JP2023502378A - 長距離無線電力伝送のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

長距離無線電力伝送システム１００を開示する。システム１００は、入力として、電源からの電力を受け取り、入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成された送達アンテナ１１０を少なくとも備える。整流アンテナ１３０は、送達アンテナ１１０から或る距離に位置決めされるか、位置決めされるように構成される。整流アンテナ１３０は、指向性ビームを受け取り、電磁エネルギーを電気に変換するように構成される。特定の実施形態において、システム１００は、コリメートされたビームとして指向性ビームを維持し、指向性ビームをコリメートされるか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持する範囲を増加させるために、１つ以上の位相補正装置１２０、１２２を利用する。

Description

本発明は、長距離無線電力伝送のためのシステム及び方法に関する。

送達線を使用して電気を送ることは周知である。
しかしながら、送達線／ケーブルを使用して電力を送ることには、いくつかの不都合がある。電力ケーブルを敷設するには、実質的な労力、装備、及び土地面積が必要となるため、高価となり得る。さらに、電力ケーブルの搭載及び維持は、コストが掛かり得る。また、送達線は、あらゆる地理的位置で容易に実装できるわけではない。頭上の送達線は審美的に心地よいものでなく、例えば、深刻な気象条件においては損傷され得る。地下の電力ケーブルはこれらの問題の一部を解決し得るものの、これらにも、障害の検出の難しさ等、いくつかの不都合があり、アップグレードするのが困難且つ高価である。

送電端部から受電端部までのエネルギーの送達中に、電磁波が他の方向に容易に発散し得るので、自由空間においてエネルギーの多くが損失されてしまうため、長距離に亘って電磁ビームを使用して電力を無線で伝送する際の問題の１つに、効率的に電力を伝送する能力がある。これは、受電端部で受け取られるエネルギーが、物理的回線をベースとした代替物に比して、電力の提供を行うのに不十分であること、又は、経済的に実現可能でないこと、があり得ることを意味している。

本発明の目的は、上述の課題、現行の回線をベースとしてソリューションの議論を克服するか、又は少なくとも部分的に改善するか、又は少なくとも民間に有用な選択肢を提供する長距離無線電力伝送のためのシステム及び／又は方法を提供することである。

第１の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナである送達アンテナであって、前記送達アンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンであり、前記装置に対応する前記少なくとも１つの位相補正装置は、
前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
前記指向性ビームに位相補正動作を実施し、前記位相補正動作は、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持することと、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加することとであることと、
前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備えるシステムにある。

第２の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備えるシステムにある。

以下の１つ以上の記載は、以上、第１及び／又は第２の態様において規定した発明に適用されてもよい。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである。

一実施形態において、前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであり、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される。

一実施形態において、各アンテナ要素は、前記指向性ビームの電子的操舵を容易にする電子的に制御された位相シフタを有する。

一実施形態において、各アンテナ要素は、パッチアンテナ要素である。

一実施形態において、各アンテナ要素は、基板上にエッチングされた金属セグメントから作成される。

一実施形態において、各アンテナ要素は、低損失誘電体材料から作成された少なくとも１つの低損失誘電体要素を含む。

一実施形態において、各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素である。

一実施形態において、レドーム要素は、レドーム要素壁部が作成される材料の波長の４分の１以下の壁部厚さを備えた薄いレドーム要素壁部を有する。

一実施形態において、前記レドーム要素壁部が作成される材料中、電磁波の形態での電磁エネルギーの波長は、以下によって与えられる。

式中、λ_dは、レドーム壁部材料における電磁波の波長であり、λは、自由空間波長であり、ｎ_dは、レドーム壁部材料の屈折率である。

一実施形態において、前記レドーム要素は、前記アンテナ要素をカバーするように、前記アンテナ要素よりも大きい。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である。

一実施形態において、前記ストレートスルー位相補正装置は、前記誘電体コアが前記誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの誘電体スキン間に挟まれた少なくとも３つの層を備える複合多層構造である。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを同時に提供するメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる。

一実施形態において、前記誘電体コアの各部における前記誘電体スキンの厚さは、前記誘電体スキンが作成される材料の波長の１０分の１未満である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される。

一実施形態において、誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層が２つの誘電体支持層間に挟まれた少なくとも３つの層である。

一実施形態において、前記少なくとも１つのメタマテリアル層は、メタサーフェスである。

一実施形態において、前記誘電体コアの厚さは、前記誘電体コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である。

一実施形態において、前記角度は、６０度～１２０度の間であり、好ましくは、９０度又は約９０度である。

一実施形態において、前記反射位相補正装置は、誘電体コアが誘電体コアの第１の部分の誘電体スキンと誘電体コアの第２の部分の反射接地面との間に挟まれた少なくとも３つの層を有する複合多層構造であり、前記第２の部分は、前記第１の部分の反対側である。

一実施形態において、前記反射位相補正装置では、前記誘電体コアは、前記誘電体コアの２つの反対側部分の前記少なくとも２つの層間に挟まれ、前記層のうちの少なくとも一方が前記誘電体スキンであり、他方の層が反射接地面である。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、到来する波面に位相シフトを同時に提供し、電力損失を最小限に抑えた反射を完了させるメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記送達アンテナは、送達アンテナ開口を有する。

一実施形態において、送達アンテナ開口は、寸法Ｄと、開口効率εを有し、波長λと、送達アンテナ及びダウンレンジ位相補正装置又はレクテナの間の距離Ｒについて、以下の不等式のうちの少なくとも一方が適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧４λＲ／εは、直径Ｄの円形開口に適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧πλＲ／εは、寸法Ｄの正方形開口に適用される。

一実施形態において、前記整流アンテナのサイズは、前記送達アンテナ開口のサイズと同一、又は略同一である。

一実施形態において、前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える。

一実施形態において、前記固体整流成分は、ショットキーダイオードである。

一実施形態において、前記整流アンテナは、整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナ構造は、
互いに反対側にある第１の部分と第２の部分とを有し、少なくとも１つの誘電体材料で作成された中心コアと、
前記中心コアの第１の部分に配されたメタサーフェスを備え、前記整流アンテナが前記中心コアの前記第２の部分に位置決めされる誘電体スキンと、
前記整流アンテナに電気的に接続されて、到来する前記電磁ｅエネルギーを整流し、その後、要求される負荷に送達される直流（ＤＣ）出力を生成する整流回路と、を備える。

一実施形態において、前記整流アンテナは、複数の整流アンテナ要素を有する整流アンテナアレイとして形成される。

一実施形態において、前記中心コアは、低損失誘電体材料で作成される。

一実施形態において、前記中心コアの厚さは、前記中心コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記中心コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記中心コアの厚さ及び屈折率は、所望のインピーダンス整合を達成するため、前記整流アンテナの表面上で変動する。

一実施形態において、前記システムは、地球ベースシステムである。

一実施形態において、前記システムは、１００メートル範囲まで、及び１００メートル範囲を超えて、電力を無線伝送するように構成される。

一実施形態において、送達アンテナは、電磁場が前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームに実質的に限定された放射近接場領域内で動作するように構成される。

一実施形態において、送達アンテナは、前記送達アンテナの開口面に亘って球状位相分布を付与し、放射近接場領域に或る程度のビーム集束を達成するようにすることで、電磁場が前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームに実質的に限定された放射近接場領域内で動作するように構成される。

一実施形態において、放射近接場領域では、最大軸上電場強度が、建設的干渉によってアンテナ開口の最大軸上電場強度を上回り、範囲Ｒ_maxで発生するが、式中、アンテナアレイ要素が位相内で励起されると、Ｒ_maxの値は、以下で与えられる。

式中、λは、放射の波長であり、

は、送達アンテナ開口の有効面積である。

第３の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナである送達アンテナであって、前記位相アレイアンテナアンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備え、
前記少なくとも１つの位相補正装置は、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも１つのメタサーフェスを利用するシステムにある。

第４の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備え、
前記少なくとも１つの位相補正装置は、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも１つのメタサーフェスを利用するシステムにある。

以下の１つ以上の記載は、以上、第３及び第４の態様に規定のとおり、本発明に適用されてもよい。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも２つのメタサーフェスを利用する。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも３つのメタサーフェスを利用する。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンである。一実施形態において、前記誘電体スキンは、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを同時に提供するメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる。

一実施形態において、前記誘電体コアの各部における前記誘電体スキンの厚さは、前記誘電体スキンが作成される材料の波長の１０分の１未満である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される。

一実施形態において、誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層が２つの誘電体支持層間に挟まれた少なくとも３つの層である。

一実施形態において、前記少なくとも１つのメタマテリアル層は、メタサーフェスである。

一実施形態において、前記システムは、以上及び以下の記載のいずれか１つに規定のものである。以上に規定の第１及び第２の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第３及び第４の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第５の態様において、本発明は、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも１つのメタサーフェスを利用する長距離無線電力伝送システムにある。

一実施形態において、長距離無線電力伝送システムは、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも２つのメタサーフェスを利用する。

一実施形態において、長距離無線電力伝送システムは、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも３つのメタサーフェスを利用する。

一実施形態において、前記システムは、以上及び以下の記載のうちの１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第４の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第５の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第６の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムにおける、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するために少なくとも１つのメタサーフェス（好ましくは、少なくとも２つのメタサーフェス）の使用にある。

一実施形態において、前記システムは、以上及び以下の記載のうちの１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第５の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第６の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第７の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムにおいて使用される送達アンテナであって、
前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナである。

一実施形態において、各アンテナ要素は、低損失誘電体材料から作成された少なくとも１つの低損失誘電体要素を含む。

一実施形態において、各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素である。

一実施形態において、各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素である。

一実施形態において、レドーム要素は、レドーム要素が作成される材料の波長の４分の１以下の壁部厚さを備えた薄いレドーム要素壁部を有する。

一実施形態において、前記レドーム要素は、前記アンテナ要素をカバーするように、前記各アンテナ要素よりも大きい。

一実施形態において、各アンテナ要素は、前記指向性ビームの電子的操舵を容易にする電子的に制御された位相シフタを有する。

一実施形態において、各アンテナ要素は、パッチアンテナ要素である。

一実施形態において、各アンテナ要素は、基板上にエッチングされた金属セグメントから作成される。

一実施形態において、前記送達アンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される。

一実施形態において、前記送達アンテナは、送達アンテナ開口を有する。

一実施形態において、送達アンテナ開口は、寸法Ｄと、開口効率εを有し、波長λと、送達アンテナ及びダウンレンジ位相補正装置又はレクテナの間の距離Ｒについて、以下の不等式のうちの少なくとも一方が適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧４λＲ／εは、直径Ｄの円形開口に適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧πλＲ／εは、寸法Ｄの正方形開口に適用される。

一実施形態において、前記システムは、以上及び以下の記載のうちの１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第６の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第７の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第８の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムにおいて使用される位相補正装置であって、前記位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンである位相補正装置にある。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、前記電力損失を最小限に抑えたインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる。

一実施形態において、前記位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である。

一実施形態において、前記誘電体スキンの厚さは、前記誘電体スキンが作成される前記少なくとも１つの誘電体材料の波長の１０分の１未満である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される。

一実施形態において、前記誘電体コアの厚さは、前記誘電体コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である。

一実施形態において、前記中心誘電体コアは、前記誘電体コアの反対側部分の双方の前記誘電体スキン間に挟まれる。

一実施形態において、前記位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である。

一実施形態において、前記角度は、６０度～１２０度の間であり、好ましくは、９０度又は約９０度である。

一実施形態において、前記中心誘電体コアは、前記誘電体コアの前記第１の部分の前記誘電体スキンと前記誘電体コアの前記第２の部分の反射接地面との間に挟まれる。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、到来する波面に位相シフトを同時に提供し、電力損失を最小限に抑えた反射を完了させるメタサーフェスを備える。

一実施形態において、位相補正装置は、送達構造から放射される指向性ビームを受け取ることと、
前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
前記位相補正された指向性ビームを自由空間に送達することと、を行うように構成される。

一実施形態において、前記中心誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層が２つの誘電体支持層間に挟まれた少なくとも３つの層である。

一実施形態において、前記少なくとも１つのメタマテリアル層は、メタサーフェスである。

一実施形態では、前記システムは、以上及び以下の記載の１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第７の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第８の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第９の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムにおいて使用される整流アンテナであって、前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える。

一実施形態において、前記固体整流成分は、ショットキーダイオードである。

一実施形態では、前記システムは、以上及び以下の記載の１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第８の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第９の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第１０の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムにおいて使用される整流アンテナ構造であって、
互いに反対側にある第１の部分と第２の部分とを有し、少なくとも１つの誘電体材料で作成された中心コアと、
前記中心コアの第１の部分に配されるメタサーフェスを備える誘電体スキンと、
前記中心コアの前記第２の部分に位置決めされる整流アンテナと、
前記整流アンテナに電気的に接続されて、到来する電磁エネルギーを整流し、直流（ＤＣ）出力を生成する整流回路と、を備える整流アンテナ構造にある。

