JP2014518059A - 近接場エネルギーを用いてワイヤレスでエネルギーを伝送するための機器 - Google Patents

Abstract

ワイヤレスでエネルギー送出し、比較的長い近接場にわたって磁場を投射するための技法について記載する。一例において、近接場エネルギーを送出するための機器は、無線周波数（ＲＦ）信号を生成する少なくとも１つのソースと、ＲＦ信号から近接場信号を生成するアンテナと、アンテナと通信するレンズを形成し、近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギーの方向をレンズの近接場内の物体に向ける、複数のサブ波長サイズの素子とを備え、サブ波長サイズの素子がアンテナのまわりに配置される。
【選択図】図８

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１１年４月２８日に出願され、全内容が参照により本明細書に組込まれている、Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｐ． ＳｔｅｃｈｅｒおよびＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｆｕｌｌｅｒによる「ＷＩＲＥＬＥＳＳ ＥＮＥＲＧＹ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＮＥＡＲ−ＦＩＥＬＤ ＳＵＢ−ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＮＥＲＧＹ」という名称の米国仮出願第６１／４８０，２１０号の利点を主張するものである。

[0002]本開示は、エネルギー伝送に関し、より詳細には、ワイヤレスのエネルギー伝送に関する。

[0003]一般に、電気エネルギーは、ある地点から別の地点に架空送電線または地中送電線を介して送出される。架空送電線には、支持するための大きな送電塔または他の構造体が必要である。地中送電線は、絶縁ケーブルおよびその埋設に付随するコストのために、架空送電線よりも一般に高価である。それらの付随するコストおよび基幹設備に加えて、架空送電線および地中送電線の据付けには、時間がかかる。

[0004]本開示は、概して、コヒーレントの電磁場／磁場の生成およびワイヤレスエネルギー送出のための技法について記載する。本技法は、例えば、１つまたは複数の塔送出装置から１つまたは複数の目標または物体にワイヤレスでエネルギーを送出すること、ならびに比較的長い近接場の距離にわたって磁場を投射することを含む。一部の例において、物体は、送出されたエネルギーを受け取るように構成された遠隔受取り装置である。一例において、１つまたは複数の送出装置は、各塔の上に取り付けられる。各送出装置は、アンテナ、および遠隔受取り装置に送出される近接場集束エネルギービームを生成するためのアンテナのまわりに配置されたサブ波長サイズの素子で構成されたレンズを含む。

[0005]一例において、本開示は、近接場エネルギーを送出するための機器を対象とする。本機器は、無線周波数（ＲＦ）信号を生成する少なくとも１つのソースと、ＲＦ信号から近接場信号を生成するアンテナと、アンテナと通信するレンズを形成し、近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、この近接場エネルギーの方向をレンズの近接場内の物体に向ける、複数のサブ波長サイズの素子とを備え、複数のサブ波長サイズの素子がアンテナのまわりに配置される。

[0006]別の例において、本開示は、近接場エネルギーを受け取るための機器を対象とし、本機器は、近接場エネルギーを捕捉するレンズを形成する複数のサブ波長サイズの素子と、レンズと通信し、近接場エネルギーから電流を生成するアンテナと、を備え、サブ波長サイズの素子がアンテナのまわりに配置される。

[0007]別の例において、本開示は、近接場エネルギーをワイヤレスで送出するためのシステムを対象とする。本システムは、無線周波数（ＲＦ）信号を生成する少なくとも１つのソースと、ＲＦ信号から近接場信号を生成する第１のアンテナと、第１のアンテナと通信する第１のレンズを形成し、近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギーの方向を第１のレンズの近接場内に向ける、第１の複数のサブ波長サイズの素子とを備え、第１の複数のサブ波長サイズの素子が第１のアンテナのまわりに配置される。本システムは、送出された近接場エネルギーを捕捉する第２のレンズを形成する第２の複数のサブ波長サイズの素子と、第２のレンズと通信し、近接場エネルギーから電流を生成する第２のアンテナと、をさらに備え、第２の複数のサブ波長サイズの素子が第２のアンテナのまわりに配置される。

[0008]別の例において、本開示は、近接場エネルギーを送出する指向性エネルギー兵器を対象とする。本兵器は、無線周波数（ＲＦ）信号を生成するソースと、ＲＦ信号から近接場信号を生成するアンテナと、アンテナと通信するレンズを形成し、近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギーの方向をレンズの近接場内の目標に向ける、複数のサブ波長サイズの素子とを備え、複数のサブ波長サイズの素子がアンテナのまわりに配置される。

[0009]別の例において、本開示は、近接場エネルギーを送出する方法を対象とする。本方法は、無線周波数（ＲＦ）信号を生成するステップと、アンテナを介してＲＦ信号から近接場信号を生成するステップと、アンテナのまわりに配置されたサブ波長サイズの素子を備える近接場レンズを介して近接場信号を捕捉するステップと、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギーの方向をレンズの近接場内の物体へ向けるステップとを含む。

[0010]本開示の１つまたは複数の態様の詳細を、以下の添付の図面および説明において述べる。他の特徴、目的、および利点は、説明および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

[0011]本開示の様々な技法による例示的なワイヤレスエネルギー伝送システムを示す概念図である。 [0012]本開示の様々な技法による別の例示的なワイヤレスエネルギー伝送システムを示す概念図である。 [0013]本開示による、ワイヤレスエネルギー送出および／または受取りシステムにおいて使用される送受装置の様々な例示的な構成要素を示すブロック図である。 [0014]図４Ａは、本開示に記載された様々な技法を実施するためにサブ波長サイズの素子として使用することができる例示的な複合素子の３次元の図である。図４Ｂは、本開示に記載された様々な技法を実施するためにサブ波長サイズの素子として使用することができる例示的な複合素子の３次元の図である。 [0015]本開示の様々な技法を実施するために使用することができる例示的なレンズおよびアンテナの上面図である。 [0016]本開示の様々な技法を実施するために使用することができる例示的なサブ波長サイズの素子である。 [0017]本開示の様々な技法による、サブ波長サイズの素子から形成された例示的な近接場レンズの斜視断面図を示す概念図である。 [0018]本開示による、近接場エネルギーをワイヤレスで伝送するための例示的なシステムを示す図である。 [0019]本開示の様々な技法を用いる例示的な指向性エネルギー兵器を示すブロック図である。 [0020]本開示の様々な技法を用いる例示的な電磁場偏向システムを示すブロック図である。 [0021]本開示の様々な技法を用いて、車両に電力を遠隔供給するための例示的なシステムを示す図である。 [0022]本開示の様々な技法を用いて、１つまたは複数のシステムに電力を遠隔供給するための例示的なシステムを示す図である。 [0023]本開示の様々な技法を用いて、車両または物体を持ち上げるおよび／または推進させるための例示的な磁気浮上モジュールを示す図である。 [0024]本開示の様々な技法を用いて、車両を持ち上げるおよび／または推進させるための例示的な磁気浮上システムを示す図である。 [0025]本開示の様々な技法を用いて、人工的な磁気圏を生み出すための例示的なシステムを示す図である。 [0026]本開示の様々な技法を用いて、衛星間のおよび宇宙空間に置かれた電力を供給するための例示的なシステムを示す図である。 [0027]本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力延伸システムを示す図である。 [0028]図１８は、本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力の一時的な接続システムを示す図である。 [0029]本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力置き換えシステムを示す図である。

[0030]本開示は、ワイヤレス電気エネルギー送出のための技法について記載する。本開示の様々な技法を用いて、低周波、例えば１キロヘルツ（ｋＨｚ）の無線周波数（ＲＦ）エネルギービームを、長距離、例えば３００キロメートル（ｋｍ）にわたってワイヤレスで送出することができる。以下でより詳細に説明されるように、アンテナおよびサブ波長サイズの素子を備えるレンズを利用する送出装置は、近接場エネルギーを生成し、集束し、目標または遠隔受取り装置へ向けて投射する。サブ波長サイズの素子は、物理的な寸法がアンテナおよびソースによって生成される波長のサイズよりも小さい物体である。サブ波長サイズの素子として、以下でより詳細に説明されるように、高透磁率および／もしくは高誘電率を有する複合素子、ならびに／またはメタマテリアル素子が挙げられる。同様のアンテナおよびサブ波長サイズの素子を備えるレンズを含む受取り装置は、近接場エネルギーを受け取り、このエネルギーを、例えば、受取り装置のサービスパネルを介して遠隔受取り装置に電気的に接続されているユーザが使用するための交流電流または直流電流に変換する。

[0031]近接場エネルギーは、損失性物体上で消失し、そのソースから最大約１波長の距離まで検知可能である。遠距離場の電波と異なり、近接場の電波は、アンテナから離れない。そのため、電力の放射は、ほとんどまたはまったくない。したがって、受取り装置によって取得されないいかなる送出された近接場エネルギーも前に進み続けて損傷を引き起こすことがなく、したがって、遠距離場のエネルギーよりも安全である。

