WO2014115481A1

WO2014115481A1 - 送電アンテナ及び無線電力伝送システム

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Publication number: WO2014115481A1
Application number: PCT/JP2013/085014
Authority: WO
Inventors: 健一安間
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-25
Also published as: JP2014143641A; JP6095992B2

Abstract

送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナ体の数を減少させる。電力を電磁波に変換して送受信する離島電力伝送システムの送電アンテナ（１４）は、アンテナパネル（３０）が平面状に配置され、該平面を構成する行及び列毎にアンテナパネル（３０）が一つ以上配置されると共にアンテナパネル（３０）が配置されない間欠部（３１）が一つ以上配置され、かつアンテナパネル（３０）が行方向及び列方向に対称に配置される。例えば、送電アンテナ（１４）は、アンテナパネル（３０）が行方向及び列方向に隣接せず、かつアンテナパネル（３０）及び間欠部（３１）が等間隔で配置される。

Description

送電アンテナ及び無線電力伝送システム

　本発明は、送電アンテナ及び無線電力伝送システムに関するものである。

　近年、電磁波により電力を送電する無線電力伝送システムの開発が進んでいる。
　この無線電力伝送システムの一例としては、宇宙空間上で太陽光発電を行い、生成した電力を位相が揃えられてビーム形成された電磁波（マイクロ波）として、宇宙空間上の送電アンテナから地上の受電アンテナへ送る宇宙太陽発電システム（Space Solar Power System、以下、「ＳＳＰＳ」という。）や、送電アンテナから電磁波を離島に配置される受電アンテナへ送電する離島電力伝送システム等が挙げられる。

　特許文献１には、アンテナ素子の数が多いアレーアンテナでは、アンテナ素子の励振や給電線の配線（給電回路）が複雑になるため、電波エネルギの給電が行われないアンテナ素子（無給電素子）を所定の位置に配置することにより、アンテナ利得を低減させることなく給電回路を簡略化することが記載されている。

特開２００６－２３７７８１号公報

　一方で、アンテナ素子の数が多くなると、製造コストや無線電力伝送システム全体としての質量が増加してしまう。そして、特許文献１に記載されているように、無給電素子を増やしたとしても、アンテナ素子そのものを減少させるわけでないため、製造コストや質量の増加を抑制することはできない。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナパネルの数を減少させることができる、送電アンテナ及び無線電力伝送システムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の送電アンテナ及び無線電力伝送システムは以下の手段を採用する。

　本発明の第一態様に係る送電アンテナは、電力を電磁波に変換して送受信する無線電力伝送システムの送電アンテナであって、アンテナ体が平面状に配置され、該平面を構成する行及び列毎にアンテナ体が一つ以上配置されると共に該アンテナ体が配置されない間欠部が一つ以上配置され、かつ該アンテナ体が行方向及び列方向に対称に配置される。

　本構成に係る送電アンテナは、電力を電磁波に変換して送受信する無線電力伝送システムの送電アンテナである。

　送電アンテナは、アンテナ体が平面状に配置され、該平面を構成する行及び列毎にアンテナ体が一つ以上配置されると共に該アンテナ体が配置されない間欠部が一つ以上配置される。これにより、本構成は、送電アンテナの行及び列を全てに、すなわち全面にアンテナ体を配置させた場合に比べて、アンテナ体の数を減少させることができる。

　また、アンテナ体は、行方向及び列方向に対称に配置される。これにより、全面にアンテナ体を配置させた場合と同様に、ビーム形状を崩すことなく電磁波を送信することができる。

　このように、本構成は、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナ体の数を減少させることができる。

　上記第一態様では、前記アンテナ体が行方向及び列方向に隣接せず、かつ前記アンテナ体及び前記間欠部が等間隔で配置されることが好ましい。

　本構成によれば、アンテナ体は、所謂、市松模様状に配置されるので、簡易な構成で、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナ体の数を減少させることができる。

　上記第一態様では、互いに隣接する２つ以上の前記アンテナ体を組とし、かつ該組及び前記間欠部が等間隔で配置されることが好ましい。

　本構成によれば、アンテナ体の組は、所謂、市松模様状に配置されるので、簡易な構成で、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナ体の数を減少させることができる。

　上記第一態様では、前記アンテナ体が行及列毎に２つ配置されると共に、該アンテナ体が行方向及び列方向に対称に配置されることが好ましい。

　本構成によれば、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、最も少ないアンテナ体の数で送電アンテナを構成できる。

　上記第一態様では、Ｘ字状に配置される前記アンテナ体を組とし、前記組が少なくとも１つ以上配置されることが好ましい。

　本構成によれば、アンテナ体の組は、所謂、たすき掛け状に配置されるので、簡易な構成で、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナ体の数を減少させることができる。

　本発明の第二態様に係る無線電力伝送システムは、電磁波を送信する上記記載の送電アンテナと、前記送電アンテナから送信された電磁波を受信する受電アンテナと、を備える。

　本発明によれば、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナパネルの数を減少させることができる、という優れた効果を有する。

