JP2024052187A - 受電装置、受信装置、端末装置、無線電力伝送システム及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲の両立を図ることができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】アンテナ装置は、受信対象の電波の波長の０．５倍以上の間隔で複数のアンテナ素子がそれぞれ配置された複数のアンテナユニットと、前記複数のアンテナユニットの指向性ビームの角度方向が互いに異なるように、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長で接続された複数の接続経路を有する接続回路と、を備える。アンテナユニットが複数の指向性ビームを有するように複数のアンテナ素子は受信対象の電波の波長の１倍以上の間隔で配置され、複数の接続経路の経路長は、複数のアンテナユニットの間で複数の指向性ビームの角度方向が互いに異なるように設定されていてもよい。
【選択図】図１６

Description

本発明は、無線電力伝送、通信等における電波の受信に用いることができるアンテナ装置、並びに、アンテナ装置を備えた受電装置、受信装置、端末装置、無線電力伝送システム及び通信システムに関するものである。

従来、この種のアンテナ装置として、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナを備えたアンテナ装置が知られている。例えば、特許文献１には、パッチアンテナなどのアンテナ素子が複数個並んだ無線電力送受信用アレイアンテナが開示されている。

特開２０１６－２１３９２７号公報

上記無線電力伝送や通信において電波を受信可能なアンテナ装置において、高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲を両立したい、という課題がある。

本発明の一態様に係るアンテナ装置は、受信対象の電波の波長の０．５倍以上の間隔で複数のアンテナ素子がそれぞれ配置された複数のアンテナユニットと、前記複数のアンテナユニットの指向性ビームの角度方向が互いに異なるように、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長で接続された複数の接続経路を有する接続回路と、を備える。

前記アンテナ装置において、前記アンテナユニットが複数の指向性ビームを有するように前記複数のアンテナ素子は受信対象の電波の波長の１倍以上の間隔で配置され、前記複数の接続経路の経路長は、前記複数のアンテナユニットの間で前記複数の指向性ビームの角度方向が互いに異なるように設定されていてもよい。

前記アンテナ装置において、前記アンテナユニットの複数のアンテナ素子の間に当該アンテナユニット以外の他のアンテナユニットのアンテナ素子が位置するように、前記複数のアンテナユニットが配置されていてもよい。

前記アンテナ装置において、前記複数のアンテナユニットにおける前記複数のアンテナ素子は１次元配置又は２次元配置されていてもよい。

前記アンテナ装置において、前記受信対象の電波はミリ波であってもよい。

本発明の他の態様に係る無線電力伝送に用いられる受電装置は、前記いずれかのアンテナ装置と、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の整流回路と、前記複数の整流回路から出力された複数の直流電力を合成して出力する直流合成回路と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る無線電力伝送システムは、前記受電装置と、前記受電装置に向けて無線電力伝送の電波を送信する送電装置と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る通信に用いられる受信装置は、前記いずれかのアンテナ装置と、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の位相調整回路と、前記複数の位相調整回路から出力された複数の受信信号を同相で合成して出力する合成回路と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る通信に用いられる受信装置は、前記いずれかのアンテナ装置と、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数のＡ／Ｄ変換器と、前記複数のＡ／Ｄ変換器から出力された複数の受信信号をデジタル処理で同相合成して出力する合成回路と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る通信に用いられる受信装置は、前記いずれかのアンテナ装置と、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の受信機と、前記複数の受信機から出力された複数の受信信号に対してＭＩＭＯ信号処理を行う信号処理部と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る通信に用いられる受信装置は、前記いずれかのアンテナ装置を有する受信装置と、前記受信装置との間で無線通信を行う送信装置と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る端末装置は、前記いずれかのアンテナ装置を有する受電装置又は受信装置を備える。

