JP3584868B2 - マイクロ波の受信方法及び受信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間において、太陽光を受けて発電し、マイクロ波で宇宙空間を伝送し、地上で集積して利用する宇宙太陽光発電方法に関わるものであり、特に上記マイクロ波の受信方法及び受信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電力需要の増加、地球環境問題の重視を背景に、クリーンで安全にしてかつ安定した電力供給設備の開発は急務となっている。このような要請に応じ、宇宙太陽光発電システムの考えが注目され研究開発が盛んに行われている。これは、宇宙空間において太陽光を受けて発電し、これを特定の場所、例えば地球上や宇宙空間内の特定個所に伝送するというシステムである。
【０００３】
このような宇宙太陽光発電システムの一例として、複数の発電衛星を宇宙空間の所定空間に静止させ、それぞれの発電衛星で太陽光を電力に変換（光電変換）し、これをマイクロ波で地上の特定個所に設けられた受信アンテナに送電するという方法が検討されている。
【０００４】
ここで、発電衛星を複数とし、一体型の発電衛星としないのは、その規模が超大型になり、実現性・信頼性の面から現実的ではないからである。複数の発電衛星で発電を分担させる場合、例えば、１００万ＫＷ相当の発電能力（現在の原子力発電所の規模）を想定すると、上記発電衛星は数１００機程度必要となる。一方、地上においては、送信されたマイクロ波は安全性を考慮して、そのエネルギー密度が小さく、広い範囲に照射される（エネルギー密度の規制値が法規上設定され、その値以下にしなければならない）。地上の電力基地は受信アンテナを数十ｋｍ四方相当のエリアに配列して、この照射されるマイクロ波を受信し、集積して大電力を生成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような宇宙太陽光発電システムにおけるマイクロ波の受信方法においては、宇宙空間に配置した複数の発電衛星からビーム状のマイクロ波を地上の受信アンテナに集中するようにしているが、同一の領域に上記複数のマイクロ波が送信されると、個々のマイクロ波のエネルギー密度は小さくても、電磁波の干渉により、局所的にエネルギー密度の規制値を越え、安全性が低下するという問題があった。また、受信アンテナにおいても、マイクロ波のエネルギーが一部に集中することとなり、受信アンテナの耐電力性を増加させなければならないという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、発電衛星からのビーム状のマイクロ波を受信アンテナの同一の領域に集中させることなく、ビーム毎にマイクロ波の受信位置を分散させることにより、受信アンテナ開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するマイクロ波の受信方法及び受信システムを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るマイクロ波の受信方法は、宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記発電衛星はビームの指向方向を制御し上記受信アンテナ上での上記各ビームの受信位置を分散することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたものである。
【０００８】
請求項２の発明に係るマイクロ波の受信方法は、宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記受信アンテナ上での上記マイクロ波の各ビームの受信小領域を分散して配置することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたものである。
【０００９】
請求項３の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域毎に対応する上記ビーム状のマイクロ波を受信するようにしたものである。
【００１０】
請求項４の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記発電衛星は、上記受信アンテナの開口面上の異なる受信小領域に上記ビームを指向するようにしたこものである。
【００１１】
請求項５の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域が上記発電衛星からのビームに対応づけられるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた各受信小領域に上記ビームを指向するようにしたものである。
【００１２】
請求項６の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記複数の受信小領域を第１の受信小領域とし、この第１の受信小領域の境界位置に第２の受信小領域を設けるようにしたものである。
【００１３】
請求項７の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上の各受信小領域の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記受信小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御するようにしたものである。
