JP4827060B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに係り、特に、宇宙太陽発電システムにおける送電用のアンテナの発明に関する。

宇宙太陽発電システム（Ｓｐａｃｅ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ：ＳＳＰＳ）を実現する技術として、高効率なマイクロ波送電のための導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われている。ＳＳＰＳは、地球周回軌道上に配置された直径数Ｋｍの超大型フェイズドアレイ（アンテナ素子数：数十億）を使用して、同じく地球周回軌道上の太陽電池パネルで発電された電力を地上の受信局にマイクロ波送電しようとするものである。このシステムを成立させるためには、高精度なビーム制御、送電部の高効率化（太陽電池を除く総合効率８０％以上）、および送電システム重量の最小化（数ｇ／Ｗ）といった複数の要求規格を満たすことが必要である。

特に送電部を高効率化するためには、太陽電池パネルで発電された電力がアクティブフェーズドアレイアンテナにより地上に送信されるに際して、太陽電池パネル給電部からアクティブフェーズドアレイアンテナ給電部に高効率に電力分配して供給することが必要である。こうした必要性により、特に電力分配部の低損失化および薄型化を実現する導波管スロット給電アクティブ集積アンテナの開発が行われてきた。

上記に関連して、特許文献１（特願２００４−１６０２７２）には、電力分配器と、この電力分配器を用いた集積アンテナと、この集積アンテナを用いた宇宙太陽発電システムとに関する発明が開示されている。
特許文献１発明の電力分配器は、マイクロストリップラインと、ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管とを具備する。導波管の電界方向に垂直な管壁にスロットが設けられ、スロット上にマイクロストリップラインが配置されている。導波管の特性インピーダンスは導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることによりマイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合される。また、特許文献１発明の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナは、上記電力分配器と、電力分配器に備わるマイクロストリップライン上に接続される移相器と、マイクロストリップラインの出力端に接続される薄膜アンテナとを備える。

また、特許文献２（特願２００５−３２５１３０）には、電力分配器と、この電力分配器を用いた集積アンテナと、この集積アンテナを用いた宇宙太陽発電システムとに関する発明が開示されている。特許文献２発明は、特許文献１発明の電力分配器に遮蔽部を追加した改良版である。
特許文献２発明の電力分配器は、マイクロストリップラインと、ＴＥ１０モードを有し、一端を短絡終端とした方形導波管と、遮蔽部とを具備する。方形導波管の電界方向に垂直な管壁にスロットが設けられ、スロット上にマイクロストリップラインが載置されている。ここで、遮蔽部は、スロットの開口部からマイクロストリップライン載置側空間に電力が漏洩しないようにスロットの開口部に対して閉空間を形成するように配設されている。方形導波管の特性インピーダンスは方形導波管のＥ面寸法およびＨ面寸法が調整されることにより前記マイクロストリップラインの特性インピーダンスに整合される。また、特許文献２発明の導波管スロット給電アクティブ集積アンテナは、上記電力分配器と、電力分配器に備わるマイクロストリップライン上に接続される移相器と、マイクロストリップラインの出力端に接続される薄膜アンテナとを備える。

特願２００４−１６０２７２ 特願２００５−３２５１３０

特許文献１発明における導波管スロットからの電力漏洩を防ぐために、特許文献２発明では遮蔽部を設置した。その結果、送電効率はほぼ１００％にまで達した反面、追加された遮蔽部の質量の分だけ送電システム重量の最小化（数ｇ／Ｗ）の面で不利になってしまう。

本発明の目的は、送電効率の向上と軽量化が両立された、送電アンテナの提供である。

以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるアンテナは、方形導波管（４１）と、スロット（４５）と、マイクロストリップライン（１０１）と、パッチアンテナ（１０４）と、移相器（１０２）とを具備する。ここで、方形導波管（４１）は、ＴＥ１０モードを有し、一端が終端面である。スロット（４５）は、方形導波管（４１）の電界方向に垂直な管壁に設けられている。マイクロストリップライン（１０１）は、スロット（４５）に電磁結合されている。パッチアンテナ（１０４）は、マイクロストリップライン（１０１）に接続されている。移相器（１０２）は、スロット（４５）とマイクロストリップライン（１０１）との間の、マイクロストリップライン（１０１）上に設けられている。また、スロット（４５）から漏洩される電磁波の偏波方向と、パッチアンテナ（１０４）が放射する電磁波の偏波方向とが直交するように、スロット（４５）から出力される電磁波がパッチアンテナ（１０４）に伝達されるまでに偏波方向を変えられることで、スロット（４５）から漏洩される電磁波がパッチアンテナ（１０４）から放射される電磁波に干渉しない。

本発明によるアンテナは、移相器（１０２）に接続されて、移相器（１０２）がずらす位相の角度を制御する制御部（１０５）をさらに具備する。

本発明によるアンテナは、移相器（１０２）とパッチアンテナ（１０４）との間の、マイクロストリップライン（１０１）上に設けられた後段アンプ（１０３）をさらに具備する。後段アンプ（１０３）は、移相器（１０２）から出力された交流電力を増幅してパッチアンテナ（１０４）に向けて出力する。制御部（１０５）は、後段アンプ（１０３）の増幅動作をさらに制御する。