前記端末装置は、インターネットに接続可能なＩｏＴであってもよい。

本発明によれば、高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲の両立を図ることができる。

実施形態に係るアンテナ装置を適用可能な無線電力伝送システムの一例を示す説明図。 参考例に係るアンテナ素子単体の指向性パターンの一例を示す説明図。 実施形態に係る複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナの斜視図。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、図３のアレイアンテナにおいて素子間隔が０．５λ、２λ、４λ及び８λの場合の指向性パターンの一例を示す説明図である。 実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを含む１次元アレイアンテナの一例を示す説明図。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、複数のアンテナユニットそれぞれの素子配列の説明図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、図５の複数のアンテナユニットの指向性パターンの一例を示す説明図である。 図７（ａ）～図７（ｄ）の指向性パターンを重ね合わせて表示した説明図。 図８の指向性パターンの効果の説明図。 実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを構成する２次元アレイアンテナの一例を示す説明図。 図１０の２次元アレイアンテナの一部の説明図。 図１０の２次元アレイアンテナにおける第１アンテナユニットを構成する複数のアンテナ素子の配列の説明図。 （ａ）～（ｐ）はそれぞれ、図１０の２次元アレイアンテナにおける第１アンテナユニット～第１６アンテナユニットそれぞれの３次元指向性パターンの一例を示す説明図である。 図１３（ａ）～図１３（ｄ）の３次元指向性パターンを重ね合わせて表示した説明図。 図３のアレイアンテナからなるアンテナユニットに対する接続回路の一例を示す説明図。 図５のアレイアンテナを有する無線電力伝送用の受電装置の構成の一例を示す説明図。 図１０のアレイアンテナを有する無線電力伝送用の受電装置の構成の一例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の一例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の他の例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の更に他の例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を適用可能なシステムの他の例を示す説明図。 図２１のシステムを構成する基地局及び端末装置の構成の一例を示すブロック図。無線電力伝送システムの他の例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を適用可能なシステムの更に他の例を示す説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本書に記載された実施形態に係るアンテナ装置は、所定間隔（例えば、受信対象の電波の波長の０．５倍以上又は１倍以上の間隔）で複数のアンテナ素子がそれぞれ配置されたアンテナユニットを複数備え、その複数のアンテナユニットの指向性ビームの角度方向が互いに異なるように複数のアンテナユニットに接続される複数の接続経路の経路長を設定することにより、高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲（広角の指向性）の両立を図ることができる簡易な構成のアンテナ装置である。特に、実施形態に係るアンテナ装置は、ミリ波の電波を用いる無線電力伝送（ＷＰＴ）システムの受電装置（「受電レクテナ装置」ともいう。）のアンテナ装置に適する。

図１は、本実施形態に係るアンテナ装置を適用可能な無線電力伝送システムの一例を示す説明図である。本実施形態の無線電力伝送システム１０は、送電信号の電波を送信する送電装置２０と、送電装置２０から送信された電波を受信して直流の電力を出力する受電装置（直流電力）３０とを備える。無線電力伝送の電波は例えばマイクロ波又はミリ波である。

送電装置２０は、複数のアンテナ素子が２次元配列したアレイアンテナからなるアンテナ装置２１を有する。送電装置２０のアレイアンテナは複数のアンテナが１次元又は３次元に配置されたものであってもよい。

受電装置３０は、複数のアンテナ素子３１１が２次元配列したアレイアンテナからなるアンテナ装置３１を有する。アンテナ素子３１１は例えばパッチアンテナである。受電装置３０のアレイアンテナは複数のアンテナが１次元又は３次元配置されたものであってもよい。また、受電装置３０は、アンテナ装置３１の複数のアンテナ素子３１１に対応するように設けられた複数の整流回路（整流器）からなる整流回路群３２と、整流回路群３２の複数の整流回路の出力を合成して直流電力を出力する直流合成回路３３とを備える。

上記構成の無線電力伝送システム１０において、送電装置２０は例えば移動通信システムの基地局が兼用され、電力を受ける受電装置３０が搭載される端末装置はインターネットなどの通信網に接続可能な各種センサデバイス等のＩｏＴデバイスであってもよい。このようなＩｏＴデバイス向けの無線電力伝送（ＷＰＴ）に用いる電波として、干渉回避のための細いビーム（「ペンシルビーム」とも呼ばれる。）の形成が容易なミリ波（３０ＧＨｚ帯から３００ＧＨｚ帯の電波）が検討されている。このミリ波を用いた無線電力伝送（ＷＰＴ）では、送電距離の延伸と整流回路で高いＲＦ－ＤＣ変換効率を得るために整流回路への入力電力を高くする必要がある。そのため、受電装置のアンテナ装置として高い利得のアンテナ装置が必要である。アンテナ装置の高利得化として、アンテナ装置で形成される指向性のメインビームのビーム幅を狭くする狭ビーム化及び大開口化が考えられる。しかし、狭ビームを用いる場合、受電装置側のアンテナ装置のビームを送電装置に向けるビーム制御を行う必要があるが、端末装置側で電力を要するビーム制御を行うのは非現実的である。無指向性のアンテナを用いればビーム制御を行うことなく送電装置からの電波を受けることができるが、無指向性のアンテナでは高利得化が難しい。また、大開口のアンテナを用いるとＩｏＴデバイス等の端末装置のサイズが大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、以下に示すように所定間隔（例えば、受信対象の電波の波長の０．５倍以上又は１倍以上の間隔）で複数のアンテナ素子がそれぞれ配置されたアンテナユニットを複数備え、その複数のアンテナユニットの指向性ビームの角度方向が互いに異なるように複数のアンテナユニットに接続される複数の接続経路の経路長を設定することにより、簡易な構成で高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲の両立を図っている。

図２は、参考例に係るアンテナ素子単体の指向性パターン３１０Ｄの一例を示す説明図である。パッチアンテナなどのアンテナ素子の単体では、図２に例示するように、指向性パターン３１０Ｄの水平方向のピーク電力の半値（－３ｄＢ）の点の全幅である水平ビーム幅（θ）及び垂直方向のピーク電力の半値（－３ｄＢ）の点の全幅である垂直ビーム幅（φ）はいずれも６５°と広くなっているが、指向性パターン３１０Ｄのピークの利得Ｇ（８．６ｄＢｉ）が低い。

図３は、実施形態に係る複数のアンテナ素子３１１（１）～３１１（４）を有するアレイアンテナ３１０の斜視図である。図３の例は、４つのアンテナ素子３１１（１）～３１１（４）が所定の間隔ｄで１次元配列された４素子のリニアアレイアンテナの例である。