【００１４】
請求項８の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面上に上記ビーム毎にその受信位置が設定されるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた受信位置に上記ビームを指向するようにしたものである。
【００１５】
請求項９の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上のビーム毎の受信位置は、開口面上に均一に配置されるようにしたものである。
【００１６】
請求項１０の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上の各ビームの受信位置の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御するようにしたものである。
【００１７】
請求項１１の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナは、複数の素子アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナとしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法及び受信システムを以下に説明する。図１は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図である。図２、３、４は実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理を示す説明図である。図５は実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法による受信アンテナ上でのエネルギー分布を示す説明図である。
【００１９】
図１において、１は宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して送信する発電衛星であり、図示のとおり、これらの発電衛星は＃１から＃ｎまでの複数台を配置している。２は発電衛星１が送信するマイクロ波のビーム指向方向を制御する制御衛星である。３は電力基地４に設けられ、発電衛星１からのマイクロ波を受信する受信アンテナ（「レクテナ」ともいう。以下、受信アンテナと同義で用いる）である。４は受信したマイクロ波から電力を生成する電力基地である。５は電力基地４と制御衛星２との間で通信するための衛星通信アンテナである。
【００２０】
発電衛星１は、太陽光から変換した電気エネルギーをマイクロ波に変換し、これを電力基地４へ送信する。個々の発電衛星１が送出できるマイクロ波の電力は、各発電衛星における太陽光の集光能力と、光電変換やマイクロ波増幅能力により決まる。これらの発電衛星１を宇宙空間に複数台配置することにより大電力のマイクロ波を電力基地４へ送信することが可能となる。この発明は発電衛星１が個々に送信するマイクロ波のビームの指向方向を制御しレクテナ開口面の異なる位置で受信することにより、開口面上のマイクロ波のエネルギーの分布を平均化するようにしたものである。このように送信されたマイクロ波をレクテナ３によって受信し、電力基地４において低周波変換して電力として利用する。
【００２１】
電力基地４は地上に限らず、宇宙空間内の例えば月面や宇宙プラント施設などに設けられてもよい。電力基地４を地上に設ける場合、特に動植物環境や、電波妨害の観点から送信されるマイクロ波のエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギー）を小さくする必要があり、したがって、レクテナ３は数十ｋｍ四方相当から数百ｋｍ四方相当の面積にも及ぶ場合もある。このような巨大なアンテナは、例えば特定サイズの素子アンテナでアレイ状に配置して形成するのが一般的である。したがって、電力基地４は、低周波変換機能に加えて、各アンテナあるいは、各アンテナ群からの受信マイクロ波を合成する合成機能をも有するようにしてもよい。
【００２２】
さらに図１において、電力基地４は衛星通信アンテナ５を有している。この衛星通信アンテナ５は制御衛星２に対してビーコン信号を送出する。制御衛星２は、このビーコン信号を捕捉することにより、各発電衛星のビームの指向方向を認識することができ、この方向へ発電衛星１からのマイクロ波が送出されるよう、各発電衛星１の送信マイクロ波のビーム指向方向を制御する。
【００２３】
つぎに、本発明におけるマイクロ波の受信方法の基本原理を説明する。本発明は、複数の発電衛星から独立に送出されるビーム状のマイクロ波を、レクテナ上で電磁波として干渉させずに受信するようにしたものである。そのためにレクテナ開口面を、空間的に分離され、各ビーム状のマイクロ波を独立して受信する「部分レクテナ」という複数の仮想的な受信小領域に分割している。レクテナ全体は、この部分レクテナを縦横に並べた集合として構成される。さらに各マイクロ波はインコヒーレント送信（各マイクロ波の位相が無相関）としている。このような構成とすることで、各ビーム状のマイクロ波はレクテナ上で干渉せず、局所的なエネルギー密度の増加を防止できる。また、レクテナ全体での受信エネルギーは、各部分レクテナで受信されるマイクロ波のエネルギーの単純和となる。
【００２４】