[0032]図１は、本開示の様々な技法による例示的なワイヤレスエネルギー伝送システムを示す概念図である。具体的には、図１は、送電塔１２、塔１２に支持された複数の送出装置１４Ａ〜１４Ｇ（本明細書ではまとめて「送出装置１４」と呼ぶ）、および１つまたは複数の送出装置１４によって送出されたワイヤレスエネルギーを受け取る１つまたは複数の物体、例えば遠隔受取り装置１６Ａ〜１６Ｇ（本明細書ではまとめて「受取り装置１６」と呼ぶ）を有するワイヤレスエネルギー伝送システム１０を示す。そうした構成により送電塔１２を介して遠隔電力が供給される。

[0033]一部の例示的な構成において、各送出装置１４は、遠隔受取り装置１６のそれぞれと位置合わせされた指向性アンテナを含む。送出装置１４は、現場の電源に接続されている。例示的な一実施態様において、電源は、燃料電池、例えば、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＢｌｏｏｍ Ｅｎｅｒｇｙから入手可能な固体酸化物燃料電池であってもよい。他の例において、電源は、ディーゼル発電機、中央の発電所、または宇宙から発せられたエネルギーであってもよい。送出装置１４のそれぞれは、電源からの交流電流または直流電流のいずれかを近接場ＲＦレンズによってそれぞれの受取り装置１６へ発せられる低周波近接場ＲＦ信号に変換する。図１における技法を用いることができる近接場レンズを以下より詳細に示し、説明する。近接場レンズの１つの例示的な構成を、図５および７に関して以下に示し、説明する。

[0034]別の例において、システム１０は、フェイズドアレイ構成を使用することができる。そうした構成においては、１つの送出装置１４および複数の受取り装置１６があってもよい。

[0035]一部の例において、近接場ＲＦレンズは、メタマテリアル素子を利用する。サブ波長サイズの素子を利用するレンズおよびそうしたレンズを利用する送出装置は、参照によりその全体が本明細書に組込まれている、Ｆｕｌｌｅｒらによる「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｒａｄａｒ Ｕｓｉｎｇ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ」という名称の米国特許第７，９２８，９００号に詳細に記載されている。他の例において、以下詳細に説明するように、近接場ＲＦレンズは、複合材料を利用する。別の例において、近接場ＲＦレンズは、複合材料およびメタマテリアルの両方を利用する。

[0036]各受取り装置１６は、それぞれの送出装置１４から近接場ＲＦ信号を受信するための低周波近接場ＲＦレンズを含む。受信された近接場ＲＦ信号は、レンズと通信するアンテナを介して、直流電流または交流電流のいずれかに変換され、これらの電流が電気パネルへ、または直接電気機器へ、または受取り装置に関連づけられている利用サイトの施設における蓄積部（図示せず）へ導かれる。

[0037]別の例示的な実施態様（図示せず）において、各送電塔１２は、変調された通信ＲＦ信号を各受取り装置１６に中継する。各受取り装置１６は、低周波近接場ＲＦレンズを使用する、および変調された通信ＲＦ信号にもアクセスするアンテナを含む。受信された近接場ＲＦ信号は、直流電流または交流電流のいずれかに変換され、これらの電流が電気パネルへ、または直接電気機器へ、または受取り装置に関連づけられている利用サイト施設における蓄積部へ導かれる。変調された通信信号は、施設全体に一斉送信される。一部の例において、送電塔１２は、所要電力が変化する負荷に電力を供給するために搬送波の周波数を変えることができる。加えて、顧客に特定の周波数を割り当てることができ、送電塔１２は、様々な顧客に信号を配送するために信号の周波数を変えることができる。

[0038]図２は、本開示の様々な技法による別の例示的なワイヤレスエネルギー伝送システムを示す概念図である。具体的には、図２は、遠隔地にバックアップ電力を配送する、または供給するために用いることができる例示的なワイヤレスエネルギー伝送システムを示す。システム２０は、図１の送電塔１２と同様の送電塔１２、ならびに図１の遠隔受取り装置１６Ａ〜１６Ｇと同様の１つまたは複数の遠隔受取り装置１６を含む。遠隔受取り装置１６は、副領域２２Ａ〜２２Ｅ（本明細書ではまとめて「副領域２２」と呼ぶ）を含む遠隔地にバックアップ電力を供給する。

[0039]送電塔１２における装置、または別の中央施設は、各副領域２２における電力を監視する。１つまたは複数の副領域２２、例えば副領域２２Ｄに停電がある場合、送電塔１２は、遠隔受取り装置１６に近接場ＲＦ電力２４を送出する。遠隔受取り装置１６は、副領域２２Ｄ内の１つまたは複数の受取り装置（図示せず）にＲＦ電力２５を中継する。副領域２２Ｄが送電塔１２の見通し線内にある場合、送電塔１２は、近接場ＲＦ電力２４を直接副領域２２Ｄに送出する。他の例において、受取り装置１６を介して電力を中継するのではなく、送電塔１２は、近接場ＲＦ電力を１つまたは複数の副領域２２に直接送出する。

[0040]図２におけるシステム２０について、バックアップ電力の供給に関して上記したが、一部の例示的な実施態様において、システム２０は、１つまたは複数の副領域２２のための主電源であってもよい。すなわち、送電線を介して１つまたは複数の副領域２２に電力を供給するのではなく、本開示の技法を用いて、近接場エネルギーを、伝送ケーブルを必要とすることなく空中を通って副領域に送出することができる。

[0041]図３は、本開示による、ワイヤレスエネルギー送出および／または受取りシステムにおいて使用される送受装置の様々な例示的な構成要素を示すブロック図である。図３の送受装置１５は、近接場エネルギーを送出しかつ／または受け取り、それによって送出装置１４および／または受取り装置１６に関して上記した機能を行う。図３において、送受装置１５は、例えば、複合材料またはメタマテリアルを使用する複数のサブ波長サイズのレンズ素子２８を含む近接場レンズ２６を含む。

[0042]メタマテリアルのサブ波長サイズの素子を作り出す１つの方法は、誘電体共振器の使用による。誘電体共振器は、ＴＭモード（「ＴＭ」、伝搬方向に磁場がない）、ＴＥモード（「ＴＥ」、伝搬方向に電場がない）、またはＴＥＭモード（「ＴＥＭ」、伝搬方向に電場も磁場もない）を含む様々な横モードにおいて共振することができる。誘電体共振器がＴＭまたはＴＥモードにおいて共振する場合、１つの実効的に負の誘電特性（誘電率または透磁率）のみが共振器によって提供され、したがって、他の実効的に負の誘電特性は、誘電体共振器間の間隔において発生する共振モードによって提供される。立方体形状の誘電体共振器に対して、立方体の第３のモード／共振は、通常ＴＥＭモードであり、その結果負の誘電率および負の透磁率の両方が提供される。さらなる情報は、２００７年６月のＩＥＥＥ Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ会議のセッション２２０において、Ｊａｅｗｏｎ ＫｉｍおよびＡｎａｎｄ Ｇｏｐｉｎａｔｈによって発表された「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｂｉｃ Ｈｉｇｈ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ Ａｎｔｅｎｎａｓ」に見いだすことができ、その全内容が参照により本明細書に組込まれる。

[0043]立方体内でＴＥＭモード共振させるために、高透磁率および高誘電率の材料を１つの共振器立方体レンズ内に組み合わせることができる。共振器に高誘電率材料を使用し、ギャップに高透磁率材料を使用して、またはその逆を行うことによって、誘電体共振器が第１の共振モードを提供し、共振器間のギャップが第２の共振モードを提供する状況に対して、共振器素子のサイズを劇的に低減することができる。さらに、自由空間、または共振器素子が収容されている媒体に電波のインピーダンスを密接に整合させることによって、そうした設計において効率が維持される。高透磁率材料と組み合わされた高誘電率材料を使用することによって、立方体間の離隔距離が決定的ではない１つの立方体を使用して効率的な負の透磁率および誘電率が達成される。立方体共振器の利点は、立方体共振器が金属性素子と比較して低損失であること、場合によっては共振器アレイおよびレンズの設計を簡略化する等方性応答を提供するように設計されうること、および高比誘電率（誘電体）および高比透磁率定数を有する材料を互い違いにすることによってサイズ低減の特徴が組み込まれるということである。また、自然の高透磁率材料の飽和をなくすために、共振手法を用いて、高誘電率材料を人工的な高透磁率材料と組み合わせることができる。

[0044]加えて、送受装置１５は、１つまたは複数の近接場刺激器３０を含むことができる。一部の例において、サブ波長サイズの素子の一部またはすべてを個別に制御することは、レンズに対するより多くの制御を提供するために望ましい。図３は、近接場刺激器３０と通信する各サブ波長サイズのレンズ素子２８を示す。各近接場刺激器３０は、例えば、近接場プローブ、ポート、アンテナ、またはそれらの組合せであってもよい。近接場プローブを使用して、サブ波長サイズの素子２８によって利用される信号を（変調されてない、または変調された方法で）刺激し、近接場エネルギービームを生み出す。図３の例に示すように、各近接場刺激器３０は、サブ波長サイズの素子２８と位置合わせされ、検知／励振器／フィードアレイ３２と動作可能に通信する。

