JP4195670B2

JP4195670B2 - 送信波の位相制御方法と装置

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Publication number: JP4195670B2
Application number: JP2004055201A
Authority: JP
Inventors: 慶一森下; 雅敏冨永; 健二飯塚; 克巳鬼頭; 弘藏橋本; 紘松本; 裕紀芝田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005245182A

Description

本発明は、送信波の位相制御方法と装置に関し、特に、宇宙空間に巨大な太陽電池パネルを広げ、発生した電力をマイクロ波で地上に送信するようにした宇宙太陽発電システムにおける、マイクロ波の位相制御方法と装置に関するものである。

宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ：ＪａｐａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＡｇｅｎｃｙ）や無人宇宙実験システム研究開発機構（ＵＳＥＦ：ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＵｎｍａｎｎｅｄＳｐａｃｅＥｐｅｒｉｍｅｎｔＦｒｅｅＦｌｙｅｒ）では、将来の化石燃料の枯渇に備えて太陽エネルギーの有効利用を目的に、宇宙空間に大型太陽電池パネルを設置し、得られた電力をマイクロ波やレーザ光に変換して地上に送るＳＳＰＳ（ＳｐａｃｅＳｏｌａｒＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ）構想を発表している。

これは、例えば、赤道上空３万６０００ｋｍの静止軌道上に、楕円形の大型ミラーと太陽電池パネルを有した宇宙エネルギー利用システムを打ち上げ、太陽光をこれらミラーで反射して太陽電池パネルに集光し、発電した電力をパネルの中でマイクロウェーブやレーザ光に変換して、地上に設けた受信用アンテナやレーザ光受光部に送り、電力などのエネルギーとして利用するもので、将来的には１００万ｋＷ級の発電を目指している。

このうち、マイクロ波を用いる宇宙太陽発電システムでは、図１１に示したように、数ｍ規模の多数のマイクロ波送電ユニット＃１−１、……＃ｎ−１、＃１−２、……＃ｎ−２、＃１−ｍ、……＃ｎ−ｍの集合体で、最大数ｋｍ×数ｋｍにもなるフェーズドアレイアンテナを軌道上に展開し、各送電ユニット＃ｎ−ｍからのマイクロ波を合成して、地上９０に設けられた受電設備（レクテナ）９１にマイクロ波ビーム９２として送電する。

この場合、合成ビーム９２を所望の方向に向けるためには、各送電ユニット＃ｎ−ｍで用いられるマイクロ波発生装置の原振の位相を揃えることが必要となり、しかも、各ユニット間の距離によって位相が変化するため、ユニット間の位相差を数度以内の高精度に計測することが不可欠である。しかしながらこれら各送電ユニット＃ｎ−ｍは、前記したように例えば数メートル以上の規模であり、大電力を送電するためには、数十台以上で協調動作して合成ビームを所望の方向に向ける必要があるが、軌道上に展開されているためマイクロ波ケーブルで接続することは極めて困難であり、ワイヤレスで各送電ユニット＃ｎ−ｍ間の位相同期をとることが必要となる。

このようなことに対処するため例えば特許文献１には、受信アンテナで制御衛星から受信した制御信号に含まれる位相を揃えるための基準信号でマイクロ波を生成し、発電衛星グループ内の各発電衛星が送信するマイクロ波の移相量を調整することが示され、また、特許文献２及び非特許文献１には、地上に設けられた複数の送電ユニットから、電力エネルギーとするためのマイクロ波を航空機に送るためにマイクロ波の位相を揃えるシステムが示されている。非特許文献１では、図１２に示したように、送信ビームの位相を９０度進めたり遅らせたりしたときの受電設備での受信振幅から、送信ビームの位相誤差を算出して位相を揃える技術が示されている。

この図１２において、送電設備２１における発振器１からのマイクロ波は、複数の送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎのうちの１つの送電ユニット、例えば＃１の移相器２_１に位相誤差算出処理回路１８から送られてくる、位相を９０度進めたり遅らせたりたりする信号により移相され、他の送電ユニット＃２、……＃ｎから送られるマイクロ波は移相されずに増幅器３１で増幅されて、アンテナ４_１から地上の受電設備２０に送られる。

地上の受電設備２０では、アンテナ５で受信したマイクロ波を検波器６で検波して直流電力７として出力すると共に、ハイパスフィルタ８で直流成分を取り除き、増幅器９で増幅したのち、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器１０でアナログ／デジタル（ＡＤ）変換する。そして処理回路１１により、次の処理を行う。

いま、位相補正を行う１台の送電ユニット（今の例では＃１）以外の全送電ユニットから送信されるビームの電界ベクトルをＲとすると、位相補正を行う１台の送電ユニット＃１から送信されるビームの電界ベクトルＡは、送電ユニット数から１をマイナスした逆数をｋ（送電ユニット数をｎとしたときに１／（ｎ−１）となる）、ｐを電界ベクトルＡとベクトルＲの位相誤差としたとき、
Ａ＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊｐ）
となる。

そして、１台の送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の位相を０度から９０度、２７０度に変化させた（遅らせた）ときの、その送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の電界ベクトルＡ’、Ａ’’は、それぞれ、
Ａ’＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊ（ｐ−９０°））
Ａ’’＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊ（ｐ−２７０°））
となり、受電設備２０が受信する合成ビームは、それぞれ、
Ｒ＋Ａ’＝Ｒ（（１＋ｋｓｉｎｐ）＋ｊｋｃｏｓｐ）
Ｒ＋Ａ’’＝Ｒ（（１−ｋｃｏｓｐ）＋ｊｋｓｉｎｐ）
となる。