つぎに、部分レクテナについて詳細に説明する。部分レクテナは、広がりを持つビーム状のマイクロ波を十分に受信できるだけの大きさを必要とする。発電衛星１の送信アンテナの開口が有限であることから、送信マイクロ波のエネルギーの空間分布はビーム内で一様ではなく波状に変動している。この変動が、ビーム中心に位置するメインローブとそれに隣接するサイドローブとして現れる。例えば、送信アンテナが矩形開口の場合、ビームのエネルギーは、（ｓｉｎＸ／Ｘ）２（ここでＸは、ビーム放射角の関数である）なる関数で表される空間分布を持つこととなる。
【００２５】
部分レクテナでビーム状のマイクロ波のエネルギーを効率的に受信するためには、部分レクテナの開口径は、ビームのメインローブの他、サイドローブまでをカバーできる大きさが必要である（マイクロ波のビーム幅の数倍にする必要がある。）。上記例（送信アンテナが矩形開口）の場合、部分レクテナ内でビーム状のマイクロ波を有効に受信するためには、少なくともセカンドサイドローブまでは受信できる開口が必要となる。具体的には、上記（ｓｉｎＸ／Ｘ）２なる空間分布を有するビームの場合、３ｄｂビーム幅（メインローブピーク値の半分のエネルギー値となるビーム幅）の５倍の領域を部分レクテナの開口径とすることで、セカンドサイドローブ領域をカバーできる。マイクロ波のビームのエネルギーが集中する上記ビームの範囲を「有効ビーム径」と定義すると、上記部分レクテナ開口は有効ビーム径以上の大きさが必要となる。図２に上記３ｄｂビーム幅、有効ビーム径及び部分レクテナの開口径との関係を示す。発電衛星１の送信アンテナが正方形開口の場合、ビームの指向方向に垂直な断面形状は円形となるので、部分レクテナはこの円形のビームをカバーできる正方形とすればよい。実際の部分レクテナの開口径は、数ｋｍのオーダーとなる。以上が、部分レクテナの開口を決める基本的な考え方である。
【００２６】
つぎに、部分レクテナの集合であるレクテナについて詳細に説明する。図３はレクテナ３上のマイクロ波のビーム及び部分レクテナの配置の説明図である。本例では、マイクロ波のビーム数を１６個として説明する。図において、６はビーム状のマイクロ波の受信小領域としてレクテナ３の開口面上に仮想的に設定された正方形状の部分レクテナである。この部分レクテナは、各発電衛星からのビームのエネルギーを有効に受信するだけの広がりを有する。７は部分レクテナの中央に照射される円形断面形状を有するマイクロ波のビームである。図中の円の直径が「有効ビーム径」であり、この円内にマイクロ波のビームのエネルギーの主要部が集中している。ここでは説明を簡単にするため、ビーム断面形状は円形とし、部分レクテナの開口面形状は上記ビームをカバーできる正方形としている。また、レクテナ３の開口面形状も部分レクテナ６を縦横に碁盤目状に同数配置（４行４列）した正方形状の構成としている。図においては部分レクテナを重畳させず、平面状に配置している。このような部分レクテナの配置により、レクテナ上でのマイクロ波のビーム受信位置は分散化され、マイクロ波のエネルギー分布を平均化することができる。実際には、発電衛星１毎にビームの指向方向を制御し、各ビームの中心が部分レクテナの中心位置を指向するようにしている。
【００２７】
上記のとおり、レクテナ３は、部分レクテナ６をビーム状のマイクロ波の受信小領域とし、この受信小領域を縦横に並べることにより構成される。このように構成された、レクテナの口径は数十ｋｍから数百ｋｍのオーダーであり、複数の素子アンテナをアレイ状に配置したアレイアンテナにより構成するのが一般的である。実際にはレクテナの開口面形状は、アンテナ電気性能に基づく素子アンテナの配置条件、レクテナが設置される地形条件等により適宜決定されるものである。一般にはレクテナ形状は円形乃至矩形となる。図３では正方形としている。
【００２８】
上記のとおり、部分レクテナ６の大きさは受信するマイクロ波の有効ビーム径との関係で決定される。電磁波としての干渉低減を優先させれば、部分レクテナ口径は有効ビーム径より十分大きなものとする必要があるが、レクテナ全体も比例して巨大になり実現が困難となる。実際には、電波干渉の許容度等を考慮しつつトレードオフにより部分レクテナの大きさを決めることとなる。
【００２９】
上記説明では、各発電衛星１のマイクロ波は全てインコヒーレントで、各マイクロ波のビームは発電衛星毎に独立であり、発電衛星数のビームが形成されていた。一方、発電衛星１をいくつかのグループにわけ、そのグループの中では各マイクロ波を位相制御しコヒーレント送信とし、各グループ間ではインコヒーレントな関係とすることもできる。このようにすれば、グループ内の複数の発電衛星により等価的に大口径の送信アンテナが形成され、この大口径アンテナにより非常に幅の狭いビームを形成することができる（ビーム幅は、アンテナ開口径の逆数に比例する）。また、形成されるビーム数もグループ数となり少なくなる。その結果、部分レクテナの大きさを小さくすることが可能となるとともに、部分レクテナの数も少なくすることができ、レクテナ全体の大きさも小さくできる。
【００３０】
また、上記説明では、ビーム形状は円形としたが、送信アンテナ開口の形状によりビーム形状も楕円等の形状に変わる。このような場合には、部分レクテナの形状も正方形にこだわる必要はなく、ビーム形状に合わせた形状にすることが望ましいのは言うまでもない。
【００３１】
