JP7273005B2 - 受電アンテナ装置、上空移動体及び無線電力伝送システム - Google Patents

受電アンテナ装置、上空移動体及び無線電力伝送システム Download PDF

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Description

本発明は、電波を受信する受電アンテナ装置、受電アンテナ装置を備えた上空移動体及び無線電力伝送システムに関するものである。
従来、航空機、ドローン、気球、飛行船、ソーラープレーン、飛行型ラジコン玩具など、電力を消費する機器を搭載した種々の上空移動体が知られている。特許文献１には、地上に設置された送電装置から送信された送電電波を受信する受電アンテナを備え、受電アンテナが受信した電波から得られる電力を貯蔵及び利用するドローンが開示されている。
特開２０１９－０５４７２３号公報
上記送電装置から送信される電波が直線偏波や円偏波の電波の場合、偏波軸のズレに伴い受電アンテナの受電レベルが低下して送電効率（無線伝送効率）が劣化する、という課題がある。
本発明の一態様に係る受電アンテナ装置は、電波を受信して電力を出力する受電アンテナ装置である。この受電アンテナ装置は、第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力し、前記第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力するアンテナ素子部と、前記アンテナ素子部から出力される前記第１交流電圧を第１直流電圧に変換する第１整流器を有する第１整流部と、前記アンテナ素子部から出力される前記第２交流電圧を第２直流電圧に変換する第２整流器を有する第２整流部と、前記第１整流部の出力と前記第２整流部の出力を直列接続した出力部とを備える。
前記受電アンテナ装置において、前記アンテナ素子部は、前記第１偏波面の電波を主に受信する一又は複数の第１ダイポールアンテナと、前記第２偏波面の電波を主に受信する一又は複数の第２ダイポールアンテナとを有し、前記第１整流部は、前記一又は複数の第１ダイポールアンテナに対応するように一又は複数の第１整流器を有し、前記第２整流部は、前記一又は複数の第２ダイポールアンテナに対応するように一又は複数の第２整流器を有してもよい。
前記受電アンテナ装置において、前記第１整流部及び前記第２整流部はそれぞれ、前記第１整流器及び前記第２整流器の後段側に負荷安定化制御回路を備えてもよい。
前記受電アンテナ装置において、前記第１ダイポールアンテナ及び前記第１整流器の組からなる第１レクテナを複数組並列接続して第１レクテナ群を構成し、前記第２ダイポールアンテナ及び前記第２整流器の組からなる第２レクテナを複数組並列接続して第２レクテナ群を構成し、前記第１レクテナ群の出力と前記第２レクテナ群の出力を直列接続してもよい。
前記受電アンテナ装置において、前記アンテナ素子部は、前記第１交流電圧を出力する第１出力点と前記第２交流電圧を出力する第２出力点とを有するデュアル偏波対応の平面アンテナを用いて構成され、前記第１整流部及び前記第２整流部はそれぞれ、前記第１出力点及び前記第２出力点に接続された直流遮断素子を有してもよい。
前記受電アンテナ装置において、前記アンテナ素子部と前記第１整流部と前記第２整流部と前記出力部とを有するレクテナを複数組備え、前記複数組のレクテナの出力を並列接続してもよい。
本発明の他の態様に係る上空を移動する上空移動体は、前記いずれかの受電アンテナ装置と、前記受電アンテナ装置で受信した電波から得られた電力で駆動される電気機器と、を備える。
前記上空移動体は、回転駆動されるプロペラと、前記プロペラをガードする枠体とを備えたドローンであり、前記枠体の表面に、前記受電アンテナ装置のアンテナ素子部を一又は複数配置したものであってもよい。
本発明の更に他の態様に係る無線電力伝送システムは、上空を移動する上空移動体に設けられた前記いずれかの受電アンテナ装置と、前記上空移動体の前記受電アンテナ装置に対して送電電波を送信する送電装置と、を備える。
本発明によれば、直線偏波や円偏波の電波を受信する場合に受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態に係るドローンの主要構成の一例を示す機能ブロック図。 実施形態に係るドローンの一例を示す底面図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係る受電アンテナ装置の一構成例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、第１偏波面用の第１ダイポールアンテナの指向性のコンピュータシミュレーションの結果の一例を示す特性図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、第２偏波面用の第２ダイポールアンテナの指向性のコンピュータシミュレーションの結果の一例を示す特性図。 実施形態に係る受電アンテナ装置の他の構成例を示す説明図。 