JP2016213927A - 電力送受信用アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを組み合わせることにより、無線電力の双方向送受信を可能とした電力送受信用アレイアンテナを提供する。【解決手段】 電力送信アンテナ素子１０１と、電力受信アンテナ素子１０２とを基板１００に備え、前述した両アンテナ素子をアレイ状に配置した構成で、前記電力受信アンテナ素子を前記基板の中央部９１に配置し、前記電力送信アンテナ素子を前記基板の前記中央部の周りの周辺部９２に配置する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、マイクロ波などの電波を用いた電力伝送技術に関する電力送受信用アレイアンテナに関するものである。

近年、電磁波により電力を伝送し、ワイヤレスで給電する技術の開発が進んでいる。電磁波によるワイヤレス給電技術の一例としては、数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数帯の電磁波を用い、電磁誘導又は磁気共鳴といった数ｍ以下の近距離で磁界の結合又は共鳴を用いる方法がある。

また、送電装置から受電装置までの距離が遠方な場合のワイヤレス電力伝送方法として、マイクロ波を用いたシステムがある。数百ＭＨｚから数ＧＨｚのマイクロ波ビームを用いることで、電力を遠方の受電装置まで伝送することが可能となる。このようなワイヤレス電力伝送システムの一例として、太陽光パネルを搭載した人工衛星を赤道上空へ打ち上げ、太陽光によって発電した電力を地上の受電装置へ送電する宇宙太陽光発電システム又は遠方の離島へ配置された受電装置へ送電するシステム等がある。

前記のようなマイクロ波による電力伝送方法は、他方式に比べて、送電距離の自由度が高く、電気自動車又はロボットといった移動する物体へ給電するシステムが提案されている。

従来の電力送受信用アレイアンテナとしては、受信アンテナと電力変換用整流器を組み合わせ、アレイ状に配置されているものがある（例えば、特許文献１参照）。図１１は、特許文献１に記載された従来の電力受信用アレイレクテナを示す図である。ここで、レクテナとは、アンテナと整流器を組み合わせたものを示している。

図１１において、アンテナ素子１１０１は無線電力を受信し、整流器１１０２は、アンテナ素子１１０１と同じ表面上にアンテナ素子１１０１に隣接して配置されて、アンテナ素子１１０１で受信した無線電力を直流電力に変換する。これらのアンテナ素子１１０１及び整流器１１０２を複数個配置して、アレイレクテナ１１００を構成している。

特表２００９−５１３０９８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電力の送受信には、電力の受信側アレイレクテナと送信側用アレイアンテナとが独立してそれぞれ別個に必要であるため、電力の双方向送受信を行う場合には、送信用アレイアンテナと受信用アレイレクテナとを同時に配置し、これらを対にして、合計２対のアレイアンテナを配置する必要があるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを組み合わせて一枚のアレイアンテナを構成することにより、無線電力の双方向送受信を可能とした電力送受信用アレイアンテナを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる電力送受信用アレイアンテナは、
電力送信アンテナ素子と、
電力受信アンテナ素子とを基板に備え、
前述した両アンテナ素子をアレイ状に配置した構成で、前記電力受信アンテナ素子を前記基板の中央部に配置し、前記電力送信アンテナ素子を前記基板の前記中央部の周りの周辺部に配置する。

以上のように、本発明の前記態様にかかる電力送受信用アレイアンテナによれば、電力の高い中央部に電力受信アンテナ素子を配置し、その周辺部に電力送信アンテナ素子を配置することで、電力受信アンテナ素子よりも多くの電力送信アンテナ素子が配置できるため、無線の送信電力が向上し、送受信アンテナ素子との高い分離度を確保、すなわち、送受信アンテナ素子の結合を小さくした上で、無線電力の双方向の送受信が可能となる。