また、上記説明では、各部分レクテナは重畳せず平面配置したが、このような配置は電波干渉の低減という点では有効であるが、ビーム数だけ部分レクテナが必要となりレクテナ全体が大きくなってしまう。図４は、これを解決するためのレクテナ開口面上での部分レクテナの配置方法の説明図である。この方法では、隣接する４つの第１の部分レクテナ中央部（第１の部分レクテナの境界領域）に第２の部分レクテナを設けて、部分レクテナをピラミッド状に重畳配置（第１の部分レクテナを平面配置した碁盤目の９個所の格子点の位置に第２の部分レクテナを配置）している。この境界領域は対角線方向のビームの距離が離れているため、マイクロ波の干渉が比較的緩やかであるので、第２の部分レクテナを配置できる。図３に示す平面的な配置方法では１６個のビームしか分散配置できなかったが、図４に示すピラミッド状の重畳配置では同じ大きさのレクテナ開口上に２５個（第１の部分レクテナで受信するビーム１６個＋第２の部分レクテナで受信するビーム９個）のビームを分散配置できる。図５は、図４のレクテナ開口面で受信するマイクロ波のエネルギー分布を示す（図４の矢印のライン方向）。隣接するビームのメインローブが干渉しないので、電力のピークが既定値を超えるのを防ぐことができる。
【００３２】
つぎに、発電衛星１から送信されるビームの指向制御の方法について説明する。ビームの指向方向は、部分レクテナの位置に関する情報（例えば部分レクテナ中心位置の情報）に基づき制御される。地上の衛星通信アンテナ５は、上記位置情報をビーコン信号として制御衛星２に向け送信する。制御衛星２は、上記位置情報を適宜処理し発電衛星毎に指向制御データを生成し、各発電衛星１に向け送出する。各発電衛星１は、この指向制御データを用いてビームの指向方向を制御する。なお、上記説明では、制御衛星２を介して各発電衛星１は指向制御データを受信したが、各発電衛星１に直接に位置情報を送信しこの情報に基づき指向制御するようにしてもよい。各発電衛星がどの位置情報を用いるか（発電衛星と位置情報との対応）については、制御衛星側で判断しても、地上側（例えば電力基地４）で判断してもよい。地上側で判断する場合には、位置情報毎に発電衛星との対応関係を示すフラグを付けることになる。各発電衛星は、自分のフラグに対応する位置情報を受け取り、その情報に基づいてビームを指向制御する。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、宇宙空間における複数の発電衛星によって太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成するマイクロ波の受信方法において、発電衛星からのビーム状のマイクロ波を受信アンテナの同一の領域に集中させることなく、ビーム毎にマイクロ波の受信位置を分散させるようにしたので、マイクロ波のエネルギーが一部に集中し、局所的にエネルギーが規制値を越え、安全性が低下するという危険を防止できる。また、受信アンテナの耐電力性の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、ビーム幅、有効ビーム径及び部分レクテナの開口径との関係を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、マイクロ波のビーム及び部分レクテナの配置方法の説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、マイクロ波のビーム及び部分レクテナの他の配置方法の説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法による受信アンテナ上でのエネルギー分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 発電衛星
２ 制御衛星
３ 受信アンテナ（レクテナ）
４ 電力基地
５ 衛星通信アンテナ
６ 第１の部分レクテナ
６ｂ 第２の部分レクテナ
７ ビーム。
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙空間において、太陽光を受けて発電し、マイクロ波で宇宙空間を伝送し、地上で集積して利用する宇宙太陽光発電方法に関わるものであり、特に上記マイクロ波の受信方法及び受信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電力需要の増加、地球環境問題の重視を背景に、クリーンで安全にしてかつ安定した電力供給設備の開発は急務となっている。このような要請に応じ、宇宙太陽光発電システムの考えが注目され研究開発が盛んに行われている。これは、宇宙空間において太陽光を受けて発電し、これを特定の場所、例えば地球上や宇宙空間内の特定個所に伝送するというシステムである。
【０００３】
このような宇宙太陽光発電システムの一例として、複数の発電衛星を宇宙空間の所定空間に静止させ、それぞれの発電衛星で太陽光を電力に変換（光電変換）し、これをマイクロ波で地上の特定個所に設けられた受信アンテナに送電するという方法が検討されている。
【０００４】