このとき、送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎの数が多ければ、ｋ＜＜１であるから、

となる。そのためＬ、Ｘを定数として、受電設備２０が受けたマイクロ波の振幅を包絡線検波し、マイクロ波の位相を９０度遅らせたときの振幅から２７０遅らせたときの振幅を引いたものは、
２｜Ｒ｜Ｌｓｉｎｐ（＝Ｘｓｉｎｐ）
となる。

このうち、Ｘを送信マイクロ波の減衰分に比例した値とするとこれは送電ユニットから電力エネルギーとしてのマイクロ波を送る航空機までの距離の関数となるから、これの距離を高度計１２により取得し、ｓｉｎｐと共に変調回路１３で変調してデータ信号として送電設備２１に送り、復調回路１７で復調したのちａｒｃｔａｎｐを算出してｐを得れば、それが送電ユニット＃１から送られたマイクロ波の位相誤差ｐとなるから、該当する送電ユニット＃ｎの位相器２_ｎに指示して出力位相を−ｐだけ補正すれば全送電ユニットの位相に近付いた位相のマイクロ波を得ることができる。そのため、この処理を全ての送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎで繰り返し行い、収束させてゆくことで、全ての送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎから送出するマイクロ波の位相を揃えることができる。

特開２００２−９５１９０号公報ＵＳＰ５，７４２，２５３号公報ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＡＮＴＥＮＮＡＳＡＮＤＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９２Ｐ−１５６５ "ＡＳｅｌｆ−ＳｔｅｅｒｉｎｇＡｒｒａｙｆｏｒｔｈｅＳＨＡＲＰＭｉｃｒｏｗａｖｅ−ＰｏｗｅｒｅｄＡｉｒｃｒａｆｔ"

しかしながら、特許文献１に示された技術は、マイクロ波の生成に当たって受信アンテナで制御衛星から受信した制御信号に含まれる位相を揃えるための基準信号で位相を揃えており、この方法では、基準信号を発する制御衛星が必要であってそれだけ高価になる。また、特許文献２、非特許文献１に示された技術は、地上に設けられた送電ユニットから電力エネルギーとしてのマイクロ波を送る航空機までの距離Ｘを必要とするため高度計が必要であり、また、位相誤差が±９０度を超えると、ｓｉｎｐだけでは、ｐを±１８０度の範囲で計算できないために位相誤差の計算が出来なくなる。

そのため本発明においては、高度計などの距離を測定する機器を要せず、また、位相誤差の絶対値が±９０度を超えても位相誤差を算出できる送信波の位相制御方法と装置を提供することが課題である。

削除

上記課題を解決するため本発明の送信波の位相制御方法は、
送信波の位相を制御する移相器をそれぞれ有した複数の送信装置を備え、各送信装置から受信装置に送信する送信波の位相を揃える送信波の位相制御方法であって、
前記各送信装置は、各送信装置毎に異なる周期で同時に変化する位相変調手段を備えて前記送信波を位相変調して送信し、前記受信装置は、受信波に対するＩＱホモダイン処理と周波数解析による位相復調手段を備えて前記送信装置と受信装置の間の位相差を算出し、位相差を補正するようにしたことを特徴とする。

そして、前記複数の送信装置をグループ化し、一のグループにおける前記ホモダイン処理が終了したとき、次のグループにおける前記ホモダイン処理が始められるタイミングで位相変調された送信波を送り、このシーケンスを前記複数の送信装置のそれぞれの送信波の送信に適用して送信波の位相を揃えることを特徴とする。

削除

また、前記位相制御方法を実施する本発明の位相制御装置は、
送信波の位相を変調する位相変調手段と位相を制御する移相器とをそれぞれ有した複数の送信装置を備え、各送信装置から受信装置に送信する送信波の位相を揃える送信波の位相制御装置であって、
前記送信装置に備えられた、各送信装置毎に異なる周期で同時に変化する位相変調手段で変調された送信波を受信して、ＩＱホモダイン処理と周波数解析による位相復調手段を備えて、前記送信装置と受信装置の間の位相差を算出する処理手段と、該処理手段が算出した位相差を受け、前記送信装置に備えられた移相器に位相差を補正する指示を送出する手段とからなることを特徴とする。

削除

以上記載のごとく、本発明になる送信波の位相制御方法と装置は、送信波を位相変調して送信し、例えば受信波にＩＱホモダイン処理を行って２倍波成分と直流成分を除去し、フーリエ変換して得られた振幅をもとに送信装置と受信装置の間の位相差を算出して位相差を補正するようにしたから、従来装置のように基準信号を発する制御衛星や高度計などが不要でそれだけ安価に構成でき、また、位相誤差が±９０度を超えても位相誤差を計算できるから、どのようなシステムにも使える送信波の位相制御方法と装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第１実施例のブロック図、図２は受電設備が受けたマイクロ波の振幅を包絡線検波した結果（Ａ）と、直流成分を取り除いた結果（Ｂ）を示した図は、図３は第１実施例による位相制御方法の時間系列を示した図である。