一実施形態において、前記整流アンテナは、複数の整流アンテナ要素を有する整流アンテナアレイとして形成される。

一実施形態において、前記中心コアは、低損失誘電体材料で作成される。

一実施形態において、前記中心コアの厚さは、前記中心コアの誘電体媒体の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記中心コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記中心コアの厚さ及び屈折率は、所望のインピーダンス整合を達成するため、前記整流アンテナの表面上で変動する。

一実施形態では、前記システムは、以上及び以下の記載の１つ以上によって規定されるものである。以上に規定の第１～第９の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第１０の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第１１の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送方法であって、少なくとも、
互いに動作可能に接続された送達アンテナ、少なくとも１つの位相補正装置、及び整流アンテナを備える長距離無線電力伝送システムを設けるステップと、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナを使用するステップと、
前記送達アンテナから放射される前記指向性ビームを受け取り、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施し、前記位相補正した指向性ビームを前記自由空間に送達すべく、前記少なくとも１つの位相補正装置を使用するステップと、
前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換する整流アンテナを使用するステップと、を備える方法にある。

一実施形態において、前記方法は、前記送達アンテナと前記整流アンテナとの間に位置決めされた前記少なくとも１つの位相補正装置を位置決めすることをさらに備える。

一実施形態において、前記方法は、前記指向性ビームが発散を開始する前記送達アンテナから或る距離において、又は或る距離付近に、前記少なくとも１つの位相補正装置を位置決めすることをさらに備える。

一実施形態において、前記システムは、地球ベースシステムである。

一実施形態において、前記システムは、１００メートルまで及び１００メートルを超えて電力を無線伝送するように構成される。

一実施形態において、前記送達アンテナは、以上の記載のうちのいずれか１つに規定のものである。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、以上の記載のうちのいずれか１つに規定のものである。

一実施形態において、前記整流アンテナは、以上の記載のうちのいずれか１つに規定のものである。

一実施形態において、前記システムは、以上の記載のうちのいずれか１つに規定のものである。以上に規定の第１～第１０の態様のいずれか１つの態様に係る１つ以上の記載は、第１１の態様に規定のとおり、本発明に等しく適用されてもよい。

第１２の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
放射要素であるアンテナ要素のアレイを有する位相アレイアンテナである送達アンテナであって、前記送達アンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから或る距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成された前記整流アンテナと、を備え、
各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素を備える長距離無線電力伝送システムからなるということができる。

第１３の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送システムであって、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナと、
前記送達アンテナから或る距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成された前記整流アンテナと、を備え、
前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであり、各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素を備える長距離無線電力伝送システムからなるということができる。

以上、第１２及び第１３の態様において規定されるとおり、以下の１つ以上の記載が本発明に適用されてもよい。

一実施形態において、電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである。

一実施形態において、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、各アンテナ要素の位相及び振幅を制御することによって生成される。

一実施形態において、各アンテナ要素は、前記指向性ビームの電子的操舵を容易にする電子的に制御された位相シフタを有する。

一実施形態において、各アンテナ要素は、低損失誘電体材料から作成された少なくとも１つの低損失誘電体要素を含む。

一実施形態において、各アンテナ要素は、パッチアンテナ要素である。

一実施形態において、各アンテナ要素は、基板上にエッチングされた金属セグメントから作成される。

一実施形態において、レドーム要素は、レドーム要素壁部が作成される材料の波長の４分の１以下の壁部厚さの薄いレドーム要素壁部を有する。

一実施形態において、前記レドーム要素壁部が作成される材料中、電磁波の形態での電磁エネルギーの波長は、以下によって与えられる。

式中、λ_dは、レドーム壁部材料における電磁波の波長であり、λは、自由空間波長であり、ｎ_dは、レドーム壁部材料の屈折率である。

一実施形態において、前記レドーム要素は、前記アンテナ要素をカバーするように、前記各アンテナ要素よりも大きい。

一実施形態において、前記送達アンテナは、送達アンテナ開口を有する。

一実施形態において、送達アンテナ開口は、寸法Ｄと、開口効率εを有し、波長λと、送達アンテナ及びダウンレンジ位相補正装置又はレクテナの間の距離Ｒについて、以下の不等式のうちの少なくとも一方が適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧４λＲ／εは、直径Ｄの円形開口に適用される。

一実施形態において、Ｄ²≧πλＲ／εは、寸法Ｄの正方形開口に適用される。

一実施形態において、前記整流アンテナのサイズは、前記送達アンテナ開口のサイズと同一、又は略同一である。

一実施形態において、前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える。

一実施形態において、前記固体整流成分は、ショットキーダイオードである。

一実施形態において、前記整流アンテナは、整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナ構造は、
互いに反対側にある第１の部分と第２の部分とを有し、少なくとも１つの誘電体材料で作成された中心コアと、
前記中心コアの第１の部分に配されたメタサーフェスを備え、前記整流アンテナが前記中心コアの前記第２の部分に位置決めされる誘電体スキンと、
前記整流アンテナに電気的に接続されて、到来する電磁エネルギーを整流し、直流（ＤＣ）出力を生成する整流回路と、を備える整流アンテナ構造にある。

一実施形態において、前記整流アンテナは、複数の整流アンテナ要素を有する整流アンテナアレイとして形成される。

一実施形態において、前記中心コアは、低損失誘電体材料で作成される。

一実施形態において、前記中心コアの厚さは、前記中心コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記中心コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記中心コアの厚さ及び屈折率は、所望のインピーダンス整合を達成するため、前記整流アンテナの表面上で変動する。

一実施形態において、前記システムは、前記送達アンテナと前記整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置をさらに備え、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
前記位相補正された指向性ビームを自由空間に送達することと、を行うように構成される。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である。

一実施形態において、前記ストレートスルー位相補正装置は、中心誘電体コアが前記誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの誘電体スキン間に挟まれた少なくとも３つの層を備える複合多層構造である。

一実施形態において、前記中心誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層が２つの誘電体支持層間に挟まれた少なくとも３つの層である。

一実施形態において、前記少なくとも１つのメタマテリアル層は、メタサーフェスである。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、電力損失を最小限に抑えてインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを同時に提供するメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる。

一実施形態において、前記誘電体コアの各部における前記誘電体スキンの厚さは、前記誘電体スキンが作成される材料の波長の１０分の１未満である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される。

一実施形態において、前記誘電体コアの厚さは、前記誘電体コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である。

一実施形態において、前記誘電体コアは、１～３の間の屈折率を有する。

一実施形態において、前記少なくとも１つの位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である。

一実施形態において、前記角度は、６０度～１２０度の間であり、好ましくは、９０度又は約９０度である。

一実施形態において、前記反射位相補正装置は、中心誘電体コアが誘電体コアの第１の部分の誘電体スキンと誘電体コアの第２の部分の反射接地面との間に挟まれた少なくとも３つの層を有する複合多層構造であり、前記第２の部分は、前記第１の部分の反対側である。

一実施形態において、前記誘電体スキンは、到来する波面に位相シフトを同時に提供し、電力損失を最小限に抑えた反射を完了させるメタサーフェスを備える。

一実施形態において、前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる。

一実施形態において、前記システムは、地球ベースシステムである。

一実施形態において、前記システムは、１００メートルまで及び１００メートルを超えて電力を無線伝送するように構成される。

第１４の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送方法であって、少なくとも、
互いに動作可能に接続された、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナである送達アンテナ及び整流アンテナを備える長距離無線電力伝送システムを設けるステップと、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナを使用することであって、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成されるステップと、
前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するために前記整流アンテナを使用するステップと、を備える長距離無線電力伝送方法にある。

第１５の態様において、本発明は、長距離無線電力伝送方法であって、少なくとも、
互いに動作可能に接続された送達アンテナ及び整流アンテナを備える長距離無線電力伝送システムを設けるステップと、
入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成される送達アンテナを使用するステップと、
前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するために前記整流アンテナを使用するステップと、を備える長距離無線電力伝送方法にある。

以上、第１４及び第１５の態様において規定されるとおり、以下の１つ以上の記載が本発明に適用されてもよい。

一実施形態において、前記方法は、
前記送達アンテナと前記整流アンテナとの間に前記位相補正装置を位置決めすることをさらに備える。

一実施形態において、前記方法は、
前記送達アンテナから放射される前記指向性ビームを受け取り、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施し、前記位相補正した指向性ビームを前記整流アンテナに受け取られるように前記自由空間に送達すべく、前記位相補正装置を使用することをさらに備える。

一実施形態において、前記方法は、前記指向性ビームが発散を開始する前記送達アンテナから或る距離において、又は或る距離付近に、位相補正装置を位置決めすることをさらに備える。

一実施形態において、前記システムは、地球ベースシステムである。

一実施形態において、前記システムは、１００メートルまで及び１００メートルを超えて電力を伝送するように構成される。

一実施形態において、長距離無線電力伝送方法は、１００メートルまで及び１００メートルを超えて電力を伝送するように構成される。

一実施形態において、前記システムは、第１２又は第１３の態様の１つ以上の記載に規定のものである。

本発明の他の態様は、単なる例示として添付の図面を参照して提供される以下の説明から明らかにされ得る。

特許明細書、他の外部文書、又は他の情報源を参照した本明細書中において、これは一般に、本発明の特徴を議論するための文脈を提供することを目的とするものである。特記のない限り、このような文書又はこのような情報源が、いずれの管轄においても、従来技術であるか、又は当分野の一般的な常識の一部を形成するものであるという認識として、このような外部文書の参照が解釈されてはならない。

以下の説明の目的に関して、「上方」、「下方」、「右側」、「左側」、「垂直」、「水平」、「上部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」、及びこれらの派生語は、図面において向けられているとおり、本発明に関連するものでなければならない。しかしながら、本発明は、逆の内容が明示されている場合を除いて、種々の代替バリエーションを想定し得るものと理解されなければならない。添付の図面に示され、以下の説明に記載の特定の装置は、本発明の単なる例としての実施形態であることも理解されなければならない。したがって、本明細書に開示の実施形態に関連する特定の寸法及びその他の物性は、限定と見なされてはならない。

「備える」という用語は、様々な管轄下で、排他的又は包含的な意味のいずれかの特性であり得ることが認められる。本明細書の目的に関して、指摘のない限り、「備える」という用語は、包含的な意味を有し、挙げられた構成要素又は要素だけでなく、その他の特定されていない構成要素又は要素も包含し得るものでなければならない。「備える」又は「備えた」又は「備えている」等の用語は、システム又は方法或いはプロセスにおける１つ以上のステップとの関連で使用されるとき、同様の意味を有する。

以上及び以下において使用される「及び／又は」という用語は、「及び」又は「又は」のいずれか、若しくは双方を意味する。

以上及び以下において使用される、名詞に続く「（ｓ）」は、その名詞の複数形及び／又は単数形を意味する。

特許請求の範囲において使用されるとき、指摘のない限り、「～のために」という単語は、「～に好適な」という意味のみに解釈されなければならず、例えば、記載された目的に合わせて具体的に「適合された」又は「構成された」と解釈されてはならない。

特記のない限り、位相補正装置は、指向性ビームをコリメートさせる、又は実質的にコリメートさせるために位相補正する任意の好適な装置であってもよい。位相補正装置のいくつかの非限定的な例には、位相プレート、位相補正器、収差補正器、ウェーブプレート、波面補正器、位相補正リレー、コリメータ、又はこれらの組み合わせが含まれる。

特記のない限り、「地球ベース」という用語は、惑星としての地球内、及び／又は、その大気中を完全にベースとするものとして解釈されなければならず、地球の成層圏外に位置する任意のシステム及びそのシステムの構成要素を除外する。

特記のない限り、「地球ベース」であるシステムは、衛星をベースとするような任意のシステム及びそのようなシステムの構成要素を除外するものとして解釈されなければならない。

特記のない限り、「自由空間」という用語は、宇宙空間をいうものでない。むしろ、信号又はビームの伝搬を妨げ得る物理的障害のないスペースをいう。本明細書中の文脈において、「物理的障害」という用語は、木、建物、丘、山、及びその他の重要な材料対象を示すもので、大気中に通常存在する原子、分子、又はその他の粒子状物を示すものでない。「物理的障害」という用語は、水の蒸発、雨、雪、霙、又は雹等、気象条件を示すものでもない。