ここで、発電衛星を複数とし、一体型の発電衛星としないのは、その規模が超大型になり、実現性・信頼性の面から現実的ではないからである。複数の発電衛星で発電を分担させる場合、例えば、１００万ＫＷ相当の発電能力（現在の原子力発電所の規模）を想定すると、上記発電衛星は数１００機程度必要となる。一方、地上においては、送信されたマイクロ波は安全性を考慮して、そのエネルギー密度が小さく、広い範囲に照射される（エネルギー密度の規制値が法規上設定され、その値以下にしなければならない）。地上の電力基地は受信アンテナを数十ｋｍ四方相当のエリアに配列して、この照射されるマイクロ波を受信し、集積して大電力を生成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような宇宙太陽光発電システムにおけるマイクロ波の受信方法においては、宇宙空間に配置した複数の発電衛星からビーム状のマイクロ波を地上の受信アンテナに集中するようにしているが、同一の領域に上記複数のマイクロ波が送信されると、個々のマイクロ波のエネルギー密度は小さくても、電磁波の干渉により、局所的にエネルギー密度の規制値を越え、安全性が低下するという問題があった。また、受信アンテナにおいても、マイクロ波のエネルギーが一部に集中することとなり、受信アンテナの耐電力性を増加させなければならないという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、発電衛星からのビーム状のマイクロ波を受信アンテナの同一の領域に集中させることなく、ビーム毎にマイクロ波の受信位置を分散させることにより、受信アンテナ開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するマイクロ波の受信方法及び受信システムを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るマイクロ波の受信方法は、宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記発電衛星はビームの指向方向を制御し上記受信アンテナ上での上記各ビームの受信位置を分散することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたものである。
【０００８】
請求項２の発明に係るマイクロ波の受信方法は、宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記受信アンテナ上での上記マイクロ波の各ビームの受信小領域を分散して配置することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたものである。
【０００９】
請求項３の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域毎に対応する上記ビーム状のマイクロ波を受信するようにしたものである。
【００１０】
請求項４の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記発電衛星は、上記受信アンテナの開口面上の異なる受信小領域に上記ビームを指向するようにしたこものである。
【００１１】
請求項５の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域が上記発電衛星からのビームに対応づけられるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた各受信小領域に上記ビームを指向するようにしたものである。
【００１２】
請求項６の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記複数の受信小領域を第１の受信小領域とし、この第１の受信小領域の境界位置に第２の受信小領域を設けるようにしたものである。
【００１３】
請求項７の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上の各受信小領域の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記受信小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御するようにしたものである。
【００１４】
請求項８の発明に係るマイクロ波の受信システムは、ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面上に上記ビーム毎にその受信位置が設定されるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた受信位置に上記ビームを指向するようにしたものである。
【００１５】
請求項９の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上のビーム毎の受信位置は、開口面上に均一に配置されるようにしたものである。
【００１６】
請求項１０の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナ上の各ビームの受信位置の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御するようにしたものである。
【００１７】
請求項１１の発明に係るマイクロ波の受信システムは、上記受信アンテナは、複数の素子アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナとしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法及び受信システムを以下に説明する。図１は実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図である。図２、３、４は実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理を示す説明図である。図５は実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法による受信アンテナ上でのエネルギー分布を示す説明図である。
【００１９】
