JP7259275B2

JP7259275B2 - フェイズドアレイアンテナ装置、電力伝送システム、ビームパターン形成方法及び電力伝送方法

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Publication number: JP7259275B2
Application number: JP2018213177A
Authority: JP
Inventors: 修次縫村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: JP2020080491A

Description

この発明は、電力を送電するフェイズドアレイアンテナ装置、電力伝送（送電）システム、ビームパターン形成方法及び電力伝送方法に関するものである。

宇宙に設置した大規模な太陽光発電装置から地上に電力を送電する宇宙太陽発電システム（ＳＳＰＳ：ＳｐａｃｅＳｏｌａｒＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ）が構想されている。そのために、マイクロ波などの周波数帯域の電波により、電力を送受電する無線電力伝送システムの研究開発が進められている。近年、ＳＳＰＳの要素技術の開発が進み、離島や飛翔体に向けて、長距離・大電力の電力伝送を行うシステムの検討が多くなされている。このようなシステムでは、フェイズドアレイアンテナ装置が使用される（例えば、特許文献１参照）。

飛翔体を用いた監視／通信システムにおいては、地上に設置した電力伝送装置から飛翔体に取り付けた受電装置に電力伝送することで飛翔体に搭載するバッテリーが不要或いは小さくできるというメリットがある。このような離れた場所へ電力伝送する場合に必要になるものがビーム成形である。ビーム成形に関しては、レーダ装置などでも使われている（例えば、特許文献２参照）。

ＷＯ２０１８／１８１７６４特開２０１１－１７２１４９号公報

しかし、特許文献２に記載の従来技術では、素子アンテナを分けてビーム成形を行っており、構造が複雑になるという課題がある。また、素子アンテナを効率的に使ってビーム成形が行われていないという課題もある。なお、特許文献１に記載の従来技術は、素子アンテナの較正に関するものである。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、簡便な構成で、素子アンテナ部を効率的に使用できるフェイズドアレイアンテナ装置、電力伝送システム、ビームパターン形成方法及び電力伝送方法に関するものである。

この発明に係るフェイズドアレイアンテナ装置及び電力伝送システムは、素子アンテナ及び前記素子アンテナに接続された移相器を有する素子アンテナ部と、複数の前記素子アンテナ部がアレイ状に配列されたフェイズドアレイアンテナ部と、複数の前記素子アンテナ部の前記移相器にそれぞれ接続された位相制御部と、前記位相制御部に接続され、位相情報を送るビームパターン演算部とを備え、前記ビームパターン演算部は、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電するマイクロ波の電力に必要な前記素子アンテナ部である送電素子の数を算出し、算出した数を複数の前記素子アンテナ部の数から引いた数を、送電する前記マイクロ波のビーム成形に使用する前記素子アンテナ部であるビーム成形用素子の数とし、複数の前記素子アンテナ部から前記ビーム成形用素子として選択する前記素子アンテナ部の組合せを順次変更するとともに、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、前記送電素子の前記移相器のそれぞれに、送電する方向とアレイ状の配列における前記送電素子の配列位置とから決まる位相情報を送り、選択された前記ビーム成形用素子の前記移相器のそれぞれへ前記ビームパターン演算部から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターンを送電可能な前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とするものである。

この発明に係るビームパターン形成方法及び電力伝送方法は、それぞれ移相器を有する複数の素子アンテナ部がアレイ状に配列され、ビームパターン演算部が、前記移相器にそれぞれ接続された位相制御部へ位相情報を送るフェイズドアレイアンテナ装置を用いたビームパターン形成方法において、前記フェイズドアレイアンテナ装置から送電するマイクロ波の電力に必要な前記素子アンテナ部である送電素子の数を算出する電力伝送用素子アンテナ確保ステップと、複数の前記素子アンテナ部の数から、前記電力伝送用素子アンテナ確保ステップで算出した数を引いた数を、送電する前記マイクロ波のビーム成形に使用する前記素子アンテナ部であるビーム成形用素子の数とする位相制御用素子アンテナ部確保ステップと、前記位相制御用素子アンテナ確保ステップで決定した数の前記ビーム成形用素子を、複数の前記素子アンテナ部から選択する前記素子アンテナ部の組合せを順次変更するとともに、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、前記送電素子の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で前記ビームパターン演算部から、送電する方向とアレイ状の配列における前記送電素子の配列位置とから決まる位相情報を送り、選択された前記ビーム成形用素子の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で前記ビームパターン演算部から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターンを送電可能な前記素子アンテナ部の組合せを決定するビームパターン演算ステップとを備えたことを特徴とするものである。

