JP6486256B2 - Wireless power transmission apparatus and wireless power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波などの電磁波を用いて電力伝送を行うための無線送受電技術に関する。 The present invention relates to a wireless power transmission / reception technique for performing power transmission using electromagnetic waves such as microwaves.
マイクロ波またはレーザ光などの電磁波を用い、この電磁波の波長よりも十分に長い距離だけ離れた2地点間の電力伝送を可能とする無線送受電技術の開発が進められている。たとえば、宇宙太陽光発電システム(SSPS:Space Solar Power System)では、宇宙空間に配置された発電衛星が、太陽光を電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーをマイクロ波またはレーザ光に変換して地球上の受電装置に向けて送電する。当該地球上の受電装置は、その発電衛星からマイクロ波またはレーザ光を受電し、当該受電されたマイクロ波またはレーザ光を直流の電気エネルギーに変換することができる。宇宙太陽光発電システムに限らず、地上における2地点間の電力伝送に無線送受電技術を使用することが可能である。 Development of a wireless power transmission / reception technology that uses an electromagnetic wave such as a microwave or a laser beam and enables power transmission between two points separated by a distance sufficiently longer than the wavelength of the electromagnetic wave is underway. For example, in a space solar power system (SSPS), a power generation satellite arranged in outer space converts sunlight into electrical energy, which is converted into microwaves or laser light to the earth. Power is transmitted to the upper power receiving device. The power receiving device on the earth can receive microwaves or laser light from the power generation satellite, and can convert the received microwaves or laser light into DC electric energy. Not only a space solar power generation system but also a wireless power transmission / reception technology can be used for power transmission between two points on the ground.
このような無線送受電技術は、たとえば、特許文献1(特開2002−95190号公報)に開示されている。特許文献1には、地上の電力基地に向けてマイクロ波を送電する複数台の発電衛星からなる発電衛星グループが開示されている。この発電衛星グループ内では、複数台の発電衛星のアンテナ素子群が全体としてフェーズドアレイアンテナを形成するように、発電衛星ごとにマイクロ波が位相調整される。また、各発電衛星は、位相調整後のマイクロ波を、スペクトル拡散変調方式でインコヒーレント変調して送電する。これにより、電力基地の受電アンテナサイズに合わせてマイクロ波のビーム幅を調整することができる。
Such a wireless power transmission / reception technique is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-95190.
特許文献1の無線送電技術では、複数台の発電衛星のマイクロ波の位相量を個別に且つ精確に制御する制御衛星を別途用意しなければならず、各発電衛星において、制御衛星から受信する制御信号を処理する複雑な回路構成が必要となる。
In the wireless power transmission technology of
また、特許文献1の無線送受電技術では、各発電衛星は、スペクトル拡散変調方式を用いて、位相調整後のマイクロ波をインコヒーレント変調している。しかしながら、このインコヒーレント変調が電力基地への送電方向を不安定にし、送電効率を低下させるおそれがある。
In the wireless power transmission / reception technique disclosed in
上記に鑑みて本発明の目的は、アレイアンテナを用いて安定した送電を実現することができる無線送電装置及びこれを用いた無線送電システムを提供する点にある。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a wireless power transmitting apparatus capable of realizing stable power transmission using an array antenna and a wireless power transmitting system using the wireless power transmitting apparatus.
本発明の一態様による無線送電装置は、規則的に配列されたN本(Nは2以上の整数)の送電アンテナ素子からなるアレイアンテナと、ランダムまたは疑似ランダムに変化する位相を有する電波を生成する発振回路と、前記電波をN系統の送電波に分配する分配器と、前記N系統の送電波を個別に移相してそれぞれ前記N本の送電アンテナ素子に供給することにより当該N本の送電アンテナ素子から送電ビームを放射させる位相制御部とを備えることを特徴とする。 A wireless power transmission device according to an aspect of the present invention generates an array antenna including N regularly arranged power transmission antenna elements (N is an integer of 2 or more) and a radio wave having a phase that changes randomly or pseudo-randomly. An oscillating circuit, a distributor that distributes the radio waves to N transmission radio waves, and a phase shift of the N radio transmission waves individually to supply the N power transmission antenna elements to the N power transmission antenna elements, respectively. And a phase controller that radiates a power transmission beam from the power transmission antenna element.
本発明の他の態様による無線送電システムは、前記無線送電装置の複数台を備えることを特徴とする。 A wireless power transmission system according to another aspect of the present invention includes a plurality of the wireless power transmission devices.