図１において、１は宇宙空間において太陽光から電気エネルギーを生成し、この電気エネルギーからマイクロ波を生成して送信する発電衛星であり、図示のとおり、これらの発電衛星は＃１から＃ｎまでの複数台を配置している。２は発電衛星１が送信するマイクロ波のビーム指向方向を制御する制御衛星である。３は電力基地４に設けられ、発電衛星１からのマイクロ波を受信する受信アンテナ（「レクテナ」ともいう。以下、受信アンテナと同義で用いる）である。４は受信したマイクロ波から電力を生成する電力基地である。５は電力基地４と制御衛星２との間で通信するための衛星通信アンテナである。
【００２０】
発電衛星１は、太陽光から変換した電気エネルギーをマイクロ波に変換し、これを電力基地４へ送信する。個々の発電衛星１が送出できるマイクロ波の電力は、各発電衛星における太陽光の集光能力と、光電変換やマイクロ波増幅能力により決まる。これらの発電衛星１を宇宙空間に複数台配置することにより大電力のマイクロ波を電力基地４へ送信することが可能となる。この発明は発電衛星１が個々に送信するマイクロ波のビームの指向方向を制御しレクテナ開口面の異なる位置で受信することにより、開口面上のマイクロ波のエネルギーの分布を平均化するようにしたものである。このように送信されたマイクロ波をレクテナ３によって受信し、電力基地４において低周波変換して電力として利用する。
【００２１】
電力基地４は地上に限らず、宇宙空間内の例えば月面や宇宙プラント施設などに設けられてもよい。電力基地４を地上に設ける場合、特に動植物環境や、電波妨害の観点から送信されるマイクロ波のエネルギー密度（単位面積あたりのエネルギー）を小さくする必要があり、したがって、レクテナ３は数十ｋｍ四方相当から数百ｋｍ四方相当の面積にも及ぶ場合もある。このような巨大なアンテナは、例えば特定サイズの素子アンテナでアレイ状に配置して形成するのが一般的である。したがって、電力基地４は、低周波変換機能に加えて、各アンテナあるいは、各アンテナ群からの受信マイクロ波を合成する合成機能をも有するようにしてもよい。
【００２２】
さらに図１において、電力基地４は衛星通信アンテナ５を有している。この衛星通信アンテナ５は制御衛星２に対してビーコン信号を送出する。制御衛星２は、このビーコン信号を捕捉することにより、各発電衛星のビームの指向方向を認識することができ、この方向へ発電衛星１からのマイクロ波が送出されるよう、各発電衛星１の送信マイクロ波のビーム指向方向を制御する。
【００２３】
つぎに、本発明におけるマイクロ波の受信方法の基本原理を説明する。本発明は、複数の発電衛星から独立に送出されるビーム状のマイクロ波を、レクテナ上で電磁波として干渉させずに受信するようにしたものである。そのためにレクテナ開口面を、空間的に分離され、各ビーム状のマイクロ波を独立して受信する「部分レクテナ」という複数の仮想的な受信小領域に分割している。レクテナ全体は、この部分レクテナを縦横に並べた集合として構成される。さらに各マイクロ波はインコヒーレント送信（各マイクロ波の位相が無相関）としている。このような構成とすることで、各ビーム状のマイクロ波はレクテナ上で干渉せず、局所的なエネルギー密度の増加を防止できる。また、レクテナ全体での受信エネルギーは、各部分レクテナで受信されるマイクロ波のエネルギーの単純和となる。
【００２４】
つぎに、部分レクテナについて詳細に説明する。部分レクテナは、広がりを持つビーム状のマイクロ波を十分に受信できるだけの大きさを必要とする。発電衛星１の送信アンテナの開口が有限であることから、送信マイクロ波のエネルギーの空間分布はビーム内で一様ではなく波状に変動している。この変動が、ビーム中心に位置するメインローブとそれに隣接するサイドローブとして現れる。例えば、送信アンテナが矩形開口の場合、ビームのエネルギーは、（ｓｉｎＸ／Ｘ）２（ここでＸは、ビーム放射角の関数である）なる関数で表される空間分布を持つこととなる。
【００２５】
部分レクテナでビーム状のマイクロ波のエネルギーを効率的に受信するためには、部分レクテナの開口径は、ビームのメインローブの他、サイドローブまでをカバーできる大きさが必要である（マイクロ波のビーム幅の数倍にする必要がある。）。上記例（送信アンテナが矩形開口）の場合、部分レクテナ内でビーム状のマイクロ波を有効に受信するためには、少なくともセカンドサイドローブまでは受信できる開口が必要となる。具体的には、上記（ｓｉｎＸ／Ｘ）２なる空間分布を有するビームの場合、３ｄｂビーム幅（メインローブピーク値の半分のエネルギー値となるビーム幅）の５倍の領域を部分レクテナの開口径とすることで、セカンドサイドローブ領域をカバーできる。マイクロ波のビームのエネルギーが集中する上記ビームの範囲を「有効ビーム径」と定義すると、上記部分レクテナ開口は有効ビーム径以上の大きさが必要となる。図２に上記３ｄｂビーム幅、有効ビーム径及び部分レクテナの開口径との関係を示す。発電衛星１の送信アンテナが正方形開口の場合、ビームの指向方向に垂直な断面形状は円形となるので、部分レクテナはこの円形のビームをカバーできる正方形とすればよい。実際の部分レクテナの開口径は、数ｋｍのオーダーとなる。以上が、部分レクテナの開口を決める基本的な考え方である。
【００２６】