「実質的に」という単語は、場合によっては、その用語の意味を広げるのに使用可能であることが知られている。本明細書において、特徴的な特徴を規定するため、或る用語とともに「実質的に」という単語を使用する場合、「実質的な」という単語を使用することで得られるすべての有利な点（すなわち、意味を広げるという有利な点）を得ることができ、さらにその範囲には、その用語が（意味を広げることなく）正確に示す特徴もその範囲内に包含することを述べておかなければならない。例えば、本明細書中、「実質的にコリメートされた」としてある特徴が説明／規定される場合、その範囲には、その特徴がコリメートされた状態に「近い」（そのことに関する限りでは、「実質的に」は、「実質的に」の単語の意味を広げるものとして見なされる）ことが含まれ、さらにその範囲には、その特徴が「正確に」コリメートされることも含まれる。

本発明の好適な実施形態は、単なる例示として、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る長距離無線電力伝送システムの好適な例の概略図である。 図２は、レドーム要素を使用した送達アンテナのゲイン向上のための構成を示している。 図３Ａは、定位置にある、図２のレドーム要素を備えた送達アンテナの測定された放射パターンの例を示している。 図３Ｂは、定位置にある、図２のレドーム要素を備えない、送達アンテナの測定された放射パターンの例を示している。 図４は、本発明に一実施形態に係るストレートスルー位相補正装置の構造を示す概略図である。また、ストレートスルー位相補正装置が図１のシステムの一部として使用されるときの指向性電磁ビームの流動方向も示されている。 図５は、本発明の一実施形態に係る反射位相補正装置の構造を示す概略図である。また、反射位相補正装置が図１のシステムの一部として使用されるときの指向性電磁ビームの流動方向も示されている。 図６は、本発明に係る位相補正装置の好適な例を示す概略図である。図７～図１２は、図６の概略図に関連する。 図７は、種々の位相因子に関し、図６の装置による位相遅延に対する正規化シャントサセプタンスｂ１を示している。 図８は、種々の位相因子に関し、図６の装置による位相遅延に対する正規化シャントサセプタンスｂ２を示している。 図９は、９０度と同等の誘電体厚さに関し、図６の装置による位相遅延に対するｂ１及びｂ２の挙動を示している。 図１０Ａは、菱形格子上の円形パッチのアレイの例を示している。 図１０Ｂは、正方形格子上の正方形パッチのアレイの例を示している。 図１０Ｃは、正方形格子上の十字のアレイの例を示している。 図１１は、周波数の関数としての、パッチ及び開口型ＦＳＳ層（メタサーフェス）の典型的な挙動を示している。 図１２は、図６の位相補正装置の適用を示す概略図である。 図１３は、本発明の実施形態に係る整流アンテナ構造の概略図を示す概略図である。また、整流アンテナ構造が図１のシステムの一部として使用されるときの指向性電磁ビームの流動方向も示されている。 図１４は、整流アンテナへの角度発散がほとんどないコリメートされたビーム又は実質的にコリメートされたビームの形態で電磁エネルギーを送達するのに使用される位相アレイ送達アンテナの概略的表現を示す概略図である。図１５、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、図１９Ｂ、図２０Ａ、及び図２０Ｂは、図１４の概略図に関連する。 図１５は、単一の波長λで動作する、幅Ｄの正方形アンテナに関する範囲軸に沿って演算された電場強度の大きさを示している。 図１６Ａは、非集束の場合の２０．８ｍの範囲における横軸の電場の位相分布を示している。 図１６Ｂは、非集束の場合の２０．８ｍの範囲における横軸の電場の振幅を示している。 図１７は、開口面に亘って付与される球状位相分布を備えたアンテナを示す概略図である。 図１８Ａは、集束の場合の１７．２ｍの範囲の位相プロットを示している。 図１８Ｂは、集束の場合の１７．２ｍの範囲における振幅プロットを示している。 図１９Ａは、開口面に亘る電場の位相分布を示している。 図１９Ｂは、開口面に亘る電場の位相分布を示している。 図２０Ａは、非集束の場合及び集束の場合の電場強度の空間的分布を示す輪郭プロットである。 図２０Ｂは、非集束の場合及び集束の場合の電場強度の空間的分布を示す輪郭プロットである。

効率的に長距離に亘って電磁波（マイクロ波等であるが、これに限定されるものでない）を使用して無線で電力を伝送することは、困難であり得る。これは主に、電磁波又はビームがエネルギーの送達中、他の方向に容易に発散され得るためである。これは、受電端部で受け取ったエネルギーが電力提供に十分でないことを意味している。

したがって、送達中のエネルギーの浪費と損失を非常に最小限に抑えた、合理的に長い距離に亘って電力を効率的に伝送するシステム及び方法を有することが望ましい。複雑すぎず、実装及び維持をするのにコスト効率のよい、電力を効率的に伝送するシステム及び方法を有することも望ましい。

本発明は、長距離無線電力伝送システムと、ビーム導波を使用した長距離無線電力伝送を促進する方法と、に関する。無線電力伝送システムの範囲は、１００メートルまで及び１００メートル超であってもよい。本発明では、ゲイン向上放射要素とメタサーフェスとを使用して、効率的な無線電力伝送のため、ダウンレンジインピーダンス整合され、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされた電磁ビームを促進する。本発明ではまた、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされた電磁ビームの有用な範囲を拡張するために、ストレートスルー位相補正装置及び／又は反射位相補正装置等、位相補正装置も使用してもよい。

図１を参照すると、本発明に係る長距離無線電力伝送システム１００の例が示されている。図示のとおり、システム１００は、送達アンテナ１１０と、少なくとも１つの位相補正装置１２０、１２２と、整流アンテナ１３０と、を備える。

送達アンテナ１１０は、入力として、電源（ＡＣ源）からの電力を受け取り、入力された電力を電磁エネルギー（例えば、マイクロ波エネルギー）に変換し、指向性ビームとして電磁エネルギーを自由空間に放射するように構成される。例えば、送達アンテナ１１０は、入力として、電源からの電力を受け取るための受信機と、入力された電力を電磁エネルギーに変換して、送達アンテナ１１０が、指向性ビーム１０２として電磁エネルギーを自由空間に放射／送達させることができる変換機と、を備えてもよい。図１において、矢印１０１は、指向性ビーム１０２の方向を示している。指向性ビーム１０２は、複数の光線を含んでもよい。

図１において、２つの位相補正装置１２０、１２２が示されている。位相補正装置１２０は、ストレートスルー位相補正装置であり、位相補正装置１２２は、反射位相補正装置であって、これらについては、本明細書において、さらに詳細に後述する。任意の数の位相補正装置を、所望に応じて、又は必要に応じて、使用してもよい。例えば、システム１００は、ストレートスルー位相補正装置１２０のみを使用してもよい。或いは、システム１００は、反射位相補正装置１２２のみを使用してもよい。同様に、システム１００は、１つを超える数のストレートスルー位相補正装置１２０及び／又は１つを超える数の反射位相補正装置１２２を使用してもよい。

図１、図４、及び図５に示されるとおり、位相補正装置１２０、１２２は、矢印１０１で示される方向において、送達アンテナ１２２から放射された指向性ビーム１０２を受け取るように構成される。位相補正装置１２０、１２２は、指向性ビーム１０２を受け取ると、指向性ビームに位相補正動作を実施するように構成される。このような位相補正動作により、位相補正装置１２０、１２２に、コリメートされた、又は実質的にコリメートされたビームとして、指向性ビームを維持させる。また、位相補正装置１２０、１２２を使用して指向性ビームの位相を補正することにより、指向性ビーム１０２がコリメートされた、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させることができる。これについては、さらに詳細に後述する。任意の所望の位相補正動作を実施した後、位相補正装置１２２、１２４は、位相補正された指向性ビームを自由空間に送達する。

整流アンテナ１３０（レクテナ）は、位相補正装置から（本例では、位相補正装置１２２から）指向性ビームを受け取り、電磁エネルギーを電気（ＤＣ電気）に変換するように構成される。例えば、整流アンテナ１３０は、入力として、位相補正装置１２２から指向性ビームを受け取るための受信機と、入力された電力を電磁エネルギーに変換するための変換機と、を備えてもよい。

図１に示されるとおり、位相補正装置１２０、１２２及び整流アンテナ１３０は、位相補正構造装置１２０、１２２が、送達アンテナ１１０及び整流アンテナ１３０の間／中間に位置決めされて、送達アンテナから異なる距離に位置決めされる。図１において、Ｒとして示される３つの距離は、各々、同一である必要がない。

送達アンテナ１１０から送達される指向性ビームは、指向性ビームが発散を開始し、結果としてエネルギー伝送の損失を生じるまでの特定の範囲まで、コリメーション又は実質的なコリメーションを維持することができることを理解することができる。このようなエネルギー損失は、効率的な電力伝送には望ましくない。したがって、好適な距離（好ましくは、指向性ビームが発散を開始する距離、又はその付近）に少なくとも１つの位相補正装置１２０、１２２を有することにより、指向性ビームのコリメーション又は実質的なコリメーションを維持／回復することができる。結果として、指向性ビーム１０２がコリメートされた、又は実質的にコリメートされたものとして維持される範囲を増加させることができるため、システム１００に、長距離に亘って電力の効率的な無線伝送を行わせることができる。

システム１００は、地球ベースであることが最も好ましく、システム１００の構成要素のいずれも、衛星又は宇宙空間をベースとする必要がないことは好都合である。

次に、本発明の実施形態に係る送達アンテナ１１０、位相補正装置１２２、１２４、及び整流アンテナ１３０についてより詳細に説明する。

送達アンテナ
上述のとおり、送達アンテナ１１０は、追って自由空間に放射されてコリメートされた（好ましくは、高度に、すなわち、実質的にコリメートされた）指向性ビーム１０２を生成する電磁エネルギー（例えば、マイクロ波エネルギー）に、入力された電力を変換するように構成される。

送達アンテナ１１０は、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであってもよく、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、各アンテナ要素の位相及び振幅を制御することによって生成されてもよい。図２は、送達アンテナ１１０のアンテナ要素のアレイの単一のアンテナ要素１１２を示している。各アンテナ要素１１２は、電子ビーム操舵の促進、すなわち、指向性ビーム１０２の操舵の促進のため、電子的に制御された位相シフタを有してもよい。

各アンテナ要素１１２は、パッチアンテナ要素であってもよく、各アンテナ要素１１２は、基板中にエッチングされた金属セグメントから作成されてもよい。換言すると、各放射要素は、基板上にエッチングされた金属セグメントから作成されたパッチアンテナ構成からなってもよい。

図２に示されるとおり、アンテナ要素１１２は、低損失誘電体要素であり得るレドーム要素１１４を含んでもよい。レドーム要素１１４は、アンテナゲイン向上を可能にするため、半球状、略半球状、又は同様のドーム形状の要素であってもよい。レドーム要素１１４は、薄壁レドーム要素であってもよい。好ましくは、レドーム要素の壁部厚さは、レドーム壁部が作成される材料の波長厚さの４分の１以下である。λ_dで表される、レドーム壁部材料における電磁波の波長は、以下の式で与えられる。

以上の式中、λは、自由空間波長であり、ｎ_dは、レドーム壁部材料の屈折率である。

示されるとおり、レドーム要素１１４は、アンテナ要素１１２をカバーするため、アンテナ要素１１２より大きい。

上述のとおり、無線での電力の伝送は、エネルギーがコリメートされた、又は実質的にコリメートされた指向性ビーム１０２、好ましくは、高度に、又は実質的にコリメートされたビームに限定される場合のみ、効率的である。回折のため、指向性ビームのコリメーション又は実質的なコリメーションは、送達アンテナ１１０前方の任意の長距離に亘って維持することができない。例えば、波長λで放射するサイズＤの円形アンテナ開口について、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームが存在する最大距離Ｒは以下によって与えられる。

以上の式（２）中、εは、アンテナ面に亘って延びる電場分布の開口効率である。

一例として、開口寸法Ｄ＝２５ｍのアンテナについて、０．０５０ｍの波長における均一な開口分布（ε＝１）での放射は、約３，０００ｍ（３ｋｍ）の範囲までの有用な、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームを与える。

この範囲は、各放射要素、すなわち、送達アレイ、すなわち送達アンテナ１１０のアンテナ要素１１２がその遠方場指向性を増すように変更可能である場合に、拡大可能である。これは、アンテナ要素、好ましくはパッチアンテナ要素前方に置かれる構造を追加することによって達成可能である。図２に示されるとおり、これを実現する１つのやり方は、アンテナ要素１１２よりも直径の大きな（好ましくは、僅かに大きな）薄壁レドーム（シェル）要素１１４で各アンテナ要素１１２をカバーすることによる。レドーム要素１１４は、少なくとも誘電体材料を含む低損失誘電体要素であってもよい。