本発明によれば、電波の位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させる位相変調が実行されることから、受電アンテナ素子における電波干渉を低減させることができる。また、N系統の送電波は1系統の電波を分配元として生成されるので、その位相変調がなされてもN本の送電アンテナ素子の出力波間の相対位相差の時間的変動が回避される。よって、その位相変調に起因して送電方向が不安定となることを防止することができる。したがって、アレイアンテナを用いて安定した送電を実現することができ、送電効率の向上が可能となる。 According to the present invention, since the phase modulation that changes the phase of the radio wave randomly or pseudo-randomly is performed, the radio wave interference in the power receiving antenna element can be reduced. In addition, since the N system transmission radio waves are generated using one system radio wave as a distribution source, the temporal fluctuation of the relative phase difference between the output waves of the N power transmission antenna elements is avoided even if the phase modulation is performed. Therefore, it is possible to prevent the transmission direction from becoming unstable due to the phase modulation. Therefore, stable power transmission can be realized using the array antenna, and power transmission efficiency can be improved.
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。 Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the component which attached | subjected the same code | symbol in drawing shall have the same structure and the same function.
実施の形態1.
図1は、本発明に係る実施の形態1の無線送電装置Txの概略構成を示す機能ブロック図である。この無線送電装置Txは、無線送電に使用される電磁波の波長よりも十分に長い距離だけ離れた2地点間の電力伝送を行うために使用される。この電力伝送は、屋外または屋内のいずれで行われてもよい。本実施の形態の無線送電装置Txは、たとえば、太陽光エネルギーを電磁波に変換して伝送する宇宙太陽光発電システム、または、車両もしくは航空機などの移動体に電力を伝送する給電システムに適用可能なものであるが、これらに限定されるものではない。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the wireless power transmitting apparatus Tx according to the first embodiment of the present invention. This wireless power transmission device Tx is used for power transmission between two points separated by a distance sufficiently longer than the wavelength of the electromagnetic wave used for wireless power transmission. This power transmission may be performed either outdoors or indoors. The wireless power transmission device Tx of the present embodiment can be applied to, for example, a space solar power generation system that converts solar energy into electromagnetic waves and transmits it, or a power feeding system that transmits power to a moving body such as a vehicle or an aircraft. However, it is not limited to these.
図1に示されるように無線送電装置Txは、規則的に配列されたN本(Nは2以上の整数)の送電アンテナ素子AN1,…,ANNからなるアレイアンテナ10と、装置本体11とを備えている。送電アンテナ素子AN1,…,ANNは、線状または面状に配列されている。装置本体11は、ランダムまたは疑似ランダムに変化する位相を有する電波Pwを出力する発振回路12と、この電波PwをN系統の送電波Pw1,…,PwNに分配する分配器14と、これら送電波Pw1,…,PwNを個別に移相させてN系統の移相送電波を生成する位相制御部13と、この位相制御部13の動作を制御することによりアレイアンテナ10の放射指向性を制御するビーム方向制御部15とを備えている。
As shown in FIG. 1, the wireless power transmitting apparatus Tx includes an
位相制御部13は、図1に示されるようにN個の位相制御器131,…,13Nを有している。これら位相制御器131,…,13Nは、ビーム方向制御部15から供給された制御信号Bcで指定される位相変化量だけ送電波Pw1,…,PwNを個別に移相させてN系統の移相送電波を生成する。これらN系統の移相送電波は、互いに一定の位相差を持つように制御されている。そして、位相制御器131,…,13Nは、これらN系統の移相送電波をそれぞれ送電アンテナ素子AN1,…,ANNに供給することにより送電アンテナ素子AN1,…,ANNから送電ビームTwを放射させる。すなわち、アレイアンテナ10と位相制御器131,…,13Nとでフェーズドアレイアンテナが構成されている。
As shown in FIG. 1, the
ビーム方向制御部15は、制御信号Bcを通じて送電ビームTwの方向を可変に制御することが可能である。無線送電装置Txが発電衛星などの移動体に搭載される場合には、ビーム方向制御部15は、受電装置から受信されたパイロット信号の到来方向へ送電ビームTwの方向を自動的に向ける公知のレトロディレクティブ(retro−directive)機能を有していてもよい。
The beam
送電波としては、たとえば、雨、霧または雲を透過する10GHz以下の周波数帯のマイクロ波を使用することが好ましい。無線送電装置Txが発電衛星に搭載される場合には、2.45GHz帯または5.8GHz帯のマイクロ波を送電波として使用することができる。ただし、送電環境によって適切な周波数帯は異なるので、本発明は周波数帯を限定するものではない。 As the transmitted radio wave, for example, it is preferable to use a microwave having a frequency band of 10 GHz or less that passes through rain, fog, or clouds. When the wireless power transmission device Tx is mounted on a power generation satellite, a 2.45 GHz band or a 5.8 GHz band microwave can be used as a transmission wave. However, since an appropriate frequency band varies depending on the power transmission environment, the present invention does not limit the frequency band.