本発明の第１実施形態における電力送受信用アレイアンテナの表面の構成を示す正面図 本発明の第１実施形態における電力送受信用アレイアンテナの図１Ａの1Ｂ−１Ｂ線断面側面図 本発明の第１実施形態における無線電力送受信の様子を示す斜視図 本発明の第１実施形態における受信面の電力分布を示す図 本発明の第１実施形態における整流器の入出力特性を示す図 本発明の第１実施形態における整流器の入出力特性を示す図 本発明の第１実施形態における直交偏波パッチアンテナの例を示す説明図 本発明の第１実施形態における円偏波パッチアンテナの実施例を示す説明図 本発明の第１実施形態における円偏波の伝搬と送受信の様子を示す説明図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの構成例１の表面を示す正面図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの構成例１の図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線断面側面図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの構成例１の送信アンテナ用グランドプレートと受信アンテナ用グランドプレートとを示す正面図（アンテナ素子の配置位置を仮想的に点線で示す。） 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの表面の構成例２を示す正面図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの構成例２の図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線断面側面図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの表面の構成例３を示す正面図 本発明の第２実施形態における電力送受信用アレイアンテナの構成例３の図１０Ａの１０Ｂ−１０Ｂ線断面側面図 特許文献１に記載された従来の電力受信用アレイレクテナを示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態における電力送受信用アレイアンテナ１０３の構成を示す正面図である。図１Ａに示すように、電力送受信用アレイアンテナ１０３は、基板１００に、パッチアンテナなどのアンテナ素子が複数個並んだアレイ状の構造を成している。より詳しくは、電力送受信用アレイアンテナ１０３は、接地された誘電体で構成される基板１００の表面の中央部９１に、多数の電力の受信アンテナ素子１０２を配置している。また、多数の電力の送信アンテナ素子１０１を、基板１００の表面の電力送受信用アレイアンテナ１０３の周辺部９２、すなわち、中央部９１の受信アンテナ素子１０２の周辺部９２に枠状に配置している。

具体的な一例としては、送受信用アレイアンテナ１０３は、図１Ａでは、８×８＝６４個のパッチアンテナを等間隔にアレイ状に配置した例を示している。すなわち、パッチアンテナとしては、４×４＝１６個の電力の受信アンテナ素子１０２を基板１００の中央部９１に等間隔に配置し、残りの２×２４＝４８個の電力の送信アンテナ素子１０１を基板１００の周辺部９２に四角枠状に等間隔に配置している。送信アンテナ素子１０１及び受信アンテナ素子１０２は、一例として、同じ大きさでかつ同じ正方形で構成されている。

図１Ｂは、図１Ａの送受信用アレイアンテナ１０３の図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線断面側面図を示している。図１Ｂに示すように、基板１００を介して各送信アンテナ素子１０１の裏側には、高周波無線の発振器又は増幅器で構成された無線送信器１１１が配置されている。又は、基板１００を介して各送信アンテナ素子１０１の裏側には、無線送信器１１１の代わりに、市販の発振器と増幅器とを同軸ケーブルなどにより入力された無線送信器１１１を配置している。基板１００を介して各受信アンテナ素子１０２の裏側には、ショットキーダイオード及びフィルターなどで構成された整流器１１２が配置されている。各アンテナ素子１０１，１０２の一例としては、銅箔パターンで形成することができる。無線送信器１１１と整流器１１２とは、それぞれ、一例として、半導体素子（トランジスタ、ダイオードなど）と導体パターンとで構成することができる。

図２は、本発明の第１実施形態における無線電力送受信の様子を示す斜視図である。図２は、図示を簡単にするため、アンテナ素子のみを図示して、整流器等の図示を省略している。図２において、電力送受信システムとして、第１の電力送受信用アレイアンテナ２０３と第２の電力送送受信用アレイアンテナ２２３とを対向させて配置している。第１の送受信用アレイアンテナ２０３と第２の送受信用アレイアンテナ２２３とのそれぞれは、図１Ａ及び図１Ｂの送受信用アレイアンテナ１０３と同じ構成である。よって、第１の送受信用アレイアンテナ２０３は、中央部９１に第１の受信アンテナ素子２０２が配置され、周辺部９２に第１の送信アンテナ素子２０１が配置されている。第２の送受信用アレイアンテナ２２３は、中央部９１に第２の受信アンテナ素子２２２が配置され、周辺部９２に第２の送信アンテナ素子２２１が配置されている。

このとき、第２の送信アンテナ素子２２１からの無線電力は、第１の受信アンテナ素子２０２で受信され、第１の送信アンテナ素子２０１からの無線電力は、第２の受信アンテナ素子２２２により受信される。