このようなレドーム要素１１４は、前方方向に指向性の改善を生じるため、送達アンテナ１１０の主要放射パターン、より詳細には、各送達アンテナ要素の放射パターンと建設的に干渉し得る散乱波を放射することができる。これにより、その実際の物理的なサイズを超えた、それを上回るアンテナ開口の電気的サイズを効果的に増すため、式（２）のように、指向性ビーム１０２のコリメートされた、又は実質的にコリメートされた範囲を向上する。

図３ａは、定位置にある、レドーム要素１１４を備えた送達アンテナ要素１１２の測定された放射パターンの例を示しており、図３ｂは、定位置にある、このようなレドーム要素１１４を備えない送達アンテナ１１０の測定された放射パターンの例を示している。図３ａに示されるとおり、ボアサイトで０ｄｂに正規化された図３ｂの裸アンテナに比較して、＋２．５ｄＢのボアサイトゲインの向上がある。

これをより詳細に示すため、寸法Ｄ及び開口効率εの任意の正方形アンテナの遠方場ゲインＧは、以下のように与えられる。

したがって、指向性ビーム１０２の有用なコリメーション又は実質的なコリメーションを維持可能な距離／範囲は、遠方場ゲインに正比例する。したがって、個々のアンテナ要素１１２のゲインを向上することで、同一の因子により、指向性ビーム１０２の範囲を向上する。したがって、アンテナ要素１１２上でレドーム要素１１２等のゲイン向上構造を使用することで、無線電力伝送の範囲を増すことが理解できる。

位相補正装置
上述のとおり、送達アンテナ１１０にゲイン向上放射要素、すなわち、アンテナ要素１１２及びレドーム要素１１４（誘電体レドームシェルであり得るレドームシェル）を使用することに加え、又はこれに代えて、指向性ビーム１０２のコリメーション又は実質的なコリメーションの範囲を増す他の方法は、指向性ビーム１０２の進路において、１つ以上の位相補正構造／位相補正装置１２０を使用することである。以上に説明し、また、図１に示したとおり、システム１００は、２つの位相補正装置、すなわち、ストレートスルー位相補正装置１２０と反射位相補正装置１２２とを備えてもよい。また上述のとおり、所望に応じて、又は必要に応じて、任意の数の位相補正装置を使用してもよい。特定の実施形態において、１つの位相補正装置１２０又は１２２のみが使用されてもよい。

一例において、本発明に係るシステム１００は、上述のとおり、送達アンテナ１１０に強化された放射要素、すなわち、アンテナ要素１１２及びレドーム要素１１４（誘電体レドームシェルであり得るレドームシェル）を備え、位相補正装置を備えなくてもよい。

ストレートスルー位相補正装置１２０は、指向性ビームを他の方向に発散させることなく、入射する指向性ビームを装置１２０を通じて真っ直ぐの方向に進行させるものである。ストレートスルー位相補正装置１２０は、高い割合の入ってくる電力を送達して、指向性ビーム１０２の波面の位相を所望のやり方で変化させることができる。一方、反射位相補正装置１２２は、反射位相補正装置に入射する指向性ビーム１０２を他の方向に反射することにより、指向性ビーム１０２を或る角度の他の方向に発散させるためのものである。

反射位相補正装置１２２は、入射する波／入射する指向性ビームを或る角度、好ましくは、これに限定されるものでないが、図１に模式的に示されるとおり、９０度に向けることを目的として、その表面に入射する電力のすべてを反射するが、指向性ビーム１０２の波面の位相を所望のやり方で変化させることができる。この角度は、６０度～１２０度の間の任意の角度であってもよい。

図１に示されるとおり、ストレートスルー位相補正装置１２０は、送達アンテナ１１０から距離Ｒに載置される、又は載置されるように構成されることが好ましい。好ましくは、距離Ｒは、送達アンテナ１１０の開口から測定される。ストレートスルー位相補正装置１２０は、送達アンテナ１１０から発出する指向性ビーム１０２（指向性ビーム１０２の波面）に位相補正動作を実施するように設計される。

ストレートスルー位相補正装置１２０は、指向性ビーム１０２の非平面入射波面によって生じる任意の発散ビーム挙動がレンズのようなやり方で補正されるように、入射する指向性ビーム１０２の範囲に亘って位相遅延分布を導入してもよい。そして、ストレートスルー位相補正装置１２０からの指向性ビーム１０２の発出波面は、送達アンテナ１１０の開口面で生成されるものと同様になるため、ストレートスルー位相補正装置１２０又はストレートスルー位相補正装置１２０の面の前方の同様の距離に関し、ゼロ～Ｒの範囲に亘って送達アンテナ１１０の伝搬特性を大きく再現するであろう。したがって、これは、指向性ビーム１０２のコリメーション、又は実質的なコリメーションが維持される有用な範囲を拡大するであろうことが理解できる。複数のストレートスルー位相補正装置を繋げて、コリメートされる、又は実質的にコリメートされるビームの有用な範囲をさらに増してもよい。

位相補正装置に入射する指向性ビーム１０２の波面が反射損失を最小限に抑えるように、すなわち、位相補正装置が入射する指向性ビーム／波に対してインピーダンス整合するように、位相補正装置を設計することも重要となり得る。これにより、効率的な無線電力伝送における重要な態様であり得る、このような位相補正装置を通じて送達される電力量を最大化することができる。

したがって、本発明の一態様は、損失を最小限に抑えるインピーダンス整合構造を維持しつつ、任意の所望の位相シフトを同時に提供する少なくとも２つのメタサーフェスを利用するストレートスルー位相補正装置１２０としての位相補正装置の設計にある。

図４に示されるようなストレートスルー位相補正装置１２０は、電磁的に透過性であることが好ましい。

ストレートスルー位相補正装置１２０は、本例では、中心誘電体コア１５２が誘電体コア１５３の２つの反対側部分にある誘電体スキン１５１、１５３である外側層の間に挟まれる３層構造である複合多層構造であってもよい。多層構造には、３つを超える数の層を備えることができる。特定の実施形態において、誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層が２つの誘電体支持層の間に挟まれた少なくとも３つの層とすることができる。そのメタマテリアル層は、メタサーフェスであり得る。そのような実施形態の例について、図６～図１１を参照して後述する。

誘電体スキン１５１、１５３は、電力損失を最小限に抑えるインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを同時に提供するメタサーフェスを含む／組み込む。誘電体スキン１５１、１５３は、各スキンの厚さがスキンの誘電体媒体における波長の１０分の１以下となる薄さであることが好ましい。スキンの誘電体媒体は、スキンが作成される誘電体材料である。

誘電体コア１５２は、発泡体等、低損失誘電体材料から作成されることが好ましい。誘電体材料の厚さは、誘電体コアの媒体の全波長の１０分の１～１の間であることが好ましい。誘電体コアの媒体は、誘電体コアが作成される材料である。誘電体コアは、１～３の間の屈折率を有することが好ましい。厚さ及び屈折率は、所望の位相シフトを達成するために、装置１２０の表面に亘って変動し得る。

図４において、装置１２０に入射する指向性ビーム１０２ａは、発散する波面として示されており、装置１２０から送達される指向性ビーム１０２ｂは、位相補正され、且つ、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされた波面として示されている。各指向性ビーム１０２ａ、１０２ｂは、複数の光線を含んでもよい。

装置１２０から送達され、反射される波の位相及び振幅は、いわゆる「ＡＢＣＤマトリクスアプローチ」を含む標準等価送達線法を使用して判定されてもよい。

要素Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤを含む２×２マトリクスは、以下のとおり、３つの個々のマトリクスすべてのマトリクス乗算により見出された全体系マトリクスにより、各層について規定することができる。

以上のマトリクス中、下添字「１」の付されたマトリクス要素は、誘電体コア１５３の２つの反対側部分における誘電体スキン１５１、１５３である双方の外側層について設計上同一であると見なされるメタサーフェスをいう。これにより、インピーダンス整合の目的で要求される対称構造を与える。メタサーフェスは、ファイバーガラス又はプラスチックの基板（電気的に薄いと見なされる）上にあり得るが、無視することのできる厚さを有すると想定される。

同様に、上述のマトリクスにおいて、下添字「２」の付されたマトリクス要素は、中心誘電体コア１５２をいう。意図された用途について、装置１２０に入射した指向性ビーム１０２は、正常の入射、又はその付近で、装置１２０に影響を及ぼし得る。これらの条件下において、マトリクス要素は、以下のとおり、種々の材料の厚さ及び屈折率の点で、規定可能である。

（薄い）メタサーフェス／誘電体スキン１５１、１５３について、

式中、ｂは、メタサーフェス及びの正規化シャントサセプタンスである。

誘電体コア１５２について、

λは、自由空間波長であり、ｎは、コア材料の屈折率であり、ｄは、厚さである。

マトリクス要素に関する以上の式を式（３）に挿入し、必要なマトリクス乗算を実施すると、システムマトリクス要素について以下を与える。

透過係数Ｔ及び反射係数Γは、各々、以下のとおり、ＡＢＣＤマトリクス要素に関して規定される。

反射係数Γについて等式（６）の式を調べることにより、完全整合構造の場合には、Ａ＝Ｄ及びＢ＝Ｃの双方を必要とする、ゼロの反射係数を与えることを示している。

Ａ＝Ｄの条件は、構造の対称性により、自動的に満足される。他の条件を課すと、Ｂ＝Ｃは、等式（５）のマトリクス要素の式を使用して、以下の式を与える。

この二次方程式に対する２つの解は、以下のとおりである。

等式（７）は、中心誘電体コア１５２の屈折率ｎ及び電気的厚さθの点で、正規化シャントサセプタンスｂを介して要求されるメタサーフェス特性を特定するのにキーとなる式である。

以下、等式（５）を使用して透過係数Ｔを評価するものの、完全整合構造の条件、すなわち、Ａ＝Ｄ及びＢ＝Ｃも課される場合、以下の式が得られる。

式中、下添字「０」は、反射係数がゼロであるときに適用することを示す透過係数のために使用されている。

ここで、等式（６）によって与えられるｂの解を使用すると、以下が与えられる。

これは、以下を与える。

式中、χ＝ｓｉｎθ／ｎである。

等式（８）のＴ₀の式は、係数及び位相として極形式で書き換えることができ、すなわち、Ｔ₀＝｜Ｔ₀｜ｅｘｐ（ｊφ₀）で、式中、φ₀は、整合構造の位相関数（ラジアン）である。
等式（８）より、

の係数を評価する。これは、ゼロの反射係数、すなわち、１００％送達（任意の散逸損失は無視する）のインピーダンス整合構造に対して期待される結果を確認している。また、（８）より、Ｔ₀の位相は、以下のように与えられる。

我々は、等式（７）及び（９）の結果を使用して、位相ｃの構造によって導入される所与の位相シフトに対する整合インピーダンス条件のためのメタサーフェスに求められる正規化シャントサセプタンスを見出すことができる。結果として得られる式は、以下のとおりである。

等式（９）及び（１０）は、インピーダンス整合装置１２０の設計手順を案内するものである。到来する波面を位相補正するために装置１２０の表面の所与の位置で必要とされる所与の位相シフトφ₀について、必要とされるコア設計（厚さ及び屈折率）は、パラメータχにより、等式（８）で規定される。

次に、メタサーフェス特性（ｂにより判定される）は、等式（９）から発生したコア設計の等式（１０）における式によって与えられる。

したがって、インピーダンス整合は、装置１２０の表面の各所望の位置でメタサーフェスの設計を調整することにより、特定された任意の位相シフトの装置１２０のために得ることができる。これは、電磁指向性ビーム１０２の有用な範囲を拡張する位相補正された波面を生成しながら、装置１２０を介した電力伝送を最適化する。

入射する指向性ビームに対して、典型的には直角であるが、これに限定されない角度で、指向性ビームを発散するのに使用される反射位相補正装置１２２は、メタサーフェスを組み込む誘電体スキンのうちの１つが、反射接地面である金属接地面に交換されてもよいことを除いて、上述のようなストレートスルー位相補正装置１２０と同様の形態である。これは、図５に示されており、図中、中心誘電体コア１６２は、中心コア１６３の一方部分（前面）のメタサーフェスを組み込んだ誘電体スキン１６１と、誘電体コア１６３の反対部分（後面）の金属接地面１６３との間に挟まれている。このような配置により、反射位相補正装置１２２に入射する指向性ビーム１０２が確実に完全反射されるようにする。装置１２２の単一のメタサーフェス層（すなわち、メタサーフェスを組み込んだ誘電体スキン１６２）に衝突する入射放射／指向性ビームは、メタサーフェスによって変更される位相面を有することができる。このような設計により、再度コリメートされたか、又は実質的に再度コリメートされた反射指向性ビームを生じることができる。図５において、装置１２２に入射する指向性ビーム１０２の発散する波面は、参照符号１０２ｃで示されており、装置１２２から送達される指向性ビーム１０２は、参照符号１０２ｃで示されている。図示のとおり、指向性ビーム１０２ｃは、発散ビームであり、指向性ビーム１０２ｂは、位相補正され、且つ、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである。