図中１はマイクロ波の発振器、２_１、２_２、……２_ｎは位相誤差算出処理回路１８からの移相量指示に従って発振器１から送られてくるマイクロ波の位相を制御する移相器で、各送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎから送信するマイクロ波の位相を揃える本発明の送信波の位相制御方法を実施するときは、発振器１から送られてきたマイクロ波の位相を基準位相から順次約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に遅らせる。３_１、３_２、……３_ｎは図示しない太陽電池パネルからの電力を受けてマイクロ波を増幅する増幅器、４_１、４_２、……４_ｎはアンテナ、５は地上に設けられた受信アンテナ、６は受信アンテナ６で受けたマイクロ波を検波する検波器、７は検波器７によって得られた直流電力、８は検波出力中の高周波成分を通過させるハイパスフィルタ、９は増幅器、１０はアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器、１１はマイクロ波の位相を前記基準位相から順次約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に遅らせたときの結果からＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐ（ｐはマイクロ波の位相誤差、Ｘは定数）を算出する処理回路、１３は変調回路、１４は変調信号１９の送信用アンテナ、１６は変調信号１９の受信用アンテナ、１７は復調回路、１８は変調信号１９によって送られてきたＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐとからａｒｃｔａｎｐを計算し、送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎにおける対応する送電ユニットの移相器２_ｎに、位相誤差ｐ分の移相を指示する位相誤差算出処理回路、１９はＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐのデータ信号、２０は地上に設けられた受電設備（受信装置）、２１は宇宙に設けられた送電設備（送信装置）、３０は送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の位相を、前記基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階、３１はこの位相を変化させたマイクロ波をアンテナ４_１から地上の受電設備２０への送出、３２は測定、３３は前記したＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐの算出、３４は受電設備２０におけるアンテナ１４から送電設備２１のアンテナ１６へのデータ送信、３５は送電ユニット＃１におけるマイクロ波の位相補正である。

図１は、本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第１実施例のブロック図であり、宇宙に設けられた送電設備２１におけるマイクロ波の発振器１からのマイクロ波は、位相誤差算出処理回路１８により、前記図１１に＃１−１、……＃ｎ−１、＃１−２、……＃ｎ−２、＃１−ｍ、……＃ｎ−ｍで示したマイクロ波送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎの設置位置に対応した移相量を指示される移相器２_１、２_２、……２_ｎに送られ、位相が揃えられて、図示しない太陽電池パネルからの電力を受けてマイクロ波を増幅する増幅器３_１、３_２、……３_ｎによって増幅され、各アンテナ４_１、４_２、……４_ｎから地上に設けられた受電設備２０に送られる。そして地上の受電設備２０では、アンテナ５で受信されたマイクロ波を検波器６で検波し、直流電力７として外部に供給する。

そして、各送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎにおけるマイクロ波の位相制御は、次のようにしておこなう。

まず、位相誤差算出処理回路１８により、複数の送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎにおける１つの送電ユニット、例えば＃１の移相器２_１に、発振器１から送られてくるマイクロ波の位相を基準位相から、順次約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に進ませるよう指示を出す。そのため、この送電ユニット＃１におけるマイクロ波は、前記基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に移相されてアンテナ４_１から地上の受電設備２０に送られる。

地上の受電設備２０では、アンテナ５で受信したマイクロ波を検波器６で検波し、ハイパスフィルタ８で直流成分を取り除き、増幅器９で増幅したのち、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器１０でアナログ／デジタル（ＡＤ）変換する。そして処理回路１１により、約９０度遅らせたときの振幅から約２７０度遅らせたときの振幅を引いたものと、前記基準位相のときの振幅から約１８０度遅らせたときの振幅を引いたものに関する情報を、以下に述べるＸｓｉｎｐ、Ｘｃｏｓｐのデータとして作成し、そのデータを変調回路１３によって変調してアンテナ１４からデータ信号１９として送り出す。

こうして送り出されたデータ信号１９は、送電設備２１におけるアンテナ１６で受信されて復調回路１７で復調され、位相誤差算出処理回路１８によってＸｓｉｎｐ、Ｘｃｏｓｐのデータから、以下に述べる方法でａｒｃｔａｎｐを算出する演算がおこなわれて位相誤差ｐが算出され、それが位相器２_１に送られて、受電設備２０に送信されるマイクロ波の位相が制御される。このうち、処理回路１１、位相誤差算出処理回路１８で行われる処理は、次の通りである。

いま、位相補正を行う１台の送電ユニット（今の例では＃１）以外の全送電ユニットから送信されるビームの電界ベクトルをＲとすると、位相補正を行う１台の送電ユニット＃１から送信されるビームの電界ベクトルＡは、送電ユニット数から１をマイナスした逆数をｋ（送電ユニット数をｎとしたときに１／（ｎ−１）となる）、ｐを電界ベクトルＡとベクトルＲの位相誤差としたとき、
Ａ＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊｐ） …… （１）
となる。

そして、１台の送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の位相を基準位相（式（１）の状態）から９０度、１８０度、２７０度の４段階に変化させた（遅らせた）ときの、その送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の電界ベクトルＡ’、Ａ’’、Ａ’’’は、それぞれ、
Ａ＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊｐ） …… （１）
Ａ’＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊ（ｐ−９０°）） …… （２）
Ａ’’＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊ（ｐ−１８０°）） …… （３）
Ａ’’’＝Ｒｋｅｘｐ（−ｊ（ｐ−２７０°）） …… （４）
となり、受電設備２０が受信する合成ビームは、それぞれ、
Ｒ＋Ａ＝Ｒ（（１＋ｋｃｏｓｐ）−ｊｋｓｉｎｐ） …… （５）
Ｒ＋Ａ’＝Ｒ（（１＋ｋｓｉｎｐ）＋ｊｋｃｏｓｐ） …… （６）
Ｒ＋Ａ’’’＝Ｒ（（１−ｋｓｉｎｐ）＋ｊｋｃｏｓｐ） …… （７）
Ｒ＋Ａ’’＝Ｒ（（１−ｋｃｏｓｐ）＋ｊｋｓｉｎｐ） …… （８）
となる。