位相制御器131,…,13Nは、具体的には、可変移相器を用いて構成可能である。図2(A)は、可変移相器PS1,…,PSNからなる位相制御部13の構成例を概略的に示す図である。図2(A)の例では、可変移相器PS1,…,PSNは、制御信号Bcで指定される移相変化量だけ送電波Pw1,…,PwNを移相させて(すなわち送電波Pw1,…,PwNの位相をシフトさせて)N系統の移相送電波を生成する。
Specifically, the
また、位相制御器131,…,13Nは注入同期発振器を用いて構成されてもよい。図2(B)は、注入同期発振器IL1,…,ILNからなる位相制御部13の他の構成例を示す図である。図2(B)の例では、注入同期発振器IL1,…,ILNは、それぞれ送電波Pw1,…,PwNを注入波とし、これら注入波と同期して発振することにより当該注入波と同一周波数の発振波を出力する。また、注入同期発振器IL1,…,ILNは、制御信号Bcに応じて発振波を移相させる機能を有しているので、その移相された発振波を移相送電波として出力することができる。このような注入同期発振器IL1,…,ILNは、増幅器としても機能するように構成可能である。
Further, the
また、位相制御部13は、N系統の送電波Pw1,…,PwNの振幅またはN系統の移相送電波の振幅を増幅する増幅回路を有するように変形されてもよい。これにより、大きな電力を送電することができる。図3(A),(B)は、位相制御部13の変形例を示す図である。図3(A)に示される変形例の位相制御部13Aは、位相制御器131,…,13Nよりも後段に配置された増幅器201,…,20Nを有する。これら増幅器201,…,20Nは、位相制御器131,…,13Nの出力である移相送電波の振幅を増幅することができる。一方、図3(B)に示される変形例の位相制御部13Bは、位相制御器131,…,13Nよりも前段に配置された増幅器211,…,21Nを有する。これら増幅器211,…,21Nは、送電波Pw1,…,PwNの振幅を増幅してそれぞれ対応する位相制御器131,…,13Nに出力することができる。
Further, the
次に、発振回路12の構成について説明する。図4(A)は、発振回路12の構成例を示す図である。図4(A)の構成例では、発振回路12は、高周波発振器22と、この高周波発振器22の出力波をランダムまたは疑似ランダムに移相して電波Pwを生成する可変移相器23と、この可変移相器23の動作を制御するランダム位相制御部24とを備えている。ランダム位相制御部24は、物理乱数列(真の乱数列)を用いて高周波発振器22の出力波の移相量すなわち位相変化量をランダムに変化させ、あるいは、疑似乱数列を用いて高周波発振器22の出力波の移相量を疑似ランダムに変化させる。物理乱数列を使用する場合、ランダム位相制御部24は、物理乱数列のデータが記憶された不揮発性メモリを内部に有し、そのデータを読み出して使用すればよい。疑似乱数列を使用する場合には、ランダム位相制御部24は、公知の疑似乱数生成アルゴリズムにより疑似乱数列を計算する演算回路を内部に有していればよい。この種の演算回路は、たとえば、公知の線形フィードバックシフトレジスタを利用した乱数発生回路により構成可能である。また、カオス現象(非周期動作)を生み出す非線形写像(たとえば、ロジスティック写像)が電圧波形または信号処理などに現れる回路を利用することで物理乱数または擬似乱数を生成することが可能である。
Next, the configuration of the
可変移相器23の移相量制御については、たとえば、ランダム位相制御部24から可変移相器23へ制御電圧を供給する構成を採用することができる。可変移相器23へ供給される制御電圧の値をランダムまたは疑似ランダムな値に切り替えることで移相量をランダムまたは疑似ランダムに変化させることが可能である。
For the phase shift amount control of the
このように電波Pwの位相がランダムまたは疑似ランダムに変化することにより、受電アンテナ素子における電波干渉が低減されるという効果が得られる。図5は、M台(Mは3以上の整数)の無線送電装置Tx1,Tx2,…,TxMからなる無線送電システム1と、無線受電装置Rxとの組み合わせの一例を概略的に示す図である。この無線送電システム1を構成する無線送電装置Tx1〜TxMは3台以上であるが、これに限定されるものではなく、2台の無線送電装置で無線送電システムが構成されてもよい。図5に示される無線送電装置Tx1〜TxMは、上記した無線送電装置Txと同じ構成を有している。一方、無線受電装置Rxは、複数本の受電アンテナ素子からなるアレイアンテナ30と、このアレイアンテナ30で受電された電波を直流の電気エネルギーEngに変換する装置本体31とを備える。図5に示されるように、無線送電装置Tx1〜TxMは、無線受電装置Rxのアレイアンテナ30に向けてそれぞれM本の送電ビームを送出する。このため、これら送電ビームを受信するアレイアンテナ30において電波干渉が生ずるが、各送電ビームの電波の位相はランダムまたは疑似ランダムに変化するので、アレイアンテナ30における電波干渉が低減され、ヌル点(電波強度が落ち込む点)発生を回避することができる。これにより、送電効率が向上する。
As described above, when the phase of the radio wave Pw changes randomly or pseudo-randomly, an effect of reducing radio wave interference in the power receiving antenna element can be obtained. FIG. 5 schematically illustrates an example of a combination of the wireless
前述したような高周波発振器22の出力位相のランダムまたは疑似ランダムな制御は、当該電波Pwの位相状態の変化Δθに要する時間Δtを長くすることで(言い換えれば、傾きΔθ/Δtを小さくすることで)、許容可能な変調帯域に対応することができる。たとえば、電波Pwの位相の最大変化量がπのときに、許容可能な変調周波数がFMmaxであるとすると、位相状態の変化Δθに要する時間Δtは、1/(2×FMmax)以上となるようにすればよい。