次に、インピーダンス整合多層構造又はメタレンズの形態である本発明に係る位相補正装置の他の実施形態について、図６～図１１を参照して説明する。図６～図１１を参照して説明する位相補正装置は、上述のようなシステム１００における位相補正装置１２０及び１２２の追加又は代替として使用されてもよい。

図６の１２０ａに係る位相補正装置は、複合挟持構成内に多数のメタサーフェス層を組み込んだ受動的平面構造である。この場合のメタサーフェスは、典型的には、薄い金属被覆基板からエッチングされた、金属スクリーン中の金属パッチ又は開口のアレイである。金属メタサーフェスの電磁特性は、アレイ要素のサイズ、形状、及び周期性によって制御される。

位相補正装置１２０ａ（すなわち、メタレンズ）の使用によると、構造の前面からあらゆる反射波を除きつつ、正常な入射、又はその付近の構造に衝突する入射平面波に所与の位相前進又は位相遅延を課す手段を提供することができる。この後者の特性は、自由空間に対する構造の入力波インピーダンスの整合化と同等である。

特定の実施形態において、本発明は、レンズを通じて透過する電磁波エネルギーを最大化しつつ、入射する電磁放射のビームを集束させる、又は操舵するための平面レンズ（メタレンズ）の構築にある。レンズ構造のインピーダンス整合特性と、低密度発泡体及び薄型誘電体ポリマー基板等の低損失誘電体材料の使用とにより、確実に、表面反射及び散逸によって失われるエネルギーを最少化する。

レンズ設計の１つの態様として、反射を同時に除きつつ、所期の位相前進又は遅延を達成することができるように、メタサーフェスに好適な電磁特性を選択することがある。

この設計の他の１つの好都合な態様として、一定の全体パネル厚さを使用できることがある。これは、各々、低密度誘導性発泡体の固定厚さ、すなわち、誘電体支持層１５２ａと誘電体支持層１５２ｂとによって互いから分離された、３つのメタサーフェス層を使用することによって達成される。設計プロセスには、インピーダンス整合を同時に達成しつつ、所望の位相シフトをすべて得るために一定のパネル厚さを使用させるのに十分な程度の自由度がある。これにより、レンズ（メタレンズ）構造の設計及び製造を非常に簡易化する。

集束又はビーム偏向特性は、各々のゾーンが、自身の規定の位相シフトを有する多数の個々のゾーンに分割される大きな平面挟持構造を構築することによって達成される。各ゾーンパネルは、必要な位相特性を達成するために、特定のメタサーフェス設計を有する。

各位相ゾーンについて、１つのメタサーフェスは、多層挟持で中心に位置づけられてもよく、一方で他の２つのメタサーフェスは、挟持の最外面に位置づけられてもよい。一般的に、外側層は、同一の特性を有してもよく、一方で中心メタサーフェスは、異なる特性を有してもよい。これにより、結果として、その中心面周りに鏡面対称を有する挟持構造を生じる。

メタサーフェスの特性を選択することも重要となり得る。インピーダンス整合面を維持しつつ、所与の位相シフトを達成するために満足される必要のあり得る、外側メタサーフェス又はメタサーフェス層１５１ａ、１５３ａと中心メタサーフェス又はメタサーフェス層１５５ａとの特性の間には、数学的な関係がある。したがって、メタサーフェス特性は、位相補正装置１２０ａが所望のやり方で作動するため、互いから独立するものでない。

上述のとおり、図６の位相補正装置１２０ａは、３つのメタサーフェス１５１ａ、１５３ａ、及び１５５ａと、２つの誘電体コア１５２ａ、１５２ｂを使用した、インピーダンス整合平面メタレンズ構造の形態である。したがって、位相補正装置は、メタレンズ又はレンズとも称されることがある。図２において、誘電体コア１５２は、少なくとも２つの誘電体層（すなわち、誘電体支持層）１５２ａ及び１５２ｂと、これらの誘電体支持層１５２ａ及び１５２ｂに挟まれた少なくとも１つのメタサーフェス層１５５ａと、を備える。

図６に示される設計は、自由空間へのインピーダンス整合を同時に維持しつつ、正常入射、又はその付近で入射校正方向がレンズに衝突する指向性ビーム、すなわち、１０２ａの到来波面に所与の位相シフトを課すことにより、あらゆる反射波面、すなわち、指向性ビーム１０２ｂの振幅を最少化することができる。図６において、指向性ビーム１０２ｂは、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームであってもよい。

これらの特性を達成するのにキーとなる要素は、位相補正装置１２０ａの全体的構造の最外面及び中心面に組み込まれた３つのメタサーフェス１５１ａ、１５３ａ、１５５ａである。これは、メタレンズ（位相補正装置１０２ａ）からの反射を最少化し、層のうちのいずれの誘電特性も変更する必要なく、一定の物理的厚さを維持しつつ、到来する波面の特定の部分、すなわち、指向性ビーム１０２ａに対して所与の位相シフトを与えるために、メタサーフェスの特性が局所的に変更される、固定厚さの平面レンズのキーとなる構成要素として利用されることが意図される。

メタサーフェス１５１ａ、１５３ａ、１５５ａは、それ自体が、無視することのできる厚さを有するものと見なすことができ、典型的には、プリント回路基板の製造で使用されるのと同様のやり方で、薄い金属被覆誘電体基板からエッチングされた、導電面のプリント金属要素又は開口のアレイからなる。

到来する平面波、すなわち、指向性ビーム１０２ａのためにインピーダンス整合を生じるために（つまり、反射波、すなわち、指向性ビーム１０２ｂを除き、構造を通じたエネルギーの送達を最大化するために）、必要な要件のうちの１つは、中心線周りに対称である構造を有することである。図７において、これは、厚さｄと屈折率ｎの誘電体支持層に同一の厚さを有することによって達成される。さらに、中心メタサーフェス１５５ａがこれらの誘電体層の間に挟まれている。最後に、要求される対称をさらに達成するには、最外メタサーフェス１５１ａ、１５３ａは、設計上は同一であるものの、通常、中心メタサーフェス１５５ａに対して異なる特性を有するであろう。

インピーダンス整合条件を維持しつつ、レンズ面の所与の部分に所期の位相遅延／前進を生成するようにレンズを設計する際、２つのメタサーフェス設計の特性は、所与の誘電体層の厚さと屈折率に合わせて調整される。

以下、図６のメタレンズ、すなわち、位相補正装置１２０ａの数学的分析について説明する。

必要とされるメタサーフェス特性を理解するために、以下のよく確立された連続「ＡＢＣＤ」マトリクス法を使用して図６の多層構造を分析する。

等式（１１）において、右側の各２×２のマトリクスは、等価送達線に関し、構造中の５つの個々の層の特性を表している。

最外メタサーフェス１５１ａ、１５３ａは、正規化シャントサセプタンスｂ₁によって示されており、式中、正規化因子は、自由空間のアドミタンス（＝１／３７６．７３Ω^-1）である。

同様に、中心メタサーフェス１５５ａについて、正規化シャントサセプタンスは、ｂ₂で表される。

等式（１１）中、我々はまた、

も有する。
誘電体支持層１５２ａ、１５２ｂは、他のマトリクス

によって表され、これは、繋がり中、２度出現する。厚さｄ及び屈折率ｎは、各誘電体支持層１５２ａ、１５２ｂについて同じである。伝搬位相は、

によって表され、式中、λ₀は、自由空間波長である。

等式（１１）のこのマトリクス要素の組は、入射する電磁場を十分に表すと想定される正常な入射面－波の場合に対応する。これは、レンズ直径よりもかなり長い距離のソースから照明されることが想定される大口径レンズには十分であろう。この小さな入射角度の想定に基づくと、レンズの特性は、入射面及び入射波の偏りからはほぼ独立している。

等式（１１）の左辺は、５つすべての層のマトリクス生成から生じる結果としての２×２マトリクスであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤのマトリクス要素を有する。そして、各々、Ｔ及びΓで表される多層構造の透過係数及び反射係数は、以下の式から見出される。

等式（１１）に置けるマトリクス乗算を実施すると、マトリクス要素は以下のとおりである。

等式（１４）において、マトリクス要素Ａ及びＤは、純粋に真の量であり、中心面周りの多層構造の対称性から続いて互いに数値的に等しい。

等式（１５）及び（１６）は、マトリクス要素Ｂ及びＣが純粋に想像上の量であり、また、構造の対称性の結果でもあることを示している。

多層構造の反射係数について等式（１３）を調べると、インピーダンス整合条件（Γ＝０）について、以下が要求されることを示している。

等式（１４）により、Ａ＝Ｄが自動的に満足されるため、等式（１６）におけるインピーダンス整合のための条件は、Ｂ＝Ｃの要件に低減される。したがって、（１５）及び（１６）における式を使用することで、インピーダンス整合のために以下の式を与える。

等式（１７）のインピーダンス整合条件について、等式（１２）で規定される透過係数は、Ａ＝Ｄ及びＢ＝Ｃという以下の所与の形態に低減される。

等式（１９）において、インピーダンス整合条件は、透過係数Ｔ_matchedの大きさが、統一であり、いずれの散逸損失も排除するものである。低損失材料が位相補正装置１２０ａの多層構造中の誘電体層に使用される場合、これらの散逸損失は、無視可能であると想定することができ、屈折率ｎは純粋に真の数であるととられる。したがって、等式（１９）は、入射波面に課される純粋な位相シフトを表す。

等式（１４）及び（１５）を調べると、Ａは純粋に真であり、Ｂは純粋に仮想であることが示される。したがって、等式（１９）は、以下の形態で書き表すことができる。

等式（２０）中、α＝Ａであり、β＝－ｊＢである。

等式（２０）より、位相遅延θ（ラジアン内）は、以下によって与えられることが明らかである。

等式（２１）を再アレンジすると、以下を与える。

等式（２０）は、以下を与えるために、等式（２１）及び（２２）の結果を使用して書き換えることができる。

インピーダンス整合条件下では、（想定される無損失媒体について）Ｔ_matchedの大きさが統一であるため、等式（２３）は、以下を要求する。

βを表すのに等式（２４）中に等式（１５）を使用することで、所与の位相遅延θと、誘電体層φについての電気的厚さについて、中心メタサーフェスｂ₂の正規化シャントサセプタンスの式を以下のように与える。

最外メタサーフェスｂ₁の正規化シャントサセプタンスに関する式は、等式（２２）中のαに対してこの式を使用し、これを等式（１４）によって与えられるＡに対する式と等しいと見なすことにより、見出すことができる。

βを表すための等式（２４）とｂ₂のための等式（２５）を使用することで、何らかの代数操作後に以下を与える。

等式（２５）及び（２７）は、メタレンズの設計を案内するのにキーとなる式である。所与の位相遅延θ、誘電体位相因子φ、及び屈折率ｎについて、インピーダンス整合構造（ｂ₁及びｂ₂）を与えるメタサーフェスの正規化シャントサセプタンスの必要な値は、等式（２５）及び（２７）から容易に見出される。

メタサーフェスの設計と実現
ｂ₁及びｂ₂のグラフ／プロットは、各々、誘電体層φの電気的厚さの種々の値に対して、レンズ構造を通じた位相遅延の関数として、図７及び図８中に示されている。図７及び図８に示されるグラフにおいて、誘電体の屈折率は、レンズの物理的実施形態において想定される低密度低損失発泡体材料の典型である１．０９５に設定されている。このような材料は、１．２の誘電率を有し、この平方根は、１．０９５の屈折率を与える。

図７及び図８に示されたグラフに関していくつかの重要な観察点がある。
・位相遅延は、負の値と正の値とを有すること、すなわち、－１８０～＋１８０度の完全範囲に及ぶことが許容される。負の位相遅延は、正の位相前進と同等である。
・正規化シャントサセプタンスの負の値について、メタサーフェスは、薄い導電性シートの開口の周期的アレイによって実際には実現される誘導特性を有する。
・正規化シャントサセプタンスの正の値について、メタサーフェスは、互いから絶縁された導電性パッチのアレイによって実際には実現される容量特性を有する。
・メタサーフェスは、正規化シャントサセプタンスがゼロ又は±無限大のいずれかであるときに共鳴する。ゼロサセプタンスは、完全透過性のメタサーフェスに対応し、無限値は、完全反射のものに対応する。到来する波に対して理想的には反射のないインピーダンス整合レンズについて、反射共鳴（無限のサセプタンス値）が回避されなければならないことは明らかである。
・透過共振（ゼロサセプタンス）は、整合レンズの実用的な実施形態を実現する上で基本的に問題を提示するものでない。しかしながら、共振要素の横方向寸法は、典型的に、波長の大きさの４分の１～２分の１の間であって、共振周波数で最大の散逸損失も示す。したがって、レンズ設計には、より小さな非共振要素を使用することが好ましい。