となる。

そのためＬを定数として、受電設備２０が受けたマイクロ波の振幅を包絡線検波すると、図２（Ａ）のようになり、さらに直流成分を取り除くと、図２（Ｂ）のようになる。そして、マイクロ波の位相を９０度遅らせたときの振幅から、２７０度遅らせたときの振幅を引いたものは、Ｘを定数とすると、
２｜Ｒ｜Ｌｓｉｎｐ（＝Ｘｓｉｎｐ） ………………………… （１３）
となり、同様に、前記基準位相の振幅から１８０度遅らせたときの振幅を引いたものは、
２｜Ｒ｜Ｌｃｏｓｐ（＝Ｘｃｏｓｐ） ………………………… （１４）
となる。

いま、
Ａ＝Ｘｓｉｎｐ
Ｂ＝Ｘｃｏｓｐ
とすると
Ｂ／Ａ＝（Ｘｃｏｓｐ）／（Ｘｓｉｎｐ）
＝ｔａｎｐ
であるから、Ｂ≧０のとき、
ｐ＝ｔａｎ^−１ｐ
Ｂ＜０、Ａ≧０のとき、
ｐ＝ｔａｎ^−１ｐ＋１８０°
Ｂ＜０、Ａ＜０のとき、
ｐ＝ｔａｎ^−１ｐ−１８０°
となり、Ｘの値を用いることなくマイクロ波の位相誤差ｐを算出することが可能となる。

そのため、この（１３）と（１４）におけるＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐとからａｒｃｔａｎｐを算出してｐを得れば、それが送電ユニット＃１から送られたマイクロ波の位相誤差ｐとなるから、該当する送電ユニット＃ｎの位相器２_ｎに指示して出力位相を−ｐだけ補正すれば全送電ユニットの位相に近付いた位相のマイクロ波を得ることができる。そのため、この処理を全ての送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎで繰り返し行い、収束させてゆくことで、全ての送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎから送出するマイクロ波の位相を揃えることができる。

図３は、例えば宇宙太陽発電システムが地上５００kmの所にあるとして以上述べてきた処理を時間系列で表した図であり、３０は送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の位相を、基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階、３１はこの位相を変化させたマイクロ波をアンテナ４_１から地上の受電設備２０への送出、３２は測定、３３は前記したＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐの算出、３４は受電設備２０におけるアンテナ１４から送電設備２１のアンテナ１６へのデータ送信、３５は送電ユニット＃１におけるマイクロ波の位相補正であり、それぞれの段階で、３０では０．５ｍｓ、３１では１．６６ｍｓ、３２では０．５ｍｓ、３３では０．５ｍｓ、３４では１．６６ｍｓ、３５では０．５ｍｓかかることを示している。そのため、前記したＳＳＰＳ構想による赤道上空３万６０００ｋｍの静止軌道上に宇宙太陽発電システムを設けた場合、マイクロ波の送信３１とデータ送信３４にはそれぞれ１２０ｍｓかかることになる。

なお、移相器等の特性により、約９０度遅らせたときの振幅から約２７０度遅らせたときの振幅を引いたものがＸｓｓｉｎｐ、前記基準位相ときの振幅から約１８０度遅らせたときの振幅を引いたものがＸｃｃｏｓｐとなり（Ｘｓ≠Ｘｃ）、ＸｓとＸｃの比率（Ｘｓ／Ｘｃ）が既知の場合は、ＸｃｃｏｓｐにＸｓ／Ｘｃを掛け合わせたものとＸｓｓｉｎｐとから、ａｒｃｔａｎｐを用いても良い。

このように送信波の位相制御装置を構成することにより、従来装置のように基準信号を発する制御衛星や高度計などが不要でそれだけ安価に構成でき、また、位相誤差が±９０度を超えても位相誤差を計算できるから、どのようなシステムにも使える送信波の位相制御方法と装置及び該装置を用いる宇宙太陽発電システムまたは測距装置を提供できる。

図４は、本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第２実施例のブロック図であり、図１と同一の構成要素には同一番号を付してある。図中３７は位相誤差算出処理回路、３８は位相誤差ｐのデータ、３９は位相誤差指示処理回路で、前記した第１実施例においては、送電設備２１における送電ユニットから受電設備２０に送られるマイクロ波の位相誤差ｐは、ＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐのデータ１９を送られた送電設備２１における位相誤差算出処理回路１８で算出したが、この第２実施例では、受電設備２０に位相誤差算出処理回路３７を置き、ここでＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐのデータを用いて位相誤差ｐを算出して３８として送るようにしたもので、送電設備２１には、この送られた位相誤差ｐのデータによって対応する送電ユニット＃ｎに位相誤差ｐの補正を指示する位相誤差指示処理回路３９が設けられる。

そのためこの第２実施例によれば、第１実施例では宇宙における送電設備２１で算出していた位相誤差ｐが、地上の受電設備２０における位相誤差算出処理回路３７で算出されるから、その位相誤差ｐを送られた送電設備２１は、単に位相誤差指示処理回路３９で移相器２_１、２_２、……２_ｎに補正する位相−ｐを指示するだけで済む。それ以外の動作は前記第１実施例と同様である。従って、送電設備２１に位相誤差算出処理回路３７を含ませる必要がないから、その分宇宙へ打ち上げる設備の軽量化を計ることができる。