The random or pseudo-random control of the output phase of the high-
なお、高周波発振器22を駆動するためには、DC(直流)電力は、図4(B)に示されるような、発電装置2と接続された発振回路12から供給されてもよい。発電装置2は、太陽光などの光エネルギー、モータによる機械エネルギー、化学エネルギーまたは熱エネルギーといったエネルギーをDC電力に変換する装置である。発電装置2は、高周波発振器22を駆動するのみならず、無線送電装置全体を駆動するDC電力供給源であってもよい。
In order to drive the high-
以上に説明したように本実施の形態の無線送電装置Txでは、送電波Pw1,…,PwNに対して、送電ビームTwの方向を定める位相制御が実行される。また、この位相制御とは独立に、電波Pwの位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム位相変調が実行されることから、受電アンテナ素子における電波干渉を低減させることができる。また、送電ビームTwの方向を定める位相制御が行われる前に、電波Pwのランダム位相変調が実行され、送電波Pw1,…,PwNは、1系統の電波Pwを分配元として生成されるので、送電波Pw1,…,PwNの位相は互いに同期してランダムまたは疑似ランダムに変化する。よって、そのランダム位相変調に起因して送電アンテナ素子AN1,…,ANNの出力波間の相対位相差の時間的変動が回避されるので、そのランダム位相変調に起因して送電方向が不安定となることを防止することができる。したがって、アレイアンテナ10を用いて安定した送電を実現することができ、送電効率の向上が可能となる。
As described above, in the wireless power transmitting apparatus Tx according to the present embodiment, phase control for determining the direction of the transmitted power beam Tw is performed on the transmitted radio waves Pw 1 ,..., Pw N. In addition, the random phase modulation that changes the phase of the radio wave Pw randomly or pseudo-randomly is performed independently of the phase control, so that radio wave interference in the power receiving antenna element can be reduced. Further, before the phase control for determining the direction of the transmission beam Tw is performed, the random phase modulation performed in radio Pw,
また、図5に示したように複数台の無線送電装置Tx1,Tx2,…,TxMからなる無線送電システム1の場合、無線送電装置Tx1,Tx2,…,TxMの発振回路12,12,…,12は互いに無相関の電波を生成すればよく、必ずしもこれら発振回路12,12,…,12の動作を互いに同期させる必要がないという利点がある。
Further, a plurality of wireless power transmission device Tx 1, Tx 2 as shown in FIG. 5, ..., if the
なお、本実施の形態の無線送電装置Txは、3本以上の送電アンテナ素子AN1,…,ANNを備えているが、これに限定されるものではなく、送電アンテナ素子の本数が2本であってもよい。
The wireless power transmission device Tx in the present embodiment, three or more transmission antenna elements AN 1, ..., is provided with the AN N, is not limited to this, the number of
また、図5に示した無線受電装置Rxは、無線送電装置Tx1〜TxMからの受電電力を電気エネルギーEngに変換して出力しているが、これに限定されず、受電電力を電気エネルギー以外のエネルギー源に変換してもよい。たとえば、受電電力を用いてモータを駆動することによりその受電電力を機械エネルギーに変換したり、受電電力を抵抗器で消費させることによりその受電電力を熱エネルギーに変換したりすることも可能である。 In addition, the wireless power receiving device Rx illustrated in FIG. 5 converts the received power from the wireless power transmitting devices Tx 1 to Tx M into electrical energy Eng and outputs the electrical energy Eng, but is not limited thereto, and the received power is converted into electrical energy. You may convert into energy sources other than. For example, the received power can be converted into mechanical energy by driving the motor using the received power, or the received power can be converted into thermal energy by consuming the received power with a resistor. .