ｂ₁及びｂ₂の値について図７及び図８を調べると、正の位相遅延（プロットの水平軸の右半分）について、ｂ₁は、ほとんど負（誘導性）であるものの、誘電体厚さと位相遅延との特定の組み合わせによっては、ゼロ（透過共振）を通過して、正（容量性）となることができることが示されている。ｂ₂に関しても同じことが見受けられる。

負の位相遅延（図７及び図８の水平軸の左半分に示される）に対応するｂ₁及びｂ₂の値について、ｂ１は、ほぼ常に正（容量性）であるものの、誘電体厚さと位相遅延との数個の組み合わせによっては、ゼロ（透過共振）を通過して、負（誘導性）となることができる。ｂ₂に関しても同じことが見受けられる。

レンズ設計、すなわち、位相補正装置１２０ａの設計を容易にするには、非共振の容量性メタサーフェス要素、すなわち、波長に比してアレイ周期性も小さな、小さく作成可能な導電性パッチの周期的アレイのみを使用して、広範な位相値が達成可能であるため、負の位相遅延（位相前進）が好ましい。この後者の条件は、本分析では、メタサーフェス特性の入射面及び角度への依存度が低いと想定されるのにも拘わらず、これを低くする。

広範に亘る位相前進のｂ₁及びｂ₂の双方に対する容量性を維持するシャントサセプタンス値の特定の例が、誘電体層が電気的厚さ

（９０度）を有する場合について、図９に示されている。この厚さは、誘電体媒体の波長の４分の１に対応するが、これは、本例において、１．２の誘電率、すなわち、１．０９５の屈折率を有するように選択される。

図９は、９０度に等しい誘電体厚さについてのレンズ（位相補正装置１２０ａ）を通じた位相遅延に対するｂ１及びｂ２の挙動を示している。屈折率は、１．０９５である。図９に示される特定の場合について、シャントサセプタンスの等式（２５）及び（２７）は、幾分簡易化される。

位相前進に対応する図９では位相遅延θが負であるため、以上の等式（２８）及び（２９）では正のシャントサセプタンス値を与える。２０～１８０度の位相前進値は、４分の１波長の誘電体層について図９に示した設計アプローチを使用して、容易に達成することができる。

所与の位相前進に対して必要とされる正規化シャントサセプタンス値の物理的実現は、メタサーフェスの形態である周波数選択面（ＦＳＳ）としばしば称される金属パッチの周期的アレイの既知の特性を使用して達成することができる。いくつかの典型的なアレイ要素の設計及び格子を図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに示す。図１０Ａは、菱形格子における円形パッチのアレイの例を示している。図１０Ｂは、正方形格子における正方形パッチのアレイの例である。図１０Ｃは、正方形格子における十字のアレイの例である。

図１０Ａ、１０Ｂ、及び１０Ｃにおいて、影の付された領域は、表面の金属領域を示している。共振を下回る周波数については、この種のメタサーフェスは、正のシャントサセプタンス、すなわち、容量性のものを生成する。これらのメタサーフェスは、薄い金属被覆誘電体基板に付与される従来のエッチング技術を使用して、又は高度導電性インクを使用したインクジェットプリント技術により、容易に製造することができる。

本発明のレンズ設計には有用でないかもしれないが、誘導性メタサーフェスを与える負のシャントサセプタンス値を同様のやり方で生成することができる。この種のメタサーフェスとその容量性相対物との間の主な差異は、図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃに示される、影の付された領域が、連続金属面からエッチングされた開口領域を表すことである。

図１１は、周波数の関数として、パッチ及び開口型周波数選択面（ＦＳＳ）層（メタサーフェス）の典型的な挙動を示している。図１１は、正規化された周波数に対するパッチ及び開口型メタサーフェスについての典型的な正規化シャントサセプタンス挙動を示している。共振は、１の正規化周波数で生じる。所与の周波数における所望のシャントサセプタンス値は、アレイ格子の周期性及び種別に沿って、パッチ／開口要素のサイズを調整することによって得られる。

無限の周期的アレイを仮定することによってアレイ特性の詳細な電磁分析に近付くことのできるように、所与のメタサーフェス設計において多数のアレイ要素が存在することを仮定するのが通例である。これにより、このような周期的構造に対するフロケ理論を発動する周期的境界条件と連携して、格子内の単一のユニットセルのみに分析を実施させる。

モーメント法（ＭｏＭ）、有限要素（ＦＥ）、及び有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法等の演算電磁技術はすべて、良く確立されており、上述のメタサーフェスの設計及び分析が容易に実装できるようにする市販のパッケージとして存在する。

メタレンズ自体のマクロ構造に関して、１つアプローチとして、異なる位相前進が実現されて、所望の波面（例えば、収束する、発散する、コリメートされた、又は実質的にコリメートされたもの）が出るようにする多数のゾーンに、レンズの開口を分けることがある。

アレイ周期性及び格子種別は、レンズ面全体（すなわち、すべてのゾーン全体）に亘って同一とすることができるが、各ゾーンタイルには、特定のゾーンに亘る所望の位相前進のために必要なシャントサセプタンス値を達成するようにサイズを選択された要素のサブアレイが含まれるであろう。

或いは、１つはレンズ面全体に亘って要素サイズのスムーズで漸進的な移行を実現することができ、開口全体で周期性及び格子種別を依然として同一に保つことができる。しかしながら、これは、設計をより困難にし、製造をより難しいものにするであろう。

次に、図１２を参照して、上述のとおり、インピーダンス整合多層構造又はメタレンズの形態である位相補正装置１２０ａの１つの用途について説明する。

コリメートされたか、又は実質的にコリメートされた状態を維持しつつ、送達された電磁エネルギービームによって電力を伝送することのできる範囲は、アンテナ開口サイズと動作の波長とによって命じられる。特に、使用可能な範囲は、送達アンテナの面積に対して比例し、波長に対して反比例する。平面的なフェーズドアレイアンテナは、出現するビームの波面に亘って制御を与える手段として、アレイ要素の位相及び振幅に亘る制御を促進する送達機又は送達アンテナの放射構造として想定される。

以上のやり方で判定されたアンテナ開口サイズでは、長距離性能が結果として、多数の高価なフェーズドアレイ構成要素に繋がり得る。しかしながら、（所望の範囲を達成するための）大きな出口開口とフェーズドアレイ構成要素の高いコストとを切り離す１つのやり方として、大きな出口開口を達成するために受動的位相補正メタレンズを使用する。

そしてこのレンズは、レンズ後方に位置づけられた別のフェーズドアレイアンテナによって照明可能である。このアンテナは、メタレンズの出口開口より小さな開口寸法を有するため、要求する構成要素がより少なくなるので、送達アンテナのコストを低下させる。これは、焦点付近でかなり小さな給電アンテナによって照明されている放物反射ディッシュに類似している。

メタレンズの概念は、レンズが、波面に亘って位相シフトを課す以外、到来する電磁波に対して透過性を有する点で異なる。開口全体に亘って同一の物理的厚さを有し、高度に透過性である。想定される特別なメタレンズ構造は、到来する電磁波に対してインピーダンス整合し、所望の位相補正送達波面を生成するために、出口開口に亘って必要とされる位相前進又は位相遅延を生成する。発出波面は、要求に応じて、平面波の収束又は発散する波面であり得る。

要求される位相シフトは、レンズの表面に亘って変動し、これは、レンズ開口に亘って異なる箇所で異なるメタサーフェス特性を使用することによって実現可能である。上述の３層メタレンズ設計方法論は、種々の位相シフトを、完全なメタレンズ構造を形成するために組み付けられるタイルの形態で実際には実現させる。

各フェーズドアレイ送達アンテナ要素の振幅及び位相は、メタレンズ上に所望の照明場を提供するように調整される。位相アレイアンテナ要素の電子制御を有することで、照明場に対して修正及びリアルタイム補正がなされることを許容する。

ここで、上述のとおり、メタレンズ１２０ａの概念の概略図である図１２に戻ると、平面３層メタレンズ１２０ａを使用して、照明場の位相補正を行い、送達アンテナ１１０より大きな開口に亘って所望の出力波面を生成してもよい。図１２には、出現する平面波の場合を示している。（集束を生じる）収束する波面は、出口開口に亘って要求される位相分布を与えるメタレンズ特性を再構成することによって実現可能である。

図１２において、指向性ビーム１０２、１０２ａは、開口サイズＤの送達アンテナによって発せられる照明波面に関し、指向性ビーム１０２、１０２は、出現する位相補正波面に関する。出口開口サイズＤも示されている。

長距離無線電力伝送システムの送達部について、図１２を参照して上述した自己同一構成は、エネルギーの流動方向を逆にして、受信部又は整流アンテナ１３０に等しく適用可能である。

受信機又は整流アンテナ１３０について、メタレンズ（すなわち、位相補正装置１２０ａ）は、ここで、送達アンテナ１１０からメタレンズの後方に置かれた整流アンテナ１３０上へ、到来する電磁波を集束させる。したがって、整流アンテナ１３０のサイズは、送達アンテナ１１０と同一のやり方で縮小可能であるため、構成要素のコストと重量を削減する。

整流アンテナ（レクテナ）
長距離無線電力伝送システム１００の整流アンテナ１３０は、システムの他の部分によって送達される指向性ビーム１０２を受け取るように終端する構造であり、入射した電磁エネルギーを電気に戻すように変換する。換言すると、整流アンテナは、位相補正装置１２０、１２２から指向性ビームを受け取り、電磁エネルギーを電気に変換するように構成される。この整流アンテナは、「レクテナ」と称することができる。

整流アンテナ１３０は、送達アンテナ１１０の開口と同様のサイズであり得る。整流アンテナ１３０は、ひいては、ショットキーダイオード等の固体整流成分に電気的に接続されてもよいアンテナ要素のアレイからなってもよい。このような整流成分と、それらに関連の回路は、到来する電磁エネルギーを整流して、後に必要な負荷に伝達される直流（ＤＣ）出力を生成することができる。

効率的な電磁－ＤＣ変換のため、整流アンテナのアンテナ要素（パッチ化要素）は、自由空間との境界にインピーダンス整合層を組み込んでもよい。このようなインピーダンス整合層は、メタサーフェスを組み込んでもよい。メタサーフェスは、レクテナの前面からのあらゆる反射波を除くように設計及び調節されて、整流要素へのエネルギー伝送を最大化してもよい。

図１３は、インピーダンス整合のために前方搭載メタサーフェスを使用する整流アンテナ概念を示した概略図である。図１３を参照して説明した整流アンテナ概念は、上述のとおり、レクテナ１３０に適用されてもよい。

図１３に示されるとおり、整流アンテナ構造２００は、中心コア２０３を備えてもよい。中心コア２０３は、発泡体等の低損失誘電体材料から作成されることが好ましい。中心コア２０３の厚さは、コアの誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間であることが好ましい。中心コア２０３は、１～３の間の屈折率を有することが好ましい。厚さ及び屈折率は、所望のインピーダンス整合を達成するため、整流アンテナの表面上で変動し得る。

中心コア２０３は、前面である第１の部分２０１と、第１の部分２０１の反対側の後面である第２の部分２０２と、を備えてもよい。第１の部分２０１は、誘電体スキン２０６を備えてもよい。誘電体スキン２０６は、整流アンテナ構造２００に入射する指向性ビーム１０２ｅ（入射波面／電磁エネルギー）へのインピーダンス整合のためにメタサーフェスを備えてもよく／組み込んでもよい。誘電体スキン２０２は、スキンの厚さがスキンの誘電体媒体の波長の１０分の１以下となるような薄さであることが好ましい。スキンの誘電体媒体は、スキンが作成される誘電体材料である。

整流アンテナアレイ２０５（受信アンテナアレイ）は、中心コア２０３の第２の部分２０２に位置決めされてもよい。整流回路２０８（ショットキーダイオード等の固体整流成分）は、後に必要とされる負荷に伝達されるＤＣ出力２１０を生成するため、整流アンテナアレイ２０５に電気的に接続されてもよい。

整流アンテナアレイ２０５は、後に必要とされる負荷に伝達されるＤＣ出力を生成するため、整流回路に電気的に接続された複数のアンテナ要素（ショットキーダイオード等の固体整流成分）を備えてもよい。

メタサーフェスを組み込んだインピーダンス整合層を含む、上述のような整流アンテナ構造２００により、効率的な電磁－ＤＣ変換を可能にする。メタサーフェスは、レクテナの前面からあらゆる反射波を除くように設計及び調節されることで、整流要素へのエネルギー伝送を最大化してもよい。