実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置の動作例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置の他の動作例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、参考比較例に係る受電アンテナ装置の動作例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、参考比較例に係る受電アンテナ装置の他の動作例を示す説明図及び等価回路図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置の更に他の動作例を示す説明図及び等価回路図。 実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図。 図１５の受電アンテナ装置の等価回路図。 実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図。 図１７の受電アンテナ装置の等価回路図。 実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図。 図１９の受電アンテナ装置の等価回路図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図１において、無線電力伝送システムは、上空を移動する上空移動体としてのドローン１０に設けられた受電アンテナ装置１００と、ドローン１０の受電アンテナ装置１００に対して送電電波３０を送信する送電アンテナ２００を有する送電装置２０とを備える。本実施形態の無線電力伝送システムでは、地上の送電アンテナ２００からのマクロ波無線電力伝送によりドローン１０を給電することができる。ドローン１０の受電アンテナ装置１００は、送電電波３０を受信して直流（ＤＣ）の電圧（電流）に変換する整流器を有するため、「レクテナ」とも呼ばれる。
なお、本実施形態における送電電波３０はマイクロ波であるが、マイクロ波以外の電磁波であってもよい。送電装置２０は、図示のように地上に設置されていてもよいし、又は、海上などの水上に設置されていてもよい。また、送電装置２０は、自動車、バス、トラックなどの車両、電車、船舶等の移動体に設け、移動中又は移動停止中の移動体からドローン１０に向けて電力伝送するようにしてもよい。
ドローン１０は、操縦者が搭乗しないで外部からの遠隔制御又は自律制御により上空（大気圏外の宇宙空間を含む）における飛行が制御される航空機等の上空移動体である。ドローン１０は、例えば、トライコプター（ローター３個）、クアッドコプター(ローター４個)、ヘキサコプター(ローター６個)、オクトコプター(ローター８個)等のマルチコプター（マルチローター）型ドローンのほか、一般的なヘリコプター、固定翼型ドローンでもよい。ドローン１０は一般的には無人であるが、有人であってもよい。
また、送電装置２０から送電する送電対象は、上空（大気圏外の宇宙空間を含む）を移動する移動体であれば、ドローン以外の上空移動体であってもよい。例えば、送電対象は、上空を移動可能な空中浮揚型の通信中継装置（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」、「成層圏プラットフォーム」ともいう。）であってもよい。ＨＡＰＳは、無人飛行船タイプのＨＡＰＳでもよいし、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳでもよい。また、送電対象は、航空機、気球、飛行型ラジコン玩具など、電力を消費する機器を搭載した種々の上空移動体であってもよい。
図２は、実施形態に係るドローン１０の主要構成の一例を示す機能ブロック図である。ドローン１０は、本体１１と、複数のローター１２と、各ローター１２を駆動するローター駆動部１３と、受電アンテナ装置１００とを備える。本体１１は、制御用アンテナ１４ａを介して、ドローン１０を操縦するための操縦装置（以下「プロポ」ともいう。）と通信する飛行制御部（ＦＣ）１４と、各部を制御する制御部１５と、バッテリー１６ａを有する電源部１６とを備える。制御部１５は、例えば、飛行制御部（ＦＣ）１４がプロポから受信した制御信号に基づいてローター駆動部１３を制御することにより、ドローン１０の飛行開始及び停止、上昇、下降、飛行方向、飛行速度、飛行姿勢などを制御することができる。また、電源部１６は、受電アンテナ装置１００で受電して直流に変換された電力によりバッテリー１６ａを充電するともに、飛行制御部（ＦＣ）１４、制御部１５、ローター駆動部１３などの各部に電力を供給する。なお、飛行制御部（ＦＣ）１４は、通信網を介してサーバから操縦指示を受信し、その操縦指示に基づいてローター駆動部１３を制御してもよい。
図３は、実施形態に係るドローン１０の一例を示す底面図である。図３において、ドローン１０は、本体１１と、下向きの気流である風を発生させて浮力を発生させるための複数のローター（「プロペラ」ともいう。）１２と、受電アンテナ装置１００とを備える。受電アンテナ装置１００は、本体１１に支持アームで連結された中央部が中空の板状部材からなる枠体１０１に設けられ、ローター（プロペラ）１２を保護するガード部材として兼用されている。受電アンテナ装置１００を構成する枠体１０１は、軽量化を図るとともに空気抵抗を軽減できるようにメッシュ状の部材で形成してもよい。
受電アンテナ装置１００は、枠体１０１の下面（図３の手前側の面）に分散配置された複数のアンテナ素子部１１０を有する。