[0045]送受装置１５は、アンテナ３４をさらに含む。アンテナという用語は、アンテナアレイを意味するものとして解釈することもできることに留意されたい。本開示の技法によると、レンズ２６は、アンテナ３４のまわりに、例えば、アンテナ３４を取り囲んで配置される。アンテナ３４を使用して、近接場レンズ２６のサブ波長サイズの素子２８を刺激し、送出のための近接場信号を生み出す。一部の例示的な実施態様において、アンテナ３４および近接場刺激器３０の両方を使用して、近接場レンズ２６のサブ波長サイズの素子２８を刺激し、近接場信号を生み出すことができる。他の例示的な実施態様において、近接場刺激器３０をアンテナ３４の代わりに使用して、サブ波長サイズの素子２８を刺激することができる。そうした例において、レンズ２６は、近接場刺激器３０のまわりに、例えば、近接場刺激器３０を取り囲んで配置される。

[0046]図３に示した例示的な構成において、近接場エネルギービームを受け取るために、ソース３６、例えば電源およびＲＦ信号発生器は、ＲＦ電波３８を生成し、このＲＦ電波３８がサブ波長サイズの素子を刺激する。アンテナ３４および近接場刺激器３０のうちの１つまたは両方を介して近接場エネルギービームを受け取るために、ソース３６は、検知／励振器／フィードアレイ３２内に信号を誘起し、この信号が近接場レンズ２６のサブ波長サイズの素子２８を刺激して近接場信号を生み出し、結果としてアンテナ３４、および／または調整／結合／制御アレイ段４６によって任意選択的に受けられる効率的な近接場エネルギービームが得られる。一部の例示的な構成において、複数のアンテナ３４および複数の近接場レンズ２６を使用して、近接場エネルギーを受け取ることができる。検知／励振器／フィードアレイ３２、調整／結合／制御アレイ４６、近接場フロントエンド４２、調整４０、近接場処理４４、近接場刺激器３０、およびソース３６を任意に組み合わせて送受装置１５を動作させることができることに留意されたい。ソース３６とアンテナ３４間の接続は、物理的な電気的接続、例えば有線によるもの、または場を介した電気的接続のいずれであってもよいことをさらに留意されたい。

[0047]一部の例示的な構成において、送受装置１５は、受取り装置１６へ送出するためのまたは送出装置１４から受け取るための最適な近接場エネルギービームを生み出すために、以下の、近接場調整４０、近接場ＲＦフロントエンド４２、および近接場処理４４を行う構成要素または回路のうちの少なくとも１つまたはそれらの組合せも含む。送受装置１５の送出装置の態様、例えば、送出装置１４に関して上記した態様は、検知／励振器／フィードアレイ３２、近接場調整４０、および近接場処理４４を含むことができ、送受装置１５の受取り装置の態様、例えば、受取り装置１６に関して上記した態様は、近接場ＲＦフロントエンド４２、近接場調整４０、および近接場処理４４を含む。一定範囲の用途に対しては、上記の構成要素のすべてが必要なわけではないことに留意されたい。

[0048]近接場調整４０および近接場処理４４は、電源電圧の変動などを検出することによって送出中および受取り中にレンズ２６の焦点を制御する。近接場ＲＦフロントエンド４２を使用して、受信したＲＦ周波数を組み合わせ、（パルスシステム用に）同期を取り、シグナルプロセッサならびに／または他のアナログおよびディジタル回路によってより容易に処理することができるより低周波の信号に変換する。低周波、例えば約１ｋＨｚに対しては、サブ波長サイズのアレイ、シグナルプロセッサ、または他のアナログおよびディジタル回路によって直接変換を行うことができる。近接場処理は、当業者によく知られているアナログまたはディジタル信号処理を指す。フロントエンド段は、送出された近接場エネルギーを受け取るための回路の一部を形成してもよいことに留意されたい。

[0049]一部の例示的な実施態様において、送受装置１５は、調整／結合／制御アレイ段４６として設計されるサブ波長サイズの送信アレイと通信する回路を含む。調整／結合／制御アレイ段４６は、近接場プローブ、ハイインピーダンスプローブまたは他のタイプのコンタクトプローブからの近接場信号を検出する。また、近接場プローブを使用して、サブ波長サイズの素子を刺激するために使用することができる。また、ポートもしくはプローブ、または別個のアンテナもしくは他のアンテナアレイを使用によって、角度、ビーム幅、帯域幅、中心周波数、変調、偏向、偏光、ＥＨ位相（ＥおよびＨは成分であり、ここにＥ＝電気、およびＨ＝磁気である）、受取りまたは送出用のサブ波長サイズの素子アレイのメインビームの焦点を操作するために、調整／結合／制御アレイ段４６を使用することができる。調整／結合／制御アレイ段４６は、アンテナまたはアンテナアレイに適切な信号を供給することができる。調整／結合／制御アレイ段４６は、バラクター（バリキャップ）、ジャイレーター、ＰＩＮダイオード切替え素子、負荷／インピーダンスプル、飽和磁性体、変調／周波数制御、または他の同調可能な共振器構成要素もしくは副回路、あるいはそれらの組合せなどの同調素子を使用することによって、中心周波数、帯域幅、および／または場合によりサブ波長サイズの素子のフィルタの次数を制御することができる。さらに、検知／刺激アレイと制御回路間の電力伝達を最適化するために、調整／結合／制御アレイ段４６を使用することができる。

[0050]送受装置１５は、一部の例において、フェイズドアレイ構成で使用されてもよい。そうした構成において、送受装置１５は、効率的な電力伝達を最大にするために、近接場エネルギーを様々な目標もしくは受取り装置に集束させ、送出することができる。一部の例において、フェイズドアレイ受取り装置によって近接場エネルギーを受け取ることができる。

[0051]上に示したように、複合素子および／またはメタマテリアル素子などのサブ波長サイズの素子を使用して、本開示に記載される様々な技法を実施することができる。従来のメタマテリアル技法は、一般に実効的な比誘電率＝実効的な比透磁率＝−１を達成するためにサブ波長サイズの共振器を使用することを指す。しかし、複合素子は、（例えば９を超える）高比誘電率の、および／または（例えば９を超える）高比透磁率の材料を作り出すために、自然のおよび人工の材料の組合せを利用することができる。複合材料の使用は、電波の不連続を最小化し、サイドローブを低減し、および／またはレンズのサイズを低減するために望ましい場合がある。

[0052]図４Ａおよび４Ｂは、本開示において説明する様々な技法を実施するためにサブ波長サイズの素子として使用することができる例示的な複合素子の３次元の図である。複合材料は、選択した比誘電率特性の値および選択した比透磁率特性の値のうちの少なくとも１つを有する間隙物質を含む。複合材料は、間隙物質内に介在物材料をさらに含む。介在物材料は、選択した比透磁率特性値および選択した比誘電率特性値のうちの少なくとも１つを有する。間隙物質および介在物材料の選択した比透磁率および誘電率特性の値は、複合材料の実効的な固有インピーダンスが、対象とする周波数で空気の固有インピーダンスと一致するように選択される。

[0053]図４Ａを参照すると、１つの例示的な複合材料７０が示されている。複合材料７０は、選択した比誘電率特性値を有する間隙物質７２、および選択した比透磁率特性値を有する介在物７４を含む。間隙物質用に使用される高比誘電率（ε_ｒ）材料の例には、テフロン（ε_ｒ＝２．１）もしくは約１００のε_ｒを有するＮＰ０、またはε_ｒ＞２０００を有するＸ７Ｒ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｈａｎｓｏｎｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ−ｎｏｔｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔ−ｔｒａｉｎｉｎｇ／ｂａｓｉｃｓ−ｏｆ−ｃｅｒａｍｉｃ−ｃｈｉｐ−ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．ｈｔｍｌ）もしくはε_ｒ＞１５，０００を有するＹ５Ｖが含まれるが、これらには限定されない。介在物用に使用される比較的高い透磁率（μ_ｒ）材料の例には、ε_ｒ＝μ_ｒ＝１２を有するＺ相ヘキサフェライト、約１００のμ_ｒを有するＧ４２５６、μ_ｒ＞１０００を有するフェライトまたは他の材料が含まれるが、これらには限定されない。一部の例において、９以上の高い固有の比誘電率特性値を有する材料が用いられ、９以上の高い固有の比透磁率特性値を有する材料が用いられる。様々な製造技法を用いて、介在物を間隙物質内に組み立てることができる。機械加工可能な間隙物質に対して、介在物用の空間が間隙物質内に機械加工されえて、複合体として追加される介在物が、一度に１層構築される。一部の実施態様において、射出鋳型を用いて、介在物材料間に間隙物質を注入することができ、一部の実施態様において、複合体は、初めに各コーナから、または間隙物質が支持する層内で組み立てられえて、介在物が複合体内に組み合わされる。

