JP5665028B2 - 送信アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、送信アンテナに係り、詳しくは宇宙空間において太陽光を集光して発電した電力を地上の電力基地へ伝送するための送信アンテナに関するものである。

従来、宇宙空間における太陽光発電では、人工衛星に取り付けられる太陽電池パネルが知られている。人工衛星は、太陽電池パネルで発電した電力を搭載されている通信系、姿勢制御系、観測系等の各機器へ通電すると共に二次電池に蓄電し、ミッションを達成するように構成されている。
一方、宇宙空間における太陽光発電の利用方法として、以前から宇宙太陽光発電システムが検討されている。宇宙太陽光発電システムとは、例えば静止軌道上に発電衛星のような宇宙機を投入して巨大な太陽電池パネルを展開して太陽光を集光し、そこで発電した電力をマイクロ波に変換して送信アンテナを使用して地上の電力基地へ送信し、電力基地で受信したマイクロ波から変換した電力を商用電力として利用するものである（非特許文献１）。
このような宇宙太陽光発電システムでは、地上に設置された公知の太陽光発電システムとは異なり、日没や天候等に左右されず２４時間安定した電力供給が可能となる。

"マイクロ波による太陽エネルギー利用技術（M-SSPS）"、[online]、宇宙航空研究開発機構、[平成２２年４月８日検索]、インターネット＜URL：http://www.ard.jaxa.jp/research/hmission/hmi-mssps.html＞

ところで、上述した宇宙太陽光発電システムでは、巨大な太陽電池パネルで太陽光を集光して大電力を発生させるため、システム内部、特に増幅器で多量の発熱が生じ、宇宙機の熱制御を行う上で排熱の問題が生じる。また、宇宙空間という環境では、地球からの反射熱や太陽光からの電磁波が送信アンテナに入射することによる熱の影響という問題もあるため、宇宙太陽光発電システムでは排熱装置が必要である。

この点に関し、送信アンテナに配置されている増幅器等の発熱体にヒートパイプやラジエータ等の排熱装置を配置することが検討されてきた。
ここで、発電衛星のような宇宙機は、宇宙空間へ打ち上げるための重量制限やコスト等の点から極力小型化、軽量化したシステムである必要がある。

しかしながら、上述した排熱装置を設置する場合、宇宙機の重量が増大し、宇宙機のシステムが複雑化してしまうという問題がある。そこで、排熱装置を極力排除するために、宇宙太陽光発電システムで検討されている従来のパッチアンテナやダイポールアンテナ等では電波放射面となる金属面が小さく放熱面として利用できず、外部から入射する熱を効率よく放熱できないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、宇宙空間において排熱装置を極力排除して発熱体からの熱を効率よく排熱しつつ、外部から入射する熱を抑制することの可能な送信アンテナを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の送信アンテナは、宇宙空間において太陽光を集光して電気エネルギーを生成し、生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換して地上に送信する宇宙太陽光発電衛星に取り付けられた送信アンテナであって、複数のアンテナ素子を備え、前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の背面側に位置する導体層と、給電回路を構成する給電回路面導体層と、宇宙空間にマイクロ波を放射するための開口部を有した放射面導体層とを具備し、前記導体層と、前記給電回路面導体層と、前記放射面導体層とは誘電体を挟みつつ互いに平行に積層されていると共に、前記導体層と前記放射面導体層とはビア導体で接続され、前記アンテナ素子の前記導体層には、発熱体がシートを間に挟み込んだ状態で密着して配置して設けられ、前記アンテナ素子の放射面導体層には、電磁波の波長を選択して可視光を透過し、赤外線を放射させる波長選択体が密着して配置して設けられていることを特徴とする。

請求項２の送信アンテナでは、請求項１において、前記波長選択体と前記放射面導体層との間には、紫外線及び可視光の反射率の高い導体が延びて設けられており、前記開口部と略等しい位置に第２開口部が設けられていることを特徴とする。

請求項３の送信アンテナでは、請求項１または２において、前記アンテナ素子はクロススロットアンテナであることを特徴とする。
請求項４の送信アンテナでは、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記波長選択体は溶融石英ガラスであることを特徴とする。
請求項５の送信アンテナは、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記発熱体は増幅器であることを特徴とする。