各アンテナ素子部１１０は、第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力し、第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する。図示の例では、各アンテナ素子部１１０は、第１偏波面の電波を主に受信する第１ダイポールアンテナ１２０（１）と、第１偏波面と直交する第２偏波面の電波を主に受信する第２ダイポールアンテナ１２０（２）とを有する。第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第２ダイポールアンテナ１２０（２）のそれぞれの背面側には、金属などの導電性材料で構成した反射器を設けてもよい。反射器はメッシュ状の部材であってもよい。
なお、本実施形態において、電波の「偏波面」は、電波の電界が振動する方向と伝搬方向とを含む面である。この偏波面が時間によらず一定の電波を直線偏波の電波といい、偏波面が時間によって回転する電波を円偏波の電波という。
上記構成のドローン１０に電波を送信して電力を伝送する無線電力伝送システムの送電効率（無線電力伝送の効率）は、図１に例示した送電装置２０の送電アンテナ２００の開口面（送電面の開口）とドローン１０の受電アンテナ装置１００のアンテナ開口面（受電面の開口）のほか、送電電波３０が直線偏波や円偏波の場合は偏波面の影響を受ける。例えば、受電アンテナ装置１００のダイポールアンテナの長手方向（高い受信レベルで受信可能な電波の偏波の方向）と、送電電波３０の直線偏波の方向（電界の振動方向）とが平行ではなく角度ズレを有していると、受電アンテナ装置１００の受信レベルが低下し、伝送効率が劣化する。特に、ドローン１０は上空で姿勢を変化させたり回転したりするため、上記角度ズレによる受信レベルの低下及び伝送効率の劣化が発生しやすい。また、送電電波３０が円偏波の場合も上記角度ズレが繰り返し発生するため、受信レベルの低下及び伝送効率の劣化が発生する。
そこで、本実施形態では、直線偏波や円偏波の送電電波を用いて地上からドローン１０への高効率の電力伝送を行うために、送電電波３０の偏波面の影響を受けずに受電して直流（ＤＣ）の電圧（電流）を効率よく出力するように受電アンテナ装置１００を構成している。
図４（ａ）は実施形態に係る受電アンテナ装置（レクテナ）１００の構成の一例を示す説明図であり、図４（ｂ）は受電アンテナ装置１００の等価回路の一例を示す回路図である。図示の例は、デュアル偏波対応の１組のダイポールアンテナを用いた例である。
図４（ａ）において、受電アンテナ装置１００は、アンテナ素子部１１０と第１整流部１４０（１）と第２整流部１４０（２）と出力部１５０とを備える。アンテナ素子部１１０は、第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力し、第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する。本例のアンテナ素子部１１０は、第１偏波面の電波を主に受信する第１ダイポールアンテナ１２０（１）と、第２偏波面の電波を主に受信する第２ダイポールアンテナ１２０（２）とを有する。第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第２ダイポールアンテナ１２０（２）は例えば半波長ダイポールで構成することができる。
第１整流部１４０（１）は、アンテナ素子部１１０の第１ダイポールアンテナ１２０（１）に対応する第１整流器１４２（１）を有する。第１整流器１４２（１）は、第１ダイポールアンテナ１２０（１）から出力される第１交流電圧を第１直流電圧に変換する。
第２整流部１４０（２）は、アンテナ素子部１１０の第２ダイポールアンテナ１２０（２）に対応する第２整流器１４２（２）を有する。第２整流器１４２（２）は、第２ダイポールアンテナ１２０（２）から出力される第１交流電圧を第１直流電圧に変換する。
第１整流器１４２（１）及び第２整流器１４２（２）はそれぞれ、例えば、第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第２ダイポールアンテナ１２０（２）に接続された１対の伝送線路の間に接続されたショットキーダイオードＤ１とキャパシタＣとにより構成される。ショットキーダイオードＤ１とキャパシタＣとの距離は、例えば受信電波の波長λの４分の１に設定される。
また、本例において、第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）はそれぞれ、第１整流器１４２（１）及び第２整流器１４２（２）のそれぞれの後段側に負荷安定化制御回路１４３（１），１４３（２）を備える。負荷安定化制御回路１４３（１），１４３（２）は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータで構成され、各整流器１４２（１）、１４２（２）から見た負荷が最適になるようにする負荷安定化の機能を有する。負荷安定化制御回路１４３（１），１４３（２）の後段側には保護ダイオードＤ２が接続されている。保護ダイオードＤ２は、第１整流器１４２（１）、第２整流器１４２（２）及び負荷安定化制御回路１４３（１），１４３（２）のいずれかが故障して負荷安定化制御回路の出力がオフになったときに、負荷側からの大電流を逃がして負荷安定化制御回路を保護する。