図５は、本発明になる送信波の位相制御方法を実施する、宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの処理の第３実施例による送信波の位相制御の時間系列を示した図である。前記図１、または図４に示した第１、第２実施例においては図３に示したように、送電設備における送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎのマイクロ波の位相は、１つの送電ユニット＃１のマイクロ波の位相を揃える処理が終わった後に送電ユニット＃２のマイクロ波の位相を揃える処理を行い、その処理が終わった後に送電ユニット＃３のマイクロ波の位相を揃える処理を行うという具合に送電ユニット＃ｎ毎に処理を進めてきた。

しかしこの図５に示した第３実施例においては、図５（Ａ）に示したように、送電ユニット＃１から送信されるマイクロ波の位相を基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階３０が終了したら、送電ユニット＃１におけるアンテナ４_１から地上の受電設備２０への送出３１を実施すると共に、すぐに次の送電ユニット＃２から送信されるマイクロ波の位相を前記基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階３０を実施し、それも終了したら送電ユニット＃１の場合と同様、送電ユニット＃２におけるアンテナ４_１から地上の受電設備２０への送出３１を実施すると共に、すぐに次の送電ユニット＃３から送信されるマイクロ波の位相を前記基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階３０を実施する、という具合に連続的にマイクロ波の位相を前記基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階３０を実施するようにしたものである。

すなわち、送電設備２１と受電設備２０は、それが前記したようなＳＳＰＳ構想による赤道上空３万６０００ｋｍの静止軌道上に設けられた宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送電設備２１と、地上に設けられた受電設備２０である場合、両者の間におけるデータの送受にはそれぞれ１２０ｍｓかかることになり、前記図３に示したようなシーケンスで送信波の位相制御方法を実施すると、送電ユニットの数が多大な場合は長時間を要することになる。

ところが、地上の受電設備２０における検波器６、ハイパスフィルタ８、増幅器９、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器１０、変調回路１３などは単に信号が通過するだけであり、処理回路１１は前記したように演算処理に時間がかかるが高々０．５ｍｓで、送電設備２１と受電設備２０間のデータの送信時間１２０ｍｓに比べると微々たるものである。そのため図５（Ｂ）に示したように、１つの送電ユニットから送信されるマイクロ波の位相を基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度の４段階に変化させる段階３０が終了する毎に、次の送電ユニットにおける処理を実施して送信することにより、受電設備２０内の前記検波器６、ハイパスフィルタ８、増幅器９、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器１０、処理回路１１、変調回路１３は順次処理を実施でき、またこうしてデータを送られた送電ユニット内の復調回路１７、位相誤差算出処理回路１８、移相器２も全く同様であるから、少ない時間で全ての送電ユニットの位相を調節する作業が完了することになる。

図６は、本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第４実施例のブロック図である。前記第１乃至第３実施例においては、送電ユニットから送るマイクロ波の位相を基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度に遅らせて送信し、受電設備２０で約９０度遅らせたときの振幅から約２７０度遅らせたときの振幅を引いたデータと、前記基準位相のときの振幅から約１８０度遅らせたときの振幅を引いたデータとから送電ユニットにおける位相誤差ｐに関するＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐ（Ｘは定数）を算出し、そのＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐのデータからａｒｃｔａｎによって位相誤差ｐを算出して、位相誤差ｐを補正するようにしていた。しかしながらこの方法では、１度に１つの送電ユニットの位相調節しか行うことができない。そのためこの第４実施例においては、ＩＱホモダイン処理を用い、同時に複数の送電ユニットにおける位相調節をおこなえるようにするものである。

図中前記図１、図４と同じ構成要素には同一番号を付してあり、４１は位相変調器、４２はＩＱホモダイン回路、４３はバンドパスフィルタ、４４はアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器、４５は処理回路、４６は変調回路、４７はデータ信号、４８はアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器、４９は処理回路、５０は送電設備、５１は受電設備である。

この図６において、発振器１からのマイクロ波は、位相変調器４１で位相変調され、移相器２_１、２_２、……２_ｎに処理回路４９から設置位置に対応して指示される移相量で位相調節されて位相が揃えられ、図示しない太陽電池パネルからの電力を受けてマイクロ波を増幅する増幅器３_１、３_２、……３_ｎによって増幅される。そして各アンテナ４_１、４_２、……４_ｎから地上に設けられた受電設備５１に送られ、地上の受電設備５１では、アンテナ５で受信されたマイクロ波を検波器６で検波し、直流電力７として外部に供給する。

その後、以下に詳細に述べるように、ＩＱホモダイン回路４２に送られたマイクロ波はＩＱホモダイン処理が行われ、バンドパスフィルタ４３でキャリア波の２倍波成分、および直流成分が除去されて、処理回路４５によってＦＦＴ（高速フーリエ変換）したときの振幅をもとに送電ユニットと受電設備５１の間の位相差が計算される。そしてその位相差情報４７は、変調回路４６を介してアンテナ１４から送電設備５０のアンテナ１６に送られ、さらに復調回路１７、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器４８を介して処理回路４９から移相器２に送られて、各送電ユニットにおけるマイクロ波の位相が補正される。そして、この図６に示した第４実施例の送信波の位相制御方法は、次のようにして行う。

まず、各送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎに、固有位相変調周波数を割り当てる。今、説明を簡単にするため送電ユニットが２つの場合を考え、ｆ１、ｆ２を各ユニットの固有周波数、θ_１、θ_２をｆ１、ｆ２の位相、Ａ_１、Ａ_２を各ユニットから出力されるマイクロ波の振幅、φ_１、φ_２を送電ユニットと受電設備５０の基準信号の位相差、α_１、α_２を位相変調指数とすると、受電設備５０において、マイクロ波の波形は、
Ｅ＝Ａ_１ｃｏｓ（ωｔ＋φ_１＋α_１（ｃｏｓ（２πｆ１t＋θ_１）））
＋Ａ_２ｃｏｓ（ωｔ＋φ_２＋α_２（ｃｏｓ（２πｆ２t＋θ_２））） …（１５）
となる。