実施の形態2.
次に、本発明に係る実施の形態2について説明する。図6は、実施の形態2に係る発振回路12Aの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の無線送電装置は、上記実施の形態1の発振回路12に代えて図6の発振回路12Aを備える点を除いて、実施の形態1の無線送電装置Txと同じ構成を有する。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of the
本実施の形態に係る発振回路12Aは、ランダムまたは疑似ランダムに変化する制御電圧を出力するランダム電圧制御部41と、その制御電圧が印加される被制御端子40tを有する電圧制御発振器からなる高周波発振器40とを備えている。高周波発振器40は、被制御端子40tに印加された制御電圧に応じた周波数を有する発振波を電波Pwとして出力する。
The
高周波発振器40に供給される制御電圧は、ランダムまたは疑似ランダムに変化するので、一定期間に亘る制御電圧の時間平均は、そのランダムまたは疑似ランダムな位相制御が実行されない場合の制御電圧と実質的に等しい。よって、その一定期間における高周波発振器40の出力周波数の時間平均は、変化しない。一方、その一定期間よりも極めて短い期間内で、高周波発振器40の出力周波数がランダムまたは疑似ランダムに変化し、これにより発振回路12の出力波の位相もランダムまたは疑似ランダムに変化することとなる。
Since the control voltage supplied to the high-
ランダム電圧制御部41は、物理乱数列を用いて高周波発振器40の出力波の位相をランダムに変化させる制御電圧、あるいは、疑似乱数列を用いて高周波発振器40の出力波の位相を疑似ランダムに変化させる制御電圧を出力する。物理乱数列を使用する場合、ランダム電圧制御部41は、物理乱数列のデータが記憶された不揮発性メモリを内部に有し、そのデータを読み出して使用すればよい。疑似乱数列を使用する場合には、ランダム電圧制御部41は、公知の疑似乱数生成アルゴリズムにより疑似乱数列を計算する演算回路を内部に有していればよい。この種の演算回路は、たとえば、公知の線形フィードバックシフトレジスタを利用した乱数発生回路により構成可能である。また、カオス現象(非周期動作)を生み出す非線形写像(たとえば、ロジスティック写像)が電圧波形または信号処理などに現れる回路を利用することで物理乱数または擬似乱数を生成することが可能である。
The random
以上に説明したように本実施の形態に係る発振回路12Aでも、上記実施の形態1の発振回路12と同様に、電波Pwの位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム位相変調が実行されることから、受電アンテナ素子における電波干渉を低減させることができる。また、上記実施の形態1の場合と同様に、そのランダム位相変調に起因して送電方向が不安定となることを防止することができる。したがって、アレイアンテナ10を用いて安定した送電を実現することができ、送電効率の向上が可能となる。
As described above, also in the
更に、上記実施の形態1の発振回路12では、高周波発振器22よりも後段に配置された可変移相器23が高周波発振器22の出力波を移相するので、可変移相器23により電力損失が発生する。これに対し、本実施の形態の発振回路12Aでは、高周波発振器40の発振周波数が可変制御されるので、発振回路12と比べると、可変移相器23がなく、電力損失を抑制することができるという利点がある。
Furthermore, in the
なお、本実施の形態の高周波発振器40も、上記実施の形態1の高周波発振器22(図4(B))と同様に、他のエネルギー源からDC電力を生成する発電装置(図示せず)からDC電力の供給を受けて駆動されてもよい。
Note that the high-
実施の形態3.