出力部１５０は、第１整流部１４０（１）の出力と第２整流部１４０（２）の出力とを直列接続する回路である。出力部１５０は、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ１と第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ２とを加算した出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖ１＋Ｖ２を出力する。ここで、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ１及び第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ２はそれぞれ、受電アンテナ装置１００で受信される電波の偏波面が変化するとき、０［Ｖ］～Ｖ［Ｖ］（最大値）の範囲で変化するが、同時に０［Ｖ］になることはなく、出力電圧Ｖｏｕｔは安定してＶ［Ｖ］になる。従って、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができる。
図５及び図６は両偏波ダイポールアンテナの放射パターン解析結果である。第１偏波用ダイポールアンテナと第２偏波用ダイポールアンテナは互いに９０［ｄｅｇ．］に直交して配置されており、それぞれのアンテナ長は１／２波長である。第１偏波用ダイポールアンテナ及び第２偏波用ダイポールアンテナのアンテナ間距離は１／２波長である。また、アンテナ素子から距離１／４波長の位置に反射板を有する。解析周波数は５．８ＧＨｚである。図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれ、第１偏波面用の第１ダイポールアンテナ１２０（１）の指向性のコンピュータシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）はそれぞれ、第２偏波面用の第２ダイポールアンテナ１２０（２）の指向性のコンピュータシミュレーションの結果の一例を示す特性図である。図５（ａ）及び図６（ａ）はそれぞれ、第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第２ダイポールアンテナ１２０（２）の中心点からの基準方位（ダイポールアンテナの長手方向のいずれか一方）を基準にした方位角φが０［ｄｅｇ．］のときの指向性の特性図である。図５（ｂ）及び図６（ｂ）はそれぞれ、前記基準方位を基準にした方位角φが９０［ｄｅｇ．］のときの指向性の特性図である。また、図中のθ［ｄｅｇ．］は各ダイポールアンテナの長手方向に平行なアンテナ面を基準として天頂方向を０［ｄｅｇ．］としたときの天頂角である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１偏波面用の第１ダイポールアンテナ１２０（１）は、方位角φが０［ｄｅｇ．］及び９０［ｄｅｇ．］のいずれにおいても、天頂角θのほぼ全域にわたって第１偏波面の電波に対して第２偏波面の電波よりも高い利得（最大で１７ｄＢ程度）を示している。一方、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２偏波面用の第２ダイポールアンテナ１２０（２）は、方位角φが０［ｄｅｇ．］及び９０［ｄｅｇ．］のいずれにおいても、天頂角θのほぼ全域にわたって第２偏波面の電波に対して第１偏波面の電波よりも高い利得（最大で１７ｄＢ程度）を示している。
図７は、実施形態に係る受電アンテナ装置１００の他の構成例を示す説明図である。図７において、受電アンテナ装置１００は、前述のダイポールアンテナを用いた複数組（図示の例では３組）のレクテナ１１２を備え、この複数組のレクテナ１１２の出力を並列接続している。複数のレクテナ１１２はそれぞれ、前述の図４に例示したように、第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第２ダイポールアンテナ１２０（２）からなるアンテナ素子部と、第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）と、出力部１５０とを有する。このように複数組のレクテナ１１２の出力を並列接続することにより、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができるとともに、単体のレクテナ１１２に比して出力の電流を高めることができ、出力電力を高めることができる。
図８は、実施形態に係る受電アンテナ装置１００の更に他の構成例を示す説明図である。図８において、受電アンテナ装置１００は、前述のダイポールアンテナを用いた第１レクテナ群１１３と第２レクテナ群１１４とを備え、第１レクテナ群１１３の出力と第２レクテナ群１１４の出力を直列接続している。第１レクテナ群１１３は、第１ダイポールアンテナ１２０（１）及び第１整流器１４２（１）の組からなる第１レクテナを複数組（図示の例では２組）並列接続して構成している。また、第２レクテナ群１１４は、第２ダイポールアンテナ１２０（２）及び第２整流器１４２（２）の組からなる第２レクテナを複数組並列接続して構成している。このように構成した第１レクテナ群１１３の出力と第２レクテナ群１１４の出力を直列接続することにより、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができるとともに、単体のレクテナ１１２に比して出力の電流を高めることができ、出力電力を高めることができる。