以上のように、この発明によれば、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンを送電可能な素子アンテナ部の組合せを効率良く決定することができるフェイズドアレイアンテナ装置、電力伝送システム、ビームパターン形成方法及び電力伝送方法を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置の構成図である。この発明の実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置のアンテナ面の模式図である。この発明の実施の形態１に係るビームパターン形成方法のフローチャートである。この発明の実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置（電力伝送システム）の構成図である。この発明の実施の形態２に係るビームパターン形成方法（電力伝送方法）のフローチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図１から図３を用いて説明する。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。図３は、実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置を用いたビームパターン形成方法を説明するものである。また、本願でいう「マイクロ波」とは厳密な周波数帯のみを指しているわけではなく、マイクロ波やその周辺の帯域を含む周波数帯域の電波（電磁波）を意味している。

図１から図３において、素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）は、素子アンテナ１及び素子アンテナ１に接続された移相器２を有している。つまり、素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）と素子アンテナ１とは同数である。素子アンテナ１（素子アンテナ部１０、アレイ素子１０）は、マイクロ波を空間に出力するものである。図２では、○又は●が素子アンテナ１に相当する。移相器２は、分配されたマイクロ波の位相を所望の値（位相情報から得た値）に調整する可変移相器である。フェイズドアレイアンテナ部１１は、複数の素子アンテナ部１０がアレイ状（例えば、二次元）に配列されたものである。マイクロ波発生部３は、複数の素子アンテナ部１のそれぞれと接続されている。マイクロ波発生部３は、マイクロ波を生成し、マイクロ波信号を素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）へ分配するものである。

図１から図３において、位相制御部４は、複数の素子アンテナ部１０の移相器２にそれぞれ接続されている。ビームパターン演算部５は、位相制御部４に接続され、位相制御部４経由で移相器２へ位相情報を送る。ビームパターン演算部５は、所望の送電電力およびビームパターンから、各素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）の位相を計算するものである。詳しくは、位相制御部４は、ビームパターン演算部５から出力された位相情報を各素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）の移相器２に設定するものである。よって、ビームパターン演算部５から位相制御部４へ送られた位相情報は、位相制御部４を経由して移相器２へ送ることで、位相制御部４が具体的に移相器２を制御する情報に変換されていることになる。位相制御部４は、それぞれの移相器２（後述の移相器２－１～２－ｎ）に位相を指示するだけの機能で、どの移相器２にどういう位相を設定するかは、ビームパターン演算部５が決めている。ビームパターン演算部５のビームパターン成形の演算が完了してから、ビームパターン演算部５から位相制御部４へ位相情報を送ることになる。その後、位相情報に基づく位相が設定され、素子アンテナ１（後述の素子アンテナ１－１～１－ｎ）から、成形されたビームパターンのマイクロ波が送電される。

フェイズドアレイアンテナ部１１は、複数の素子アンテナ部１０がアレイ状に配列されたものであると説明したが、図２が二次元に素子アンテナ部１０を配列した状態を示している。図２では分かりやすさを重視して、アンテナ面を模式的に示しているため、素子アンテナ１や素子アンテナ部１０の符号は付していない。前述のとおり、図２では、○又は●が素子アンテナ１に相当する。一方、図１は、二次元に素子アンテナ部１０を配列したものの１行又は１列を抜き出したものに相当している。もちろん、図１は、一次元に素子アンテナ部１０を配列したものともいえる。図１では、素子アンテナ部１０は、さらに増幅部６を有しているもの示している。増幅部６は、素子アンテナ１と移相器２との間に配置されている。つまり、移相器２は、増幅部６を介して素子アンテナ１に接続されている。増幅部６は、分配されたマイクロ波を増幅する可変電力増幅器である。つまり、素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）は、素子アンテナ１、移相器２、増幅部６を有している。