図４（ａ）～図４（ｄ）はそれぞれ、図３のアレイアンテナ３１０において素子間隔が０．５λ、２λ、４λ及び８λの場合の指向性パターンの一例を示す説明図である。ここで、「λ」は受信対象電波の波長である。図４（ａ）の素子間隔が０．５λの場合、指向性パターン３１０Ｄの指向性ビーム（以下「ビーム」ともいう。）の数は一つであり、そのビーム幅が単一素子の場合よりも狭いが、利得Ｇは単一素子の場合よりも高い１２．９ｄＢｉである。素子間隔が２λ、４λ、８λと広くなってくると、図４（ｂ）～図４（ｄ）に示すように、指向性パターン３１０Ｄのビームが分かれて３個、７個、１５個のビームが形成され、しかもピークの利得Ｇは１４．６ｄｂｉ～１４．７ｄＢｉと高い。

本実施形態のアンテナ装置３１の一構成例では、例えば、図３の４つのアンテナ素子３１１（１）～３１１（４）を有するアレイアンテナ３１０を１単位としたアンテナユニットを複数備えるように構成する。そして、その複数のアンテナユニットに接続する複数の接続経路を有する接続回路を、指向性ビームの角度方向が互いに異なるように、複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長で接続されるように構成する。

例えば、図４（ａ）の素子間隔が０．５λの４素子のアレイアンテナからなるアンテナユニットを４ユニット備える場合、各アンテナユニットの指向性パターン３１０Ｄのビームの方向が所定角度（例えば３０°）ずつずれるように、複数のアンテナユニットに接続する複数の接続経路を有する接続回路を、指向性ビームの角度方向が互いに異なるよう、複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長で接続されるように接続回路を構成する。

また、例えば、図４（ｂ）、（ｃ）又は（ｄ）の素子間隔が波長λの１倍以上である２λ、４λ又は８λの４素子のアレイアンテナからなるアンテナユニットを４ユニット備える場合、その４つのアンテナユニットの間で複数のビームの角度方向が互いに異なるよう、複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長の接続経路で接続されるように接続回路を構成する。この場合、アンテナユニットのビームのヌル部分を当該アンテナユニット以外の他のアンテナユニットのビームが埋めるように接続回路を構成してもよい。

図５は、実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを含む１次元アレイアンテナ３１０の一例を示す説明図である。図６（ａ）～図６（ｄ）はそれぞれ、図５の１次元アレイアンテナを構成する複数のアンテナユニット３１０（１）～３１０（４）の説明図である。図５において、１次元アレイアンテナ３１０は図中のｙ方向に１６個のアンテナ（例えばパッチアンテナ）が配列したリニアアレイアンテナであり、互いに隣合うアンテナの素子間隔ｄ０は０．５λであり、４つのアンテナユニットが構成されている。図６（ａ）の第１アンテナユニット３１０（１）は素子間隔がｄ１である４つのアンテナ素子３１１（１）を有する。図６（ｂ）の第２アンテナユニット３１０（２）は素子間隔がｄ２である４つのアンテナ素子３１１（２）を有する。図６（ｃ）の第３アンテナユニット３１０（３）は素子間隔がｄ３である４つのアンテナ素子３１１（３）を有する。図６（ｄ）の第４アンテナユニット３１０（４）は素子間隔がｄ４である４つのアンテナ素子３１１（４）を有する。各アンテナユニット３１０（１）～３１０（４）における素子間隔ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４はそれぞれ２λである。

また、図５の１次元アレイアンテナ３１０において、アンテナユニットの複数のアンテナの間に当該アンテナユニット以外の他のアンテナユニットのアンテナ素子が位置するように、複数のアンテナユニットが配置されている。例えば、第１アンテナユニットの２つのアンテナ素子３１１（１）の間に他の第２、第３及び第４アンテナユニットのアンテナ素子３１１（２）、３１１（３）、３１１（４）が一つずつ位置するように、４つのアンテナユニットが配置されている。

図７（ａ）～図７（ｄ）はそれぞれ、図５の複数のアンテナユニット３１０（１）～３１０（４）の指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（４）の一例を示す説明図である。各アンテナユニットの指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（４）はそれぞれ４つのビーム３１０Ｂ（１）～３１０Ｂ（４）を有し、ビーム間の角度は約３０°である。そして、アンテナユニットのビームのヌル部分を他のアンテナユニットのビームが埋めるように、アンテナユニット３１０（１）～３１０（４）に接続される複数の接続経路（接続線）を有する接続回路を構成している。例えば、図７（ａ）に示す第１アンテナユニット３１０（１）の指向性パターン３１０Ｄ（１）のヌル部分の角度範囲を、図７（ｂ）～図７（ｄ）に示す他の第２、第３、第４アンテナユニット３１０（２）～３１０（４）の指向性パターン３１０Ｄ（２）～３１０Ｄ（４）のビームで埋めるように、接続回路における各アンテナユニットへの接続経路（接続線）の経路長を異ならせて設定している。これにより、各アンテナユニットで受信される電力の受信信号の位相調整を行っている。この位相調整により、図７（ａ）のアンテナユニット３１０（１）の指向性パターン３１０Ｄ（１）基準にして、図７（ｂ）～図７（ｄ）のアンテナユニット３１０（２）～３１０（４）の指向性パターン３１０Ｄ（２）～３１０Ｄ（４）はそれぞれ、ｘ－ｙ面においてθ＝＋７．５°、＋１５°及び－７．５°だけ傾いた指向性パターンになっている。