つぎに、部分レクテナの集合であるレクテナについて詳細に説明する。図３はレクテナ３上のマイクロ波のビーム及び部分レクテナの配置の説明図である。本例では、マイクロ波のビーム数を１６個として説明する。図において、６はビーム状のマイクロ波の受信小領域としてレクテナ３の開口面上に仮想的に設定された正方形状の部分レクテナである。この部分レクテナは、各発電衛星からのビームのエネルギーを有効に受信するだけの広がりを有する。７は部分レクテナの中央に照射される円形断面形状を有するマイクロ波のビームである。図中の円の直径が「有効ビーム径」であり、この円内にマイクロ波のビームのエネルギーの主要部が集中している。ここでは説明を簡単にするため、ビーム断面形状は円形とし、部分レクテナの開口面形状は上記ビームをカバーできる正方形としている。また、レクテナ３の開口面形状も部分レクテナ６を縦横に碁盤目状に同数配置（４行４列）した正方形状の構成としている。図においては部分レクテナを重畳させず、平面状に配置している。このような部分レクテナの配置により、レクテナ上でのマイクロ波のビーム受信位置は分散化され、マイクロ波のエネルギー分布を平均化することができる。実際には、発電衛星１毎にビームの指向方向を制御し、各ビームの中心が部分レクテナの中心位置を指向するようにしている。
【００２７】
上記のとおり、レクテナ３は、部分レクテナ６をビーム状のマイクロ波の受信小領域とし、この受信小領域を縦横に並べることにより構成される。このように構成された、レクテナの口径は数十ｋｍから数百ｋｍのオーダーであり、複数の素子アンテナをアレイ状に配置したアレイアンテナにより構成するのが一般的である。実際にはレクテナの開口面形状は、アンテナ電気性能に基づく素子アンテナの配置条件、レクテナが設置される地形条件等により適宜決定されるものである。一般にはレクテナ形状は円形乃至矩形となる。図３では正方形としている。
【００２８】
上記のとおり、部分レクテナ６の大きさは受信するマイクロ波の有効ビーム径との関係で決定される。電磁波としての干渉低減を優先させれば、部分レクテナ口径は有効ビーム径より十分大きなものとする必要があるが、レクテナ全体も比例して巨大になり実現が困難となる。実際には、電波干渉の許容度等を考慮しつつトレードオフにより部分レクテナの大きさを決めることとなる。
【００２９】
上記説明では、各発電衛星１のマイクロ波は全てインコヒーレントで、各マイクロ波のビームは発電衛星毎に独立であり、発電衛星数のビームが形成されていた。一方、発電衛星１をいくつかのグループにわけ、そのグループの中では各マイクロ波を位相制御しコヒーレント送信とし、各グループ間ではインコヒーレントな関係とすることもできる。このようにすれば、グループ内の複数の発電衛星により等価的に大口径の送信アンテナが形成され、この大口径アンテナにより非常に幅の狭いビームを形成することができる（ビーム幅は、アンテナ開口径の逆数に比例する）。また、形成されるビーム数もグループ数となり少なくなる。その結果、部分レクテナの大きさを小さくすることが可能となるとともに、部分レクテナの数も少なくすることができ、レクテナ全体の大きさも小さくできる。
【００３０】
また、上記説明では、ビーム形状は円形としたが、送信アンテナ開口の形状によりビーム形状も楕円等の形状に変わる。このような場合には、部分レクテナの形状も正方形にこだわる必要はなく、ビーム形状に合わせた形状にすることが望ましいのは言うまでもない。
【００３１】
また、上記説明では、各部分レクテナは重畳せず平面配置したが、このような配置は電波干渉の低減という点では有効であるが、ビーム数だけ部分レクテナが必要となりレクテナ全体が大きくなってしまう。図４は、これを解決するためのレクテナ開口面上での部分レクテナの配置方法の説明図である。この方法では、隣接する４つの第１の部分レクテナ中央部（第１の部分レクテナの境界領域）に第２の部分レクテナを設けて、部分レクテナをピラミッド状に重畳配置（第１の部分レクテナを平面配置した碁盤目の９個所の格子点の位置に第２の部分レクテナを配置）している。この境界領域は対角線方向のビームの距離が離れているため、マイクロ波の干渉が比較的緩やかであるので、第２の部分レクテナを配置できる。図３に示す平面的な配置方法では１６個のビームしか分散配置できなかったが、図４に示すピラミッド状の重畳配置では同じ大きさのレクテナ開口上に２５個（第１の部分レクテナで受信するビーム１６個＋第２の部分レクテナで受信するビーム９個）のビームを分散配置できる。図５は、図４のレクテナ開口面で受信するマイクロ波のエネルギー分布を示す（図４の矢印のライン方向）。隣接するビームのメインローブが干渉しないので、電力のピークが既定値を超えるのを防ぐことができる。
【００３２】
つぎに、発電衛星１から送信されるビームの指向制御の方法について説明する。ビームの指向方向は、部分レクテナの位置に関する情報（例えば部分レクテナ中心位置の情報）に基づき制御される。地上の衛星通信アンテナ５は、上記位置情報をビーコン信号として制御衛星２に向け送信する。制御衛星２は、上記位置情報を適宜処理し発電衛星毎に指向制御データを生成し、各発電衛星１に向け送出する。各発電衛星１は、この指向制御データを用いてビームの指向方向を制御する。なお、上記説明では、制御衛星２を介して各発電衛星１は指向制御データを受信したが、各発電衛星１に直接に位置情報を送信しこの情報に基づき指向制御するようにしてもよい。各発電衛星がどの位置情報を用いるか（発電衛星と位置情報との対応）については、制御衛星側で判断しても、地上側（例えば電力基地４）で判断してもよい。地上側で判断する場合には、位置情報毎に発電衛星との対応関係を示すフラグを付けることになる。各発電衛星は、自分のフラグに対応する位置情報を受け取り、その情報に基づいてビームを指向制御する。