また、図１では、素子アンテナ１、移相器２、増幅部６は、ｎ個（ｎは１以上の正の整数）を備えたものを図示している。つまり、素子アンテナ１は素子アンテナ１－１から素子アンテナ１－ｎのｎ個、移相器２は移相器２－１から移相器２－ｎのｎ個、増幅部６は、増幅部６－１から増幅部６－ｎのｎ個を備えている。よって、素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）に関しても、素子アンテナ部１０－１（アレイ素子１０－１）から素子アンテナ部１０－ｎ（アレイ素子１０－ｎ）のｎ個が存在することになるが、図面の簡略化のため、素子アンテナ部１０（アレイ素子１０）は、一点鎖線で示した素子アンテナ１－１、移相器２－１、増幅部６－１のみに符号１０を付している。また、点線で囲われた素子アンテナ１－１から素子アンテナ１－ｎが素子アンテナ１全体としてもよいし、素子アンテナ１－１から素子アンテナ１－ｎのいずれかが素子アンテナ１に相当するとしてもよい。点線で囲われた、移相器２－１から移相器２－ｎと増幅部６－１から増幅部６－ｎも同様である。

実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、ビームパターン演算部５が、フェイズドアレイアンテナ部１１から送信するマイクロ波の電力（送信電力）に必要な素子アンテナ１の数を算出する。例えば、図２の左方に示すアンテナ面のように、送信するマイクロ波が許容放射電力内になるよう、一部の素子アンテナ１を動作状態として、ＲＥＶ法を実施すればよい。ビームパターン演算部５は、マイクロ波発生部３を制御する制御部５として機能してもよい。ＲＥＶ法とは、特許文献１に記載のあるとおり、素子電界ベクトル回転法（ＲｏｔａｔｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄＶｅｃｔｏｒ（ＲＥＶ）Ｍｅｔｈｏｄ）である。さらに、図示は省略するが、ビームパターン演算部５は、増幅部６（増幅部６－１～６－ｎ）を制御する制御部５として機能させてもよい。制御部５は、構成および効率を維持できる範囲において、素子アンテナ部１０の増幅部６（増幅部６－１～６－ｎ）を用いて振幅分布を調整することで、ビームパターン成形してもよい（ビームパターン成形を補助してもよい）。

次に、ビームパターン演算部５は、算出したマイクロ波の電力に必要な素子アンテナ１の数から複数の素子アンテナ部１０の数を引いた数を、送信するマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナ１の数とする。なお、図２では、○が電力伝送に使用する素子アンテナ１を示し、●がビーム成形に使用する素子アンテナ１を示している。素子アンテナ１（又は、アレイ素子１０）のうち、電力伝送に使用するものを送電素子と称してもよい。素子アンテナ１（又は、アレイ素子１０）のうち、ビーム成形に使用するものをビーム成形用素子と称してもよい。図２では、○が送電素子、●がビーム成形用素子となる。

さらに、ビームパターン演算部５は、複数の素子アンテナ部１０からマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナ１として選択する素子アンテナ部１０の組合せを順次変更する。また、ビームパターン演算部５は、素子アンテナ部１０の組合せを順次変更するとともに、素子アンテナ部１０の組合せの変更ごとに、選択された素子アンテナ部１０の移相器２のそれぞれへビームパターン演算部５から位相制御部４経由で位相情報を送ってビームパターンを変更させ、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンを送信可能な素子アンテナ部１０の組合せを決定する。図２の右方上段は、送信するマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナ１の数が１２個の場合の組み合わせの一例を示している。図２の右方下段は、送信するマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナ１の数が８個の場合の組み合わせの一例を示している。

実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、ビームパターンに付随して生じるサイドローブにも対処できる。つまり、ビームパターン演算部５は、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンのサイドローブが、最小又は予め定められたレベル以下のビームパターンとなる素子アンテナ部１０の組合せを決定することができる。予め定められたレベル以下のサイドローブが、理論上、最小のサイドローブを含む。また、最小のサイドローブとは、実効的にはサイドローブがゼロといえる場合も含む。