[0054]固有の高透磁率の介在物は、比較的高い導電性のために、および損失性の固有の強磁性共鳴のために複合体の設計を著しく複雑にする。介在物のサイズ、介在物の形状、介在物の密度を制御することによって、および複合体充填物のタイプおよび形態（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）を変えることによって、複合材料の複素透磁率および誘電率の周波数分散を制御することが可能である。また、介在物のグループの間隔を近接して配置して誘電性の強化を実現することによって、複合体の透磁率に対する全体的な効果を向上させながら、高透磁率の介在物のサイズを低減することが可能である。図４Ａに示す例示的な複合体内の介在物７４は、円柱および半円柱の画成された形状を有する。

[0055]図４Ｂを参照すると、複合材料８０は、間隙物質８２および介在物８４を含む。一例において、間隙物質は、選択した比誘電率特性値を有し、介在物８４は、選択した比透磁率特性値を有する。介在物８４の形状は、略十字状である。さらなる複合材料の設計については、２００９年８月２７日に出願された「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｆｏｒ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願第１２／５４８，９３７号に詳細に記載され、その全内容が参照により本明細書に組み込まれている。

[0056]図５は、本開示の様々な技法を実施するために使用することができる例示的なレンズおよびアンテナの上面図である。図５でわかるように、アンテナ３４は、結果として高い磁場（Ｂ）対電流（Ｉ）特性が得られる、多くの巻き９０を有するループタイプのアンテナ、例えば特注のヘリカルアンテナであってもよい。一部の例において、例えば図５において、アンテナ３４は、部分的な環状体形状を有することができる。部分的な環状体形状は、バックローブの強度を最小にすることができる。本開示によると、アンテナ３４は、遠距離場信号、すなわち放射場が最小となり、近接場信号が最大となるように、実質的に非共振となるように構成されている。他の例示的な構成において、部分的な環状体以外の形状が望ましい場合があり、本開示の範囲内と見なされる。図５でわかるように、アンテナ３４は、レンズ２６内に配置され、また部分的な環状体形状を有するとしても示されている。レンズ２６は、端部９６および９８を有する。一部の例において、ループタイプのアンテナは、アンテナおよびソースによって生成される波長よりもはるかに短い。

[0057]図６は、本開示の様々な技法を実施するために使用することができる例示的なサブ波長サイズの素子である。具体的には、図６は、近接場レンズ、例えば図３および５の近接場レンズ２６を形成するために使用することができる、送出装置１４のサブ波長サイズの素子２８（または受取り装置１６のサブ波長サイズの素子５４）の一例を示す。図６に示される例において、サブ波長サイズの素子２８は、立方体である。しかし、他の例において、サブ波長サイズの素子２８は、他の形状を含んでもよい。

[0058]一例において、サブ波長サイズの素子２８は、立方体共振器である。１つの具体的な例において、サブ波長サイズの素子２８は、高誘電率材料（ｗｗｗ．ａｖｘ．ｃｏｍにおいて入手可能な、ＡＶＸ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの比誘電率＞２０００を有するＸ７Ｒ誘電材料など）の１．２７ｃｍ（１／２”）の立方体であり、この立方体は、カップ形状または中抜き正方形模様の高透磁率材料内部に部分的に封入されている。一部の例において、誘電体の比誘電率は、２０００よりも大きく、例えば、１０，０００または１００，０００であってもよい。間隙物質の透磁率を、誘電材料の誘電率にできる限り近接して一致させる。サブ波長素子が位置する材料の特性インピーダンスとほぼ等しい（例えば、Ｚ_０＝√（μ_０／ε_０）によって与えられる、またはおよそ３７７オームの自由空間の）特性インピーダンスを作り出すため、この透磁率および誘電率を一致させる。したがって、立方体に投射される電波は、反射されない。

[0059]図６に示される具体的な例において、サブ波長サイズの素子２８は、６面体形状であり、金属プレート９２、例えば銅を含み、この金属プレート９２がキャパシタンスＣを作り出す。インダクタンスＬを作り出すマグネットワイヤ９４の数多くの巻きによってこのプレートを巻くができ、それによって結果として特定の周波数で共振を有するＬＣ回路が得られる。ブロックの誘電率を増加させることによって、サブ波長サイズの素子２８の共振周波数を減少させることができ、このブロックの誘電率の増加はキャパシタンスＣの値を増加させる。ワイヤの巻数および／またはワイヤの複数巻きを増加させることによって、サブ波長サイズの素子２８の共振周波数をさらに減少させることができる。プレートは任意選択であり、他の例示的な構成は、プレート９２を含まないことに留意されたい。

[0060]共振周波数は、サブ波長サイズの素子の実効的な透磁率を制御する。サブ波長サイズの素子の共振周波数は、例えば、れんが形状のもしくは立方体形状のもしくは他の形状の構造のサイズ、金属プレートのサイズ、および／またはプレートに巻かれるワイヤの巻数を変更することによって、個々に調整されうる。一部の例において、サブ波長サイズの素子２８の共振周波数は、屈折率、誘電率および透磁率を空間のそれぞれの方向において制御することができるように設定される。一部の例において、各サブ波長サイズの素子２８は、異なる共振周波数に調整される。一部の例において、サブ波長サイズの素子２８には、負の、すなわちゼロ未満の実効的な透磁率および／または誘電率値を有しうるものもあるが、正の、すなわちゼロを超える実効的な透磁率および誘電率値を有しうるものもある。

[0061]図７は、本開示の様々な技法による複数のサブ波長サイズの素子から形成される例示的な近接場レンズの斜視断面図を示す概念図である。具体的には、図７は、図５の近接場レンズ２６の下半分の斜視断面図を示す。本開示の様々な技法によると、図５の部分的な環状体形状のループアンテナ３４は、図７に示す下半分および上半分（明瞭にするために図示せず）の両方を含むレンズ２６内に配置されえて、それによって部分的な環状体形状のレンズ２６を生成する。他の例において、レンズ２６およびアンテナ３４は、所望の用途に応じて他の形状を備えてもよい。複数のサブ波長サイズの素子２８（図６）から形成される近接場レンズ２６は、図５のアンテナ３４のまわりに、例えばアンテナ３４を取り囲んで配置され、それによって図５の近接場レンズおよびアンテナ装置１０２を形成する。近接場レンズ２６およびアンテナ３４のこの設計は、電源（図示せず）に接続されたソースワイヤを介して、アンテナ３４によって生成される近接場信号をよりよく捕捉する。サブ波長サイズの素子を用いてアンテナを取り囲むことによって、近接場は、アンテナから至近距離で捕捉され、その結果近接場が、ループによって生成された直後に、制御され成形されうる。

[0062]サブ波長サイズの素子２８は、上記のように立方体として説明したが、他の形状であってもよい。一部の例示的な構成において、近接場レンズ２６は、多層のサブ波長サイズの素子２８があるように複数のレンズ層（図示せず）を含んでもよい。１つの例示的な構成（図示せず）において、近接場レンズ２６は、アンテナ３４の巻き内部にサブ波長サイズの素子２８を含む。

[0063]上で示したように、アンテナ３４および近接場レンズ２６は、近接場エネルギーを生成し、集束し、物体、例えば、目標および／または遠隔受取り装置１６に向けて投射する。他の例において、物体は、簡易爆発物、電子起爆装置を有する弾頭、車両、例えば、無人飛行機、ロボット、自動車、オートバイ、列車、飛行機、宇宙船、弾丸などの発射物、および電子機器、例えば、目標のフロントエンドおよびバックエンド電子機器を備えた装置を含むことができるが、これらには限定されない。

[0064]図５に示すようなサブ波長サイズの素子のない典型的なループアンテナにおいて、磁場は、各ループのまわりに形成され、これらの磁場は、ループの極めて近くで閉じている。しかし、本開示の技法を用いることによって、アンテナ３４を包み込むレンズのサブ波長サイズの素子は、アンテナのループの周囲の磁場がループの近くで閉じるのを防ぐ。具体的には、サブ波長サイズの素子、例えば図６のサブ波長サイズの素子２８は、磁場の近接場エネルギーを捕捉し、近接場エネルギーを曲げ、向きを変え、投射して、本開示に記載される様々な技法を実施する。例えば、アンテナの後ろ、例えば遠隔受取り装置と反対向きのアンテナの領域において、電磁波を曲げ、向きを変えて、最適なエネルギー収束をさせるためにある方向に向けて電磁波を前方に投射することができる。

[0065]図７でわかるように、レンズ２６は、端部９６、９８を有し、端部９６、９８のそれぞれがサブ波長サイズの素子２８によって取り囲まれている。レンズ２６の端部にサブ波長サイズの素子を含むことによって、レンズ２６によって生成される磁場は、磁場が設計範囲までそれ自体で閉じるのを防ぐように制御される。