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、宇宙空間における複数の発電衛星によって太陽光から変換された電気エネルギーをマイクロ波に変換して電力基地に送信し、電力基地によって電力を生成するマイクロ波の受信方法において、発電衛星からのビーム状のマイクロ波を受信アンテナの同一の領域に集中させることなく、ビーム毎にマイクロ波の受信位置を分散させるようにしたので、マイクロ波のエネルギーが一部に集中し、局所的にエネルギーが規制値を越え、安全性が低下するという危険を防止できる。また、受信アンテナの耐電力性の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る宇宙太陽光発電方法及びそのシステムに使用する装置の全体構成を示す外観図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、ビーム幅、有効ビーム径及び部分レクテナの開口径との関係を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、マイクロ波のビーム及び部分レクテナの配置方法の説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法の原理説明図であり、マイクロ波のビーム及び部分レクテナの他の配置方法の説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波の受信方法による受信アンテナ上でのエネルギー分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 発電衛星
２ 制御衛星
３ 受信アンテナ（レクテナ）
４ 電力基地
５ 衛星通信アンテナ
６ 第１の部分レクテナ
６ｂ 第２の部分レクテナ
７ ビーム。
Claims (11)
- 宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記発電衛星はビームの指向方向を制御し上記受信アンテナ上での上記各ビームの受信位置を分散することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信方法。
- 宇宙空間の複数の発電衛星から受信アンテナに向け送信される複数のビーム状のマイクロ波の受信方法において、上記受信アンテナ上での上記マイクロ波の各ビームの受信小領域を分散して配置することにより、受信アンテナの開口面上でのマイクロ波のエネルギー分布を平均化するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信方法。
- ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域毎に対応する上記ビーム状のマイクロ波を受信するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信システム。
- ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記発電衛星は、上記受信アンテナの開口面上の異なる受信小領域に上記ビームを指向するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信システム。
- ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面が複数の受信小領域に分割され、この受信小領域が上記発電衛星からのビームに対応づけられるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた各受信小領域に上記ビームを指向するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信システム。
- 上記複数の受信小領域を第１の受信小領域とし、この第１の受信小領域の境界位置に第２の受信小領域を設けたことを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波の受信システム。
- 上記受信アンテナ上の各受信小領域の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記受信小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載のマイクロ波の受信システム。
- ビーム状のマイクロ波を送信する複数の発電衛星と、この発電衛星からの複数のマイクロ波を受信する受信アンテナとを備えたマイクロ波の受信システムであって、上記受信アンテナは、その開口面上に上記ビーム毎にその受信位置が設定されるとともに、上記発電衛星は、上記対応づけられた受信位置に上記ビームを指向するようにしたことを特徴とするマイクロ波の受信システム。
- 上記受信アンテナ上のビーム毎の受信位置は、開口面上に均一に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波の受信システム。
- 上記受信アンテナ上の各ビームの受信位置の位置情報を送信する衛星通信手段を備え、上記複数の発電衛星は、上記小領域の位置情報に基づき上記ビームの指向を制御することを特徴とする請求項８乃至９のいずれか一項に記載のマイクロ波の受信システム。
- 上記受信アンテナは、複数の素子アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のマイクロ波の受信システム。
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