図８は、図７（ａ）～図７（ｄ）の指向性パターンを重ね合わせて表示した説明図である。図８に示すアンテナ装置３１のアレイアンテナ３１０全体の指向性パターン３１０Ｄは、図７（ａ）～図７（ｄ）の指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（４）を重ね合わせたパターンになる。従って、図９に示すように送電装置からの電波９００がある程度広がりをもって到来しても、その電波を効率よく受信することができる。また、送電装置からの電波９０１がマルチパスで到来しても、その複数のパスを介して到来した複数の電波９０１を効率よく受信することができる。

図１０は、実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを構成する２次元アレイアンテナ３１０'の一例を示す説明図である。図１１は、図１０の２次元アレイアンテナ３１０'の一部の説明図である。図１２は、図１０の２次元アレイアンテナ３１０'における第１アンテナユニットを構成する複数のアンテナ素子３１１（１）の配列の説明図である。

図１０において、２次元アレイアンテナ３１０'は図中のｙ方向に１６個のアンテナ及びｚ方向に１６のアンテナの合計２５６個のアンテナ（例えばパッチアンテナ）が配列したアレイアンテナであり、図１１に示すようにｙ方向及びｚ方向で互いに隣合うアンテナの素子間隔ｄｙ０、ｄｚ０は０．５λであり、１６つのアンテナユニットが構成されている。また、第１、第２、・・・、第１６アンテナユニットはそれぞれ、素子間隔がｄ１，ｄ２，・・・ｄ１６である１６個のアンテナ素子３１１（１）、３１１（２），・・・３１１（１６）を有する。例えば、図１２に示すように、第１アンテナユニットは、ｙ方向の素子間隔がｄｙ１、ｚ方向の素子間隔がｄｚ１である１６個のアンテナ素子３１１（１）を有する。

また、図１０に示すように、アンテナユニットの複数のアンテナの間に当該アンテナユニット以外の他のアンテナユニットのアンテナ素子が位置するように、複数の第１、第２、・・・、第１６アンテナユニットが配置されている。例えば、第１アンテナユニットの複数のアンテナ素子３１１（１）の間に他の第２、第３、・・・第１６アンテナユニットのアンテナ素子３１１（２）、３１１（３）、・・・３１１（１６）が位置するように、１６個のアンテナユニットが配置されている。

図１３（ａ）～図１３（ｐ）はそれぞれ、図１０の複数のアンテナユニットの指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（１６）の一例を示す説明図である。各アンテナユニットで形成される３次元の指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（１６）はそれぞれ複数のビームを有る。そして、アンテナユニットのビームのヌル部分を他のアンテナユニットのビームが埋めるように接続回路を構成している。例えば、図１３（ａ）に示す第１アンテナユニットの指向性パターン３１０Ｄ（１）のヌル部分の範囲を、図１３（ｂ）～図１３（ｐ）に示す他の第２、第３、・・・第１６アンテナユニットの指向性パターン３１０Ｄ（２）～３１０Ｄ（１６）のビームで埋めるように、接続回路における各アンテナユニットへの経路長を異ならせることにより、各アンテナユニットで受信される電力信号の位相調整を行っている。この位相調整により、図１３（ａ）のアンテナユニット３１０（１）の指向性パターン３１０Ｄ（１）基準にして、図１３（ｂ）～図１３（ｐ）のアンテナユニット３１０（２）～３１０（１６）の指向性パターン３１０Ｄ（２）～３１０Ｄ（１６）はそれぞれ、ｘ－ｙ面における角度θ及びｘ－ｚ平面における角度φが所定の角度だけ傾いた指向性パターンになっている。

図１４は、図１３（ａ）～図１３（ｐ）の指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（１６）を３次元空間で重ね合わせて表示した説明図である。図１４に示すように、アンテナ装置３１の２次元アレイアンテナ３１０'全体の３次元の指向性パターン３１０Ｄは、互いに角度がずれた図１３（ａ）～図１３（ｐ）の指向性パターン３１０Ｄ（１）～３１０Ｄ（１６）を重ね合わせたパターンになる。従って、送電装置からの電波が３次元空間である程度広がりをもって到来しても、その電波を効率よく受信することができる。また、送電装置からの電波が３次元空間のマルチパスで到来しても、その複数のパスを介して到来した複数の電波を効率よく受信することができる。