請求項１の送信アンテナによれば、アンテナ素子の背面に設けられた発熱体と、アンテナ素子の放射面に配置して設けられ、電磁波の波長を選択して可視光を透過し、赤外線を放射させる波長選択体とを備える。
これにより、波長選択体により宇宙空間から入射する熱を抑制することができると共に、発熱体からの熱を赤外線として効率よく輻射することができる。従って、排熱装置は削減可能であり、発電衛星を小型化、軽量化することができる。

また、請求項１の送信アンテナによれば、アンテナ素子はアンテナ基板と、アンテナ基板に積層された導体層と、波長選択体の背面に設けられ、宇宙空間にマイクロ波を放射するための開口部を有した放射面導体層とから構成されており、導体層と放射面導体層とはビア導体で接続されている。
従って、アンテナ素子の背面に設けられた発熱体が発する熱はアンテナ基板、導体層からビア導体を介して放射面導体層へ伝達されるので、発熱体から発生する熱をより効率よく宇宙空間へ輻射することができる。

請求項２の送信アンテナによれば、波長選択体と放射面導体層との間に、太陽光吸収率が低い、即ち紫外線及び可視光の反射率の高い性質を有する導体が延びて設けられ、放射面導体層に設けられた開口部と略等しい位置に第２開口部が設けられていることにより、宇宙空間から波長選択体を通過した可視光は当該導体で反射し、発熱体から放射面導体層へ伝達された熱は当該導体を通して最終的に波長選択体に伝達されるので、宇宙空間からアンテナ素子内に入射する熱をより抑制することができる。また、開口部からのマイクロ波の放射を阻害することなく発熱体からの熱を効率よく宇宙空間へ輻射することができる。

請求項３の送信アンテナによれば、アンテナ素子はクロススロットアンテナであり、クロススロットアンテナは放射面導体層の面積がパッチアンテナやダイポールアンテナと比べて大きいため放熱面として利用することができるので、アンテナ素子内部の熱を効率的に放射することができる。

請求項４の送信アンテナによれば、波長選択体は溶融石英ガラスであるので、太陽からの電磁波のうち紫外線を良好に反射し、かつ赤外線を放射する。これにより、アンテナ素子内部に入射する熱を抑制することができ、発熱体からの熱を赤外線として効率よく宇宙空間へ輻射することができる。

請求項５の送信アンテナによれば、発熱体は増幅器であるので、生成した電気エネルギーから変換されたマイクロ波を増幅させることができ、増幅器はアンテナ素子の背面に設けられているので、送信するまでのマイクロ波のロスを極力抑えることができる。
また、増幅器で発生した熱を速やかにアンテナ素子へ伝導させることができ、効率よく熱を放射することができる。

本発明に係る送信アンテナが設置された発電衛星を含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。 図１に示した発電衛星の構成を示すブロック図である。 図１に示した送信アンテナを構成するサブアレイの上面図を示す。 図３のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る送信アンテナが設置された発電衛星を含む宇宙太陽光発電システムの概略構成図である。
図１に示すように、発電衛星（宇宙太陽光発電衛星）１は宇宙空間において太陽光を集光して電気エネルギーを生成し、生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換して送信アンテナ１８を使用して地上の電力基地２へ送信する。ここで、図１では発電衛星１を１機のみの構成としているが、発電衛星１は複数機から構成されてもよい。

電力基地２には受信アンテナであるレクテナ４が設置されており、発電衛星１から送信されたマイクロ波をレクテナ４で受信し、マイクロ波をＤＣ電力へ変換して送電ケーブル６を介して既存の商用電力網へ送電する。
このように地上に設けられる電力基地２において、発電衛星１から電力基地２までの距離が非常に長いため、送信アンテナ１８の直径は数ｋｍに及ぶ場合があり、電力基地２に配置されるレクテナ４の直径も数ｋｍに及ぶ場合がある。