次に、本発明に係る実施の形態3について説明する。図7は、実施の形態3に係る発振回路12Bの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の無線送電装置は、上記実施の形態1の発振回路12に代えて図7の発振回路12Bを備える点を除いて、実施の形態1の無線送電装置Txと同じ構成を有する。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described. FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of the
本実施の形態に係る発振回路12Bは、電圧制御発振器からなる高周波発振器50と、この高周波発振器50に制御電圧を供給して電波Pwを出力させるPLL(Phase−Locked Loop:位相同期ループ)回路51Bと、その制御電圧をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム分周数制御部58Bとを含む。
The
PLL回路51Bは、図7に示されるように、高周波発振器50の出力波の一部を分岐させる方向性結合器52と、この方向性結合器52の分岐出力の周波数を1/K(Kは分周数)にして分周波を出力する分周器53と、基準周波数を有する基準発振波を出力する基準発振器54と、その基準発振波と分周波との間の位相差に応じた電流または電圧を出力する位相比較器55と、この位相比較器55の出力をフィルタリングして制御電圧を出力するループフィルタ56とを有する。高周波発振器50は、ループフィルタ56から入力された制御電圧に応じた発振周波数を有する電波Pwを出力することができる。
As shown in FIG. 7, the PLL circuit 51B has a
ランダム分周数制御部58Bは、物理乱数列または疑似乱数列を用いて、分周器53における分周数Kをランダムまたは擬似ランダムな値に切り替えることができる。分周数Kは、ランダムまたは疑似ランダムに変化するように制御されるので、一定期間に亘る分周数Kの時間平均は、そのランダムまたは疑似ランダムな分周数制御が実行されない場合の分周数と実質的に等しい。よって、その一定期間における高周波発振器50の出力周波数の時間平均は、変化しない。一方、その一定期間よりも極めて短い期間内で、分周器53の出力周波数がランダムまたは擬似ランダムに変化し、高周波発振器50の出力波の位相がランダムまたは疑似ランダムに変化するように制御される。これにより高周波発振器50の出力周波数は時間平均として一定で、瞬間的にランダムに変化するため、その出力波の位相がランダムまたは疑似ランダムに変化することとなる。したがって、ランダム分周数制御部58Bは、高周波発振器50の出力位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させる位相制御機能を有する。
The random frequency division number control unit 58B can switch the frequency division number K in the
ランダム分周数制御部58Bは、物理乱数列を使用して分周数Kを制御する場合、その物理乱数列のデータが記憶された不揮発性メモリを内部に有し、そのデータを読み出して使用すればよい。疑似乱数列を使用して分周数Kを制御する場合には、ランダム分周数制御部58Bは、公知の疑似乱数生成アルゴリズムにより疑似乱数列を計算する演算回路を内部に有していればよい。この種の演算回路は、たとえば、公知の線形フィードバックシフトレジスタを利用した乱数発生回路により構成可能である。また、カオス現象(非周期動作)を生み出す非線形写像(たとえば、ロジスティック写像)が電圧波形または信号処理などに現れる回路を利用することで物理乱数または擬似乱数を生成することが可能である。 When the frequency division number control unit 58B uses the physical random number sequence to control the frequency division number K, the random frequency division number control unit 58B has a nonvolatile memory in which data of the physical random number sequence is stored, and reads and uses the data. do it. When the frequency division number K is controlled using a pseudo random number sequence, the random frequency division number control unit 58B has an arithmetic circuit for calculating a pseudo random number sequence by a known pseudo random number generation algorithm. Good. This type of arithmetic circuit can be constituted by a random number generation circuit using a known linear feedback shift register, for example. Further, it is possible to generate a physical random number or a pseudo-random number by using a circuit in which a nonlinear map (for example, logistic map) that generates a chaos phenomenon (non-periodic operation) appears in a voltage waveform or signal processing.
以上に説明したように本実施の形態に係る発振回路12Bでも、上記実施の形態1の発振回路12と同様に、電波Pwの位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム位相変調が実行されることから、受電アンテナ素子における電波干渉を低減させることができる。また、上記実施の形態1の場合と同様に、そのランダム位相変調に起因して送電方向が不安定となることを防止することができる。したがって、アレイアンテナ10を用いて安定した送電を実現することができ、送電効率の向上が可能となる。
As described above, also in the
更に、本実施の形態に係る発振回路12Bは、分周波を安定度の高い基準発振波と比較しながら制御電圧を生成するPLL回路51Bを採用しているので、時間平均としてみたときに周波数安定度の高い電波Pwを作り出すことができるという効果がある。
Furthermore, since the
なお、本実施の形態の高周波発振器50も、上記実施の形態1の高周波発振器22(図4(B))と同様に、他のエネルギー源からDC電力を生成する発電装置(図示せず)からDC電力の供給を受けて駆動されてもよい。
Note that the high-
実施の形態4.