図１５は、図３のアレイアンテナ３１０からなるアンテナユニットに対する接続回路３１２の一例を示す説明図である。図１５において、アンテナ装置３１は、アンテナユニットを構成する４素子のアンテナ素子３１１（１）～３１１（４）を有するアレイアンテナ３１０と、そのアレイアンテナ３１０と整流回路３２１とを接続する接続回路３１２とを備える。接続回路３１２は、アンテナ素子３１１（１）～３１１（４）それぞれに接続された接続経路の一部の接続線３１３（１）～３１３（４）と、接続線３１３（１）～３１３（４）を２段の並列回路を介して単一の整流回路３２１に接続する合成接続回路３１４（１）とを用いて構成されている。

接続回路３１２において、４つのアンテナ素子３１１（１）～３１１（４）のぞれぞれと整流回路３２１との間の接続線の経路長Ｌ１は、ビーム方向が０°の場合は同一長であるが、ビーム方向を変える場合、各アンテナ素子３１１（１）～３１１（４）に接続される接続回路３１２の経路長は変わる。各アンテナ素子３１１（１）～３１１（４）に接続される接続回路３１２の経路長が異なるアンテナユニット３１０を複数接続して全体としてブロードなビームを形成することになる。

図１６は、図５のアレイアンテナ３１０を有する無線電力伝送用の受電装置３０の構成の一例を示す説明図である。図１６において、受電装置３０は、４つのアンテナユニットで構成された図５の１次元アレイアンテナからなるアンテナ装置３１と、４つのアンテナユニットのそれぞれに複数の接続経路（接続線）からなる接続回路３１２（図１５参照）を介して接続された４個の整流回路３２１（１）～３２１（４）からなる整流回路群３２と、４個の整流回路３２１（１）～３２１（４）から出力された複数の直流電力を合成して出力する直流（ＤＣ）合成回路３３と、を備える。接続回路３１２は、前述の図７（ａ）～図７（ｄ）及び図８に例示したように、アンテナユニットのビームのヌル部分を他のアンテナユニットのビームが埋めるよう、アンテナユニット３１０（１）～３１０（４）に接続される複数の接続経路（接続線）の経路長が設定されている。すなわち、接続経路（接続線）の経路長が異なるアンテナユニット３１０（１）～３１０（４）を同一線路長の接続線で束ねて接続し、全体としてブロードなビームを形成する。

図１７は、図１０のアレイアンテナを有する無線電力伝送用の受電装置３０の構成の一例を示す説明図である。図１７の受電装置３０は、１６個のアンテナユニットで構成された２次元アレイアンテナ（図１０参照）からなるアンテナ装置３１と、１６個のアンテナユニットのそれぞれに複数の接続経路（接続線）からなる接続回路３１２を介して接続された１６個の整流回路３２１（１）～３２１（１６）からなる整流回路群３２と、１６個の整流回路３２１（１）～３２１（１６）から出力された複数の直流電力を合成して出力する直流（ＤＣ）合成回路３３と、を備える。接続回路３１２は、前述の図１３（ａ）～図１３（ｐ）及び図１４に例示したように、アンテナユニットのビームのヌル部分を他のアンテナユニットのビームが埋めるよう、アンテナユニット３１０（１）～３１０（１６）に接続される複数の接続経路（接続線）の経路長が設定されている。すなわち、接続経路（接続線）の経路長が異なるアンテナユニット３１０（１）～３１０（１６）を同一線路長の接続線で束ねて接続し、全体としてブロードなビームを形成する。

図１８は、実施形態に係るアンテナ装置３１を有する通信用の受信装置４５の構成の一例を示す説明図である。図１８はアナログ信号処理を行う受信装置４５の構成例を示している。なお、図１８の受信装置４５のアンテナ装置３１については、前述の図１６の受電装置３０におけるアンテナ装置３１と同じ構成を有するため、説明を省略する。

図１８において、受信装置４５は、４個のアンテナユニットで構成された１次元アレイアンテナ（図５参照）からなるアンテナ装置３１と、４個の複数のアンテナユニットのそれぞれに複数の接続経路（接続線）からなる接続回路３１２を介して接続された複数の位相調整回路３４１（１）～３４１（４）からなる位相調整回路群３４と、４個の位相調整回路３４１（１）～３４１（４）から出力された複数の受信信号を同相で合成して出力する合成回路３５と、を備える。

図１９は、実施形態に係るアンテナ装置を３１有する通信用の受信装置４６の構成の他の例を示す説明図である。図１９はデジタル信号処理を行う受信装置４６の構成例を示している。なお、図１９の受信装置４６のアンテナ装置３１については、前述の図１６の受電装置３０におけるアンテナ装置３１と同じ構成を有するため、説明を省略する。

図１９において、受信装置４６は、４個のアンテナユニットで構成された１次元アレイアンテナ（図５参照）からなるアンテナ装置３１と、４個の複数のアンテナユニットのそれぞれに複数の接続経路からなる接続回路３１２を介して接続された複数のＡ／Ｄ変換器３７１（１）～３７１（４）からなるＡ／Ｄ変換器群３７と、４個のＡ／Ｄ変換器３７１（１）～３７１（４）から出力された複数の受信信号をデジタル処理で同相合成して出力するデジタル合成回路３８と、を備える。