[0066]一部の例示的な構成において、別の近接場レンズが、図７のアンテナ／レンズの組合せの近接場内に含まれてもよく、この別の近接場レンズによって近接場エネルギーを受取り装置に向けてさらに集束させることができる。一部の例において、近接場レンズを単一の周波数で動作させることが望ましい場合がある。例えば、近接場レンズを、１ｋＨｚで動作するように調整することができる。例えば、１ｋＨｚで動作することによって、エネルギービームが金属によく侵入することができる。そうした例において、近接場エネルギーを、最大約３００ｋｍまで前方に投射することができる。

[0067]図８は、本開示による、近接場エネルギーをワイヤレスで伝送するための例示的なシステムを示す。図８において、システム１００は、２つの近接場レンズおよびアンテナ装置１０２、１０４、例えば、図５の近接場レンズ２６およびアンテナ３４を含む。例えば、近接場レンズおよびアンテナ装置１０２、１０４は、部分的な環状体形状を有することができる。送受装置１０６は、電源１０８、任意選択の励振器１１０、および近接場送出装置レンズ／アンテナ１０２を含む。送受装置１１２は、近接場受取り装置レンズ／アンテナ１０４、任意選択の電力調整器１１４、および負荷１１６を含む。本開示の全体にわたって記載する例において、２つ以上の電源１０８および／または２つ以上の近接場レンズ／アンテナ１０２、１０４があってもよいことに留意されたい。

[0068]電源１０８、例えば、電池、燃料電池、発電機、コンデンサ、スーパーコンデンサなどは、励振器１１０が受け取る電力を生成する。一部の例において、電源１０８は、固有変調、例えば４００Ｈｚの航空機電力を供給することができる。励振器１１０は、例えば、周波数変換器、発振器、ミキサー、整合回路、変調器、移相器、フィルタ、減衰器、増幅器、温度センサ、カプラー、および電力センサを含むことができる。励振器１１０は、送受装置近接場レンズ／アンテナ１０２のアンテナ、例えば、図５のアンテナ３４中に電流を誘起するＲＦ信号を生成する。近接場送出装置レンズ１０２は、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギーをレンズ／アンテナ１０２の近接場内の物体、例えば近接場受取り装置レンズ／アンテナ１０４の方向に向ける（向け直す）。送受装置１０６から送出される近接場エネルギーを、近接場磁束線１１８として図８に示す。

[0069]送受装置１１２の近接場受取り装置レンズ／アンテナ１０４は、近接場送出装置レンズ１０２から送出された近接場エネルギーを受け取り、この近接場エネルギーが送受装置近接場レンズ／アンテナ１０４のアンテナ中に電流を誘起する。アンテナ中に誘起された電流は、電力調整器１１４に送出され、この電力調整器１１４は、例えば、整流器、発振器、増幅器、シンセサイザー、電源、エネルギーコンデンサ、レギュレータ、変圧器、フィルタ、保護回路、および整合回路を含むことができる。電力調整器１１４は、調整器電力を負荷１１６に送出する。

[0070]図８でわかるように、システム１００は、例えば、レンズ／アンテナ装置１０２、１０４の設計により送受装置１１２から送受装置１０６への近接場磁束１１８のリターンを制御する。具体的には、近接場エネルギーは、レンズ／アンテナ装置１０２の端部９６からレンズ／アンテナ装置１０４の端部９６へ送出され、リターンする近接場エネルギーは、レンズ／アンテナ装置１０４の端部９８を介してレンズ／アンテナ装置１０２の端部９８に送出されて戻される。このことは、制御されないリターンパスとして空中または大地を使用することと対照的である。そのため、システム１００は、リターンする近接場磁束を意図的に捕捉し、それによってシステムの効率を改善する。

[0071]図３に関して上記したように、一部の例示的な構成において、システム１００は、焦点が制御されうるように構成されてもよい。そうした例において、送受装置１０６、１１２のうちの１つまたは両方は、近接場調整素子、例えば図３の近接場調整４０、および近接場処理素子、例えば図３の近接場処理４４を含み、レンズ／アンテナ装置１０２、１０４のうちの１つまたは両方の焦点を制御することができる。

[0072]上記の技法を用いて、エネルギーを送出装置から遠隔受取り装置にワイヤレスで送出することができる。そうしたワイヤレスエネルギー送出は、多くの用途を有する。例えば、上記のシステムを用いて、図１に関して上で示し説明したように、架空または地中送電線に付随するコストおよび基幹設備なしに遠隔地に電力を供給することができる。

[0073]別の例において、上記のシステムは、指向性エネルギー兵器として使用することができる。上記のアンテナおよびレンズは、攻撃用途および防御用途、例えば到来する脅威の地上での防御用に高エネルギー、低周波の近接場の電波を小領域に集束させることができる。一用途において、本開示の技法を用いて、兵器における安全装置の付いたまたは安全装置のはずれた電子雷管を不能にすることができ、簡易爆発物（ＩＥＤ）を無効にする、または目標にされた装置または兵器のバックエンド電子機器を破損することができる。

[0074]図９は、本開示の様々な技法を用いる例示的な指向性エネルギー兵器を示すブロック図である。指向性エネルギー兵器１２０を使用して、地上の目標１２６および／または空中の目標１２８の電子機器、例えばフロントエンドの電子機器１２２Ａ、１２２Ｂ（まとめて「フロントエンド電子機器１２２」）、および／またはバックエンドの電子機器１２４Ａ、１２４Ｂ（まとめて「バックエンド電子機器１２４」）を破損し、それによって目標１２６、１２８がもはや脅威でなくなるようにすることができる。地上の目標１２６は、陸上および海上の目標の両方を含むことに留意されたい。

[0075]指向性エネルギー兵器１２０は、電源１０８、電力調整器１１４、励振器１１０、およびアンテナ／レンズ１０２を含み、これらのそれぞれについて上で説明されており、簡潔にするために再び説明しない。また、指向性エネルギー兵器１２０は、システム制御用のプロセッサ１３０、ならびに到来する脅威の検出および追尾用の検出／追尾ユニット１３２を含む。検出／追尾ユニット１３２は、レーダ機能、レーザ検出および位置標定機能（「ＬＡＤＡＲ」）、ならびに／または１つもしくは複数のカメラを含むことができる。一部の例において、検出／追尾ユニット１３２は、アンテナ／レンズ１０２の機能性に組み込まれてもよい。

[0076]プロセッサ１３０は、検出／追尾ユニット１３２からのデータを制御し処理するコンピュータ可読命令を実行し、アンテナ／レンズ１０２へのおよびアンテナ／レンズ１０２からのデータを制御し処理し、励振器１１０へのおよび励振器１１０からのデータを制御し処理することができる。一部の例示的な構成において、プロセッサ１３０は、電力調整器１１４を監視することができる。プロセッサ１３０は、コントローラ、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または等価なディスクリートもしくは集積化された論理回路のうちのいずれか１つまたは複数を含むことができる。本開示におけるプロセッサ１３０に帰属する機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ならびにハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアの組合せとして具現化されてもよい

[0077]コンピュータ可読命令は、メモリ（図示せず）内でコード化されてもよい。メモリは、コンピュータ可読記憶媒体、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、またはその他の揮発性、不揮発性、磁気、光学、もしくは電気的媒体を含むことができる。

[0078]空中の目標１２８および地上の目標１２６のどちらかまたは両方からの脅威を検出すると、指向性エネルギー兵器１２０のアンテナ／レンズ１０２は、近接場エネルギー１３４および１３６をそれぞれの目標１２６、１２８に向けて前方に投射する。近接場エネルギー１３４は、空中の目標１２８のフロントエンド電子機器１２２Ｂおよびバックエンド電子機器１２４Ｂのどちらかまたは両方を破損するか破壊することができる。近接場エネルギー１３６は、地上の目標１２６のフロントエンド電子機器１２２Ａおよびバックエンド電子機器１２４Ａのどちらかまたは両方を破損するか破壊することができる。安全機能として、一部の例示的な構成は、敵でない目標がビーム１３４に入るか、ビーム１３４に入ろうとする場合は、近接場エネルギービーム１３４をオフにする検出／追尾システムを含むことに留意されたい。

[0079]図３に関して上記したように、一部の例示的な構成において、指向性エネルギー兵器１２０は、アンテナ／レンズ１０２の焦点が制御されうるように構成されてもよい。そうした例において、指向性エネルギー兵器１２０は、近接場調整素子、例えば図３の近接場調整４０、および近接場処理素子、例えば図３の近接場処理４４を含み、アンテナ／レンズ１０２の焦点を制御することができる。

[0080]図１０は、本開示の様々な技法を用いる例示的な電磁場偏向システムを示すブロック図である。具体的には、図１０は、電磁場偏向システム１４０を示し、この電磁場偏向システム１４０は、到来する発射物を検出および追尾して、近接場エネルギー１３４を発射物に集束させて、発射物にそのコースを変更させ、例えば、資産１４２から遠ざかってそれるようにさせ、発射物から相対的な運動エネルギーすべてを除去し、発射物を引きつけ、発射物の向きを変え、発射物を、発射地点を含む任意の場所に向けて誘導することによって、資産１４２、例えば人間、軍事基地、軍用車両を到来する高い導電性の発射物１４４、例えば弾丸、榴散弾から保護することができる。電磁場偏向システム１４０の構成要素は、指向性エネルギー兵器に関して上記したものと同様であり、簡潔にするために再び説明しない。