次に、本発明に係る実施の形態4について説明する。図8は、実施の形態4に係る発振回路12Cの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の無線送電装置は、上記実施の形態1の発振回路12に代えて図8の発振回路12Cを備える点を除いて、実施の形態1の無線送電装置Txと同じ構成を有する。
Embodiment 4 FIG.
Next, a fourth embodiment according to the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of an
本実施の形態に係る発振回路12Cは、電圧制御発振器からなる高周波発振器50と、この高周波発振器50に制御電圧を供給して電波Pwを出力させるPLL回路51Cと、その制御電圧をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム位相制御部58Cとを含む。
The
PLL回路51Cは、図8に示されるように、高周波発振器50の出力波の一部を分岐させる方向性結合器52と、この方向性結合器52の分岐出力の周波数を1/Kにして分周波を出力する分周器53と、基準周波数を有する基準発振波を出力する基準発振器54と、その基準発振波を移相する可変移相器57と、この可変移相器57の出力波と分周波との間の位相差に応じた電流または電圧を出力する位相比較器55と、この位相比較器55の出力をフィルタリングして制御電圧を出力するループフィルタ56とを有する。高周波発振器50は、上記実施の形態3の場合と同様に、ループフィルタ56から入力された制御電圧に応じた発振周波数を有する電波Pwを出力することができる。
As shown in FIG. 8, the PLL circuit 51C divides a
ランダム位相制御部58Cは、物理乱数列または疑似乱数列を用いて、可変移相器57における移相量をランダムまたは擬似ランダムな値に切り替えることができる。移相量は、ランダムまたは疑似ランダムに変化するように制御されるので、一定期間に亘る移相量の時間平均は、そのランダムまたは疑似ランダムな移相量制御が実行されない場合の移相量と実質的に等しい。よって、その一定期間における高周波発振器50の出力周波数の時間平均は、変化しない。一方、その一定期間よりも極めて短い期間内で、可変移相器57の出力波の位相がランダムまたは擬似ランダムに変化し、高周波発振器50の出力波の位相がランダムまたは疑似ランダムに変化するように制御される。したがって、ランダム移相制御部58Cは、高周波発振器50の出力位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させる位相制御機能を有する。
The random phase control unit 58C can switch the phase shift amount in the
可変移相器57の移相量制御については、たとえば、ランダム移相制御部58Cから可変移相器57へ制御電圧を供給する構成を採用することができる。可変移相器57へ供給される制御電圧の値をランダムまたは疑似ランダムな値に切り替えることで移相量をランダムまたは疑似ランダムに変化させることが可能である。
For the phase shift amount control of the
ランダム移相制御部58Cは、物理乱数列を使用して移相量を制御する場合、その物理乱数列のデータが記憶された不揮発性メモリを内部に有し、そのデータを読み出して使用すればよい。疑似乱数列を使用して移相量を制御する場合には、ランダム移相制御部58Cは、公知の疑似乱数生成アルゴリズムにより疑似乱数列を計算する演算回路を内部に有していればよい。この種の演算回路は、たとえば、公知の線形フィードバックシフトレジスタを利用した乱数発生回路により構成可能である。また、カオス現象(非周期動作)を生み出す非線形写像(たとえば、ロジスティック写像)が電圧波形または信号処理などに現れる回路を利用することで物理乱数または擬似乱数を生成することが可能である。 When controlling the amount of phase shift using a physical random number sequence, the random phase shift control unit 58C has a nonvolatile memory in which data of the physical random number sequence is stored, and reads and uses the data. Good. When controlling the amount of phase shift using a pseudo random number sequence, the random phase shift control unit 58C only needs to have an arithmetic circuit for calculating a pseudo random number sequence by a known pseudo random number generation algorithm. This type of arithmetic circuit can be constituted by a random number generation circuit using a known linear feedback shift register, for example. Further, it is possible to generate a physical random number or a pseudo-random number by using a circuit in which a nonlinear map (for example, logistic map) that generates a chaos phenomenon (non-periodic operation) appears in a voltage waveform or signal processing.