上述の送達アンテナと同様に、整流アンテナアレイ２０５は、複数のアンテナ要素を任意で備えてもよく、これにより、各アンテナ要素は、レドームシェルの存在しない場合と比較して、各受信アンテナ要素のアンテナゲインを増やすように設計された小さな電気的レドームシェルによってカバーされる。換言すると、各アンテナ要素は、低損失誘電体要素であってもよいレドーム要素を含んでもよい。レドーム要素は、整流アンテナアレイ２０５のゲイン向上を可能にするように、半球状、略半球状、又は同様のドーム形状の要素であってもよい。レドーム要素は、薄壁のレドーム要素であってもよい。好ましくは、レドーム要素の壁部厚さは、レドーム壁部が作成される材料の波長厚さの４分の１以下である。λ_dで表される、レドーム壁部材料における電磁波の波長は、以下の式で与えられる。

以上の式中、λは、自由空間波長であり、ｎ_dは、レドーム壁部材料の屈折率である。

レドーム要素は、整流アンテナアレイのアンテナ要素をカバーするように、整流アンテナアレイ２０５のアンテナ要素より大きくてもよい。

電磁ビームを使用して無線電力伝送の範囲を増すための手段としての放射近接場領域における集束
本発明において、送達アンテナ１１０は、電磁場がコリメートされたか、実質的にコリメートされたビームに実質的に限定される放射近接場領域で動作してもよい。これは、同様のサイズの受信アンテナ又はレクテナ１３０への指向性電力伝送に理想的で相応しい。

電磁ビームが集束の使用により、ビーム発散を最小限に抑えて伝搬可能となる範囲を増加させる方法について、本明細書中に説明する。本発明の主な用途は、マイクロ波ビーム等の電磁放射又はビームを使用して、効率的な長距離無線電力伝送を行うことである。

本明細書において提案されるシステムのキーとなる原則は、遠方場放射ゾーンでなく、放射近接場領域で送達アンテナを動作させることである。後者は、距離に応じて変化しない角度分布と、範囲の関数として電力密度の逆２乗の法則とによる、発散ビームに特徴付けられる。

対称的に、（遠方場条件が開始される距離よりアンテナ開口の付近に発生する）放射近接場領域は、ほとんどアンテナ開口に匹敵するサイズの円筒形に限定されるビーム範囲を維持する。このビームは、アンテナ開口面のものに匹敵する電力密度レベルを備えた控え目なビーム発散のみを示す。放射近接場には電力密度の逆２乗の法則の減衰は存在しない。これは、長距離無線電力伝送の目的には非常に魅力的となる。放射近接場条件が維持される最大範囲に同様のサイズの受信アンテナを載置することにより、結果として、ビーム損失のほとんどない、非常に効率的な電力伝送に繋がる。

放射近接場が延びる範囲は、送達アンテナの開口面積に比例し、且つ、波長に反比例する。したがって、特定の波長での動作の所与の範囲について、アンテナサイズは、必要とされる放射近接場条件を達成するのに十分大きくなるよう選択されなければならない。これを達成するために、アンテナのサイズを増すことなく、このようなシステムの有用な範囲を増すことのできる任意の手段が好都合である。

本発明では、放射近接場において或る程度のビーム集束を達成するように、送達アンテナの開口面に亘って球状位相分布を適用することにより、このような範囲の拡大を達成してもよい。

これにより、回折によって生じる自然なビーム発散を部分的にオフセットする送達アンテナから発出する収束波面を生じる。この結果として、アンテナから離れるにつれて、ビームウエストが狭くなる。ビームウエストは、最終的に、最小サイズに達し、距離が増加するように移動するにつれて、再び発散する前に、位相面はほとんど平面的になる。特定の範囲において、この発散波面は、電磁場の振幅分布が、アンテナ開口面における振幅分布を模倣するように拡大し、球状分布の共役である位相面が開口場に課されるようにする。開口場のこのイメージは、基本的に、アンテナからこの距離でアンテナ面分布を再現する（位相共役を排除する）。このイメージが発生するアンテナ開口からの距離は、集束を伴わない場合よりも大きく、これは、記載のシステムの範囲増加が達成される手段となる。

図１４は、上述のとおり、受信／整流アンテナ１３０（レクテナ）への角度発散がほとんどないコリメートされたビーム又は実質的にコリメートされたビームの形態で電磁エネルギーを送達するのに使用される位相アレイ送達アンテナの概略的表現を示している。図１４において、送達アンテナ１１０及び受信又は整流アンテナ１３０は、放射近接場で動作している。送達アンテナ１１０は、電子的に制御可能な電場振幅及び開口に亘る位相分布を備えた平面フェーズドアレイ送達アンテナであり、整流アンテナは、平面受信アンテナであり得る。送達アンテナ１１０及び整流アンテナ１３０は、上述のものであってもよい。送達アンテナ１１０と受信アンテナとの間の距離Ｒが放射近接場領域内に限定される場合、ビームの発散は最少化される。範囲Ｒは、以下の式で与えられる。

以上の式中、

は、物理的開口面積Ａを有する送達アンテナ開口の有効面積であり、εは、（アンテナに亘る振幅テーパで命じられる）開口効率であり、λは、自由空間波長である。

図１５は、単一波長λで動作する幅Ｄの正方形アンテナに対する範囲軸に沿って演算された電場強度の大きさを示している。範囲Ｒは、Ｒが遠方場領域（＞２Ｄ²／πλ）のオンセットを記述するフラウンホーファー限界に達しなければならない放射近接場領域を拡大する。電場強度は、開口面における最大値に対して正規化される。図１５は、開口効率＝０．８５、Ｄ＝１．９２ｍ、及び周波数＝５．８ＧＨｚの場合の範囲に対する正規化軸方向電場強度を示している。

図１５の例において、使用される周波数は、５．８ＧＨｚであり、アンテナは、ピッチ３０ｍｍパッチアンテナ要素のアレイで構成される。６４×６４パッチの正方形アレイであれば、アンテナ幅は、１．９２ｍである。ガウス振幅テーパは、アンテナ開口面（範囲＝０）における双方の主要軸に亘って適用され、アンテナエッジにおける電場が開口における最大レベルで因子１／ｅである。この振幅テーパリングは、より低いサイドローブで、均一な開口場からの近接場ビーム分布よりスムーズな近接場ビーム分布を生じる。図１５の例において、すべての要素は、位相内で励起され、すなわち、集束が適用されない。

図１５に電場のプロットが示すとおり、放射近接場領域において、軸上電場強度は、放射遠方場でのように、（電力に対する逆２乗の法則に対応する）相反則にしたがって範囲Ｒの増加に合わせて減衰しないが、スムーズに減衰するのに先立って、開口面強度付近で振動する。

放射近接場領域において、最大軸上電場強度は、建設的干渉のために、アンテナ開口の強度を超えて、範囲Ｒ_maxで生じる。アンテナアレイ要素が位相内励起される場合、Ｒ_maxの値は、以下の式によって与えられる。

式中、λは、放射の波長であり、

は、送達アンテナ開口の有効面積である。有効面積は、開口効率で乗算した物理的面積として規定される。図１５に示される例において、使用されるガウステーパについて、開口効率は０．８５である。Ｒ_maxについて結果として得られる値は、２０．８ｍである。

（最大電場強度が生じる）この範囲でのビームに亘る位相面の特性は、実質的に、アンテナ開口幅の多くに亘る平面波の特性である。この位相分布を図１６Ａに示す。図１６Ａは、範囲＝Ｒ_max＝２０．８ｍであり、非集束の場合の横軸に亘る電場の位相分布を示している。対応する電場振幅が図１６Ｂに示されている。図１６Ｂは、非集束の場合で範囲＝Ｒ_max＝２０．８ｍである、（最大開口場強度に対して正規化された）横軸に亘る電場の振幅を示している。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、Ｒ_maxまでの範囲について、少しのビーム発散があり、整流アンテナ１３０への効率的な放射電力伝送が好ましいことを示している。したがって、電力伝送にとって放射近接場アプローチの重要な特性とは、送達アンテナ１１０の開口面積に対する有用範囲の正比例と、波長に対する相互依存とである。

一見すると、Ｒ_maxは、回折によって導入される発散ビーム特性により、実質的な電力量の損失を伴うことなく、電磁ビーム（マイクロ波ビーム等）を整流アンテナ１３０に伝送し得る最大範囲のように見え得る。しかしながら、電力伝送の有用な範囲は、放射近接場領域の他の１つの特性、すなわち、送達されたビームの集束の可能性を利用することで拡張可能である。これは、放射要素に亘る好適（且つプログラム可能な）位相分布を適用することにより、フェーズドアレイアンテナで達成可能である。

図１７は、上述と同一のアンテナの軸方向電場分布であるが、開口面に亘って球状位相分布が付与されるものを示している。この位相分布は、アンテナ開口（焦点長さ）からの距離ｆの範囲軸上に点を置いた後、送達アンテナのアレイ要素の各々に位相補正を加えることで、すべての要素からの放射が点ｆで位相に到達するようにして、判定されてもよい。図１７は、ｆ＝５０ｍ、開口効率＝０．８５、Ｄ＝１．９２ｍ、及び周波数＝５．８ＧＨｚの範囲集束の場合に対する、正規化軸方向電場強度を示している。

この種別の集束をアンテナ開口要素に適用するとき、範囲軸に沿って最大電場強度が焦点ｆでは生じないものの、非集束の場合に比してアンテナ開口により近い位置に移動することに留意するのが重要である。上述の例において、焦点は、５０ｍの範囲に設定された後、最大電場強度は、Ｒ’ｍａｘ＝１７．２ｍの範囲に位置づけられる。図１７に示されるとおり、集束による振幅では、最大電場強度が増加される。

非集束の場合と同様に、最大電場強度が発生する範囲におけるビームに亘る位相分布は、実質的に平面である。しかしながら、この範囲における電場振幅は、集束することで、より狭いビームウエストを有する。この集束された場合の１７．２の範囲における位相及び振幅のプロットは、各々、これらの点を示すために、図１８Ａ及び図１８Ｂに示されている。図１８Ａ及び図１８Ｂは、ｆ＝５０ｍの集束の場合の、範囲＝１７．２ｍのビームに亘る電場の位相分布を示している。

集束の場合の最大電場強度及び平面波面は、非集束の場合より短い範囲で発生するため、集束が電力伝送に有用な範囲の拡張をいかに助けるかということに関して、直観にそぐわないように思われる可能性がある。

しかしながら、Ｒ’ｍａｘで最少に達すると、当初の開口場分布が良く再現される点までこの範囲が増加するので、ビームウエストが今一度広がる。これが発生する範囲は、図１７を調べることで見出すことができる。軸方向電場強度は、集束の場合に、３９．６ｍの範囲で結束（開口面における最大のもの）の当初の値に達する。

比較すると、非集束の場合について、図１５は、軸上電場強度が、集束を使用して同一の電場強度の範囲の８２％のみにあたる３２．４ｍの範囲で結束の当初の開口場値に達することを示している。

比較のため、送達アンテナの開口面における分布とともに、集束の場合と非集束の場合とのビームに亘る位相及び振幅の分布を図１９Ａ及び図１９Ｂに各々示している。図１９Ａ及び図１９Ｂは、集束の場合では３９．６ｍの範囲、非集束の場合では３２．４ｍの範囲での、横軸に亘る開口面に亘った電場の位相分布を示している。図１９Ａにおいて、Ｄ＝１．９２ｍであり、周波数＝５．８ＧＨｚ、及びｆ＝５０ｍである。図１９Ａにおいて、参照符号１９０１、１９０２、及び１９０３は、各々、３９．６ｍ（集束）での位相と、開口面での位相と、３２．４ｍ（非集束）での位相とに対応する。同様に、図１９Ｂにおいて、参照符号１９０１、１９０２、及び１９０３は、各々、３９．６ｍの範囲（集束）での電場と、開口面での電場と、３２．４ｍ（非集束）での電場とに対応する。

図１９Ｂより、３９．６ｍの範囲のビームに亘って集束された電場の振幅は、開口場の振幅によく類似しており、３２．４ｍの範囲の非集束の場合に比して、横断面に亘ってより厳しく限定される。

図１９Ｂにおける集束の分布は、開口平面電場分布のイメージとして考えることができる。図１９Ａに示される、この範囲におけるこの電場の位相は、反対の意味を有する以外は、開口面（集束位相テーパが適用される）と同様である。つまり、開口面の凸状位相面は、位相共役である、３９．６ｍの拡張範囲における同様の曲率の凹状位相面になっている。