図２０は、実施形態に係るアンテナ装置３１を有する通信用の受信装置４７の構成の更に他の例を示す説明図である。図２０はＭＩＭＯ信号処理を行う受信装置４７の構成例を示している。図２０の受信装置４７のアンテナ装置３１については、前述の図１６の受電装置３０におけるアンテナ装置３１と同じ構成を有するため、説明を省略する。

図２０において、受信装置４７は、４個のアンテナユニットで構成された１次元アレイアンテナ（図５参照）からなるアンテナ装置３１と、４個の複数のアンテナユニットのそれぞれに複数の接続経路からなる接続回路３１２を介して接続された複数の受信機３９１（１）～３９１（４）からなる受信機群３９０と、４個の受信機３９１（１）～３９１（４）から出力された複数の受信信号に対してＭＩＭＯ信号処理を行うＭＩＭＯ信号処理部３９と、を備える。

なお、図１８、図１９及び図２０に示した受信装置４５、４６、４７はそれぞれ、アンテナ装置３１が４個のアンテナユニットで構成された１次元アレイアンテナである場合の構成例であるが、アンテナ装置３１は、１次元アレイアンテナに代えて、前述の図１７の受電装置と同様に１６個のアンテナユニットで構成された２次元アレイアンテナ（図１０参照）を備えるように構成してもよい。

図２１は、実施形態に係るアンテナ装置３１を適用可能なシステムの他の例を示す説明図である。図２１のシステムは、通信エリア（セル）２５Ａを形成するセルラー方式の基地局２５と、通信エリア２５Ａに在圏しているときに基地局２５に接続して基地局２５と無線通信可能な給電対象の端末装置（以下「ＵＥ」（ユーザ装置）ともいう。）４０と、を有する。基地局２５は、ＵＥ４０との間で無線通信可能な送信装置としても機能する。

ＵＥ４０は、移動通信システムの移動局でもよいし、通信装置（例えば移動通信モジュール）と各種デバイスとを組み合わせたものであってもよい。ＵＥ４０は、複数のアンテナ素子を有する上記構成のアンテナ装置３１と同様なアレイアンテナを有するアンテナ装置を備える。ＵＥ４０はＩｏＴデバイス（「ＩｏＴ機器」ともいう。）であってもよい。

図２１において、基地局２５は、多数のアンテナ素子を有する複数のアレイアンテナを有するアンテナ２５１を備え、複数のＵＥ４０との間でｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（以下「ｍＭＩＭＯ」ともいう。）伝送方式の通信を行うことができる。ｍＭＩＭＯは、アンテナ２５１を用いてデータ送受信を行うことにより大容量・高速通信を実現する無線伝送技術である。また、複数のＵＥ４０のそれぞれに対して時分割で又は同時にビーム２５Ｂを形成するビームフォーミングを行うＭＵ（Multi User）－ＭＩＭＯ伝送方式で通信を行うことができる。多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行うことにより、各ＵＥ４０の通信環境に応じてＵＥ２０ごとに適切なビームを向けて通信できるため、セル全体の通信品質を改善できる。また、同一の無線リソース（時間・周波数リソース）を用いて複数のＵＥ４０との通信ができるため、システム容量を拡大することができる。

また、図２１において、通信エリア２５Ａ内の一部は、基地局２５から端末装置４０に向けて無線電力伝送を行う無線電力伝送エリア（以下「ＷＰＴエリア」という。）２５Ａ'になっている。ＷＰＴエリア２５Ａ'は図示のように通信エリア２５Ａよりも狭いエリアでもよいし、通信エリア２５Ａと同じ又はほぼ同じサイズ及び位置のエリアであってもよい。

ＷＰＴエリア２５Ａ'では、基地局２５からの下りリンクの無線フレームを構成する複数の無線リソース（時間・周波数リソース）であるリソースブロックのうち通信に用いられていない通信未使用の無線リソース（リソースブロック）を無線電力伝送ブロックとして活用している。基地局２５は、ＵＥ４０への下りリンクの無線フレームにおいて、通信未使用の無線リソースである無線電力伝送ブロック（ＷＰＴブロック）に無線電力伝送用のダミー信号（以下「ＷＰＴ用ダミー信号」ともいう。）を割り当てた送信信号を生成してＵＥ４０に送信する。

特に、第５世代又はそれ以降の世代の移動通信システムにおいては、無線フレームの一部のサブキャリアのみに必要最小限の参照信号（ＲＳ）や制御信号を配置するリーンキャリアという技術が提案されており、無線フレームにおける通信未使用の無線リソースの部分を有効活用してＵＥ４０への無線電力伝送を行うことが期待される。

基地局２５とＵＥ４０との間で送受信される通信の信号の電波及び基地局２５からＵＥ４０に送信されるＷＰＴ用ダミー信号を割り当てた送信信号の電波は、例えば、ミリ波又はマイクロ波である。

図２２は、図２１のシステムを構成する基地局２５及び端末装置（ＵＥ）４０の主要構成の一例を示すブロック図である。基地局２５は、基地局装置２５０とアンテナ２５１とを備える。アンテナ２５１は、例えば、図２１に示すように多数のアンテナ素子を有するアレーアンテナである。アンテナ２５１は単数でもよいし複数であってもよい。例えば、アンテナ２５１は複数のセクタセルに対応させて複数配置してもよい。