第２の送受信用アレイアンテナ２２３の第２の送信アンテナ素子２２１から無線電力を第１の送受信用アレイアンテナ２０３に送信した場合、受信面となる第１の送受信用アレイアンテナ２０３上におけるＸ軸及びＹ軸上の電力分布を図３に示す。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、等間隔にパッチアンテナがアレイ状に配置された場合には、図２におけるＸ軸上の電力分布とＹ軸上の電力分布とは、同じになる。

受信面の電力分布は、図３に示すように山形分布を示し、送受信用アレイアンテナ１０３の中央Ｏ付近では電力が高く、その周辺部では電力が低くなる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の第１実施形態における整流器１１２の入出力特性の例を示している。整流器１１２は、アンテナで受信した無線電力を、前述したようにショットキーダイオード及びフィルターにより、高周波の無線電力から直流電力に変換する。この整流器１１２の入出力特性は、図４Ａに示すように、入力する無線電力が一定値の場合、整流器１１２の出力側となる直流電力の出力負荷抵抗［Ω］により、電力変換効率［％］が変化する。また、図４Ｂに示すように、整流器１１２の直流出力側の出力負荷抵抗［Ω］を一定にした場合、無線入力電力［Ｗ］に対する電力変換効率［％］が変化する。すなわち、無線入力電力が変化すると、最大効率が得られる直流電力側の出力負荷抵抗［Ω］も変化する。

このように、整流器１１２から直流電力を効率良く得るためには、無線の入力電力に応じた最適な直流電力の出力負荷抵抗と最適な無線入力電力との組み合わせにする必要がある。このため、無線及び直流の電力変換効率が最大となる直流側負荷抵抗を決めた場合でも、無線入力電力が変化した場合には、最大の効率が得られない。例えば、無線電力２Ｗの入力時に最大効率が得られる出力負荷が２００Ωであった場合、無線電力２Ｗの入力時には７０％程度の無線及び直流の電力変換効率が得られていたとしても、無線電力を小さくした０．２Ｗの入力時には、出力負荷抵抗が２００Ωのままである。このために、無線及び直流の電力変換効率は４０％程度となり、非常に変換効率が悪くなる。この変換されない電力の殆どは、ショットキーダイオードの損失、すなわち、熱となり、整流器１１２の故障の一因となる。

図２において、受信面となる第１の送受信用アレイアンテナ２０３上での電力分布が図３に示すようになるため、中央部の受信電力値で最適化された整流器１１２を用アレイアンテナの周辺部９２に配置しても、受信電力が低く、十分な電力変換効率が出ないため、整流器１１２の故障を引き起こす。そこで、図１Ａに示すように、受信アンテナ素子１０２を送受信用アレイアンテナ１０３の電力の大きい中央部９１に配置し、送信アンテナ素子１０１を受信用アレイアンテナ１０３の電力の小さな周辺部９２に配置する。このように構成すれば、電力変換効率が悪くかつ故障となりかねない受信アンテナ部分を削除し、効率良く電力を変換する構成とすることができる。また、送信アンテナ素子１０１を受信アンテナ素子１０２の周辺部９２に配置することにより、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２とを対称構造に同数個配置する構成よりも、送信アンテナ素子１０１を多く配置でき、より多くの電力を送信することが可能となる。

前述したように送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２とをアレイ状に配置する場合、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合が問題となる。結合量が大きい場合、送信アンテナ素子１０１に隣接する受信アンテナ素子１０２に電力が吸収され、全体の送信電力が低下する。また、双方のアンテナ素子１０１，１０２が近い場所は、大きな電力が受信アンテナ素子１０２へ流れ込み、整流器１１２を故障させることにもなる。

そこで、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量を小さくするために、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との偏波を変えることで、双方の結合量を低減させる構成について説明する。

図５は、第１実施形態における直交偏波パッチアンテナの例を示す。図５に示すように、方形パッチアンテナは、無線電力の給電点５０１の位置を変えることにより、偏波を変えることができる。偏波とは、地平面に対する電界の振幅方向を表している。直交偏波（直交系の異なる偏波）の場合、地平面と平行な偏波を水平偏波と言い、地平面と垂直な偏波を直交偏波と言う。