本発明のアンテナにおいて、パッチアンテナ（１０４）は、導波管（４１）の電界方向に垂直な管壁上に重なって配置されている。

本発明のアレイアンテナは、複数の方形導波管（４１）と、複数のスロット（４５）と、複数のマイクロストリップライン（１０１）と、複数のパッチアンテナ（１０４）と、複数の移相器（１０２）とを具備する。ここで、複数の方形導波管（４１）は、それぞれにＴＥ１０モードを有し、それぞれの一端が終端面である。複数のスロット（４５）は、複数の方形導波管（４１）の電界方向に垂直な管壁に設けられている。複数のマイクロストリップライン（１０１）は、複数のスロット（４５）にそれぞれ電磁結合されている。複数のパッチアンテナ（１０４）は、複数のマイクロストリップライン（１０１）にそれぞれ接続されている。複数の移相器（１０２）は、複数のスロット（４５）のそれぞれと複数のマイクロストリップライン（４３）のそれぞれとの間の、複数のマイクロストリップライン（１０１）上にそれぞれ設けられている。また、複数のスロット（４５）から漏洩される電磁波の偏波方向と、複数のパッチアンテナ（１０４）が放射する電磁波の偏波方向とが直交するように、複数のスロット（４５）から出力される電磁波が複数のパッチアンテナ（１０４）に伝達されるまでに偏波方向を変えられることで、複数のスロット（４５）から漏洩される電磁波が複数のパッチアンテナ（１０４）から放射される前記電磁波に干渉しない。

本発明によるアレイアンテナは、複数の移相器（１０２）に接続されて、複数の移相器（１０２）のそれぞれがずらす複数の位相の角度を制御する制御部（１０５）をさらに具備する。

本発明によるアレイアンテナは、複数の移相器（１０２）のそれぞれと複数のパッチアンテナ（１０４）のそれぞれとの間の、複数のマイクロストリップライン（１０１）上にそれぞれ設けられた複数の後段アンプ（１０３）をさらに具備する。複数の後段アンプ（１０３）は、複数の移相器（１０２）から出力された交流電力をそれぞれ増幅して複数のパッチアンテナ（１０４）に向けてそれぞれ出力する。制御部（１０５）は、複数の後段アンプ（１０３）の増幅動作をさらに制御する。

本発明によるアレイアンテナにおいて、複数の導波管（４１）は、長さが同一で、終端面が同一平面に含まれ、複数のスロット（４５）が設けられた面が同一平面に含まれ、複数のパッチアンテナ（１０４）は、規則的に配置されている。

本発明のアレイアンテナにおいて、複数のパッチアンテナ（１０４）は、それぞれ接続されている導波管（４１）の電界方向に垂直な管壁上に重なって配置されている。

本発明による宇宙太陽発電システム（８４）は、マイクロ波送電ユニット（８２）を具備する衛星本体（８０）と、衛星本体（８０）がマイクロ波として送信する電力を受信する受信局とを具備する。ここで、マイクロ波送電ユニット（８２）は、太陽電池（８１）と、太陽電池（８１）が発電した電力を受信局に向けてマイクロ波として送信するアレイアンテナ（８３）とを具備する。

本発明による宇宙太陽発電システム（８４）において、衛星本体（８０）は、バス機器をさらに具備する。バス機器は、衛星の姿勢を制御する姿勢制御部と、衛星の電力を制御する電力制御部と、衛星と地上局との通信を制御する通信制御部とを具備する。