また、実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、ビームパターン演算部５が、素子アンテナ部１０の組合せの変更ごとに、選択された素子アンテナ部１０の移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由で位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターンが得られた時点で、新たな組合せによる素子アンテナ部１０のビームパターンの演算を止めるようにしてよい。もちろん、全ての組合せを総当り的に実施して、全てのビームパターンの情報を得てもよい。

このように、実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、必要な送電電力を確保するのに必要な素子アンテナ１を確保し、素子アンテナ１の送電素子とビーム成形用素子の組合せで最も所望のビームに近くなる位相条件をビームパターン演算部５で算出することができる。ビームパターン演算部５で算出した子アンテナ１の送電素子とビーム成形用素子の組合せで最も所望のビームに近くなる位相条件である位相情報は、位相制御部４を通して移送器２で設定される。図２の右方の上段及び下段に示すように、同一のアンテナ面を構成する素子アンテナ１において、電力伝送用素子とビーム成形用素子とに分かることになる。

実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置の動作方法に相当する。よって、これまでの説明と重複する部分は説明を省略する場合がある。図３のフローチャートに示すように、実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、電力伝送用素子アンテナ確保ステップ（Ｓｔｅｐ１）、位相制御用素子アンテナ部確保ステップ（Ｓｔｅｐ２）及びビームパターン演算ステップ（Ｓｔｅｐ３、Ｓｔｅｐ４）を有している。実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、マイクロ波発生部３に接続され、それぞれ位相制御部４を有する複数の素子アンテナ部１０がアレイ状に配列され、ビームパターン演算部５が移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由で位相情報を送るフェイズドアレイアンテナ装置を用いたビームパターン形成方法である。

図３において、電力伝送用素子アンテナ確保ステップ（Ｓｔｅｐ１）は、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電するマイクロ波の電力に必要な素子アンテナの数を算出するものである。また、電力伝送用素子アンテナ確保ステップ（Ｓｔｅｐ１）は、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電するマイクロ波の電力の値が変更されるごとに、必要な素子アンテナの数を算出するようにしてもよい。

さらに、電力伝送用素子アンテナ確保ステップ（Ｓｔｅｐ１）は、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電するマイクロ波の電力が外部から指定されたものに必要な素子アンテナの数を算出するようにしてもよい。「フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電するマイクロ波の電力が外部から指定されたもの」に関する詳細は、実施の形態２で説明を行なう。

図３において、位相制御用素子アンテナ部確保ステップ（Ｓｔｅｐ２）は、複数の素子アンテナ部１０の数から、電力伝送用素子アンテナ確保ステップで算出した数を引いた数を、送電するマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナの数とするものである。

図３において、まず、ビームパターン演算ステップは、位相制御用素子アンテナ確保ステップで決定した数の素子アンテナ部１０を、複数の素子アンテナ部１０から選択する素子アンテナ部１０の組合せを順次変更するものである。次に、ビームパターン演算ステップは、選択する素子アンテナ部１０の組合せを順次変更するとともに、素子アンテナ部１０の組合せの変更ごとに、選択された素子アンテナ部１０の移相器２のそれぞれへビームパターン演算部５から移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由で送ってビームパターンを変更させるものである。さらに、ビームパターン演算ステップは、ビームパターンを変更させ、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターン（所望のパターン）を送電可能な素子アンテナ部１０の組合せを決定するものである。

つまり、図３に示すように、ビームパターン演算ステップは、Ｓｔｅｐ３（ビームパターン演算ステップ１）とＳｔｅｐ４（ビームパターン演算ステップ２）とを繰り返し実施することになる。前述のとおり、全ての組合せを総当り的に実施して、全てのビームパターンの情報を得てもよいし、予め設定している所望のビームパターンが得られた時点で、新たな組合せによる素子アンテナ部１０のビームパターンの演算を止めるようにしてよい。つまり、これらのいずれかがＳｔｅｐ４の「ＹＥＳ」又は「ＮＯ」の判断基準となる。