以上に説明したように本実施の形態に係る発振回路12Cでも、上記実施の形態1の発振回路12と同様に、電波Pwの位相をランダムまたは疑似ランダムに変化させるランダム位相変調が実行されることから、受電アンテナ素子における電波干渉を低減させることができる。また、上記実施の形態1の場合と同様に、そのランダム位相変調に起因して送電方向が不安定となることを防止することができる。したがって、アレイアンテナ10を用いて安定した送電を実現することができ、送電効率の向上が可能となる。
As described above, also in the
更に、本実施の形態に係る発振回路12Cは、分周波を安定度の高い基準発振波と比較しながら制御電圧を生成するPLL回路51Cを採用しているので、時間平均としてみたときに周波数安定度の高い電波Pwを作り出すことができるという効果がある。また、可変移相器57における基準発振波の位相変化は、高周波発振器50の出力波における発振周波数に対して分周数倍(K倍)影響するので、基準発振波の小さな位相変化で電波Pwの位相状態の大きな変化を得ることができるという利点がある。
Furthermore, the
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記実施の形態1〜4では、無線送電装置Tx,Tx1〜TxMの動力源として電気エネルギーを使用することができるが、これに限定されず、電気エネルギー以外のエネルギーが動力源として使用されてもよい。 Although various embodiments according to the present invention have been described above with reference to the drawings, these embodiments are examples of the present invention, and various forms other than these embodiments can be adopted. For example, in the first to fourth embodiments, electrical energy can be used as a power source of the wireless power transmission devices Tx, Tx 1 to Tx M , but the present invention is not limited to this, and energy other than electrical energy is used as the power source. May be used.
本発明の範囲内において、実施の形態1〜4の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
Within the scope of the present invention, it is possible to freely combine
Tx,Tx1〜TxM 無線送電装置、Rx 無線受電装置、1 無線送電システム、2 発電装置、10 アレイアンテナ、11 装置本体、12,12A,12C 発振回路、13,13A,13B 位相制御部、131〜13N 位相制御器、14 分配器、15 ビーム方向制御部、201〜20N,211〜21N 増幅器、22 高周波発振器、23 可変移相器、24 ランダム位相制御部、40 高周波発振器、40t 被制御端子、41 ランダム電圧制御部、50 高周波発振器、51B,51C PLL回路、52 方向性結合器、53 分周器、54 基準発振器、55 位相比較器、56 ループフィルタ、57 可変移相器、58B ランダム分周数制御部、58C ランダム移相制御部、AN1〜ANN 送電アンテナ素子、IL1〜ILN 注入同期発振器、PS1〜PSN 可変移相器。
Tx, Tx 1 to Tx M wireless power transmission device, Rx wireless power reception device, 1 wireless power transmission system, 2 power generation device, 10 array antenna, 11 device body, 12, 12A, 12C oscillation circuit, 13, 13A, 13B phase control unit, 13 1 to 13 N phase controller, 14 distributor, 15 beam direction control unit, 20 1 to 20 N , 21 1 to 21 N amplifier, 22 high frequency oscillator, 23 variable phase shifter, 24 random phase control unit, 40 high frequency Oscillator, 40t controlled terminal, 41 random voltage control unit, 50 high frequency oscillator, 51B, 51C PLL circuit, 52 directional coupler, 53 divider, 54 reference oscillator, 55 phase comparator, 56 loop filter, 57 variable shift phase vessel, 58B random divisor control unit, 58C random phase shift control unit, AN 1 ~AN N transmission antenna elements, IL 1 ~IL Injection locked oscillator,
Claims (11)
ランダムまたは疑似ランダムに変化する位相を有する電波を生成する発振回路と、
前記電波をN系統の送電波に分配する分配器と、
前記N系統の送電波を個別に移相してそれぞれ前記N本の送電アンテナ素子に供給することにより当該N本の送電アンテナ素子から送電ビームを放射させる位相制御部と
を備えることを特徴とする無線送電装置。 An array antenna composed of N (N is an integer of 2 or more) power transmission antenna elements regularly arranged;
An oscillation circuit that generates a radio wave having a phase that changes randomly or pseudo-randomly;
A distributor that distributes the radio waves to N transmission radio waves;
A phase control unit that radiates a power transmission beam from the N power transmission antenna elements by individually shifting the phases of the N transmission radio waves and supplying the N power transmission radio waves to the N power transmission antenna elements, respectively. Wireless power transmission device.
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