このような宇宙太陽光発電システムにおける発電衛星１の構成について、図１、２に基づき説明する。
図２は図１に示した発電衛星１の構成を示したブロック図である。
集光部２０は宇宙空間において太陽光を集光するものであり、反射光学系や屈折光学系等によって構成される。一例として、図１に示す発電衛星１には、一次反射鏡１０、１０及び二次反射鏡１２、１２が取り付けられており、これらが集光部２０に該当する。一次反射鏡１０、１０の大きさは直径数ｋｍ程度に及ぶ場合がある。発電衛星１の制御系は、このような一次反射鏡１０、１０を使用して集光した太陽光を二次反射鏡１２、１２へ反射させ、二次反射鏡１２、１２により反射された太陽光が太陽電池パネル１６に集光するよう一次反射鏡１０、１０及び二次反射鏡１２、１２の姿勢を制御する。なお、一次反射鏡１０、１０は太陽を追尾するように制御されてもよい。

図２に戻り、集光部２０を使用して集光された太陽光を、太陽電池パネル１６を含む太陽電池パネルユニット２２が受光して電気エネルギーを生成する。ここで生成された電気エネルギーはＤＣ−マイクロ波変換部２４へ入力され、マイクロ波に変換される。図示しないが、送信アンテナ１８の出力マイクロ波が電力基地２の方向を指向するようにマイクロ波の位相を位相調整手段により調整する。そして、送信アンテナ１８から電力基地２へ向けてマイクロ波を出力する。なお、送信アンテナ１８は常に地上側を指向するように電気的、機械的に制御されている。

このような送信アンテナ１８は複数のサブアレイ３０から構成され、複数のアンテナ素子からなるサブアレイ３０の上面図を図３に示す。
サブアレイ３０は、空間に電磁波を放射する２つのスロット（開口部）３２が略中央で交差してクロススロットを形成する複数個のクロススロットアンテナ素子、例えば４個のクロススロットアンテナ素子（アンテナ素子）３４から構成されている。ここで、スロット３２が形成されている面を上面と定義する。

後述するように、各サブアレイ３０の背面側には増幅器が接続されており、給電点Ｐは各クロススロットアンテナ素子３４に形成されたスロット３２が交差する交差部から所定の長さ離間したスロット３２の部分に位置して設けられている。
各サブアレイ３０の上面には波長選択体３６が延びて設けられている。波長選択体３６は、例えば溶融石英ガラスであり、可視光を透過し、赤外線を放射させる。波長選択体３６は接着材でサブアレイ３０に固定されている。

図４に図３のＡ−Ａ線に沿う縦断面図を示すように、クロススロットアンテナ素子３４の背面側には絶縁体熱伝導シート４０が設けられており、絶縁体熱伝導シート４０の上面には銅箔で形成された導体層４２が積層されている。導体層４２の上方には所定の間隙を設けて銅箔で形成された給電回路面導体層４４が配置して設けられ、給電回路面導体層４４の上方には所定の間隙を設けて銅箔で形成された放射面導体層４６が設けられており、放射面導体層４６にはスロット３２が形成されている。そして、導体層４２と放射面導体層４６とはそれぞれビア導体４８で接続されている。
給電回路面導体層４４は分配回路であり、図示しないがコネクタから入力された電力は当該分配回路で４分配され、さらに２分配されて各スロット３２へ給電する。

放射面導体層４６の上面には、太陽光吸収率が低い、即ち紫外線及び可視光の反射率の高い導体として銀箔（導体）５０が延びて設けられている。銀箔５０には、放射面導体層４６に形成されているスロット３２と略等しい位置に開口部（第２開口部）５０ａが形成され、銀箔５０の上面に上述の如く波長選択体３６が延びて設けられている。
クロススロットアンテナ素子３４内は、誘電体５２で構成されている。

複数のクロススロットアンテナ素子３４の背面には増幅器（発熱体）６０が配設されている。ここで、増幅器６０は太陽電池パネル２２で生成した電気エネルギーから変換したマイクロ波を所定の値に増幅するが、送信するまでのマイクロ波のロスを極力抑えるために、サブアレイ３０の背面に配置される。

このように、本発明に係る送信アンテナによれば、放射面導体層４６の上面には可視光を透過し、赤外線を放射させる波長選択体３６が延びて設けられ、サブアレイ３０の背面には各クロススロットアンテナ素子３４に、生成した電気エネルギーから変換したマイクロ波を増幅する増幅器６０が配置されている。
従って、波長選択体３６により宇宙空間からクロススロットアンテナ素子３４内に入射する電磁波のエネルギーは一部の赤外線のみとなるので、クロススロットアンテナ素子３４内に入射する熱を抑制することができる。