本発明による宇宙太陽発電システム（８４）において、受信局は、地球上に設置されている。

本発明による宇宙太陽発電システム（８４）において、受信局は、軌道上に配置されている任意の宇宙機器である。

本発明による宇宙太陽発電方法は、（ａ）パッチアンテナ（１０４）が、スロット（４５）からの漏洩電磁波との干渉による送電効率の低下を防ぐために、漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、（ｂ）導波管（４１）が、スロット（４５）を介して、交流電力を、スロット（４５）に電磁接続されたマイクロストリップライン（１０１）に伝達することと、（ｃ）スロット（４５）から漏洩される電磁波の偏波方向と、パッチアンテナ（１０４）が放射する電磁波の偏波方向とが直交することで、スロット（４５）から漏洩される電磁波がパッチアンテナ（１０４）から放射される電磁波に干渉しないように、スロット（４５）から出力される交流電力がパッチアンテナ（１０４）に伝達されるまでに偏波方向を調整することと、（ｄ）パッチアンテナ（１０４）が、スロット（４５）からの漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、（ｅ）受信局が、送電用電磁波を受信することとを具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法において、ステップ（ｂ）は、（ｂ−１）太陽電池（８１）が、太陽光を受けて、直流電力を出力することと、（ｂ−２）マグネトロン（１００）が、太陽電池（８１）から直流電力を入力されて、交流電力に変換して出力することと、（ｂ−３）導波管（４１）が、マグネトロン（１００）から交流電力を入力されることと、（ｂ−４）スロット（４５）が、交流電力の一部を漏洩させて漏洩電磁波を放射することとを具備する。また、ステップ（ｃ）は、（ｃ−１）移相器（１０２）が、制御部（１０５）の制御に応じて交流電力の位相をずらすことを具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法において、ステップ（ｃ）は、（ｃ−２）交流電力において、マイクロストリップライン（１０１）と、移相器（１０２）とを介してスロット（４５）からパッチアンテナ（１０４）に伝達される間に、偏波方向が９０度回ることをさらに具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法において、ステップ（ｃ）は、（ｃ−３）交流電力において、マイクロストリップライン（１０１）と、移相器（１０２）と、後段アンプ（１０３）とを介してスロット（４５）からパッチアンテナ（１０４）に伝達される間に、偏波方向が９０度回ることと、（ｃ−４）後段アンプ（１０３）が、制御部（１０５）の制御に応じて、交流電力を増幅することとをさらに具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法は、（ｆ）アレイアンテナ（８３）に含まれる複数のパッチアンテナ（１０４）が、複数のスロット（４５）からの漏洩電磁波との干渉による送電効率の低下を防ぐために、漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、（ｇ）複数の導波管（４１）が、複数のスロット（４）９を介して、交流電力を、複数のスロット（４５）にそれぞれ電磁接続された複数のマイクロストリップライン（１０１）に伝達することと、（ｈ）複数のスロット（４５）から漏洩される電磁波の偏波方向と、複数のパッチアンテナ（１０４）が放射する電磁波の偏波方向とが直交することで、複数のスロット（４５）から漏洩される電磁波が複数のパッチアンテナ（１０４）から放射される電磁波に干渉しないように、複数のスロット（４５）から出力される交流電力が複数のパッチアンテナ（１０４）に伝達されるまでに偏波方向を調整することと、（ｉ）複数のパッチアンテナ（１０４）が、複数のスロット（４５）からの漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、（ｊ）受信局が、送電用電磁波を受信することとを具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法において、ステップ（ｇ）は、（ｇ−１）太陽電池（８１）が、太陽光を受けて、直流電力を出力することと、（ｇ−２）複数のマグネトロン（１００）が、太陽電池（８１）から直流電力を入力されて、交流電力に変換して出力することと、（ｇ−３）複数の導波管（４１）がそれぞれ、複数のマグネトロン（１００）から交流電力を入力されることと、（ｇ−４）複数のスロット（４５）が、交流電力の一部を漏洩させて漏洩電磁波を放射することとを具備する。ステップ（ｈ）は、（ｈ−１）複数の移相器（１０２）が、制御部（１０５）の制御に応じて交流電力の位相をずらして、アレイアンテナ（８３）全体からの電磁波放射方向を制御することを具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法方法において、ステップ（ｈ）は、（ｈ−２）交流電力において、複数のマイクロストリップライン（１０１）と、複数の移相器（１０２）とを介して複数のスロット（４５）から複数のパッチアンテナ（１０４）に伝達される間に、偏波方向が９０度回ることをさらに具備する。

本発明による宇宙太陽発電方法において、ステップ（ｈ）は、（ｈ−３）交流電力において、複数のマイクロストリップライン（１０１）と、複数の移相器（１０２）と、複数の後段アンプ（１０３）とを介して複数のスロット（４５）から複数のパッチアンテナ（１０４）に伝達される間に、偏波方向が９０度回ることと、（ｈ−４）複数の後段アンプ（１０３）が、制御部の制御に応じて、交流電力を増幅することとをさらに具備する。

本発明の送電アンテナは、従来の漏洩電力は抑制せずに、漏洩電磁波による送電用電磁波への干渉を防ぐことによって、送電効率の低下を防ぐ。このとき、従来の電力分配器と比べて遮蔽部を追加するなどして質量を増加させる必要が無い。したがって、送電部の高効率化（太陽電池を除く総合効率８０％以上）および送電システム重量の最小化（数ｇ／Ｗ）の両方が改善される。

また、本発明の送電アンテナは、特許文献２発明における遮蔽部のようなパーツを追加する必要が無いので、その分だけ破損や故障の危険が少ない。

添付図面を参照して、本発明による送電アンテナを実施するための最良の形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態における送電アンテナの説明をする前に、まずは従来の送電アンテナについて、特に従来の送電アンテナと、本実施形態の送電アンテナとで共通に用いられる電力分配器について説明する。
図１は、従来の送電アンテナと、本実施形態の送電アンテナとで共通に用いられる電力分配器の構成図である。
本実施の形態の導波管スロット結合を用いた電力分配器は、ＴＥ１０モードを有し、一端を終端面とした方形導波管４１と、サブストレート４２とマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）とを有するマイクロストリップラインとを備えている。導波管４１の電界方向に垂直な管壁にスロット１（４５）およびスロット２（４６）が設けられている。スロット１（４５）およびスロット２（４６）の長さ方向の中心にマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）が垂直向きに配置されている。