ここでこの式（１５）に受電設備５０に用意した基準信号（ｃｏｓωｔ）を掛け合わせると、式（１５）は、
Ｅ’＝Ａ_１／２｛ｃｏｓ（２ωｔ＋φ_１＋α_１（ｃｏｓ（２πｆ１ｔ＋θ_１）））
＋ｃｏｓ（φ_１＋φ_０＋α_１（ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）））｝
＋Ａ_２／２｛ｃｏｓ（２ωｔ＋φ_２＋α_２（ｃｏｓ（２πｆ２ｔ＋θ_２）））
＋ｃｏｓ（φ_２＋φ_０＋α_２（ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）））｝ …… （１６）
となる。

このうち、ローパスフィルタでマイクロ波周波数の２倍波の成分を含む項を取り除くとこの（１６）式は、
Ｅ’＝Ａ_１／２｛ｃｏｓ（φ_１＋α_１（ｃｏｓ（２πｆ１ｔ＋θ_１）））｝
＋Ａ_２／２｛ｃｏｓ（φ_２＋α_２（ｃｏｓ（２πｆ２ｔ＋θ_２）））｝（１７）
となり、位相変調指数α_１、α_２を十分小さくとると、
Ｅ’≒Ａ_１／２｛ｃｏｓφ_１−α_１ｓｉｎφ_１ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）｝
＋Ａ_２／２｛ｃｏｓφ_２−α_２ｓｉｎφ_２ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）｝…（１８）
となる。そして、ここで直流成分を除去すると、
Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｃｏｓ（２πｆ１ｔ＋θ_１）＋Ａ_２α_２ｓｉｎφ_２ｃｏｓ（２πｆ２ｔ＋θ_２）
＝Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｃｏｓθ_１ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）
−Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｓｉｎθ_１ｓｉｎ（２πｆ１ｔ）
＋Ａ_２α_２ｓｉｎφ_２ｃｏｓθ_２ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）
−Ａ_２α_２ｓｉｎφ_２ｓｉｎθ_２ｓｉｎ（２πｆ２ｔ） ……………… （１９）
となる。

またこれとは別に、受電設備５０の基準信号を９０度位相変化させた信号（ｓｉｎωｔ）を式（１５）に掛け合わせ、同様の処理を行うと、
＝Ａ_１α_１ｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１ｃｏｓ（２πｆ１ｔ）
−Ａ_１α_１ｃｏｓφ_１ｓｉｎθ_１ｓｉｎ（２πｆ１ｔ）
＋Ａ_２α_２ｃｏｓφ_２ｃｏｓθ_２ｃｏｓ（２πｆ２ｔ）
−Ａ_２α_２ｃｏｓφ_２ｓｉｎθ_２ｓｉｎ（２πｆ２ｔ） ……………… （２０）
となる。

そこで受電設備５０において、式（１９）と式（２０）の波形から別々にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施し、両者の振幅から、受電設備５０と送電ユニットの位相差を導き出す。例えば、ＦＦＴ結果の固有周波数ｆ１のｃｏｓ成分である、
Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｃｏｓθ_１ ………………………………………… （２１）
と、
Ａ_１α_１ｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１ ………………………………………… （２２）
から、ａｒｃｔａｎにより、送電ユニットと受電設備５０の位相差φ_１を求めることが出来る。同様に、ＦＦＴ結果の固有周波数ｆ１のｓｉｎ成分（−Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｓｉｎθ_１、−Ａ_１α_１ｃｏｓφ_１ｓｉｎθ_１）を用いても良いし、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の絶対値の大きい方を用いても良い。

そして他の送電ユニットについても、同様の操作を行うことで得られた値を、どの送電ユニットの情報かを示すヘッダを付けた上でデジタル化し、その情報をパイロット信号に変調をかけて位相誤差の情報をのせ、スペクトル拡散変調方式を用いて送電ユニット側に送信する。もしくは、
Ａ_１α_１ｓｉｎφ_１ｃｏｓθ_１、Ａ_２α_２ｓｉｎφ_２ｃｏｓθ_２ ……… （２３）
と、
Ａ_１α_１ｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１、Ａ_２α_２ｃｏｓφ_２ｃｏｓθ_２ ……… （２４）
に関する情報を、パイロット信号に変調をかけて位相誤差の情報をのせて送電ユニットに送信し、送電ユニット側でａｒｃｔａｎにより位相差φを計算してもよい。そして各送電ユニットでは、各自の位相差情報のみを取り出し、位相を制御する。このようにして位相を揃えることにより、送電ユニットのすべての基準信号は、受電装置側にある基準信号と同相になる。

なお、受電装置の基準信号（ｃｏｓωｔ）、基準信号を９０度位相変化させた信号（ｓｉｎωｔ）は、例えば受信したマイクロ波ビームからキャリア再生する、送電ユニットで基準信号を生成する過程で生じるＮ分の１の周波数のキャリア波を受電設備５０に送信し、受電設備５０でＮ逓倍することによってキャリア波を生成する、送電ユニットのマイクロ波ビームの生成のために用いているＰＬＬのリファレンスクロックを受電設備５０に送信し、受電設備５０ではこのリファレンスクロックを入力としたＰＬＬを構成し、生成するなどの方法を取ることができる。