よって、実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、ビームパターン演算ステップが、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンのサイドローブが、最小又は予め決められたレベル以下のビームパターンとなる素子アンテナ部１０の組合せを決定するものといえる。また、実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、ビームパターン演算ステップが、素子アンテナ部１０の組合せの変更ごとに、選択された素子アンテナ部１０の移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由でビームパターン演算部５から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターン（所望のパターン）が得られた時点で、新たな組合せによる素子アンテナ部１０のビームパターンの演算を止めるものといえる。

なお、実施の形態１に係るビームパターン形成方法は、ビームパターン演算ステップが、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンが、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電されるマイクロ波を受電する対象へ向くビームパターンとなる素子アンテナ部１０の組合せを決定するようにしてもよい。

このように、実施の形態１に係るフェイズドアレイアンテナ装置及びビームパターン形成方法は、例えば、同一の送信アンテナ部１０（アレイ素子１０）を並べて構成したフェイズドアレイアンテナ装置を用いて、ある方向に電力伝送をする場合に、電力伝送用に用いるもの以外の素子を、必要に応じて一部の素子を低サイドローブやビーム成形（サイドローブキャンセラ、ビーム形状可変）として用いることで、運用上のシステム効率を高く保ったまま、低コストに行うことが容易である。また、ビームパターン演算部５のビームパターン成形の演算、つまり、ビームパターン演算ステップが完了してから、ビームパターン演算部５から位相制御部４へ位相情報を送ることになる。その後、位相情報に基づく位相が設定される。実際に、素子アンテナ１（後述の素子アンテナ１－１～１－ｎ）から、成形されたビームパターンのマイクロ波を送電する電力伝送ステップは、実施の形態２で説明する。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について図４と図５を用いて説明する。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。図５は、実施の形態１及び２に係る電力伝送システム又は実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置を用いた電力伝送方法を、実施の形態２に係る電力伝送方法として説明するものである。

実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、ビームパターン演算部５が、フェイズドアレイアンテナ部１１（素子アンテナ部１０）から送信するマイクロ波を受電する側から情報を受けて、フェイズドアレイアンテナ部１１（素子アンテナ部１０）から送信するマイクロ波の電力の値を変更するために、変更後に送信する電力に必要な素子アンテナ１（送電素子）の数を算出するようにしてよい。

また、送信するマイクロ波のビームパターンを変更（この変更は、ビームの向き、つまりビームの尖頭方向を変える変更も含む）すると、マイクロ波を受電する側が得られる電力も変わる。よって、実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、ビームパターン演算部５が、フェイズドアレイアンテナ部１１（素子アンテナ部１０）から送信するマイクロ波を受電する側から情報を受けて、フェイズドアレイアンテナ部１１（素子アンテナ部１０）から送信するマイクロ波の電力の値を変更するために、移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由で位相情報を送ってビームパターンを変更させるようにしてもよい。

このように、「フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送電するマイクロ波の電力が外部から指定されたもの」とするため、実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、例えば、図４に示すように、受信アンテナ７を有する通信用受信アンテナ部１２を備えていてもよい。通信用受信アンテナ部１２は、マイクロ波を受電する側から情報を通信により得て、ビームパターン演算部５へ送るものである。

もちろん、実施の形態２では、送信するマイクロ波を受電する側の構成を加えて、全体システムとして、実施の形態２に係る電力伝送システムとしてもよい。つまり、実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置を有する電力伝送システムとなる。この電力伝送システムは、図４に示す、実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置、受電部１３、通信用送信アンテナ部１４を有している。

図４において、受電部１３は、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）から送信されたマイクロ波を受電するものである。受電部１３は、レクテナ及び整流回路などで構成される受電回路８を備えており、受電したマイクロ波を直流（ＤＣ）に変換することができる。詳しくは、直流電力（ＤＣ電力）に変換することができる。通信用送信アンテナ部１４は、送信アンテナ９を有し、受電部１３で受電したマイクロ波の情報を、マイクロ波を受電する側から情報として、通信用受信アンテナ部１２（受信アンテナ７）へ通信で送るものである。図４では、受電部１３を単一のアンテナ装置として例示しているが、受電部１３においてアンテナ装置や素子アンテナが複数のものとしてもよい。