基地局装置２５０は、通信信号処理部２６０と無線処理部２７０とを備える。通信信号処理部２６０は、ＵＥ４０との間で送受信される各種のユーザデータや制御情報等の信号を処理する。

通信信号処理部２６０は、ＵＥ４０に対する下りリンクの通信の際に、複数の無線リソースのうち通信に使用されていない通信未使用の無線リソースを用いたＷＰＴ用ダミー信号を含む下りリンクの送信信号を生成する。

無線処理部２７０は、通信信号処理部２６０で生成した送信信号をアンテナ２５１からＵＥ４０に送信したり、ＵＥ４０からアンテナ２５１を介して受信した受信信号を通信信号処理部２６０に出力したりする。

また、無線処理部２７０は、ＢＦ制御信号に基づいてアンテナ２５１で形成される一又は複数のビームを制御する。また、無線処理部２７０は、通信信号処理部２６０で生成されたＷＰＴ用ダミー信号を含む下りリンクの送信信号を、アンテナ２５１を介してＵＥ４０に送信する。

図２２において、ＵＥ４０は、前述の本実施形態に係るアンテナ装置と同様な構成のアンテナ装置４１０と無線処理部４２０と通信信号処理部４３０と電力出力部４４０と電池４５０とを備える。アンテナ装置４１０は、例えば複数のアンテナ素子を有する小型のアレーアンテナを有する。無線処理部４２０は、通信信号処理部４３０で生成したフィードバック情報やユーザデータ等の送信信号をアンテナ装置４１０から基地局２５に送信したり、基地局２５からアンテナ装置４１０を介して受信した受信信号を通信信号処理部４３０に出力したりする。

無線処理部４２０は、基地局２５から送信されたＷＰＴ用ダミー信号を含む送信信号を受信する。電力出力部４４０は、例えば整流回路を有し、基地局２５からのＷＰＴ用ダミー信号を含む送信信号を受信した受信信号の電力を、電池充電用の受電電力として出力する。電力出力部４４０から出力された受電電力により、電池４５０を充電することができる。

図２３は、実施形態に係るアンテナ装置３１を適用可能なシステムの更に他の例を示す説明図。 図２３のシステムは、基地局２５から複数のＵＥ４０へのビームフォーミングによるＵＥ毎の給電を行うことができる。通信エリア２５Ａ内のＷＰＴエリア２５Ａ'（前述の図２１参照）に複数のＵＥ４０（１）～４０（３）が在圏し、ＵＥ毎に形成したビーム２５Ｂ（１）～２５Ｂ（３）を介して各ＵＥ４０（１）～４０（３）に給電してもよい。ビーム２５Ｂ（１）～２５Ｂ（３）は、例えば時分割で切り替えて形成してもよい。

以上、本実施形態によれば、無線電力伝送システムの受電装置及び通信システムの受信装置に用いることができるアンテナ装置において、高いアンテナゲインと広い指向性角度範囲の両立を図ることができる。

特に、本実施形態によれば、アンテナ装置を構成する複数のアンテナユニット間の位相の調整を、複数のアンテナユニットに接続する接続回路の複数の接続経路長で行っているため、アンテナユニット間の位相を制御する位相制御装置が不要であり、アンテナ装置の構成を簡易にすることができる。

なお、複数のアンテナユニットのそれぞれに設定する複数の接続経路長（位相調整量）は機械学習を用いて決定してもよい。また、本実施形態のアンテナ装置、受電装置及び受信装置で用いられるプログラムは機械学習済みモデルを含んでもよい。

また、本発明は、ＩｏＴデバイス等の受電装置への無線電力伝送（ＷＰＴ）の効率化を図ることが可能になるため、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「産業と技術革新の基盤をつくろう」の達成に貢献できる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びにアンテナ装置、受電装置、受信装置、端末装置、無線電力伝送システム及び通信システムの構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。

ハードウェア実装については、実体（例えば、各種無線通信装置、Ｎｏｄｅ Ｂ、端末、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であればよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

１０ ：無線電力伝送システム
２０ ：送電装置
２１ ：アンテナ装置
３０ ：受電装置
３１ ：アンテナ装置
３２ ：整流回路群
３３ ：直流合成回路
３４ ：位相調整回路群
３５ ：合成回路
３７ ：Ａ／Ｄ変換器群
３８ ：デジタル合成回路
３９ ：ＭＩＭＯ信号処理部
４０ ：端末装置
４５ ：受信装置
４６ ：受信装置
４７ ：受信装置
３１０ ：アレイアンテナ（１次元アレイアンテナ）
３１０（１）～３１０（１６） ：アンテナユニット
３１０' ：２次元アレイアンテナ
３１０Ｂ ：ビーム
３１０Ｄ ：指向性パターン
３１１ ：アンテナ素子
３１２ ：接続回路
３１３ ：接続線
３１４ ：合成接続回路
３２１ ：整流回路
３４１ ：位相調整回路
３７１ ：Ａ／Ｄ変換器
３９０ ：受信機群
３９１ ：受信機