図７は、この第４実施例の処理を時間系列で表した図であり、５３は送電設備５０の送電ユニットにおける位相変調器４１で位相変調され、移相器２_１、２_２、……２_ｎに処理回路４９から設置位置に対応して指示される移相量で位相調節されて位相が揃えられ、増幅器３_１、３_２、……３_ｎによって増幅されて受電設備５１へ送られるマイクロ波の送信、５４はＩＱホモダイン回路４２によって行われるマイクロ波の測定、５５はバンドパスフィルタ４３でキャリア波の２倍波成分、および直流成分が除去され、処理回路４５によってＦＦＴ（高速フーリエ変換）したときの振幅をもとにおこなう送電ユニットと受電設備５１の間の位相差φ１、φ２、……φｎの算出、５６は受電設備５１から送電設備５０へのデータ送信、５７は送電設備での位相補正（−φ１、−φ２、……−φｎ）であり、この図７からわかるとおり、すべての処理を平行して行うことができ、高速に位相誤差の補正を行うことができる。

図８はこの第４実施例に基づく第５実施例であり、前記した第４実施例は原理的には送電ユニットがいくつ有っても対応できるが、実際に使える周波数帯域には限りがあり、それに対処するため、送電ユニットをいくつかずつグループ化し、そのグループ毎に送電ユニットの位相を揃える制御をおこなうものである。

図中５０_１、５０_２は、それぞれ送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎを有するグループであり、このように多数有る送電ユニットを使える周波数帯域内の数でグループ化することにより、最初に５０_１のグループ内の送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎの位相制御を以上述べてきた方法で行ない、次に５０_２のグループ内の送電ユニット＃１、＃２、……＃ｎの位相制御を同様に行なうという具合にしてゆくことで、限られた周波数を用いて効率的な送信波の位相制御を行うことができる。

図９は前記第４実施例に基づく第６実施例であり、図８に示した第５実施例の方法を更に効率的におこなえるようにしたもので、送電ユニットをいくつかずつグループ化し、そのグループ毎に送電ユニットの位相を揃える制御をおこなうようにした点は前記第５実施例と同じである。ただ、第５実施例においては、１つのグループ、例えば５０_１のグループの処理が全て終わってから次のグループ、例えば５０_２のグループの処理をおこなうようにしていたのに対し、この第６実施例においては、１つのグループ、例えば５０_１のグループにおける前記５３の送電ユニットの位相変調器４１による位相変調、移相器２による位相調節、増幅器３による増幅、受電設備５１への送信が済み、５４のＩＱホモダイン回路４２によるマイクロ波の測定が終了したら、そのタイミングで次のグループ、例えば５０_２のグループの測定５４が始められるように前記５３の送電ユニットの位相変調器４１による位相変調、移相器２による位相調節、増幅器３による増幅、受電設備５１への送信を行うもので、このようにすることにより、１つのグループの処理が終わる前に次のグループの処理を始められるから、効率的に位相制御をおこなうことができる。

図１０は、以上述べてきた本発明の第６実施例の送信波の位相制御方法で得られる位相誤差φが、送電設備から受電設備までの距離によるものであることを利用し、送電設備から受電設備までの距離を測定する電波測距に応用した場合のブロック図であり、（Ａ）は例えば送信装置から電波を受信装置に送信することで送信位置から受信位置までの距離を算出するもの、（Ｂ）は例えば送信装置から電波を受信装置に送信し、受信装置で変調して送信装置に返し、送信装置で受信装置までの距離を算出する場合のブロック図である。図中７０は発振器、７１は位相変調器、７２は移相器、７３は増幅器、７４は送信アンテナ、７５はデータ信号、７６は受信アンテナ、７７はＩＱホモダイン回路、７８はバンドパスフィルタ、７９はアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器、８０は処理回路、８１は距離データ、８２、８３はサーキュレータ、８４は変調回路、８５は送信データ、８６は返信データ、８７は距離データである。

この図１０に示した電波測距における動作は、前記第６実施例の説明で述べたものと同じであり、まず図１０（Ａ）の例えば送信装置から電波を受信装置に送信することで送信位置から受信位置までの距離を算出する場合、発振器７０からのマイクロ波は、位相変調器７１で位相変調され、移相器７２で位相調節されて増幅器７３によって増幅される。そしてアンテナ７４から受信装置に送られる。

受信装置では、送られてきたマイクロ波をアンテナ７６で受信し、ＩＱホモダイン回路７７でＩＱホモダイン処理が行われ、バンドパスフィルタ７８でキャリア波の２倍波成分、および直流成分が除去される。そしてアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器７９から処理回路８０に送られ、この処理回路８０で行われるＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって得られた振幅をもとに、送信装置と受信装置の間の位相差φ_１８１が計算される。そしてこの位相差φ_１８１により、送信装置と受信装置の間の距離を算出するわけである。

一方、図１０（Ｂ）に示した例えば送信装置から受信装置を地上に送信し、受信装置で変調して送信装置に返し、送信装置で受信装置までの距離を算出する場合のブロック図においては、発振器７０からのマイクロ波は移相器７２によって移相された後、増幅器７３によって増幅されてサーキュレータ８２を介してアンテナ７４から受信装置に送られる。