実施の形態１及び２に係るフェイズドアレイアンテナ装置は、送電装置ともいえる。一方、受電部１３は、受電装置といえる。よって、受電装置は、送電装置から出力されたマイクロ波を直流電力（ＤＣ電力）に変換するものであるといえる。また、通信用送信アンテナ部１４は、受電装置から受け取った受電電力値の情報を送電装置（通信用受信アンテナ部１２）へ送り、通信用受信アンテナ部１２は、受電電力値の情報を受信し、ビームパターン演算部５に受け渡すものである。

実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装及び実施の形態２に係る電力伝送システムが、このようなものであることから、実施の形態２に係るビームパターン形成方法は、前述の通信用受信アンテナ部１２及び通信用送信アンテナ部１４を利用して、ビームパターン演算ステップが、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンが、外部から指定された方向へ向くビームパターンとなる素子アンテナ部１０の組合せを決定するようにしてもよい。

図５に示すように、実施の形態１及び２に係るビームパターン形成方法を有する電力伝送方法、つまり、実施の形態２に係る電力伝送方法は、電力伝送ステップ（Ｓｔｅｐ５）を有している。電力伝送ステップ（Ｓｔｅｐ５）は、ビームパターン演算ステップ（Ｓｔｅｐ３、Ｓｔｅｐ４）で決定された素子アンテナ部１０の組合せで、フェイズドアレイアンテナ装置（フェイズドアレイアンテナ部１１）からマイクロ波を送電するものである。つまり、電力伝送ステップは、ビームパターン演算ステップが完了してビームパターン演算部５から位相制御部４へ位相情報が送られた後、位相情報に基づく位相が設定されてから、素子アンテナ１（素子アンテナ１－１～１－ｎ）から、成形されたビームパターンのマイクロ波を送電するものである。

このように、実施の形態２に係るフェイズドアレイアンテナ装置（電力伝送システム）及びビームパターン形成方法（電力伝送方法）は、実施の形態１と同様に、電力伝送用に用いるもの以外の素子を、必要に応じて一部の素子を低サイドローブやビーム成形（サイドローブキャンセラ、ビーム形状可変）として用いることで、運用上のシステム効率を高く保ったまま、低コストに行うことが容易である。また、受電側のフィードバックを受けて、低サイドローブやビーム成形（サイドローブキャンセラ、ビーム形状可変）の条件を容易に変更させることができる。受電側のフィードバックを受ける場合も、ビームパターン演算ステップが完了して位相情報に基づく位相が設定されてから、新たに成形されたビームパターンのマイクロ波が送電される。

なお、受電側のフィードバックを受ける場合、新たなビームパターンの成形が終わるまでは、一旦、前のビームパターンのマイクロ波による送電（電力伝送）を停止してもよい。停止のタイミングは、フィードバックを受けた直後でもよいし、予め設定された時間の経過後でもよい。もちろん、フィードバックを受けた内容によって、停止、不停止、停止タイミングを変えてもよい。例えば、フィードバックを受けた内容が、受電側が所望の電力を得られていないというものの場合は、電力の無駄が生じるので、即、送電を停止するなどが考えられる。

以上のように、本願ではフェイズドアレイアンテナ装置において、ビーム形状可変を振幅分布で実現する必要はない。本願は、送電するマイクロ波の電力に必要な素子アンテナ１（素子アンテナ部１０）の数を算出し、それから複数の素子アンテナ部１０の数から引いた数を、送電するマイクロ波のビーム成形に使用する素子アンテナ１（素子アンテナ部１０）の数とし、その数の素子アンテナ部１０を、複数の素子アンテナ部１０から選択する素子アンテナ部１０の組合せを順次変更するとともに、素子アンテナ部１０の組合せの変更ごとに、選択された素子アンテナ部１０の移相器２のそれぞれへ位相制御部４経由でビームパターン演算部５から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、マイクロ波のビーム成形に必要なビームパターンを送電可能な素子アンテナ部１０の組合せを決定するものである。