図５のＸ軸方向を水平面とし、Ｙ軸を水平面に垂直な垂直面とすると、図５の一点鎖線のように方形パッチアンテナの中心線に対して、図５の左図（ａ）のようにＹマイナス方向に無線電力の給電点５０１を設けた場合には、垂直偏波となる。また、図５の右図（ｂ）のようにＸマイナス方向に無線電力の給電点５０１を設けた場合には、水平偏波となる。

ここで、垂直偏波の電波は、垂直偏波アンテナで受信しなければ、殆ど受信できない。同様に、水平偏波の電波は、水平偏波アンテナで受信しなければ、殆ど受信できない。このように効率良く電波を受信するためには、送信アンテナと受信アンテナとの偏波を一致させる必要がある。言い換えれば、偏波の異なるアンテナの組み合わせでは、効率良く受信できない。これは、アンテナを対向させたときだけではなく、アンテナを隣接させた場合にも言える。

図２において、第１の送受信用アレイアンテナ２０３の中央部９１にある第１の受信アンテナ素子２０２を垂直偏波にて構成するとともに、周辺部９２の第１の送信アンテナ素子２０１を水平偏波にて構成する。一方、対となる第２の送受信用アレイアンテナ２２３の中央部９１にある第２の受信アンテナ素子２２２を水平偏波にて構成するとともに、周辺部９２の第２の送信アンテナ素子２２１を垂直偏波にて構成する。このように構成した場合、図３の電力分布と同様に前述したように、第１の送信アンテナ素子２０１からの水平偏波の無線電力は、水平偏波の第２の受信アンテナ素子２２２にて効率良く受信され、第２の送信アンテナ素子２２１からの垂直偏波の無線電力は、垂直偏波の第１の受信アンテナ素子２０２にて効率良く受信される。

以上のように、垂直と水平との偏波の異なるパッチアンテナを、受信アンテナと送信アンテナとして組み合わせることで、送信アンテナと受信アンテナとの混在するアレイ状に配置においても、送信アンテナと受信アンテナとの結合量を小さくし、かつ、効率良く無線電力を送受信できる。

なお、受信アンテナと送信アンテナとの偏波の組み合わせを入れ替えても良い。

ちなみに、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ：時間領域差分法）による解析の結果、垂直偏波と垂直偏波とのように偏波が同じになる構造のアレイ状に配置にし、λを真空中における波長とした場合、３／４λ間隔に配置した方形パッチアンテナの結合量は、−１５．８ｄＢ（デシベル）であった。これは、一方のアンテナから隣り合う他方のアンテナへの電力流入比が約３８分の１程度であることを示している。一方、垂直偏波と水平偏波とのように偏波の異なる構造のアレイ状に配置にした場合、３／４λ間隔に配置した方形パッチアンテナの結合量は、電力比で−２２．９ｄＢであった。これは、一方のアンテナから隣り合う他方のアンテナへの電力流入比が約１９５分の１程度であることを示しており、非常に小さいことがわかる。

図２を用いて、前述したように、無線電力の送受信は、第１の送受信用アレイアンテナ２０３と第２の送受信用アレイアンテナ２２３とのように１対の送受信用アレイアンテナにより行われる。このとき、図５に示すような水平偏波と垂直偏波との直交偏波の組み合わせを用いて、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との結合を小さくする場合、図２で説明したように、第１の送受信用アレイアンテナ２０３における第１の送信アンテナ素子２０１と第２の送受信用アレイアンテナ２２３における第２の送信アンテナ素子２２１との偏波が異なり、第１の送受信用アレイアンテナ２０３と第２の送受信用アレイアンテナ２２３とは、アンテナ素子の構成が異なるものとなる。すなわち、直交偏波の組み合わせにより、送信と受信とのアンテナ素子の結合量を小さくする工夫を施した場合には、電力の送受信を行う対となる送受信用アレイアンテナの組み合わせが異なることになり、送受信用アレイアンテナの組み合わせには注意が必要である。

そこで、図６に示すような円偏波パッチアンテナを用いることで、同一の用アレイアンテナ構成で電力の送受信を行うことができる実施例を説明する。

図６は、円偏波を実現する代表的なパッチアンテナの例である。図５に示した直交偏波パッチアンテナにおいて、四角の対角にあるコーナー（図６では、左下のコーナーと右上のコーナー）を一定量、切り取ることによって円偏波を実現する。偏波の切り替えは、図５と同様、無線電力の給電点の位置を変えることにより行われ、図６の一点鎖線で示すパッチアンテナの中心線に対して、図６の左図（ａ）のようにＹマイナス方向に無線電力の給電点５０１を設けた場合には左旋偏波となる。また、図６の右図（ｂ）のようにＸマイナス方向に無線電力の給電点５０１を設けた場合には右旋偏波となる。

