パイロット信号受信用アンテナ素子３２を配置することが可能になる。
According to the fourth embodiment, the degree of freedom of arranging the two pilot signal receiving
実施の形態５．
この実施の形態５では、上記実施の形態３，４をより一般化したものである。
即ち、上記実施の形態３，４では、送電用アンテナ素子３１−ｎと組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎが２個であるものを示したが、パイロット信号受信用アンテナ素子３２の配置制約が許す範囲であれば、２個で１組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを複数組配置するようにしてもよい。
In the fifth embodiment, the third and fourth embodiments are more generalized.
That is, in the third and fourth embodiments, two pilot signal receiving
例えば、１組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎについては、上記実施の形態３，４と同様の方法で配置する。
２組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎについては、１組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを結ぶ線分に交差する形で（文字Ｘを模するように）配置する。
For example, the first set of pilot signal receiving
The second set of pilot signal receiving
このように、１つの送電用アンテナ素子３１−ｎに対して、２組のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置することで、以下の効果が得られる。
一般に送電用アレーアンテナ４は、宇宙空間に構築される巨大な平面アレーアンテナであり、それを支える構造体によって平面が維持される。
しかし、構造体の問題や急激な軌道のずれによって、送電用アレーアンテナ４が完全な平面でなく、凹凸を持つような状態になる場合がある。
このような場合、組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号１１の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成することで、送電用アンテナ素子３１−ｎの放射位相を算出しても、平面とは異なる微妙な凹凸で素子の座標が変わっているため、レトロディレクティブ方式に合致する正しい位相値を算出することができない。
Thus, by arranging two sets of pilot signal receiving
In general, the power
However, there is a case where the power
In such a case, by combining the reception phases φ a−n (r) and φ b−n (r) of the
これに対して、１組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを結ぶ線分に交差する形で、２組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置する場合、１組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎでは吸収できていない送電用アレーアンテナ４の凹凸の影響を、別のカット面に配置されている２組目のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎが吸収できる場合がある。
On the other hand, the second set of pilot signal receiving
この実施の形態５では、１つの送電用アンテナ素子３１−ｎに対して、複数組のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置する際、各組のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎは、異なる交差角度となるように配置する。
理想的には、送電用アンテナ素子３１−ｎを中心とする円周上に、複数組のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置する。
これにより、どのカット面に対しても、送電用アレーアンテナ４の凹凸の影響を吸収することが可能になる。
また、複数組のパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎを配置することで、パイロット信号１１の受信位相を合成する際の受信位相のサンプル数が増えるため、送電用アンテナ素子３１−ｎに与える放射位相の精度が向上する効果が得られる。
In the fifth embodiment, when a plurality of sets of pilot signal receiving
Ideally, a plurality of sets of pilot signal receiving
Thereby, it becomes possible to absorb the influence of the unevenness of the power
Also, by arranging a plurality of sets of pilot signal receiving
実施の形態６．
上記実施の形態１〜５では、位相合成器３４−ｎが、送電用アンテナ素子３１−ｎと組となるパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を抽出し、その受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成するものを示したが、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成する処理については、デジタル的に処理（デジタル回路などによる演算）してもよいし、アナログ的に処理（ＲＦデバイスのみによる合成）してもよく、同様の効果が得られる。
Embodiment 6 FIG.
In the first to fifth embodiments, the phase synthesizer 34-n receives the pilot signal reception phase φ a− in the pilot signal receiving
パイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成する処理をデジタル的に行う場合、位相合成器３４−ｎ内のＡ／Ｄ変換器が、受信機３３ａ−ｎ，３３ｂ−ｎにより復調されたパイロット信号をアナログ値からデジタル値に変換し、このデジタル値からパイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎにおけるパイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を抽出すればよい。
When the process of synthesizing the reception phases φ a−n (r) and φ b−n (r) of the pilot signal is performed digitally, the A / D converter in the phase synthesizer 34-n is connected to the
パイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成する処理をアナログ的に行う場合、受信機３３ａ−ｎにより復調されたパイロット信号と受信機３３ｂ−ｎにより復調されたパイロット信号とを合成するアナログ合成器（マジックＴなどのＲＦデバイス）を用いて位相合成器３４−ｎを構成し、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎから位相合成器３４−ｎまでの各伝送線路の電気長の全てが同一になるように調整していればよい。
Receive phase phi a-n of the pilot signal (r), phi b-n when processing for synthesizing the (r) in an analog manner, the demodulated pilot signal demodulated by the
パイロット信号の受信位相φａ−ｎ（ｒ），φｂ−ｎ（ｒ）を合成する処理をデジタル的に行う場合でも、アナログ的に行う場合でも、同様の効果が得られるが、運用における抗堪性が高く、メンテナンスを容易に行えない宇宙空間で処理の自由度が高いのは、デジタル的処理の方である。
アナログ的に行う場合、パイロット信号受信用アンテナ素子３２ａ−ｎ，３２ｂ−ｎから位相合成器３４−ｎまでの各伝送線路の電気長が完全に一致するとは限らないが、デジタル的に行う場合、その電気長の誤差を補正値として観測値に寄与することができる。
The same effect can be obtained whether the process of synthesizing the reception phases φ a−n (r) and φ b−n (r) of the pilot signal is performed digitally or analogly. Digital processing is more proficient and has a higher degree of freedom in processing in space where maintenance is not easy.