導波管４１の開口端より入力されて電力を供給するマイクロ波は、導波管の磁界方向に伝播して進行し、スロット１（４５）およびスロット２（４６）へ分配されて導波管４１外部へと放射される。スロット１（４５）およびスロット２（４６）上には、マイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）が配置されていて、スロット１（４５）およびスロット２（４６）から放射されるマイクロ波はマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）に電磁結合されてマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）に沿って伝播される。

本実施の形態に係わる導波管スロット結合を用いた電力分配器には、国際基準に定義されるＴＥ１０モード導波管を用いても良いが、次のような変更をされることが望ましい。すなわち、導波管４１とマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）との結合度を高めるために、導波管４１の特性インピーダンスはマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）の特性インピーダンスに整合されるよう寸法に設定される。このために、導波管４１のＨ面の寸法とＥ面の寸法とが、国際基準の２対１から変更されて、電界方向に平行であるＥ面の電界方向の寸法が際立って短い。

また、本実施形態では、スロット１（４５）およびスロット２（４６）の中心にマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）が各々配置されている。これは、最もインピーダンスが高いスロット中心位置で導波管４１とマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）とのインピーダンス整合が取られることにより、導波管４１からスロット１（４５）およびスロット２（４６）を介して空間に放射される電力の大部分がマイクロストリップライン１（４３）およびマイクロストリップライン２（４４）に結合するからである。

本実施形態においては、導波管４１のサイズを設計パラメータに加えて、導波管４１の寸法を従来の国際規格寸法から変更し、マイクロストリップライン４３，４４の特性インピーダンスと導波管４１の特性インピーダンスを整合させる。このことにより、広い周波数帯域に渡り９０％以上の高結合度を有した電力分配器を実現させることができる。

また、電力入力部に導波管４１を使用することにより、マグネトロンや進行波管（ＴＷＴ）などにより生成された大電力のマイクロ波の入力にも十分に耐え得る電力分配器とすることができる。さらに、導波管の加工精度の範囲において、高周波のマイクロ波への対応もできる。

この他にも、電力分配器としてのサイズが導波管サイズに厚さ１ｍｍ程度以下のサブストレート４２を装荷しただけの構造であるため、非常に小型軽量にすることができると共に、構造がシンプルであるため、容易に多分配構造に発展させることができる。

次に、従来の送電アンテナについて説明する。
図２は、従来の送電アンテナの構成図である。従来の送電アンテナは、マグネトロン１００と、図１の電力分配器（４１、４２、４３、４５）と、移相器１０２と、パッチアンテナ１０４と、図示されない制御部１０５とを具備している。さらに、後段アンプ１０３が具備されていても良い。ここで、電力分配器は、上述したとおり、導波管４１と、導波管４１に設けられたスロット４５と、サブストレート４２と、サブストレート４２に設けられたマイクロストリップライン４３とを具備している。なお、パッチアンテナ１０４もサブストレート４２に設けられていることが望ましい。

マグネトロン１００は、導波管４１に接続されている。導波管４１にはスロット４５が設けられている。導波管４１にはさらにサブストレート４２が接続されている。サブストレート４２にはマイクロストリップライン４３が設けられている。マイクロストリップライン４３は、スロット４５と電磁的に結合されている。マイクロストリップライン４３のスロット４５とは反対側には、パッチアンテナ１０４が接続されている。なお、パッチアンテナ１０４もサブストレート４２に設けられていることが望ましい。ここで、スロット４５とパッチアンテナ１０４の間において、マイクロストリップライン４３の途中に移相器１０２が接続されている。なお、同様に、移相器１０２とパッチアンテナ１０４の間において、後段アンプ１０３が接続されていても良い。

マグネトロン１００は、太陽電池８１などから供給される直流電力を交流電力に変換した上で、導波管４１に供給する。導波管４１は、マグネトロン１００から供給された交流電力を、自身に設けられたスロット４５を介して、マイクロストリップライン４３に向けて供給する。ただし、この時、スロット４５からは交流電力の一部が漏洩してしまう。マイクロストリップライン４３は、導波管４１から供給された交流電力を、まずは移相器１０２に伝達する。移相器１０２は、マイクロストリップライン４３によって伝達された交流電力の位相を、所定の角度だけずらす。移相器１０２がずらす位相の角度は、図示されない制御部１０５によって制御される。
移相器１０２とパッチアンテナ１０４との間に後段アンプ１０３が接続されている場合は、マイクロストリップライン４３は、移相器１０２で位相が制御された交流電力を、後段アンプ１０３に伝達する。後段アンプ１０３は、伝達された交流電力を、増幅した上でパッチアンテナ１０４に伝達する。後段アンプ１０３が無い場合は、マイクロストリップライン４３は、移相器１０２で位相が制御された交流電力を直接パッチアンテナ１０４に伝達する。
パッチアンテナ１０４は、伝達された交流電力を、パッチアンテナ１０４表面に垂直な方向に向けて、送電用電磁波として放射する。