但し、実施の形態１及び２に係るフェイズドアレイアンテナ装置（電力伝送システム）、ビームパターン形成方法（電力伝送方法）では、ビームパターン演算部５が演算した位相情報による位相調整のみを行ってビームパターン形成するだけでなく、制御部５としての動作説明を行なった際に説明したように、ビームパターン演算部５（制御部５）によって制御された増幅部６（増幅部６－１～６－ｎ）によって、振幅調整も行ってもよい。この振幅制御は、振幅分布を調整することで、ビームパターン成形するものである（ビームパターン成形を補助するものである）。なお、この場合の振幅調整は、装置において構造の複雑化を引き起こさない範囲や、効率を落とさない範囲での調整となる。

また、装置において構造の複雑化を引き起こさない範囲や、効率を落とさない範囲の調整を超えて、振幅分布でビーム形状可変にするには、例えば、出力レベルを１０ｄＢ以上可変できるアレイ素子が必要で、次のような課題がある。出力レベルを１０ｄＢ以上可変できるアレイ素子の実現には種類の異なる送信モジュールを準備する、または、可変減衰器により調整する方法が考えられるが、前者は状況に応じた対応はできず、電力伝送システムのシステム効率を下げてしまう。また、後者の場合、可変減衰器での大きな発熱が生じるため送電装置に発熱対策を施す必要があるため送電装置の高コスト化を招くとともにシステム効率の悪化も招くなど課題が多い。

１・・素子アンテナ、１－１～１－ｎ・・素子アンテナ、２・・移相器（可変移相器）、
２－１～２－ｎ・・移相器（可変移相器）、３・・マイクロ波発生部、
４・・位相制御部、５・・ビームパターン演算部（制御部）、
６・・増幅部（可変電力増幅器）、６－１～６－ｎ・・増幅部（可変電力増幅器）、
７・・受信アンテナ、８・・受電回路、９・・送信アンテナ、
１０・・素子アンテナ部（アレイ素子）、１１・・フェイズドアレイアンテナ部、
１２・・通信用受信ンアンテナ部、１３・・受電部、１４・・通信用送信アンテナ部。