[0081]本開示によると、近接場を細かく制御することができる。さらに、１つまたは複数の場が他の場と比べてゆっくりと変わる一部の擬似静磁気の用途において、近接場内の空間における任意の点での全体の電場と磁場間の位相および方向を制御することができる。電場は、導電性物体上に表面電流を誘起し、この表面電流が導電性物体上に対応する磁場を作り出す。表面電流は、意図的に誘起されて、導電性物体を引きつけるまたは跳ね返すために、入射磁場に対抗するまたは入射磁場に揃った磁場を作り出す。

[0082]理論によって拘束されずに、例示的な電磁気偏向の計算は、以下のように与えられる。物体が５４ミリメートルの長さ、１４ミリメートルの長さ、４２．４グラムの質量、および９２３メートル／秒（ｍ／ｓ）の速度を有していると仮定する。物体は、１０．８３ミリ秒（ｍｓ）で１０メートル移動する。物体の進路に垂直な方向に物体を１．８３ｍ（６フィート）偏向させるためには、（加速度ａに対して、ｄ＝１．８３メートル（６フィート）、ｔ＝１０．８３ミリ秒として、ｄ＝１／２＊ａ＊ｔ^２を解くことによって）３．１１６×１０^４ｍ／ｓ^２の加速度が必要である。

[0083]加速度は、力を質量で割ったものに等しく、したがって、この力は、３．１１６×１０^４ｍ／ｓ^２に０．０４２４キログラムを掛けたもの、すなわち１３２１ニュートンに等しい。この力を用いて、ローレンツの力の法則を用いて必要な磁場および電場を計算することができ、この法則は電気力および磁力を以下のように関連づける。
（１） Ｆ＝∇（ｍ・Ｂ）
ここに、Ｆはニュートンを単位とする物体、例えば榴散弾に対する力、ｍはアンペア平方メートルを単位とする磁気双極子モーメント、Ｂはテスラを単位とする磁場であり、式（１）中の太字の活字（Ｆ、ｍ、Ｂ）はベクトル量を示す。式（１）中の「・」は内積を示し、∇は勾配演算を示すことに留意されたい。

[0084]加えて、小電流ループに対する磁気双極子モーメントは、
（２） ｍ＝ＩＡ
であって、ここにｍはアンペア平方メートルを単位とする、物体、例えば榴散弾の磁気双極子モーメント、Ａは電流ループが流れる面積であってＡの方向は右手の法則によって定義される面積に垂直であり、Ｉはアンペアを単位とする電流であり、式（２）中の太字の活字（ｍ、Ｉ、Ａ）はベクトル量である。

[0085]電流密度は、以下の式
（３） Ｊ＝σΕ、
によって与えられ、ここにＪはアンペア／メートル^２を単位とする電流密度、σはシーメンス／メートルを単位とする榴散弾の導電率、Ｅはボルト／メートルを単位とする電場であって、式（３）中の太字の活字（Ｊ、Ｅ）はベクトル量を示す。表面電流を積分することにより、制御下の領域における全体の電流が得られる。

[0086]弾丸が導電率σ＝１５＊１０^６（シーメンス／メートル）を有する黄銅からなると仮定すると、上記の式（２）中のＩに対してＪ＝σΕで保存代入することによって、式（１）は次式、
（４） Ｆ＝∇（σＥＡＢｃｏｓ（θ））
として書き換えることができる。

[0087]Ｂ＝１０^−３テスラ、θ＝０度に対して、この数式が一元的に空間とともに直線的に変化すると仮定すると、場の強度Ｅは、１１７ボルト／メートルに等しい。このように、図１０の電磁偏向システム１４０は、アンテナ／レンズ１０２を介して投射されたときに、発射物１４４を資産１４２から遠ざけてそらすことができる電磁場を計算し生成することができる。同様の計算を行って、指向性爆薬からの銅噴流、砲弾、車両などを引きつけ、停止させ、磁気浮上させ、戻し、回転停止させ、またはそらすことができる電磁場を求めることができる。複数の目標または目標の複数の部分に対して独立して力制御して、物体のすべての自由度に至るまで制御することができる近接場偏向システムと組み合わされた追尾システムによって、複数の目標または目標システムの複数の部分をそらすことができる。

[0088]別の例において、ロボット、ツール、無人飛行機（ＵＡＶ）などに遠隔から電力を供給するために、上記の技法を用いることができる。他の例示的な実施態様において、上記の技法を用いて、都市、調子の悪い航空機などに緊急の遠隔電力を供給し、車両、例えばオートバイ、自動車、列車、ロケット、航空機などに長距離高電力磁気浮上（「ｍａｇｌｅｖ」）能力を提供し、低コストの連続的に調整可能なコヒーレントの光源／変調器を提供することができる。

[0089]図１１は、本開示の様々な技法を用いて、車両に遠隔から電力を供給するための例示的なシステムを示す。図１１に示すシステムは、発電所１５０および遠隔車両１５２を含む。発電所１５０は、電源１０８、電力調整器１１４、励振器１１０、プロセッサ１３０、およびアンテナ／レンズ１０２を含み、それらのそれぞれについて上で説明しており、簡潔にするために再び説明しない。アンテナ／レンズ１０２は、近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギー１３４の方向をレンズの近接場内の物体、すなわち車両１５２に向ける（向け直す）ように構成されている。

[0090]車両１５２は、通常内部電源１５４によって電力を供給される。しかし、電源１５４が電力を配送することができない場合、または車両１５２が電源１５４によって供給される電力に加えて電力を必要とする場合、車両１５２は、アンテナ／レンズ１０４を介して発電所１５０から近接場エネルギーを受け取ることができる。具体的には、発電所１５０は、近接場エネルギーを生成し、近接場エネルギー１３４の方向を車両１５２に向ける（向け直す）。車両１５２、および具体的にはアンテナ／レンズ１０４は、送出された近接場エネルギーを受け取る。受け取った近接場エネルギーは、アンテナ／レンズ１０４のアンテナ中に電流を誘起し、この電流が調整のための電力調整器１６２に送出される。調整された電力は、結合器／車両クロスバー１６４に送出される。結合器／車両クロスバー１６４は、調整器１５６を介して電源１５４からの内部電力（利用可能な内部電力がある場合）を、電力調整器１６２を介して発電所１５０から受け取った外部電力と混合する。次いで、結合器／車両クロスバー１６４は、車両電力システム１６６に電力を供給する。加えて、車両電力システム１６６に供給された電力は、車両内の機器、例えば携帯メディアプレイヤー、携帯コンピュータ、他の携帯用電子機器にワイヤレスで電力を供給することができ、ならびに車両外部の機器に電力を供給する、例えば、別の車両１５２または別の機器に非常用電力を供給することができる。

[0091]単一の車両のみが図１１に示されているが、複数の車両があってもよいことに留意されたい。加えて、構成には、複数のレンズおよびアンテナが含まれてもよい。さらに、本開示は、自動車のような車両に限定されない。むしろ、それどころか車両１５２は、１つまたは複数の航空機、宇宙船、船、列車、オートバイ、ロボット、電池充電器などを含んでもよい。さらにまた、一部の例において、発電所１５０は、地球上に置かれているが、他の例示的な実施態様において、発電所１５０は、例えば、衛星に電力を供給する軌道を周回する発電所であってもよく、または発電所１５０は、地球圏外の場所に置かれて、例えば、月、火星などに置かれて、その地球圏外の場所にもしくはその地球圏外の場所の近接場内に位置する物体に遠隔電力を供給することができる。

[0092]車両１５２は、磁気浮上車両、例えば図１４の車両２００であってもよく、図１１のアンテナ／レンズ１０４を介して車両２００のサブシステムに電力を供給するための近接場エネルギー１３４を受け取ることができることに留意されたい。受け取った近接場エネルギー１３４は、浮上および推進のために必要な構成要素に電力を供給することができる。一部の例において、図１１のシステムは、近接場ビームと交差する物体を検出するシステムに結合されてもよい。検出システムは、システムが近接場ビームに入り込む物体を破損する危険があると判断する場合、電力を低下させるか、切るか、別ルートで送ることができる。検出は、例えば、レーダまたは光技術を用いて行われてもよい。

[0093]図１２は、本開示の様々な技法を用いて、１つまたは複数のシステムに遠隔電力を供給するための例示的なシステムを示す。図１２でわかるように、送電塔１７０、例えば図１の送電塔１２は、アンテナ／レンズ装置１０２Ａ〜１０２Ｎ（本明細書ではまとめて「アンテナ／レンズ１０２」と呼ぶ）を含み、アンテナ／レンズ装置１０２Ａ〜１０２Ｎのそれぞれが駆動ユニット１７２、励振器１１０、および操作ユニット１７４に電気的に接続されている。励振器１１０は、電源からＲＦエネルギーを生成する。操作ユニット１７４は、近接場エネルギービームを目標に位置合わせするために、アンテナ／レンズ１０２のそれぞれが向けられる方向を制御する。操作ユニット１７４によって、送電塔１７０は、アンテナ／レンズ１０２を介して、近接場エネルギーを、同時に様々な方向にある複数の物体、例えば車両、電池充電器、またはロボットに向けることができる。駆動ユニット１７２は、電力を十分なレベルにまで高める。別々のユニットとして示されているが、図１２に示す構成要素の多くは、単一のユニットに一体化されてもよい。