図３は、従来の送電アンテナにおける、送電用電磁波と漏洩電磁波との干渉を示す図である。
スロット４５から漏洩する交流電力は、漏洩電磁波として空間を伝播する。したがって、パッチアンテナ１０４から放射される送電用電磁波と干渉を起こしてしまう。このとき、漏洩電磁波と送電用電磁波とがお互いに同じ方向の偏波面を持っているために、この干渉は、最悪の場合、完全なる相殺をも発生させてしまう。例えば、スロット４５まで伝達された電力のうち、９０％が送電用電磁波として、残り１０％が漏洩電磁波として、それぞれ空間に伝播する際に、両者の偏波面が同じなので、両者の位相差が最悪１８０度であれば、完全な相殺が発生して送電効率は８０％にまで低下してしまう。

ここで、本発明による送電アンテナについて説明する。
図４は、本発明による送電アンテナの構成図である。本発明による送電アンテナは、図２の従来の送電アンテナと多くの共通点を持っている。そこで、共通する部分については、一部の説明を省略する。
本発明による送電アンテナの構成要素は、図１の従来の送電アンテナの構成要素とほぼ同じである。ただし、本発明のマイクロストリップライン１０１は、従来のマイクロストリップライン４３が真っ直ぐであるのに対して、直角に折れ曲がっている。なお、図４に示されているように、結果的にスロット４５からの漏洩電磁波とパッチアンテナ１０４からの送電用電磁波とにおいて、両者の偏波方向が直角になれば、どんな形状でも構わない。例えば、マイクロストリップライン４３に４５度の曲がり角が２箇所設けられても良いし、任意の曲線型であっても構わないし、移相器１０２または後段アンプ１０３の入出力端子間におけるマイクロストリップライン４３との接続に角度が生じても良い。

本発明の送電アンテナにおける構成要素の各種接続は、従来の場合と変わらない。マイクロストリップラインが曲がっているために、移相器１０２と後段アンプ１０３とを配置する上で幾何学的な制限が生じる可能性があるが、これは送電アンテナとしての機能や性能に根本的な変化を生じるものではない。

図５は、本発明の送電アンテナにおける、送電用電磁波と漏洩電磁波との干渉を示す図である。
本発明の送電アンテナでは、パッチアンテナからの送電用電磁波の偏波面が、スロットからの漏洩電磁波の偏波面と直交することによって、干渉や相殺が防がれる。したがって、漏洩電磁波との干渉によるさらなる送電効率の低下が防がれ、結果的に送電効率が従来の場合よりも上昇する。上記の数値例で比較すると、送電用電磁波が９０％、漏洩電磁波が１０％であった場合、従来では両者の干渉の結果、放射効率が最悪８０％まで下がるが、本実施例なら９０％のままである。

なお、本実施形態においては、電力をマイクロ波として無線送電するための送電アンテナとして使用されているが、本発明のアンテナの使用はこれに限定されない。本発明の本質は、電力の供給を仲介するスロットからの漏洩電磁波が、アンテナから放射される電磁波に干渉せず、そのために遮蔽カバーなどの質量追加を必要としないアンテナの構成にある。

（第２の実施形態）
図６は、図４の送電アンテナを、導波管４１における電磁波の進行方向にアレイ化した１次元の送電アレイアンテナの構成図である。
図７は、図６の１次元の送電アレイアンテナを、さらに別の方向にアレイ化した、２次元の送電アレイアンテナの構成図である。ここでアレイ化される方向とは、導波管４１の長さ方向とも、パッチアンテナ１０４の電磁波放射方向とも直角を成す方向であり、図７ではｙ方向である。以後、この２次元の送電アレイアンテナを本発明の送電アレイアンテナとして説明する。

本発明の送電アレイアンテナは、第１の実施形態における送電アンテナを複数具備する。アレイアンテナとして制御されるためには、それぞれの送電アンテナが規則的に並べられていることが望ましい。さらには、空間の節約のために、縦横に２次元的に並べられることが望ましい。

まず、導波管４１の長さ方向のアレイ化について再度詳しく説明する。導波管４１の長さを伸ばせば伸ばすだけ、多くのスロット４５を設けることが出来、したがって同数の送電アンテナを同一の導波管４１に接続することが可能となる。このとき、全てのスロット４５は、導波管内電磁波の位相がお互いに揃う場所に設けられる。したがって、スロット４５の密度を上げるためには、互い違いに配置されることになる。互い違いに設けられたスロット４５の配置を、さらに導波管４１の長さ方向に繰り返すことによって、送電アンテナのこの方向へのアレイ化が行なわれる。
もう一方では、導波管４１の長さ方向とも電界方向とも直交する方向に、複数の導波管４１が平行に並べられて、送電アンテナのこの方向へのアレイ化が行なわれる。この時、複数の導波管４１は全て同じ長さで、お互いの終端面が全て同一の平面に含まれて、複数のスロット４５が全て同一の平面に含まれて、複数のパッチアンテナ１０４が全て規則的に配置されるようなアレイ化が行なわれることが、制御の面でも好ましい。
以上のように、平面状の送電アレイアンテナが形成される。ここで、パッチアンテナ１０４は全て同じ方向を向いている。
なお、それぞれの導波管４１に１つずつ接続されているマグネトロン１００は、いずれも太陽電池８１に接続されている。