実施形態に係るアンテナ装置を適用可能な無線電力伝送システムの一例を示す説明図。 参考例に係るアンテナ素子単体の指向性パターンの一例を示す説明図。 実施形態に係る複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナの斜視図。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、図３のアレイアンテナにおいて素子間隔が０．５λ、２λ、４λ及び８λの場合の指向性パターンの一例を示す説明図である。 実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを含む１次元アレイアンテナの一例を示す説明図。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、複数のアンテナユニットそれぞれの素子配列の説明図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ、図５の複数のアンテナユニットの指向性パターンの一例を示す説明図である。 図７（ａ）～図７（ｄ）の指向性パターンを重ね合わせて表示した説明図。 図８の指向性パターンの効果の説明図。 実施形態に係るアンテナ装置の複数のアンテナユニットを構成する２次元アレイアンテナの一例を示す説明図。 図１０の２次元アレイアンテナの一部の説明図。 図１０の２次元アレイアンテナにおける第１アンテナユニットを構成する複数のアンテナ素子の配列の説明図。 （ａ）～（ｐ）はそれぞれ、図１０の２次元アレイアンテナにおける第１アンテナユニット～第１６アンテナユニットそれぞれの３次元指向性パターンの一例を示す説明図である。 図１３（ａ）～図１３（ｐ）の３次元指向性パターンを重ね合わせて表示した説明図。 図３のアレイアンテナからなるアンテナユニットに対する接続回路の一例を示す説明図。 図５のアレイアンテナを有する無線電力伝送用の受電装置の構成の一例を示す説明図。 図１０のアレイアンテナを有する無線電力伝送用の受電装置の構成の一例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の一例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の他の例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を有する通信用の受信装置の構成の更に他の例を示す説明図。 実施形態に係るアンテナ装置を適用可能なシステムの他の例を示す説明図。 図２１のシステムを構成する基地局及び端末装置の構成の一例を示すブロック図。 実施形態に係るアンテナ装置を適用可能なシステムの更に他の例を示す説明図。

Claims (14)

1. アンテナ装置であって、
   受信対象の電波の波長の０．５倍以上の間隔で複数のアンテナ素子がそれぞれ配置された複数のアンテナユニットと、
   前記複数のアンテナユニットの指向性ビームの角度方向が互いに異なるように、前記複数のアンテナユニットのそれぞれに互いに異なる経路長で接続された複数の接続経路を有する接続回路と、
   を備える、ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１のアンテナ装置において、
   前記アンテナユニットが複数の指向性ビームを有するように前記複数のアンテナ素子は受信対象の電波の波長の１倍以上の間隔で配置され、
   前記複数の接続経路の経路長は、前記複数のアンテナユニットの間で前記複数の指向性ビームの角度方向が互いに異なるように設定されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２のアンテナ装置において、
   前記アンテナユニットの複数のアンテナ素子の間に当該アンテナユニット以外の他のアンテナユニットのアンテナ素子が位置するように、前記複数のアンテナユニットが配置されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３のアンテナ装置において、
   前記複数のアンテナユニットにおける前記複数のアンテナ素子は１次元配置されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項３のアンテナ装置において、
   前記複数のアンテナユニットにおける前記複数のアンテナ素子は２次元配置されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１のアンテナ装置において、
   前記受信対象の電波はミリ波である、ことを特徴とするアンテナ装置。
7. 無線電力伝送に用いられる受電装置であって、
   請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置と、
   前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の整流回路と、
   前記複数の整流回路から出力された複数の直流電力を合成して出力する直流合成回路と、
   を備える、ことを特徴とする受電装置。
8. 無線電力伝送システムであって、
   請求項７の受電装置と、
   前記受電装置に向けて無線電力伝送の電波を送信する送電装置と、
   を備える、ことを特徴とする無線電力伝送システム。
9. 通信に用いられる受信装置であって、
   請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置と、
   前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の位相調整回路と、
   前記複数の位相調整回路から出力された複数の受信信号を同相で合成して出力する合成回路と、
   を備える、ことを特徴とする受信装置。
10. 通信に用いられる受信装置であって、
    請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置と、
    前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数のＡ／Ｄ変換器と、
    前記複数のＡ／Ｄ変換器から出力された複数の受信信号をデジタル処理で同相合成して出力する合成回路と、
    を備える、ことを特徴とする受信装置。
11. 通信に用いられる受信装置であって、
    請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置と、
    前記複数のアンテナユニットのそれぞれに前記複数の接続経路からなる接続回路を介して接続された複数の受信機と、
    前記複数の受信機から出力された複数の受信信号に対してＭＩＭＯ信号処理を行う信号処理部と、
    を備える、ことを特徴とする受信装置。
12. 請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置を有する受信装置と、
    前記受信装置との間で無線通信を行う送信装置と、
    を備える、ことを特徴とする通信システム。
13. 端末装置であって、
    請求項１乃至６のいずれかのアンテナ装置を有する受電装置又は受信装置を備える、
    ことを特徴とする端末装置。
14. 請求項１３の端末装置において、
    当該端末装置は、ＩｏＴデバイスである、ことを特徴とする端末装置。