図９（ａ）は実施形態に係る受電アンテナ装置（レクテナ）１００の更に他の構成例を示す説明図であり、図９（ｂ）は受電アンテナ装置１００の等価回路の一例を示す回路図である。図示の例は、デュアル偏波対応の平面アンテナであるパッチアンテナを用いた例である。
図９（ａ）において、受電アンテナ装置１００は、アンテナ素子部と第１整流部１４０（１）と第２整流部１４０（２）と直流遮断素子としての直流遮断キャパシタ１４５（１）、１４５（２）と出力部１５０とを備える。アンテナ素子部は、デュアル偏波対応のパッチアンテナ１３０を用いて構成されている。パッチアンテナ１３０は、前述の第１偏波面の受信電波に対応する第１交流電圧を出力する第１出力点１３１（１）と、前述の第２偏波面の受信電波に対応する第２交流電圧を出力する第２出力点１３１（２）とを有する。
第１整流部１４０（１）は、例えば前述の整流器を有し、直流遮断キャパシタ１４５（１）を介してパッチアンテナ１３０の第１出力点１３１（１）に接続されている。第１整流部１４０（１）は、パッチアンテナ１３０の第１出力点１３１（１）から出力され、直流遮断キャパシタ１４５（１）で直流成分が除去された第１交流電圧を第１直流電圧に変換する。
第２整流部１４０（２）は、例えば前述の整流器を有し、直流遮断キャパシタ１４５（２）を介してパッチアンテナ１３０の第２出力点１３１（２）に接続されている。第２整流部１４０（２）は、パッチアンテナ１３０の第２出力点１３１（２）から出力され、直流遮断キャパシタ１４５（２）で直流成分が除去された第２交流電圧を第２直流電圧に変換する。
出力部１５０は、第１整流部１４０（１）の出力と第２整流部１４０（２）の出力とを直列接続する回路である。出力部１５０は、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ１と第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ２とを加算した出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖ１＋Ｖ２を出力する。ここで、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ１及び第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ２はそれぞれ、受電アンテナ装置１００で受信される電波の偏波面が変化するとき、０［Ｖ］～Ｖ［Ｖ］（最大値）の範囲で変化するが、同時に０［Ｖ］になることはなく、出力電圧Ｖｏｕｔは安定してＶ［Ｖ］になる。従って、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができる。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置１００の動作例を示す説明図及び等価回路図である。図１０（ａ）において、受信電波の偏波面は図中の水平方向の面であり、受信電波の電界Ｅは、受電アンテナ装置１００における第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１（絶対値は電界Ｅの１／２）と、第２偏波面に平行な第２電界成分Ｅ２（絶対値は電界Ｅの１／２）とにベクトル分解される。パッチアンテナ１３０の第１出力点１３１（１）からは第１電界成分Ｅ１に対応した第１交流信号が出力され、第２出力点１３１（２）からは第２電界成分Ｅ２に対応した第２交流信号が出力される。第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）はそれぞれ、第１電界成分Ｅ１及び第２電界成分Ｅ２に応じた直流電圧（Ｖ／２）が出力され、出力部１５０は、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ／２と第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ／２とを加算した出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖを、負荷ＺＬに出力する（図１０（ｂ）参照）。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置１００の他の動作例を示す説明図及び等価回路図である。図１１（ａ）において、受信電波の偏波面は図中の左斜め下方向に向いた面であり、受信電波の電界Ｅは、そのまま受電アンテナ装置１００における第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１（絶対値は電界Ｅと同じ）となる。パッチアンテナ１３０の第１出力点１３１（１）からは第１電界成分Ｅ１（＝Ｅ）に対応した第１交流信号が出力され、第２出力点１３１（２）からは第２交流信号が出力されない。第１整流部１４０（１）からは第１電界成分Ｅ１（＝Ｅ）に応じた直流電圧（Ｖ）が出力され、第２整流部１４０（２）からは出力されない（０［Ｖ］）。出力部１５０は、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖと同じ出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖを、負荷ＺＬに出力する（図１１（ｂ）参照）。