それぞれの送電アンテナにおいて、移相器１０２が位相をずらすことによって、送電アレイアンテナ全体から放射される送電用電磁波の方向が変化する。これは、送電アレイアンテナ全体から地上の受信アンテナに向けて送電するために必要不可欠な技術である。送電方向の微調整は常時行なわれるので、移相器がずらす位相の角度を一定に保ち続けることはまず不可能である。

（第３の実施形態）
図８は、本発明による導波管スロット給電アクティブ集積アンテナを備えた宇宙太陽発電システム８４の構成図である。

本発明の宇宙太陽発電システム８４は、衛星８０の姿勢制御、衛星８０の電力制御、および衛星８０と地上局との通信を制御するバス機器を搭載した衛星本体８０と、ミッション機器であるマイクロ波送電ユニット８２とを備える。また、マイクロ波送電ユニット８２は、太陽電池８１と送電アレイアンテナ８３とを有している。

マイクロ波送電ユニット８２は、太陽電池８１により発電された電力を、送電アレイアンテナ８３からマイクロ波の形で、地上に設置されている受信局および軌道上に配置されている他の宇宙機器に送信することを目的とするミッション機器である。マイクロ波送電ユニット８２は、広面積のパネルの両端部に送電アレイアンテナ８３を有し、広面積のパネルの宇宙空間指向面に太陽電池８１を有している。送電アレイアンテナ８３には、実施の形態２に示されている導波管スロット給電アクティブ集積アンテナが適用されることにより、太陽電池８１で発電された電力は効率良くマイクロ波により、地上に設置された受信局、および他の宇宙機器へ送信される。

マイクロ波送電ユニット８２を備えたことにより、宇宙太陽発電システム８４を成立させるために必要な、高精度なマイクロ波ビーム制御、大電力マイクロ波の電力分配、送電部の高効率化（太陽電池を除く総合効率８０％以上）、および送電システム重量の最小化（数ｇ／Ｗ）の各々の要求規格を満たすことができる。

（第４の実施形態）
図９は、本実施形態における送電アンテナの構成図である。本実施形態における送電アンテナは、図４に示される第１の実施形態における送電アンテナとほぼ同じ構成であるが、２枚のパッチアンテナ１０４が両方とも導波管４１の上に乗るように配置が変更されている。具体的には、図９における２つのアンテナ素子のうち、マグネトロン１００に近い方が、スロット４５を軸にして鏡像の関係になっている。
このように配置が変更されても、アンテナとしての機能や特性、特にスロット４５からの漏洩電磁波によるパッチアンテナ１０４からの送電用電磁波への干渉が発生しない特徴に、変化は生じない。しかし、パッチアンテナ１０４が導波管４１の上に集中している事から、アンテナ全体として、主にサブストレート４２においてｙ方向へのコンパクト化の効果が得られる。特に、本実施形態のアンテナをアレイ化するとコンパクト化の効果は顕著である。

図１０は、本実施形態における送電アレイアンテナの構成図である。図７に示される第２の実施形態における送電アレイアンテナと比較すると、ｙ方向にアレイ化されている導波管同士の間隔が狭くなっている。これは、本実施形態における送電アンテナの配置がもたらしたコンパクト化の効果である。単位面積当たりのパッチアンテナの数が増えることは、送電アレイアンテナとしての送電効率の向上につながる。また、パッチアンテナには一般的に薄くて比較的柔らかい誘電体が用いられるので、これが金属性導波管に裏打ちされることになれば、パッチアンテナが破損する危険性が激減するという効果も期待出来る。

図１は、従来の送電アンテナと、発明の送電アンテナとで共通に用いられる電力分配器の構成図である。 図２は、従来の送電アンテナの構成図である。 図３は、従来の送電アンテナにおける、送電用電磁波と漏洩電磁波との干渉を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態における送電アンテナの構成図である。 図５は、本発明の送電アンテナにおける、送電用電磁波と漏洩電磁波との干渉を示す図である。 図６は、図４の送電アンテナを、導波管４１における電磁波の進行方向にアレイ化した１次元の送電アレイアンテナの構成図である。 図７は、本発明の第２の実施形態における送電アレイアンテナの構成図である。 図８は、本発明の第３の実施形態における宇宙太陽発電システムの構成図である。 図９は、本発明の第４の実施形態における送電アンテナの構成図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態における送電アレイアンテナの構成図である。

符号の説明

４１ 導波管
４２ サブストレート
４３ マイクロストリップライン
４４ マイクロストリップライン
４５ スロット
４６ スロット
８０ 衛星本体
８１ 太陽電池
８２ マイクロ波送電ユニット
８３ 送電アレイアンテナ
８４ 宇宙太陽発電システム
１００ マグネトロン
１０１ マイクロストリップライン
１０２ 移相器
１０３ 後段アンプ
１０４ パッチアンテナ
１０５ 制御部

Claims (21)