In the case of analog, the electrical lengths of the transmission lines from the pilot signal receiving
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
１ ソーラーパネル、２ ロータリージョイント、３ マイクロ波変換部（電力重畳手段）、４ 送電用アレーアンテナ、５−１〜５−Ｎ 送受信両用アンテナ素子、６ 電力マイクロ波のビーム、７ 地球、８ 受電用アレーアンテナ、９ 受電用アンテナ素子、１０ パイロット信号送信機、１１ パイロット信号、１２ 整流回路（電力抽出手段）、２１−１〜２１−Ｎ 受信機、２２−１〜２２−Ｎ 位相共役器、２３−１〜２３−Ｎ 移相器、２４ パイロット信号の等位相面、３１−１〜３１−Ｎ 送電用アンテナ素子、３２ａ−１〜３２ａ−Ｎ，３２ｂ−１〜３２ｂ−Ｎ パイロット信号受信用アンテナ素子、３３ａ−１〜３３ａ−Ｎ，３３ｂ−１〜３３ｂ−Ｎ 受信機（放射位相設定手段）、３４−１〜３４−Ｎ 位相合成器（放射位相設定手段）、３５−１〜３５−Ｎ 移相器（放射位相設定手段）。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
上記送電用アレーアンテナは上記電力重畳手段により電力が重畳されたマイクロ波を送信する複数の送電用アンテナ素子と、上記受電用アレーアンテナから送信されたパイロット信号を受信する複数のパイロット信号受信用アンテナ素子とから構成されており、
上記複数の送電用アンテナ素子は不等間隔又は不均一に配置され、上記複数のパイロット信号受信用アンテナ素子は上記送電用アンテナ素子が配置されていない隙間部分に配置されており、
各々の送電用アンテナ素子と組となる複数のパイロット信号受信用アンテナ素子における上記パイロット信号の受信位相を抽出して、その抽出した複数の受信位相を合成し、合成後の受信位相に応じて当該送電用アンテナ素子の放射位相を設定する放射位相設定手段を設けたことを特徴とする太陽光発電衛星システム。 A solar panel that is deployed in outer space and generates power by receiving sunlight, a power superimposing unit that superimposes the power generated by the solar panel on a microwave, and the power superimposed by the power superimposing unit While transmitting a microwave toward the ground, a power transmitting array antenna that receives a pilot signal transmitted from the ground and a microwave that is installed on the ground and that receives the microwave transmitted by the power transmitting array antenna In a photovoltaic satellite system comprising a power receiving array antenna for transmitting the pilot signal, and a power extracting means for extracting power superimposed on the microwaves received by the power receiving array antenna,
The power transmitting array antenna includes a plurality of power transmitting antenna elements that transmit microwaves on which power is superimposed by the power superimposing means, and a plurality of pilot signal receiving antennas that receive pilot signals transmitted from the power receiving array antenna. It is composed of elements and
The plurality of power transmission antenna elements are arranged at unequal intervals or unevenly, and the plurality of pilot signal receiving antenna elements are arranged in a gap portion where the power transmission antenna elements are not arranged,
Extracting the reception phase of the pilot signal in a plurality of pilot signal reception antenna elements paired with each power transmission antenna element, combining the extracted reception phases, and depending on the reception phase after combining A photovoltaic power generation satellite system characterized in that radiation phase setting means for setting a radiation phase of a power transmission antenna element is provided.
上記送電用アレーアンテナが、上記電力重畳手段により電力が重畳されたマイクロ波を送信する複数の送電用アンテナ素子と、上記受電用アレーアンテナから送信されたパイロット信号を受信する複数のパイロット信号受信用アンテナ素子とから構成されており、
上記複数の送電用アンテナ素子が、不等間隔又は不均一に配置され、上記複数のパイロット信号受信用アンテナ素子が、上記送電用アンテナ素子が配置されていない隙間部分に配置されており、
放射位相設定手段が、各々の送電用アンテナ素子と組となる複数のパイロット信号受信用アンテナ素子における上記パイロット信号の受信位相を抽出して、その抽出した複数の受信位相を合成し、合成後の受信位相に応じて当該送電用アンテナ素子の放射位相を設定することを特徴とする放射位相設定方法。 A solar panel that is deployed in outer space and generates power by receiving sunlight, a power superimposing unit that superimposes the power generated by the solar panel on a microwave, and the power superimposed by the power superimposing unit While transmitting a microwave toward the ground, a power transmitting array antenna that receives a pilot signal transmitted from the ground and a microwave that is installed on the ground and that receives the microwave transmitted by the power transmitting array antenna Radiation applied to a photovoltaic power generation satellite system comprising: a power receiving array antenna for transmitting the pilot signal; and a power extracting means for extracting power superimposed on the microwaves received by the power receiving array antenna. In the phase setting method,
The power transmitting array antenna receives a plurality of power transmitting antenna elements that transmit microwaves on which power is superimposed by the power superimposing means, and a plurality of pilot signal receiving signals that receive pilot signals transmitted from the power receiving array antenna. It consists of an antenna element and
The plurality of power transmission antenna elements are arranged at irregular intervals or unevenly, and the plurality of pilot signal receiving antenna elements are arranged in a gap portion where the power transmission antenna elements are not arranged,
The radiation phase setting means extracts the reception phase of the pilot signal in a plurality of pilot signal reception antenna elements that are paired with each power transmission antenna element, and combines the extracted reception phases. A radiation phase setting method, comprising: setting a radiation phase of the power transmitting antenna element according to a reception phase.
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| JP2011137250A JP2013005378A (en) | 2011-06-21 | 2011-06-21 | Photovoltaic power generation satellite system and radiation phase setting method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020191781A (en) * | 2014-07-23 | 2020-11-26 | デイヴィッド ハイランド | System and method for collection and distribution of space-based solar energy |
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2011
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