図７は、円偏波の伝搬と送受信の様子を示したものである。図７において、Ｚ軸プラス方向を電波の進行方向とした場合、円偏波は電波の進行方向であるＺ軸と垂直な電界ベクトル７０４がＺ軸を中心に回転しながら伝搬していく。

ここで、図７の中央の図（ｂ）のように電界ベクトル７０４がＺ軸を中心として、Ｙ軸からＸ軸方向に回転しながら伝搬していくとする。この場合、ＸＹ平面上での電界ベクトルの軌跡をＺプラス方向から見た場合、図７左図（ａ）のように左回りとなる。一方、電波の進行方向になるＺプラス方向において、原点方向から見た電界ベクトル７０４の軌跡は、図７右図（ｃ）のように右回りとなる。

すなわち、ＸＹ平面に送信アンテナ素子を配置した場合の偏波は、図７左図（ａ）の左旋偏波７０２となり、電波の進行方向に配置した受信アンテナ素子の偏波は、図７右図（ｃ）の右旋偏波７０３となる。このように円偏波の場合には、送信アンテナ素子の偏波と受信アンテナ素子の偏波とは逆となる。

例えば、左旋偏波パッチアンテナから送信された電波を、効率良く受信するためには、偏波が逆の右旋偏波パッチアンテナで受信しなければならない。このように、円偏波を用いた場合、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との偏波を左旋及び右旋にそれぞれ切り替えて、組み合わせる必要がある。

図２において、円偏波を用いた場合のアンテナ構成を説明する。

第１の送受信用アレイアンテナ２０３の第１の送信アンテナ素子２０１を右旋偏波とした場合、第２の送受信用アレイアンテ２２３の第２の受信アンテナ素子２２２は左旋偏波としなければならない。一方、第２の送受信用アレイアンテナ２２３において、第２の受信アンテナ素子２２２を左旋偏波とした場合、第２の送信アンテナ素子２２１は、第２の受信アンテナ素子２２２との結合を最小にするために、左旋偏波とは逆の右旋偏波としなければならない。すなわち、第１の送受信用アレイアンテナ２０３の第１の送信アンテナ素子２０１は右旋偏波となり、第１の受信アンテナ素子２０２は左旋偏波となり、第２の送受信用アレイアンテナ２２３の第２の送信アンテナ素子２２１は右旋偏波となり、第２の受信アンテナ素子２２２は左旋偏波となり、第１の送受信用アレイアンテナ２０３と第２の送受信用アレイアンテナ２２３との円偏波アンテナの構成が同じものとなる。

ちなみに、ＦＤＴＤ法による解析の結果、円偏波が同じになる構造のアレイ状に配置にした場合、３／４λ間隔に配置した円偏波パッチアンテナの結合量は、−１７．６ｄＢであった。これは、一方のアンテナから隣接する他方のアンテナへの電力流入比が約５７分の１程度であることを示している。一方、偏波の異なる構造のアレイ状に配置にした場合、３／４λ間隔に配置した方形パッチアンテナの結合量は、電力比で−２６．８ｄＢであった。これは、一方のアンテナから隣接する他方のアンテナへの電力流入比が約４７８分の１程度であり、非常に小さく、図５のような直交偏波アンテナの組み合わせよりも、結合量は小さくなる。

図５のような直交偏波パッチアンテナを用いた場合は、１対の送受信用アレイアンテナのアンテナ素子構成が異なることになるが、図６のような円偏波パッチアンテナを用いた場合には、１対の送受信用アレイアンテナは２つのアンテナ素子構成が同じもので良い。このことは、開発工数又は期間の短縮に加え、生産性の向上及びコストの削減に貢献する。

以上の本発明の第１実施形態のように、無線の電力送受信用アレイアンテナにおいて、基板１００の中央部９１に電力受信アンテナ素子１０２を配置し、その周辺部９２に電力送信アンテナ素子１０１を配置し、その送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２とが偏波の異なるアンテナ素子、例えば、水平偏波と垂直偏波、又は、左旋偏波と右旋偏波のような円偏波により、電力送受信用アレイアンテナ１０３を構成する。