図１０及び図１１に示すように、図９（ａ）の受電アンテナ装置（レクテナ）１００によれば、受信電波の偏波面の傾き角度にかかわらず、一定の直流電圧Ｖを出力することができる。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）はそれぞれ、参考比較例に係る受電アンテナ装置の動作例を示す説明図及び等価回路図である。また、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）はそれぞれ、参考比較例に係る受電アンテナ装置の他の動作例を示す説明図及び等価回路図である。この参考比較例の受電アンテナ装置は、図９の実施形態に係る受電アンテナ装置１００とは異なり、出力部が第１整流部１４０（１）の出力と第２整流部１４０（２）の出力とを並列接続する回路になっている。他の部分の構成は、図９の実施形態に係る受電アンテナ装置１００と同じである。
図１２（ａ）において、図１０（ａ）と同様に、受信電波の偏波面は図中の水平方向の面であり、受信電波の電界Ｅは、受電アンテナ装置１００における第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１（絶対値は電界Ｅの１／２）と、第２偏波面に平行な第２電界成分Ｅ２（絶対値は電界Ｅの１／２）とにベクトル分解される。この比較参考例では、第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）はそれぞれ第１電界成分Ｅ１及び第２電界成分Ｅ２に応じた直流電圧（Ｖ／２）を出力するが、第１整流部１４０（１）の出力と第２整流部１４０（２）の出力とが並列接続されているため、出力部１５０から出力される出力電圧ＶｏｕｔはＶ／２のままである。
図１３（ａ）において偏波軸がずれ、第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）に供給される電力バランスが崩れた場合、第１整流部１４０（１）及び第２整流部１４０（２）から出力される電位差及び整流器内部抵抗Ｒに応じた逆電流Ｉが生じ、効率低下や整流器の破壊を招くこととなる。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）はそれぞれ、図９の受電アンテナ装置１００の更に他の動作例を示す説明図及び等価回路図である。図１４（ａ）において、受信電波は円偏波の電波であり、時間とともに偏波面が回転する（図中の例では右回転）。図示のタイミングでは、前述の図１０（ａ）と同様に、受信電波の電界Ｅは、受電アンテナ装置１００における第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１（絶対値は電界Ｅの１／２）と、第２偏波面に平行な第２電界成分Ｅ２（絶対値は電界Ｅの１／２）とにベクトル分解される。そのため、出力部１５０は、第１整流部１４０（１）から出力される直流電圧Ｖ／２と第２整流部１４０（２）から出力される直流電圧Ｖ／２とを加算した出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖを、負荷ＺＬに出力する（図１４（ｂ）参照）。
図１４（ａ）の受信電波の電界Ｅが右回転すると、受電アンテナ装置１００における第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１の絶対値が小さくなるが、第２偏波面に平行な第２電界成分Ｅ２の絶対値は大きくなるので、その結果、出力部１５０の出力電圧ＶｏｕｔはＶに維持される。
一方、図１４（ａ）の受信電波の電界Ｅが左回転した場合は、受電アンテナ装置１００における第２偏波面に平行な第２電界成分Ｅ２の絶対値は小さくなるが、第１偏波面に平行な第１電界成分Ｅ１の絶対値が大きくなるので、その結果、出力部１５０の出力電圧ＶｏｕｔはＶに維持される。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、図９の受電アンテナ装置１００によれば、受信電波が円偏波の電波の場合でも、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができる。
図１５は、実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図であり、図１６は、図１５の受電アンテナ装置の等価回路図である。図１５及び図１６の例は、前述の図９のパッチアンテナを用いた複数組（図示の例では２組）の第１レクテナ１１５及び第２レクテナ１１６を備え、第１レクテナ１１５のパッチアンテナ１３０における第１偏波面と第２レクテナ１１６のパッチアンテナ１３０における第１偏波面とを傾けて構成した例である。この複数組のレクテナ１１５，１１６の出力を更に直列接続している。これにより受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができるとともに、単体のレクテナ１１２に比して出力電圧を高めることができ（図示の例では２倍の２Ｖ）、出力電力を高めることができる。
図１７は、実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図であり、図１８は、図１７の受電アンテナ装置の等価回路図である。図１７及び図１８は、第１レクテナ１１５及び第２レクテナ１１６を並列に接続した構成例である。本例のように第１レクテナ１１５及び第２レクテナ１１６を並列に接続した場合であっても、出力電圧は常に同じ値となるため逆電流など影響による効率劣化や整流部の破壊は生じない。これにより、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができるとともに、単体のレクテナ１１２に比して出力電流を高めることができ（図示の例では２倍の２I）、出力電力を高めることができる。