[0094]送電塔１７０は、追尾システム１７６をさらに含み、この追尾システムは、送電塔１７０が、近接場エネルギーが向けられる可能性のある各物体の位置を突き止め、電子的な損傷を被る物体を排除することができるようにする全地球測位システム（「ＧＰＳ」）能力を含むことができる。加えて、送電塔１７０は、電源１７８および電力蓄積部１８０を含んでもよい。一例において、電源１７８は、ディーゼル発電機であってもよい。送電塔１７０は、電源１７８または電力蓄積部１８０からの交流電流または直流電流のいずれかを、近接場ＲＦレンズによって物体、例えば車両、ロボット、都市、携帯電話、軍隊、他の個人およびシステム上のそれぞれの受取り装置１８２に対して発せられる近接場ＲＦ信号１３４に変換する。

[0095]例えば、自律的なおよび／または着用可能なロボット上に位置することができる受取り装置１８２は、アンテナ／レンズ１０４を介して送電塔１７０から近接場ＲＦ信号１３４を受け取る。一部の例において、受け取ったエネルギーは、電源フィルタ／調整器１８６によってフィルタされ調整され、電力システム１８８に配送され、この電力システム１８８から負荷、例えばロボットが動作電力を取り出すことができる。一例において、電源フィルタ／調整器１８６は、交流電流を直流電流に変換するための整流回路を含む。別の例において、電力は、直接負荷に配送される。

[0096]図１３は、本開示の様々な技法を用いて、車両または物体を持ち上げるおよび／または推進するための例示的な磁気浮上モジュールを示す。例示的な物体は、車両、荷運び台などを含むがこれらには限定されない。図１３でわかるように、磁気浮上（「ｍａｇｌｅｖ」）モジュール１９０は、上記したものと同様の構成要素を含んでおり、簡潔にするため再び説明しない。また磁気浮上モジュール１９０は、慣性航法装置（「ＩＮＵ」）１９２を含み、この慣性航法装置１９２が、検知ユニット１９４（例えばＧＰＳ、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計など）と通信するセンサからのデータを処理して、ＩＮＵが位置する物体、例えば車両の現在および将来の位置、向き、および移動ベクトル（例えば、速度、加速度、加加速度など）を計算する。検知ユニット１９４は、ＩＮＵ１９２への入力として、現在の磁場、向き、加速度、速度などを検出する。加えて、磁気浮上モジュール１９０は、アンテナ／レンズ１０２Ａ〜１０２Ｎ（本明細書ではまとめて「アンテナ／レンズ１０２」と呼ぶ）を含み、アンテナ／レンズ１０２Ａ〜１０２Ｎのそれぞれが、駆動ユニット１７２、励振器１１０、および操作ユニット１７４に電気的に接続されている。各アンテナ／レンズ１０２は、図１４において以下に示すように、必要に応じて車両上の、例えば自動車、列車、バスなどの様々な場所に設置されえて、確実に車両が十分に支持されるようにする。

[0097]加えて、磁気浮上モジュール１９０は、磁気浮上モジュール１９０と関連づけられている車両、例えば図１４の車両２００内の機器、例えば、携帯メディアプレイヤー、携帯コンピュータ、他の携帯用電子機器にワイヤレス電力を供給することができ、ならびに車両外部の機器へ電力を供給する、例えば、別の車両または別の機器へ非常用電力を供給することができる。さらに、本開示に記載される電磁偏向技法を用いて、車両、または動力源を持たないコンテナ、自転車、建設資材などの物体内に関連する構成要素を組み込むことなしに磁気浮上能力を提供することができる。

[0098]図１４は、本開示の様々な技法を用いて、車両を持ち上げるおよび／または推進するための例示的な磁気浮上システムを示す。図１４でわかるように、車両２００、例えば自動車、バス、列車などは、図１３に関して上記したように、１つまたは複数の磁気浮上モジュール１９０Ａ〜１９０Ｎ（まとめて「磁気浮上モジュール１９０」と呼ぶ）を含み、この磁気浮上モジュール１９０が車両２００の様々な位置に配置される。図１４のシステム２０２は、例えば、車道２０６の下に配置された１つまたは複数の高電力磁気浮上モジュール２０４Ａ〜２０４Ｎ（まとめて「高電力磁気浮上モジュール２０４」と呼ぶ）をさらに含む。しかし、高電力磁気浮上モジュール２０４は、ポール上にアレイ状に配置されてもよく、または、１つまたは複数の磁気浮上モジュール１９０は、地球の磁場に逆らってもよいことに留意されたい。各高電力磁気浮上モジュール２０４は、例えば、発電機、電池、コンデンサまたは太陽電池などの電源（図示せず）に電気的に接続される。高電力磁気浮上モジュール２０４は、磁気浮上モジュール１９０に関して図１３において上記したものと同様の回路を含む。高電力磁気浮上モジュール２０４は、磁束線２０８として示す、高電力磁気浮上モジュール２０４の磁場を調整して、磁束線２１０として示す、車両２００の磁気浮上モジュール１９０の磁場と相互作用させ、それによって車両２００を持ち上げ、下げ降ろし、浮上させ、前後および横に推進する。磁気浮上モジュール１９０（図１３）のプロセッサ１３０は、車両２００のバランスおよび運動を自動的に制御する。車両２００内の磁気浮上モジュール１９０のアンテナ／レンズ１０２は、フェイズドアレイとして、または複数の単一同調のアンテナ／レンズとして構成されてもよい。図１３の磁気浮上モジュール１９０は、上記の様々な技法を用いて電力を受け取るように構成されてもよく、このことは簡潔にするために図１３には示されていないことに留意されたい。

[0099]図１５は、本開示の様々な技法を用いて、人工的な磁気圏を生成するための例示的なシステムを示す。図１５に示す例示的なシステムにおいて、宇宙船２２０は、上記した方法で、アンテナ／レンズ１０２Ａ〜１０２Ｎ（本明細書ではまとめて「アンテナ／レンズ１０２」と呼ぶ）を介して近接場エネルギー１３４を生成する。宇宙船２２０の構成要素は、上記したものと同様であり、簡潔にするために再び説明しない。宇宙船２２０によって生成された近接場エネルギー１３４は、太陽の太陽風磁場２２２に対抗し、太陽風磁場２２２が宇宙船２２０に「結び付く」（「ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ」）ことを防ぐ。この対抗によって宇宙船２２０および宇宙船内部に位置するいかなる物体、例えば、人間および／または電子機器も保護され、この対抗は、宇宙船２２０を推進するために用いられてもよい。一部の例において、プロセッサ１３０は、デューティサイクルを制御して、太陽風磁場２２２を検知し、方向および強度におけるばらつきを補償し、または連続的な場を最も低い放射線曝露のために自動的に適合させる。

[0100]宇宙船に関して上記したが、これらの技法は、物体、例えば人間を放射線または高放射能の環境から保護するために、月または地球を含む惑星に置かれてもよい。さらに、これらの技法は、ロケット、車両および宇宙空間の人間、例えば宇宙遊泳をしている人間に適用することができる。

[0101]図１６は、本開示の様々な技法を用いて、衛星間のおよび宇宙空間に置かれた電力を供給するための例示的なシステムを示す。具体的には、システム２３０は、太陽放射集光器衛星２３４の集団２３２と、近接場エネルギーを生成し、他の衛星にまたは遠隔地に、例えば月、惑星および／または地球上の受取り装置に送出するためのコントローラ送電衛星２３８（ＣＰＴＳ）の集団２３６を含む。太陽放射集光器衛星２３４の集団２３２は、光起電力、集光装置、および／または熱コンバータを使用してＤＣ電力を生成することができる。集団２３２は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、ＡＣ電力を１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の周波数に変え、低周波が電力配送の距離を増加させる。集団２３２は、上記の様々な技法を用いて、この周波数で電流を近接場ＲＦエネルギーに変換し、コントローラ送電衛星（ＣＰＴＳ）の集団に近接場ＲＦエネルギー２４０を送出する。各ＣＰＴＳは、受け取ったＲＦ電力をより高い周波数、例えば３０ＭＨｚから２５０ＭＨｚの近接場ＲＦ電力に変え、この近接場ＲＦ電力２４２を、地球上の、または別の惑星もしくは惑星の月などのその他の天体上の、あるいは宇宙船上のサブ波長サイズの受取り装置１６に送出することができる。この概念は、レーザおよび効率的に電離圏を突き抜けるのに適切な、例えば１ｋＨｚよりはるかに低い超低周波ＲＦを利用する現在の宇宙空間送電技法の代替となりうる。