1. ＴＥ１０モードを有し、一端が終端面である方形導波管と、
   前記方形導波管の電界方向に垂直な管壁に設けられたスロットと、
   前記スロットに電磁結合されるマイクロストリップラインと、
   前記マイクロストリップラインに接続されたパッチアンテナと、
   前記スロットと前記マイクロストリップラインとの間の、前記マイクロストリップライン上に設けられた移相器と
   を具備し、
   前記スロットから漏洩される電磁波の偏波方向と、前記パッチアンテナが放射する電磁波の偏波方向とが直交するように、前記スロットから出力される電磁波が前記パッチアンテナに伝達されるまでに偏波方向を変えられることで、前記スロットから漏洩される前記電磁波が前記パッチアンテナから放射される前記電磁波に干渉しない
   アンテナ。
2. 請求項１に記載のアンテナにおいて、
   前記移相器に接続されて、前記移相器がずらす位相の角度を制御する制御部
   をさらに具備する
   アンテナ。
3. 請求項２に記載のアンテナにおいて、
   前記移相器と前記パッチアンテナとの間の、前記マイクロストリップライン上に設けられた後段アンプ
   をさらに具備し、
   前記後段アンプは、前記移相器から出力された交流電力を増幅して前記パッチアンテナに向けて出力し、
   前記制御部は、前記後段アンプの増幅動作をさらに制御する
   アンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナにおいて、
   前記パッチアンテナは、前記導波管の前記電界方向に垂直な管壁上に重なって配置されている
   アンテナ。
5. それぞれにＴＥ１０モードを有し、それぞれの一端が終端面である複数の方形導波管と、
   前記複数の方形導波管の電界方向に垂直な管壁に設けられた複数のスロットと、
   前記複数のスロットにそれぞれ電磁結合される複数のマイクロストリップラインと、
   前記複数のマイクロストリップラインにそれぞれ接続された複数のパッチアンテナと、
   前記複数のスロットのそれぞれと前記複数のマイクロストリップラインのそれぞれとの間の、前記複数のマイクロストリップライン上にそれぞれ設けられた複数の移相器と
   を具備し、
   前記複数の方形導波管は、前記複数の方形導波管の長さ方向にも電界方向にも直行する方向に平行に配置されており、
   前記複数のスロットから漏洩される電磁波の偏波方向と、前記複数のパッチアンテナが放射する電磁波の偏波方向とが直交するように、前記複数のスロットから出力される電磁波が前記複数のパッチアンテナに伝達されるまでに偏波方向を変えられることで、前記複数のスロットから漏洩される前記電磁波が前記複数のパッチアンテナから放射される前記電磁波に干渉しない
   アレイアンテナ。
6. 請求項５に記載のアレイアンテナにおいて、
   前記複数の移相器に接続されて、前記複数の移相器のそれぞれがずらす複数の位相の角度を制御する制御部
   をさらに具備する
   アレイアンテナ。
7. 請求項６に記載のアレイアンテナにおいて、
   前記複数の移相器のそれぞれと前記複数のパッチアンテナのそれぞれとの間の、前記複数のマイクロストリップライン上にそれぞれ設けられた複数の後段アンプ
   をさらに具備し、
   前記複数の後段アンプは、前記複数の移相器から出力された交流電力をそれぞれ増幅して前記複数のパッチアンテナに向けてそれぞれ出力し、
   前記制御部は、前記複数の後段アンプの増幅動作をさらに制御する
   アレイアンテナ。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載のアレイアンテナにおいて、
   前記複数の導波管は、
   長さが同一で、
   前記終端面が同一平面に含まれ、
   前記複数のスロットが設けられた面が同一平面に含まれ、
   前記複数のパッチアンテナは、規則的に配置されている
   アレイアンテナ。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載のアレイアンテナにおいて、
   前記複数のパッチアンテナは、それぞれ接続されている前記導波管の前記電界方向に垂直な管壁上に重なって配置されている
   アレイアンテナ。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載のアレイアンテナにおいて、
    マイクロ波送電ユニットを具備する衛星本体と、
    前記衛星本体がマイクロ波として送信する電力を受信する受信局と
    を具備し、
    前記マイクロ波送電ユニットは、
    太陽電池と、
    前記太陽電池が発電した電力を前記受信局に向けてマイクロ波として送信する前記アレイアンテナと
    を具備する
    宇宙太陽発電システム。
11. 請求項１０に記載の宇宙太陽発電システムにおいて、
    前記衛星本体は、バス機器をさらに具備し、
    前記バス機器は、
    衛星の姿勢を制御する姿勢制御部と、
    衛星の電力を制御する電力制御部と、
    衛星と地上局との通信を制御する通信制御部と
    を具備する
    宇宙太陽発電システム。
12. 請求項１０または１１に記載の宇宙太陽発電システムにおいて、
    前記受信局は、地球上に設置されている
    宇宙太陽発電システム。
13. 請求項１０または１１に記載の宇宙太陽発電システムにおいて、
    前記受信局は、軌道上に配置されている任意の宇宙機器である
    宇宙太陽発電システム。
14. （ａ）パッチアンテナが、スロットからの漏洩電磁波との干渉による送電効率の低下を防ぐために、前記漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、