Claims

素子アンテナ及び前記素子アンテナに接続された移相器を有する素子アンテナ部と、複数の前記素子アンテナ部がアレイ状に配列されたフェイズドアレイアンテナ部と、複数の前記素子アンテナ部の前記移相器にそれぞれ接続された位相制御部と、前記位相制御部に接続され、位相情報を送るビームパターン演算部とを備え、
前記ビームパターン演算部は、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電するマイクロ波の電力に必要な前記素子アンテナ部である送電素子の数を算出し、算出した数を複数の前記素子アンテナ部の数から引いた数を、送電する前記マイクロ波のビーム成形に使用する前記素子アンテナ部であるビーム成形用素子の数とし、複数の前記素子アンテナ部から前記ビーム成形用素子として選択する前記素子アンテナ部の組合せを順次変更するとともに、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、前記送電素子の前記移相器のそれぞれに、送電する方向とアレイ状の配列における前記送電素子の配列位置とから決まる位相情報を送り、選択された前記ビーム成形用素子の前記移相器のそれぞれへ前記ビームパターン演算部から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターンを送電可能な前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とするフェイズドアレイアンテナ装置。
前記ビームパターン演算部は、前記フェイズドアレイアンテナ部が形成するビームパターンのサイドローブが、最小又は予め定められたレベル以下となる前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とする請求項１に記載のフェイズドアレイアンテナ装置。
前記ビームパターン演算部は、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、選択された前記ビーム成形用素子の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で位相情報を送ってビームパターンを変更させ、前記予め設定している所望のビームパターンが得られた時点で、新たな組合せによる前記素子アンテナ部のビームパターンの演算を止めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフェイズドアレイアンテナ装置。
前記ビームパターン演算部は、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電する前記マイクロ波を受電する側から情報を受けて、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電する前記マイクロ波の電力の値を変更するために、変更後に送電する電力に必要な前記送電素子の数を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフェイズドアレイアンテナ装置。
前記ビームパターン演算部は、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電する前記マイクロ波を受電する側から情報を受けて、前記フェイズドアレイアンテナ部から送電する前記マイクロ波の電力の値を変更するために、前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で位相情報を送ってビームパターンを変更させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフェイズドアレイアンテナ装置。
通信用受信アンテナ部をさらに備え、
前記通信用受信アンテナ部は、前記マイクロ波を受電する側から情報を通信により得て、前記ビームパターン演算部へ送ることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のフェイズドアレイアンテナ装置。
請求項６に記載のフェイズドアレイアンテナ装置と、
前記フェイズドアレイアンテナ部から送電された前記マイクロ波を受電する受電部と、
前記受電部で受電した前記マイクロ波の情報を、前記マイクロ波を受電する側から情報として、前記通信用受信アンテナ部へ通信で送る通信用送信アンテナ部とを備えたことを特徴とする電力伝送システム。
前記受電部は、受電した前記マイクロ波を直流に変換することを特徴とする請求項７に記載の電力伝送システム。
それぞれ移相器を有する複数の素子アンテナ部がアレイ状に配列され、ビームパターン演算部が、前記移相器にそれぞれ接続された位相制御部へ位相情報を送るフェイズドアレイアンテナ装置を用いたビームパターン形成方法において、
前記フェイズドアレイアンテナ装置から送電するマイクロ波の電力に必要な前記素子アンテナ部である送電素子の数を算出する電力伝送用素子アンテナ確保ステップと、複数の前記素子アンテナ部の数から、前記電力伝送用素子アンテナ確保ステップで算出した数を引いた数を、送電する前記マイクロ波のビーム成形に使用する前記素子アンテナ部であるビーム成形用素子の数とする位相制御用素子アンテナ部確保ステップと、前記位相制御用素子アンテナ確保ステップで決定した数の前記ビーム成形用素子を、複数の前記素子アンテナ部から選択する前記素子アンテナ部の組合せを順次変更するとともに、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、前記送電素子の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で前記ビームパターン演算部から、送電する方向とアレイ状の配列における前記送電素子の配列位置とから決まる位相情報を送り、選択された前記ビーム成形用素子の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で前記ビームパターン演算部から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、予め設定している所望のビームパターンを送電可能な前記素子アンテナ部の組合せを決定するビームパターン演算ステップとを備えたことを特徴とするビームパターン形成方法。
前記ビームパターン演算ステップは、前記フェイズドアレイアンテナ装置が形成するビームパターンが、前記フェイズドアレイアンテナ装置から送電される前記マイクロ波を受電する対象へ向くビームパターンとなる前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とする請求項９に記載のビームパターン形成方法。
前記ビームパターン演算ステップは、前記フェイズドアレイアンテナ装置が形成するビームパターンが、外部から指定された方向へ向くビームパターンとなる前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とする請求項９に記載のビームパターン形成方法。
前記ビームパターン演算ステップは、前記フェイズドアレイアンテナ装置が形成するビームパターンのサイドローブが、最小又は予め決められたレベル以下となる前記素子アンテナ部の組合せを決定することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載のビームパターン形成方法。
前記ビームパターン演算ステップは、前記素子アンテナ部の組合せの変更ごとに、選択された前記素子アンテナ部の前記移相器のそれぞれへ前記位相制御部経由で前記ビームパターン演算部から位相情報を送ってビームパターンを変更させ、前記予め設定している所望のビームパターンが得られた時点で、新たな組合せによる前記素子アンテナ部のビームパターンの演算を止めることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載のビームパターン形成方法。
前記電力伝送用素子アンテナ確保ステップは、前記フェイズドアレイアンテナ装置から送電する前記マイクロ波の電力の値が変更されるごとに、必要な前記送電素子の数を算出することを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載のビームパターン形成方法。
前記電力伝送用素子アンテナ確保ステップは、前記フェイズドアレイアンテナ装置から送電する前記マイクロ波の電力が外部から指定されたものに必要な前記送電素子の数を算出することを特徴とする請求項１４に記載のビームパターン形成方法。
請求項９から請求項１５のいずれか１項に記載のビームパターン形成方法を有する電力伝送方法であって、
前記ビームパターン演算ステップで決定された前記素子アンテナ部の組合せで、前記フェイズドアレイアンテナ装置から前記マイクロ波を送電する電力伝送ステップを備えたことを特徴とする電力伝送方法。