[0102]図１７は、本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力延伸システムを示す。具体的には、ワイヤレス電力延伸システム３００は、近接場エネルギーを生成し送出する送出装置３０２、および送出された近接場エネルギーを受け取る受取り装置３０４を含む。送出装置３０２は、電源３０６に接続される。送出装置３０２は、周波数変換器３０８によって、電源３０６からの交流電流または直流電流を近接場エネルギー１３４に変換し、この近接場エネルギー１３４を近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１０が受取り装置３０４に送出する。具体的には、受取り装置３０４の近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１２は、送出装置３０２から近接場エネルギー１３４を受け取る。受信された近接場信号は、周波数変換器３１４によって、直流電流または交流電流のいずれかに変換され、この電流が電源コンセント３１６に導かれ電力を供給する。このように、システム３００は、ある距離にわたってワイヤレスで電力を供給し、そのようなものとしてワイヤレス電力延伸システムである。

[0103]図１８は、本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力一時接続システムを示す。具体的には、ワイヤレス電力一時接続システム３５０は、近接場エネルギーを生成し送出する送出装置３０２、および送出された近接場エネルギーを受け取る受取り装置３０４を含む。送出装置３０２は、電源３０６に接続される。送出装置３０２は、周波数変換器３０８によって、電源３０６からの交流電流または直流電流を近接場エネルギー１３４に変換し、この近接場エネルギー１３４を近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１０が受取り装置３０４に送出する。具体的には、受取り装置３０４の近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１２は、送出装置３０２から近接場エネルギー１３４を受け取る。受信された近接場信号は、周波数変換器３１４によって、直流電流または交流電流のいずれかに変換される。この電流は、ケーブル３２０を介して送出され、例えば建築中の建造物３２２において使用される工具に一時的な電力を供給する。生成された電流は、例えば、地中または架空の電力ケーブルを介して永久的な電源と最終的に置き換えられるという意味において一時的な電源を提供する。もちろん、一時電力の数多くの他の使用法が可能であり、本開示の範囲内にあると見なされる。

[0104]図１９は、本開示の様々な技法を用いる例示的なワイヤレス電力置き換えシステムを示す。具体的には、ワイヤレス電力置き換えシステム３６０を用いて、永久的に地中の電力線および架空の電力線を置き換えることができる。システム３６０は、近接場エネルギーを生成し送出する送出装置３０２、および送出された近接場エネルギーを受け取る受取り装置３０４を含む。送出装置３０２は、電源３０６、例えば変電所に接続される。送出装置３０２は、周波数変換器３０８によって、交流電源３０６を近接場エネルギー１３４に変換し、この近接場エネルギー１３４を近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１０が受取り装置３０４に送出する。具体的には、受取り装置３０４の近接場ＲＦレンズ／アンテナ３１２は、送出装置３０２から近接場エネルギー１３４を受け取る。受信された近接場信号は、直流電流または交流電流のいずれかに変換され、この電流が建物３６２内のサービスパネルに線路送出される。生成された電流は、後日、地中または架空の電力ケーブルを設ける必要がないという意味において永久的な電源を提供する。

[0105]上記の機器およびシステムに加えて、本開示は、近接場エネルギーを送出し、受け取り、繰り返し、再送出する方法も対象とする。例えば、送出する方法は、例えば、図８の電源１０８および励振器１１０によって無線周波数（ＲＦ）信号を生成するステップ、例えば、アンテナのまわりに配置されたサブ波長サイズの素子２８を備える図５のレンズおよびアンテナによってＲＦ信号から近接場信号を生成するステップ、近接場信号を捕捉するステップ、近接場エネルギーを生成するステップ、および近接場エネルギーの方向をレンズの近接場内の物体に向ける（向け直す）ステップを含む。

[0106]本開示の様々な態様を記載してきた。これらおよび他の態様は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (28)

1. 近接場エネルギーを送出するための機器であって、
   無線周波数（ＲＦ）信号を生成する少なくとも１つのソースと、
   前記ＲＦ信号から近接場信号を生成するアンテナと、
   前記アンテナと通信するレンズを形成し、前記近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、前記近接場エネルギーの方向を前記レンズの前記近接場内の物体に向ける、複数のサブ波長サイズの素子と、を備え、
   前記サブ波長サイズの素子が前記アンテナのまわりに配置される、
   機器。
2. 前記サブ波長サイズの素子がメタマテリアル素子を備える、請求項１に記載の機器。
3. 前記サブ波長サイズの素子が複合材料を備える、請求項１に記載の機器。
4. 前記サブ波長サイズの素子が複合材料およびメタマテリアルを備える、請求項１に記載の機器。
5. 前記アンテナが複数の巻きを備えるループアンテナである、請求項１に記載の機器。
6. 前記レンズおよび前記アンテナが部分的な環状体形状を形成する、請求項１に記載の機器。
7. 前記アンテナが第１のアンテナであり、前記レンズが第１のレンズであり、物体が
   前記送出された近接場エネルギーを捕捉する第２のレンズを形成する複数のサブ波長サイズの素子と、
   前記第２のレンズと通信し、前記近接場エネルギーから電流を生成する第２のアンテナと、を備える受取り装置である、
   請求項１に記載の機器。
8. 前記レンズが第１の磁気浮上モジュールまたは電磁偏向システムの一部を形成する、請求項１に記載の機器。
9. 前記物体が移動し、導電性であって、前記近接場エネルギーが前記物体のコースを変更する、請求項１に記載の機器。
10. 前記機器が、人工的な磁気圏を生み出すように構成されている、請求項８に記載の機器。
11. 近接場エネルギーを受け取るための機器であって、
    前記近接場エネルギーを捕捉するレンズを形成する複数のサブ波長サイズの素子と、
    前記レンズと通信し、前記近接場エネルギーから電流を生成するアンテナとを備え、
    前記サブ波長サイズの素子が前記アンテナのまわりに配置される、
    機器。
12. 前記生成された電流が一時的な電力のソースを提供する、請求項１１に記載の機器。
13. 前記生成された電流が構造体に対して永久的な電力のソースを提供する、請求項１１に記載の機器。
14. 前記機器が、磁気浮上モジュールの一部である、請求項１１に記載の機器。
15. 近接場エネルギーをワイヤレスで送出するためのシステムであって、
    無線周波数（ＲＦ）信号を生成する少なくとも１つのソースと、
    前記ＲＦ信号から近接場信号を生成する第１のアンテナと、
    前記第１のアンテナと通信する第１のレンズを形成し、前記近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、前記近接場エネルギーの方向を前記第１のレンズの前記近接場内に向ける、第１の複数のサブ波長サイズの素子とを備え、
    前記第１の複数のサブ波長サイズの素子が前記第１のアンテナのまわりに配置され、
    前記送出された近接場エネルギーを捕捉する第２のレンズを形成する第２の複数のサブ波長サイズの素子と、
    前記第２のレンズと通信し、前記近接場エネルギーから電流を生成する第２のアンテナとを備え、
    前記第２の複数のサブ波長サイズの素子が前記第２のアンテナのまわりに配置される、
    システム。
16. 前記サブ波長サイズの素子がメタマテリアル素子を備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記サブ波長サイズの素子が複合材料を備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記サブ波長サイズの素子が複合材料およびメタマテリアルを備える、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記アンテナが複数の巻きを備えるループアンテナである、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記レンズおよび前記アンテナが部分的な環状体形状を形成する、請求項１５に記載のシステム。
21. 前記第１のレンズが発電所の一部を形成し、前記第２のレンズが車両または電池充電器の一部を形成する、請求項１５に記載に記載のシステム。
22. 前記第１のレンズが送電塔の一部を形成し、前記第２のレンズが受取り装置の一部を形成する、請求項１５に記載のシステム。
23. 前記第１のレンズが第１の磁気浮上モジュールの一部を形成し、前記第２のレンズが第２の磁気浮上モジュールの一部を形成する、請求項１５に記載のシステム。
24. 前記第１のレンズが地球を周回する衛星に配置され、前記第２のレンズが地球上の塔に配置される、請求項１５に記載のシステム。
25. 電源コンセントをさらに備え、前記生成された電流が前記電源コンセントに導かれて電力を供給する、請求項１５に記載のシステム。
26. 近接場エネルギーを送出する指向性エネルギー兵器であって、
    無線周波数（ＲＦ）信号を生成するソースと、
    前記ＲＦ信号から近接場信号を生成するアンテナと、
    前記アンテナと通信する前記レンズを形成し、前記近接場信号を捕捉し、近接場エネルギーを生成し、前記近接場エネルギーの方向を前記レンズの前記近接場内の物体に向ける、複数のサブ波長サイズの素子とを備え、
    前記複数のサブ波長サイズの素子が前記アンテナのまわりに配置される、
    兵器。
27. 前記物体が地上の目標である、請求項２６に記載の兵器。
28. 前記物体が、簡易爆発物、電子起爆装置を有する弾頭、車両、宇宙船、および電子機器を備える装置、のうちの少なくとも１つである、請求項２６に記載の兵器。

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