    （ｂ）導波管が、前記スロットを介して、交流電力を、前記スロットに電磁接続されたマイクロストリップラインに伝達することと、
    （ｃ）前記スロットから漏洩される電磁波の偏波方向と、前記パッチアンテナが放射する電磁波の偏波方向とが直交することで、前記スロットから漏洩される前記電磁波が前記パッチアンテナから放射される前記電磁波に干渉しないように、前記スロットから出力される前記交流電力が前記パッチアンテナに伝達されるまでに前記偏波方向を調整することと、
    （ｄ）前記パッチアンテナが、前記スロットからの漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ前記送電用電磁波を放射することと、
    （ｅ）受信局が、前記送電用電磁波を受信することと
    を具備する
    宇宙太陽発電方法。
15. 請求項１４に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｂ）は、
    （ｂ−１）太陽電池が、太陽光を受けて、直流電力を出力することと、
    （ｂ−２）マグネトロンが、前記太陽電池から直流電力を入力されて、交流電力に変換して出力することと、
    （ｂ−３）前記導波管が、前記マグネトロンから前記交流電力を入力されることと、
    （ｂ−４）前記スロットが、前記交流電力の一部を漏洩させて前記漏洩電磁波を放射することと
    を具備し、
    前記ステップ（ｃ）は、
    （ｃ−１）前記移相器が、制御部の制御に応じて前記交流電力の位相をずらすこと
    を具備する
    宇宙太陽発電方法。
16. 請求項１４または１５に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｃ）は、
    （ｃ−２）前記交流電力において、前記マイクロストリップラインと、前記移相器とを介して前記スロットから前記パッチアンテナに伝達される間に、偏波方向が９０度回ること
    をさらに具備する
    宇宙太陽発電方法。
17. 請求項１４または１５に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｃ）は、
    （ｃ−３）前記交流電力において、前記マイクロストリップラインと、前記移相器と、後段アンプとを介して前記スロットから前記パッチアンテナに伝達される間に、偏波方向が９０度回ることと、
    （ｃ−４）前記後段アンプが、前記制御部の制御に応じて、前記交流電力を増幅することと
    をさらに具備する
    宇宙太陽発電方法。
18. （ｆ）アレイアンテナに含まれる複数のパッチアンテナが、複数のスロットからの漏洩電磁波との干渉による送電効率の低下を防ぐために、前記漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、
    （ｇ）複数の導波管が、前記複数のスロットを介して、交流電力を、前記複数のスロットにそれぞれ電磁接続された複数のマイクロストリップラインに伝達することと、
    （ｈ）前記複数のスロットから漏洩される電磁波の偏波方向と、前記複数のパッチアンテナが放射する電磁波の偏波方向とが直交することで、前記複数のスロットから漏洩される前記電磁波が前記複数のパッチアンテナから放射される前記電磁波に干渉しないように、前記複数のスロットから出力される前記交流電力が前記複数のパッチアンテナに伝達されるまでに前記偏波方向を調整することと、
    （ｉ）前記複数のパッチアンテナが、前記複数のスロットからの漏洩電磁波の偏波と直交する偏波を持つ送電用電磁波を放射することと、
    （ｊ）受信局が、前記送電用電磁波を受信することと
    を具備する
    宇宙太陽発電方法。
19. 請求項１８に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｇ）は、
    （ｇ−１）太陽電池が、太陽光を受けて、直流電力を出力することと、
    （ｇ−２）複数のマグネトロンが、前記太陽電池から直流電力を入力されて、交流電力に変換して出力することと、
    （ｇ−３）前記複数の導波管がそれぞれ、前記複数のマグネトロンから前記交流電力を入力されることと、
    （ｇ−４）前記複数のスロットが、前記交流電力の一部を漏洩させて前記漏洩電磁波を放射することと
    を具備し、
    前記ステップ（ｈ）は、
    （ｈ−１）前記複数の移相器が、制御部の制御に応じて前記交流電力の位相をずらして、アレイアンテナ全体からの電磁波放射方向を制御すること
    を具備する
    宇宙太陽発電方法。
20. 請求項１８または１９に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｈ）は、
    （ｈ−２）前記交流電力において、前記複数のマイクロストリップラインと、前記複数の移相器とを介して前記複数のスロットから前記複数のパッチアンテナに伝達される間に、偏波方向が９０度回ること
    をさらに具備する
    宇宙太陽発電方法。
21. 請求項１８または１９に記載の宇宙太陽発電方法において、
    前記ステップ（ｈ）は、
    （ｈ−３）前記交流電力において、前記複数のマイクロストリップラインと、前記複数の移相器と、複数の後段アンプとを介して前記複数のスロットから前記複数のパッチアンテナに伝達される間に、偏波方向が９０度回ることと、
    （ｈ−４）前記複数の後段アンプが、前記制御部の制御に応じて、前記交流電力を増幅することと
    をさらに具備する
    宇宙太陽発電方法。

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