かかる構成によれば、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２とがお互いの結合を抑えた状態で１つの送受信用アレイアンテナ１０３に構成でき、中央部９１に受信アンテナ素子１０２を配置し、その周辺部９２に送信アンテナ素子１０１を配置するように構成している。このように構成することにより、電力受信アンテナ素子１０２よりも多くの電力送信アンテナ素子１０１が配置できるため、無線の送信電力が向上し、送受信アンテナ素子同士の高い分離度を確保、すなわち、送受信アンテナ素子の結合を小さくした上で、より多くの無線電力の双方向の送受信が効率良く可能となる。よって、本構成によって、無線の送信電力を向上した上で、１つの電力送受信用アレイアンテナによって、無線電力の双方向の送受信が可能となる。

（第２実施形態）
（構成例１）
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の第２実施形態の電力送受信用アレイアンテナ１０３Ｂの構成例１を示している。図１Ａないし図７と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。

図８Ａ〜図８Ｃでは、送受信用アレイアンテナ１０３Ｂは、図１Ａ及び図１Ｂの送受信用アレイアンテナ１０３を２枚重ねるとともに、その間に、薄い送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２とが挟み込まれている。断面の構造は、図８Ｂに、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線の断面図として示しているとおりである。

図１Ａ及び図１Ｂとの違いは、銅などの導体で構成されて接地される送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２とが２枚の送受信用アレイアンテナ１０３間に介在されるように、送信と受信とで、物理的にグランドプレート８０１，８０２とを、互いに切り離している、言い換えれば、互いに接触しないように分離していることである。アンテナ用グランドプレート８０１，８０２はアンテナ地板と呼ばれ、アンテナの特性を左右する。送信アンテナ用グランドプレート８０１は、中央に、受信アンテナ用グランドプレート８０２がはまり込むような正方形の穴８０１ａを有する四角枠状の形状となっている。受信アンテナ用グランドプレート８０２は正方形状となっている。

この送信用グランドプレート８０１と受信用グランドプレート８０２とを切り離す又は分離するように構成することは、隣り合う送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量を抑える効果がある。これは、グランドプレート８０１，８０２を介して流れる高周波電流が遮断できるためである。

本発明の第１実施形態でも説明したように、隣り合う送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量が大きいと、送信電力の低下又は隣り合う受信アンテナ素子１０２の裏面に配置した整流器１１２への過大電力による故障などを引き起こすからである。

図８Ａ〜図８Ｃのように、送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２を切り離し（分離し）、互いに接触しないように四角枠状の隙間９０をあけて独立させる構成により、第１実施形態での効果に加えて、隣り合う送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量を抑える事ができる。

（構成例２）
また、図９Ａ及び図９Ｂの本発明の第２実施形態の電力送受信用アレイアンテナ１０３Ｃの構成例２に示すように、２枚の電力送受信用アレイアンテナ１０３の間に介在された送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２とを切り離すことに加え、さらに電波の回り込みを防ぐために、図９Ｂの図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線の断面図において、表面層と内部の受信アンテナ用グランドプレート８０２を接続するビアホール９０１を送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２との境界部分に設けている。ビアホール９０１は、電界の漏れを防ぐために形成している。ビアホール９０１は、電界の漏れを防ぐことができれば、中空でも、内部が詰まったものでもよい。具体的には、ビアホール９０１は、内面が金属等の導体で覆われて、受信アンテナ用グランドプレート８０２に電気的に接続されており、導体壁として機能することができる。

ビアホール９０１は、送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２との境界部分、例えば、受信アンテナ用グランドプレート８０２の全周縁部に対応する基板１００の位置に、細長い溝を形成するかのように複数個、所定間隔（例えば等間隔）で配置されている。よって、中央部９１にある受信アンテナ素子１０２を取り囲むように配置する。

このように構成することで、第１実施形態での効果に加えて、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量を抑える事ができる。ビアホール９０１は、図９Ｂに示すように、互いに連続して細長い溝として形成してもよいし、間欠的に間隔をあけて、多数の穴を並べて構成するようにしてもよい。