受信装置では、送られてきたマイクロ波をアンテナ７６で受信し、サーキュレータ８３を介して変調回路８４で変調し、もう一度サーキュレータ８３を介してアンテナ７６から信号を送信装置に送り返す。するとその信号は、アンテナ７４で受信され、サーキュレータ７４を介してＩＱホモダイン回路７７に送られ、ＩＱホモダイン処理が行われてバンドパスフィルタ７８でキャリア波の２倍波成分、および直流成分が除去される。そしてアナログ／デジタル（ＡＤ）変換器７９から処理回路８０に送られ、この処理回路８０で行われるＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって得られた振幅をもとに、送信装置と受信装置の間の位相差２φ_１８７が計算される。そしてこの位相差２φ_１８７により、送信装置と受信装置の間の距離を算出するわけである。

以上種々述べてきたように本発明になる送信波の位相制御方法と装置は、送信波を移相器で基準位相から約９０度、約１８０度、約２７０度に遅らせて送信し、約９０度遅らせたときの振幅から約２７０度遅らせたときの振幅を引いたデータと、前記基準位相のときの振幅から約１８０度遅らせたときの振幅を引いたデータとから送信装置における位相誤差ｐに関するＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐ（Ｘは定数）を算出し、該ＸｓｉｎｐとＸｃｏｓｐのデータからａｒｃｔａｎによって位相誤差ｐを算出して前記移相器により位相誤差ｐを補正するようにしたから、従来装置のように基準信号を発する制御衛星や高度計などが不要でそれだけ安価に構成でき、また、位相誤差が±９０度を超えても位相誤差を計算できるから、どのようなシステムにも使える送信波の位相制御方法と装置を提供できる。

また同様に、本発明になる送信波の位相制御方法と装置は、送信波を位相変調して送信し、受信波にＩＱホモダイン処理を行って２倍波成分と直流成分を除去し、フーリエ変換して得られた振幅をもとに送信装置と受信装置の間の位相差を算出して位相差を補正するようにしたから、従来装置のように基準信号を発する制御衛星や高度計などが不要でそれだけ安価に構成でき、また、位相誤差が±９０度を超えても位相誤差を計算できるから、どのようなシステムにも使える送信波の位相制御方法と装置を提供できる。

なお、以上の説明では、本発明を宇宙太陽発電システムに適用した場合を説明してきたが、本発明はこういった宇宙太陽発電システム以外の遠距離におけるマイクロ波の送信などにも応用できることは自明である。

本発明によれば、基準信号を発する制御衛星や高度計などが不要でそれだけ安価に構成でき、また、位相誤差が±９０度を超えても位相誤差を計算できる送信波の位相制御方法と装置を提供できる。

本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第１実施例のブロック図である。受電設備が受けたマイクロ波の振幅を包絡線検波した結果（Ａ）と、直流成分を取り除いた結果（Ｂ）を示した図である。第１実施例による送信波の位相制御の時間系列を示した図である。本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第２実施例のブロック図である。第３実施例による送信波の位相制御の時間系列を示した図である。本発明になる送信波の位相制御方法を実施する宇宙太陽発電システムにおけるマイクロ波の送受信システムの第４実施例のブロック図である。第４実施例の送信波の位相制御処理を時間系列で表した図である。第５実施例の送信波の位相制御処理を時間系列で表した図である。第６実施例の送信波の位相制御処理を時間系列で表した図である。本発明を、電波測距に応用した場合のブロック図である。マイクロ波を用いる宇宙太陽発電システムで用いるフェーズドアレイアンテナと受電設備（レクテナ）の概略構成図である。地上に設けられた複数の送電ユニットから、電力エネルギーとするためのマイクロ波を航空機に送るためにマイクロ波の位相を揃えるシステムの構成図である。

符号の説明

１マイクロ波発振器
２_１、２_２、……２_ｎ移相器
３_１、３_２、……３_ｎ増幅器
４_１、４_２、……４_ｎアンテナ
５受信アンテナ
６検波器
７直流電力
８ハイパスフィルタ
９増幅器
１０アナログ／デジタル（ＡＤ）変換器
１１処理回路
１２高度計
１３変調回路
１４送信用アンテナ
１５データ信号
１６受信用アンテナ
１７復調回路
１８位相誤差算出処理回路
１９データ信号
２０受電設備
２１送電設備

Claims

送信波の位相を制御する移相器をそれぞれ有した複数の送信装置を備え、各送信装置から受信装置に送信する送信波の位相を揃える送信波の位相制御方法であって、
前記各送信装置は、各送信装置毎に異なる周期で同時に変化する位相変調手段を備えて前記送信波を位相変調して送信し、前記受信装置は、受信波に対するＩＱホモダイン処理と周波数解析による位相復調手段を備えて前記送信装置と受信装置の間の位相差を算出し、位相差を補正するようにしたことを特徴とする送信波の位相制御方法。
前記複数の送信装置をグループ化し、一のグループにおける前記ホモダイン処理が終了したとき、次のグループにおける前記ホモダイン処理が始められるタイミングで位相変調された送信波を送り、このシーケンスを前記複数の送信装置のそれぞれの送信波の送信に適用して送信波の位相を揃えることを特徴とする請求項１に記載した送信波の位相制御方法。
送信波の位相を変調する位相変調手段と位相を制御する移相器とをそれぞれ有した複数の送信装置を備え、各送信装置から受信装置に送信する送信波の位相を揃える送信波の位相制御装置であって、
前記送信装置に備えられた、各送信装置毎に異なる周期で同時に変化する位相変調手段で変調された送信波を受信して、ＩＱホモダイン処理と周波数解析による位相復調手段を備えて、前記送信装置と受信装置の間の位相差を算出する処理手段と、該処理手段が算出した位相差を受け、前記送信装置に備えられた移相器に位相差を補正する指示を送出する手段とからなることを特徴とする送信波の位相制御装置。