また、増幅器６０から発生する熱は赤外線として波長選択体３６を通過して宇宙空間へ放熱することにより、発熱体からの発熱を効率よく宇宙空間へ放熱することができる。
従って、排熱装置は削減可能となり、発電衛星１の小型化、軽量化が可能となる。
また、波長選択体３６の背面に太陽光吸収率が低く可視光に対して反射率の高い銀箔５０が延びて設けられていることにより、太陽光が送信アンテナ１８に入射すると、波長選択体３６を可視光が通過するものの銀箔５０で反射され、赤外線は波長選択体３６で吸収、放射されるので、クロススロットアンテナ素子３４内に入射する熱をより抑制することができる。

さらに、クロススロットアンテナ素子３４は導体層４２と、放射面導体層４６とがそれぞれビア導体４８で接続されて構成されることにより、増幅器６０から発生する熱は絶縁体熱伝導シート４０、導体層４２からビア導体４８を介して放射面導体層４６及び銀箔５０へと伝達され、銀箔５０から波長選択体３６を介して輻射する。

即ち、増幅器６０で発生した熱は、銀箔５０へ熱伝導により波長選択体３６へ到達し、最終的に波長選択体３６から赤外線で宇宙空間へ放熱されるので、増幅器６０等で発生する熱を効率よく宇宙空間へ放熱することができる。従って、排熱装置は削減可能であり、発電衛星１の軽量化や小型化が可能である。
また、クロススロットアンテナ素子３４はパッチアンテナ等と比較して放射面導体層４６の面積が大きく、放射面導体層４６の上面に延びて設けられた銀箔５０にはスロット３２と略等しい位置に開口部５０ａが形成されているため、放射面導体層４６は放熱面としての面積がより大きくなるので、より効率よく放熱することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、波長選択体３６の背面に銀箔５０を配置しているが、紫外線及び可視光の反射率の高い導体であればこれに限られない。

１ 発電衛星（宇宙太陽光発電衛星）
１８ 送信アンテナ
３０ サブアレイ
３２ 開口部
３４ クロススロットアンテナ素子（アンテナ素子）
３６ 波長選択体
４０ 絶縁体熱伝導シート
４２ 導体層
４４ 給電回路面導体層
４６ 放射面導体層
４８ ビア導体
５０ 銀箔（導体）
５０ａ 第２開口部
５２ 誘電体
６０ 増幅器（発熱体）

Claims (5)

1. 宇宙空間において太陽光を集光して電気エネルギーを生成し、生成した電気エネルギーをマイクロ波に変換して地上に送信する宇宙太陽光発電衛星に取り付けられた送信アンテナであって、
   複数のアンテナ素子を備え、
   前記アンテナ素子は、
   該アンテナ素子の背面側に位置する導体層と、
   給電回路を構成する給電回路面導体層と、
   宇宙空間にマイクロ波を放射するための開口部を有した放射面導体層とを具備し、
   前記導体層と、前記給電回路面導体層と、前記放射面導体層とは誘電体を挟みつつ互いに平行に積層されていると共に、前記導体層と前記放射面導体層とはビア導体で接続され、
   前記アンテナ素子の前記導体層には、発熱体がシートを間に挟み込んだ状態で密着して配置して設けられ、
   前記アンテナ素子の放射面導体層には、電磁波の波長を選択して可視光を透過し、赤外線を放射させる波長選択体が密着して配置して設けられている
   ことを特徴とする送信アンテナ。
2. 前記波長選択体と前記放射面導体層との間には、紫外線及び可視光の反射率の高い導体が延びて設けられており、前記開口部と略等しい位置に第２開口部が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の送信アンテナ。
3. 前記アンテナ素子はクロススロットアンテナであることを特徴とする、請求項１または２に記載の送信アンテナ。
4. 前記波長選択体は溶融石英ガラスであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の送信アンテナ。
5. 前記発熱体は増幅器であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の送信アンテナ。

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