３２．４ｍの範囲における図１９Ａの非集束の場合の位相面の曲率は、集束された電場及び開口面とはかなり異なる。

したがって、放射近接場においてマイクロ波ビームを使用した電力伝送の有用な範囲は、上述のやり方で、ガウス分布を集束させることによって増加させることができる。

示されている例では、送達アンテナと同様のサイズの開口のレクテナを、非集束の３２．４ｍと比較して、集束技術を使用したときの３９．６ｍの範囲で載置できるようにするが、これは本例において２２％の増加である。さらに、集束の場合のビームに亘る電場振幅分布は、開口場の電場振幅分布により近く、これを再現しており、同一のピーク振幅を有する非集束の例のものより厳しく限定されている。

送達機と受信機との間の所与の範囲について、実用的な観点から等しく重要なのは、この同一の因子によってアンテナの開口面積を縮小するやり方として、この集束技術を使用できる。

非集束の場合及び集束の場合の電場強度の空間的分布を示すため、以下の頁の図２０Ａ及び図２０Ｂは、上述のシステムについての水平面における輪郭プロットを示している。図２０Ａは、水平面全通ビームにおける相対的電場強度輪郭を示している。図２０Ｂは、水平面全通ビームにおける相対的電場強度輪郭を示している。図２０Ｂは、ｆが５０ｍである集束の場合である。

前述の説明において、同等物であると知られている要素又は整数について参照されている場合、このような同等物は、個々に記載されているのと同様に包含される。

当然のことながら、前述の説明は、本発明の例示的な例としてなされたものであり、当業者にとって明らかとなるこれらの修正及び変更は、広義の範囲内、且つ、以上に述べた、及び／又は、クレーム中に規定した発明の種々の態様の範疇内であると見なされる。

Claims (58)

1. 長距離無線電力伝送システムであって、
   放射近接場領域において動作するように構成される送達アンテナであって、前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであり、前記フェーズドアレイアンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
   前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンであり、前記装置に対応する前記少なくとも１つの位相補正装置は、
   前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
   前記指向性ビームに位相補正動作を実施し、前記位相補正動作は、前記コリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持することと、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加することとであることと、
   前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
   前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備えるシステム。
2. 前記電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである請求項１に記載のシステム。
3. 各アンテナ要素は、前記指向性ビームの電子的操舵を容易にする電子的に制御された位相シフタを有する請求項１又は２に記載のシステム。
4. 各アンテナ要素は、パッチアンテナ要素である請求項３又は４に記載のシステム。
5. 各アンテナ要素は、基板上にエッチングされた金属セグメントから作成される請求項３～５のいずれか一項に記載のシステム。
6. 各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素である請求項７に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である先行する請求項のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である先行する請求項のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの誘電体スキンは、電力損失を最小限に抑えたインピーダンス整合構造を維持しつつ、同時に位相シフトを提供するメタサーフェスを備える請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる請求項９に記載のシステム。
11. 前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記中心誘電体コアは、少なくとも１つのメタマテリアル層又はメタサーフェスが２つの誘電体支持層に挟まれる少なくとも３つの層である請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である請求項１～１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記反射位相補正装置において、前記誘電体コアは、層のうちの少なくとも一方が前記誘電体スキンであり、他方が反射接地面である、前記誘電体コアの２つの反対部分における前記少なくとも２つの層の間に挟まれる請求項１３に記載のシステム。
15. 前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える先行する請求項のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記固体整流成分は、ショットキーダイオードである請求項１５に記載のシステム。
17. 前記整流アンテナは、整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナ構造は、
    互いに反対側にある第１の部分と第２の部分とを有し、少なくとも１つの誘電体材料で作成された中心コアと、
    前記中心コアの第１の部分に配されたメタサーフェスを備え、前記整流アンテナが前記中心コアの前記第２の部分に位置決めされる誘電体スキンと、
    前記整流アンテナに電気的に接続されて、到来する前記電磁ｅエネルギーを整流し、その後、要求される負荷に送達される直流（ＤＣ）出力を生成する整流回路と、を備える請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記整流アンテナは、複数の整流アンテナ要素を有する整流アンテナアレイとして形成される請求項１７に記載のシステム。
19. 前記中心コアは、低損失誘電体材料で作成される請求項１７又は１８に記載のシステム。
20. 長距離無線電力伝送システムであって、
    放射近接場領域において動作するように構成される送達アンテナであって、前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有する位相アレイアンテナであり、前記位相アレイアンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
    前記送達アンテナから第１の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された少なくとも１つの位相補正装置であって、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
    前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
    前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
    前記位相補正された指向性ビームを前記自由空間に送達することと、を行うように構成された位相補正装置と、
    前記少なくとも１つの位相補正装置が送達アンテナと整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成されて、前記送達アンテナから第２の距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される前記整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記少なくとも１つの位相補正装置から前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成される前記整流アンテナと、を備え、
    前記少なくとも１つの位相補正装置は、電力損失を最小限に抑えたインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供する少なくとも１つのメタサーフェスを利用するシステム。
21. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、前記電力損失を最小限に抑えたインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供する少なくとも２つのメタサーフェスを利用する請求項２１又は２２に記載のシステム。
22. 長距離無線電力伝送システムであって、
    放射近接場領域において動作するように構成される送達アンテナであって、前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであり、前記送達アンテナは、入力として、電源から電力を受け、前記入力された電力を電磁エネルギーに変換し、コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームである指向性ビームとして、前記電磁エネルギーを自由空間内に放射するように構成され、前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームは、前記アンテナ要素の各々の位相及び振幅を制御することによって生成される送達アンテナと、
    前記送達アンテナから或る距離に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成された整流アンテナであって、前記整流アンテナは、前記指向性ビームを受け取り、前記電磁エネルギーを電気に変換するように構成された前記整流アンテナと、を備え、
    各アンテナ要素は、半球状シェル又は略半球状シェルとして形成されたレドーム要素を備えるシステム。
23. 前記電磁エネルギーは、マイクロ波エネルギーである請求項２２に記載のシステム。
24. 各アンテナ要素は、前記指向性ビームの電子的操舵を容易にする電子的に制御された位相シフタを有する請求項請求項２２又は２３のいずれか一項に記載のシステム。
25. 前記レドーム要素は、前記アンテナ要素をカバーするように、前記アンテナ要素よりも大きい請求項２２～２４のいずれか一項に記載のシステム。
26. 前記送達アンテナは、
    寸法Ｄを有する送達アンテナ開口を有し、波長λと、送達アンテナと、ダウンレンジ位相補正装置、又はレクテナとの間の距離Ｒに対して、以下の不等式のうちの少なくとも一方が適用される請求項２２～２５のいずれか一項に記載のシステム。
    

    

    
    

    
27. 前記整流アンテナのサイズは、前記送達アンテナ開口のサイズと同一、又は略同一である請求項２６に記載のシステム。
28. 前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える請求項２２～２７のいずれか一項に記載のシステム。
29. 前記固体整流成分は、ショットキーダイオードである請求項２８に記載のシステム。
30. 前記整流アンテナは、整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナ構造は、
    互いに反対側にある第１の部分と第２の部分とを有し、少なくとも１つの誘電体材料で作成された中心コアと、
    前記中心コアの第１の部分に配されたメタサーフェスを備え、前記整流アンテナが前記中心コアの前記第２の部分に位置決めされる誘電体スキンと、
    前記整流アンテナに電気的に接続されて、到来する前記電磁ｅエネルギーを整流し、直流（ＤＣ）出力を生成する整流回路と、を備える請求項２８又は２９のいずれか一項に記載のシステム。
31. 前記整流アンテナは、複数の整流アンテナ要素を有する整流アンテナアレイとして形成される請求項３０に記載のシステム。
32. 前記中心コアは、低損失誘電体材料で作成される請求項３０又は３１のいずれかに記載のシステム。
33. 前記中心コアの厚さは、前記中心コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である請求項３０～３２のいずれか一項に記載のシステム。
34. 前記中心コアは、１～３の間の屈折率を有する請求項３０～３３のいずれか一項に記載のシステム。
35. 前記中心コアの厚さ及び屈折率は、所望のインピーダンス整合を達成するため、前記整流アンテナの表面上で変動する請求項３４に記載のシステム。
36. 前記システムは、前記送達アンテナと前記整流アンテナとの間に位置決めされるか、又は位置決めされるように構成される少なくとも１つの位相補正装置をさらに備え、前記少なくとも１つの位相補正装置は、
    前記送達アンテナから放射された前記指向性ビームを受け取ることと、
    前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして前記指向性ビームを維持し、前記指向性ビームが前記コリメートされたか、又は実質的にコリメートされたビームとして維持される範囲を増加させるために、前記指向性ビームに位相補正動作を実施することと、
    前記位相補正された指向性ビームを自由空間に送達することと、を行うように構成される請求項３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である請求項３６に記載のシステム。
38. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンである請求項３６又は３７に記載のシステム。
39. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である請求項３６～３８のいずれか一項に記載のシステム。
40. 前記少なくとも１つの位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である請求項３６～３８のいずれか一項に記載のシステム。
41. 先行するクレームのいずれか一項に記載の長距離無線電力伝送システムにおける電力損失を最小限に抑えるインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供する少なくとも１つのメタサーフェスの使用。
42. 請求項１～４０のいずれか一項に記載の長距離無線電力伝送システムの送達アンテナであって、前記送達アンテナは、放射要素であるアンテナ要素のアレイを有するフェーズドアレイアンテナであり、各アンテナ要素は、低損失誘電体材料から作成された低損失誘電体要素を含む送達アンテナ。
43. 請求項１～２１のいずれか一項に記載の長距離無線電力伝送システムの位相補正装置であって、前記位相補正装置は、誘電体コアの２つの反対側部分の少なくとも２つの層の間に中心誘電体コアが挟まれた少なくとも３つの層を有する多層構造であり、これらの層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの誘電体材料で作られた誘電体スキンである位相補正装置。
44. 前記誘電体スキンは、前記電力損失を最小限に抑えたインピーダンス整合構造を維持しつつ、位相シフトを提供するメタサーフェスを備える請求項４３に記載の位相補正装置。
45. 前記メタサーフェスは、前記誘電体スキン上に組み込まれる請求項４４に記載の位相補正装置。
46. 前記位相補正装置は、電磁波透過位相補正装置である請求項４３～４５のいずれか一項に記載の位相補正装置。
47. 前記誘電体スキンの厚さは、前記誘電体スキンが作成される前記少なくとも１つの誘電体材料の波長の１０分の１未満である請求項４３～４６のいずれか一項に記載の位相補正装置。
48. 前記誘電体コアは、低損失誘電体材料から作成される請求項４３～４７のいずれか一項に記載の位相補正装置。
49. 前記誘電体コアの厚さは、前記誘電体コアが作成される前記誘電体材料の全波長の１０分の１～１の間である請求項４３～４８のいずれか一項に記載の位相補正装置。
50. 前記誘電体コアは、１～３の間の屈折率を有する請求項４３～４９のいずれか一項に記載の位相補正装置。
51. 前記位相補正装置は、入射する前記指向性ビームを、他の方向への指向性ビームに発散することなく、真っ直ぐの方向に進行させるストレートスルー位相補正装置である請求項４３～５０のいずれか一項に記載の位相補正装置。
52. 前記誘電体コアは、前記誘電体コアの反対側部分の双方の前記誘電体スキン間に挟まれる請求項５１に記載の位相補正装置。
53. 前記位相補正装置は、反射位相補正装置に入射した前記指向性ビームを他の方向に反射することにより、前記指向性ビームを或る角度で前記他の方向に発散させる前記反射位相補正装置である請求項５１又は５２のいずれか一項に記載の位相補正装置。
54. 前記角度は、９０度又は約９０度である請求項５３に記載の位相補正装置。
55. 前記誘電体コアは、前記誘電体コアの前記第１の部分の前記誘電体スキンと前記誘電体コアの前記第２の部分の反射接地面との間に挟まれる請求項５３又は５４に記載の位相補正装置。
56. 前記誘電体スキンは、到来する波面に位相シフトを同時に提供し、電力損失を最小限に抑えた反射を完了させるメタサーフェスを備える請求項５３～５５のいずれか一項に記載の位相補正装置。
57. 前記誘電体コアは、２つの誘電体支持層間に挟まれた少なくとも１つのメタマテリアル層又はメタサーフェスを含む少なくとも３つの層である請求項４３～５６のいずれか一項に記載の位相補正装置。
58. 先行する請求項のいずれか一項に記載の長距離無線電力伝送システムの整流アンテナであって、前記整流アンテナは、固体整流成分を含む整流アンテナ構造の一部であり、前記整流アンテナは、前記固体整流成分に電気的に接続された受信アンテナ要素のアレイを備える整流アンテナ。

Images