なお、送信アンテナ素子１０１と隣接する受信アンテナ素子１０２との距離（隙間９０の幅）を物理的に大きくすることでも、送信アンテナ用グランドプレート８０１と受信アンテナ用グランドプレート８０２とを切り離すことと同様の効果が得られる。

（構成例３）
さらに、図１０及び図１０Ｂの本発明の第２実施形態の電力送受信用アレイアンテナの構成例３に示すように、送受信用アレイアンテナ１０３Ｄは、層間のビアホール９０１の配置に加え、ビアホール９０１の位置又はその付近に、アンテナ表面に対して直交するように起立した金属などの導体壁の一例としてのグランド壁１００１を設けることで、第１実施形態での効果に加えて、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２の結合量を抑えることができる。このような効果をそうするためには、グランド壁１００１は、少なくとも送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２の厚みよりも高い高さを有している。

以上の本発明の第２実施形態の構成例１〜３のように、無線の電力送受信用アレイアンテナ１０３Ｄにおいて、基板１００の中央部９１に受信アンテナ素子１０２を配置し、その周辺部９２に送信アンテナ素子１０１を配置し、その送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２とのグランドプレート８０１，８０２を互いに分離させる構成を採っている。このように構成において、さらに、送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との結合量を抑えるため、すなわち、物理的な分離のために、層間の導体壁としてのビアホール９０１又はグランド壁１００１などの導体部を送信アンテナ素子１０１と受信アンテナ素子１０２との間に設け、電力送受信用アレイアンテナ１０３Ｃを構成する。

かかる構成によれば、送信アンテナと受信アンテナとがお互いの結合を抑えた状態で１つ用のアレイアンテナに構成でき、より多くの無線電力を効率良く送信及び受信できる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の電力送受信用アレイアンテナは、電力送信アンテナ素子と電力受信アンテナ素子とを１つの用アレイアンテナに構成し、送信と受信とのアンテナ素子において偏波を変え、受信アンテナ素子を基板の中央部に配置し、送信アンテナ素子をその周辺部に配置することにより、より多くの無線電力を効率良く送受信することができ、マイクロ波などを用いた無線電力伝送の電力送受信アンテナ及びレクテナの用途に適用できる。

９０ 隙間
９１ 基板の中央部
９２ 基板の周辺部
１００ 基板
１０１ 送信アンテナ素子
１０２ 受信アンテナ素子
１０３，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ 送受信用アレイアンテナ
１１１ 無線送信器
１１２ 整流器
２０１ 第１の送信アンテナ素子
２０２ 第１の受信アンテナ素子
２０３ 第１の送受信用アレイアンテナ
２２１ 第２の送信アンテナ素子
２２２ 第２の受信アンテナ素子
２２３ 第２の送受信用アレイアンテナ
５０１ 無線電力の給電点
７０２ 左旋偏波
７０３ 右旋偏波
７０４ 電界ベクトル
８０１ 送信アンテナ用グランドプレート
８０２ 受信アンテナ用グランドプレート
９０１ ビアホール
１００１ グランド壁
１１００ アレイレクテナ
１１０１ アンテナ素子
１１０２ 整流器

Claims (5)

1. 電力送信アンテナ素子と、
   電力受信アンテナ素子とを基板に備え、
   前述した両アンテナ素子をアレイ状に配置した構成で、前記電力受信アンテナ素子を前記基板の中央部に配置し、前記電力送信アンテナ素子を前記基板の前記中央部の周りの周辺部に配置する、電力送受信用アレイアンテナ。
2. 前記電力送信アンテナ素子と前記電力受信アンテナ素子との偏波を、直交系の異なる偏波を用いる請求項１に記載の電力送受信用アレイアンテナ。
3. 前記電力送信アンテナ素子と前記電力受信アンテナ素子との偏波を、円偏波の左旋偏波と右旋偏波との異なる偏波を用いる請求項１に記載の電力送受信用アレイアンテナ。
4. 前記電力送信アンテナ素子と前記電力送信アンテナ素子とのグランドプレートである地板を切り離し、分離している請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力送受信用アレイアンテナ。
5. 前記電力送信アンテナ素子と前記電力送信アンテナ素子との境界に導体壁を用いている請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力送受信用アレイアンテナ。

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