図１９は、実施形態に係る受電アンテナ装置の更に他の構成例を示す説明図であり、図２０は、図１９の受電アンテナ装置の等価回路図である。図１９及び図２０の例は、前述の図９のパッチアンテナを用いた複数組（図示の例では２組）の第１レクテナ１１５及び第２を備え、第１レクテナ１１５のパッチアンテナ１３０における第１偏波面と第２レクテナ１１６のパッチアンテナ１３０における第１偏波面とを傾けずに構成した例である。この複数組のレクテナ１１５，１１６の出力を更に直列接続している。これにより、受電アンテナ装置１００の受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができるとともに、単体のレクテナ１１２に比して出力電圧を高めることができ（図示の例では２倍の２Ｖ）、出力電力を高めることができる。
以上、本実施形態によれば、直線偏波や円偏波の電波を受信する場合に受電レベルが低下して送電効率が劣化するのを抑制することができる。
なお、上述した実施形態で示した受電アンテナ装置１００を用いる無線電力伝送システムは、ドローン１０に設置されるものに限られず、ＨＡＰＳ、気球、飛行船、飛行型ラジコン玩具など、電力を消費する機器を搭載した他の上空移動体（飛行体）にも適用することができる。
なお、本明細書で説明された処理工程並びにドローンの本体、送電装置、ＨＡＰＳ等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
ハードウェア実装については、実体（例えば、ドローンの本体、送電装置、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、前記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であればよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
１０ ：ドローン
１１ ：本体
１２ ：ローター
１３ ：ローター駆動部
１４ａ ：制御用アンテナ
１５ ：制御部
１６ ：電源部
１６ａ ：バッテリー
２０ ：送電装置
３０ ：送電電波
１００ ：受電アンテナ装置
１０１ ：枠体
１１０ ：アンテナ素子部
１１２ ：レクテナ
１１３ ：第１レクテナ群
１１４ ：第２レクテナ群
１１５ ：第１レクテナ
１１６ ：第２レクテナ
１２０（１） ：第１ダイポールアンテナ
１２０（２） ：第２ダイポールアンテナ
１３０ ：パッチアンテナ
１３１（１） ：第１出力点
１３１（２） ：第２出力点
１４０（１） ：第１整流部
１４０（２） ：第２整流部
１４２ ：整流器
１４２（１） ：第１整流器
１４２（２） ：第２整流器
１４３ ：負荷安定化制御回路
１４５（１），１４５（２） ：直流遮断キャパシタ
１５０ ：出力部

Claims (12)

  1. 電波を受信して電力を出力する複数のレクテナを備える受電アンテナ装置であって、
    前記複数のレクテナはそれぞれ、
    第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力する第１ダイポールアンテナと、前記第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する第２ダイポールアンテナと、を有するアンテナ素子部と、
    前記第１ダイポールアンテナから出力される前記第１交流電圧を第１直流電圧に変換する第１整流器を有する第１整流部と、
    前記第２ダイポールアンテナから出力される前記第２交流電圧を第２直流電圧に変換する第２整流器を有する第２整流部と、
    前記第１ダイポールアンテナに対応する前記第１整流部の出力と前記第２ダイポールアンテナに対応する前記第２整流部の出力とを直列接続した出力部と、を備え、
    前記複数のレクテナの出力を並列接続して全体の出力とする、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  2. 電波を受信して電力を出力する複数のレクテナを備える受電アンテナ装置であって、
    第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力する複数の第１ダイポールアンテナと、前記第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する複数の第２ダイポールアンテナと、を有するアンテナ素子部と、
    前記複数の第１ダイポールアンテナから出力される前記第１交流電圧を第１直流電圧に変換する複数の第１整流器を有する第１整流部と、
    前記複数の第２ダイポールアンテナから出力される前記第２交流電圧を第２直流電圧に変換する複数の第２整流器を有する第２整流部と、を備え、
    前記第１ダイポールアンテナ及び前記第１整流器の組からなる第１レクテナを複数組並列接続して第１レクテナ群を構成し、
    前記第２ダイポールアンテナ及び前記第２整流器の組からなる第２レクテナを複数組並列接続して第２レクテナ群を構成し、
    前記第１ダイポールアンテナに対応する前記第１レクテナ群の出力と前記第２ダイポールアンテナに対応する前記第２レクテナ群の出力を直列接続して全体の出力とする、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  3. 請求項１又は２の受電アンテナ装置において、
    前記第１整流部及び前記第２整流部はそれぞれ、前記第１整流器及び前記第２整流器の後段側に負荷安定化制御回路を備えることを特徴とする受電アンテナ装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかの受電アンテナ装置において、
    前記第１ダイポールアンテナ及び前記第２ダイポールアンテナは、前記電波の到来方向から見て各ダイポールアンテナが交差しないように各ダイポールアンテナの中心を互いにずらした位置に、交互に分散配置されている、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  5. 請求項１の受電アンテナ装置において、
    前記第１ダイポールアンテナ及び前記第２ダイポールアンテナは、互いに同一の形状及びサイズを有する、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  6. 電波を受信して電力を出力する複数のレクテナを備える受電アンテナ装置であって、
    前記複数のレクテナはそれぞれ、
    第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力する第１出力点と前記第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する第２出力点とを有するデュアル偏波対応の平面アンテナを用いて構成されたアンテナ素子部と、
    直流遮断素子を介して前記第１出力点に接続され、前記第１出力点から出力される前記第１交流電圧を第１直流電圧に変換する第１整流器を有する第１整流部と、
    直流遮断素子を介して前記第２出力点に接続され、前記第２出力点から出力される前記第２交流電圧を第２直流電圧に変換する第２整流器を有する第２整流部と、
    前記平面アンテナの前記第１出力点に対応する前記第１整流部の出力と前記平面アンテナの前記第２出力点に対応する前記第２整流部の出力とを直列接続した出力部と、を備え、
    前記複数のレクテナの出力を並列接続して全体の出力とする、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  7. 電波を受信して電力を出力する複数のレクテナを備える受電アンテナ装置であって、
    前記複数のレクテナはそれぞれ、
    第１偏波面の電波を主に受信して第１交流電圧を出力する第１出力点と前記第１偏波面に直交する第２偏波面の電波を主に受信して第２交流電圧を出力する第２出力点とを有するデュアル偏波対応の平面アンテナを用いて構成されたアンテナ素子部と、
    直流遮断素子を介して前記第１出力点に接続され、前記第１出力点から出力される前記第１交流電圧を第１直流電圧に変換する第１整流器を有する第１整流部と、
    直流遮断素子を介して前記第２出力点に接続され、前記第２出力点から出力される前記第２交流電圧を第２直流電圧に変換する第２整流器を有する第２整流部と、
    前記平面アンテナの前記第１出力点に対応する前記第１整流部の出力と前記平面アンテナの前記第２出力点に対応する前記第２整流部の出力とを直列接続した出力部と、を備え、
    前記複数のレクテナの出力を直列接続して全体の出力とする、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  8. 請求項７の受電アンテナ装置において、
    前記複数のレクテナに備える複数のデュアル偏波対応の平面アンテナは、前記平面アンテナの前記第１出力点に対応する第１偏波面が互いに４５度の傾きを有する、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  9. 請求項７又は８の受電アンテナ装置において、
    前記複数のレクテナに備える複数のデュアル偏波対応の平面アンテナは、互いに同一の四角形状及びサイズを有する、ことを特徴とする受電アンテナ装置。
  10. 上空を移動する上空移動体であって、
    請求項１乃至９のいずれかの受電アンテナ装置と、
    前記受電アンテナ装置で受信した電波から得られた電力で駆動される電気機器と、を備えることを特徴とする上空移動体。
  11. 請求項１０の上空移動体において、
    当該上空移動体は、回転駆動されるプロペラと、前記プロペラをガードする枠体とを備えたドローンであり、
    前記枠体の表面に、前記受電アンテナ装置のアンテナ素子部を一又は複数配置したことを特徴とする上空移動体。
  12. 上空を移動する上空移動体に設けられた請求項１乃至９のいずれかの受電アンテナ装置と、
    前記上空移動体の前記受電アンテナ装置に対して送電電波を送信する送電装置と、を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。
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