本発明の第１実施形態に係る無線電力伝送システムの構成図である。従来の送電アンテナにおけるアンテナパネルの配置を示した図である。従来の送電アンテナから送信される電磁波のビーム形状を示した図である。第１実施形態に係る送電アンテナにおけるアンテナパネルの配置を示した図である。第１実施形態に係る送電アンテナから送信される電磁波のビーム形状を示した図である。アンテナパネルが配置されない行及び列が存在する送電アンテナを示した図である。第１実施形態に係る送電アンテナの横断面及び受電アンテナの位置におけるビーム形状の模式図である。第２実施形態に係る送電アンテナにおけるアンテナパネルの配置を示した図である。第２実施形態に係る送電アンテナから送信される電磁波のビーム形状を示した図である。第３実施形態に係る送電アンテナにおけるアンテナパネルの配置を示した図である。第３実施形態に係る送電アンテナから送信される電磁波のビーム形状を示した図である。第４実施形態に係る送電アンテナにおけるアンテナパネルの配置を示した図である。第４実施形態に係る送電アンテナから送信される電磁波のビーム形状を示した図である。

　以下に、本発明に係る送電アンテナ及び無線電力伝送システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
　以下、本発明の第１実施形態について説明する。本第１実施形態では、本発明を離島電力伝送システムに適用した場合を例に挙げて説明する。

　図１は、本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０の概略図である。本第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０は、一例として、送電設備１２が、電力を電磁波（例えばマイクロ波）に変換し、電磁波を送電アンテナ１４から離島に配置される受電アンテナ１６を備えた受電設備１８へ向けて送電する。受電設備１８は、受電アンテナ１６で受電したマイクロ波を再び電力に変換し、送電網２０へ送電する。なお、送電アンテナ１４及び受電アンテナ１６は、一例としてフェーズドアレイアンテナである。

　送電アンテナ１４は、例えば平面状にアンテナ体（以下、「アンテナパネル」という。）３０（図２や図４参照）が配置される。なお、平面状とは、略平面である場合も含み、例えば、送電アンテナ１４が湾曲していてもよい。そして、各アンテナパネル３０には、複数のアンテナ素子３２（図２参照）が平面状に所定の距離間隔で配列されている。

　図２は、従来の送電アンテナ１００におけるアンテナパネル３０の配置を示した図である。従来の送電アンテナ１００は、平面を構成する行及び列を全てに、すなわち全面にアンテナパネル３０が配置される。

　図３は、従来の送電アンテナ１００から送信される電磁波のビーム形状を示した図である。なお、図３は、送電アンテナ１００から３０ｋｍ離れた位置における電磁波のビーム形状のシミュレーション結果である。
　図３に示されるように、従来の送電アンテナ１００のビーム形状は、送電アンテナ１００の中心を頂点とした山形となっている。このようなビーム形状が、受電アンテナ１６で受信されることが適している。

　しかしながら、送電アンテナ１００は、その全面にアンテナパネル３０が配置されているため、アンテナ素子３２の数が増加し、質量やコストが増加する。

　そこで、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４は、図４に示されるように、平面を構成する行及び列毎にアンテナパネル３０が一つ以上配置されると共にアンテナパネル３０が配置されない間欠部３１が一つ以上配置され、かつアンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される。
　なお、受電アンテナ１６は、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４とは異なり、全面にアンテナパネル３０が配置されている。

　図４の例では、ハッチングで示される領域がアンテナパネル３０の配置位置であり、ハッチングされていない領域が間欠部３１である。
　なお、間欠部３１の縦横の大きさは、アンテナパネル３０の縦横の大きさと同等である。また、上記対称な配置を詳述すると、平面状の送電アンテナ１４の行方向の中心線及び列方向の中心線を軸にアンテナパネル３０が線対象に配置されることである。

　図４に示されるように、送電アンテナ１４は、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に隣接せず、かつアンテナパネル３０及び間欠部３１が等間隔で配置される。すなわち、アンテナパネル３０は、所謂、市松模様状に配置される。

　このように、送電アンテナ１４は、市松模様状にアンテナパネル３０が配置されることによって、行及列毎にアンテナパネル３０が一つ以上配置されると共に間欠部３１が一つ以上配置され、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される構成とされる。

　これにより、送電アンテナ１４は、全面にアンテナパネル３０を配置させた場合に比べて、アンテナパネル３０の数を減少させることができる。

　図５は、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４から送信される電磁波のビーム形状を示した図である。なお、図５は、送電アンテナ１４から３０ｋｍ離れた位置における電磁波のビーム形状のシミュレーション結果である。

　図５に示されるように、送電アンテナ１４のビーム形状は、送電アンテナ１４の中心を頂点とした山形となっている。このビーム形状は、従来の送電アンテナ１００のビーム形状と同様である。

　本第１実施形態に係る送電アンテナ１４は、図４に示されるように市松模様状にアンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置されることにより、全面にアンテナパネル３０を配置させた場合と同様に、ビーム形状を崩すことなく電磁波を送信することができる。

　なお、アンテナパネル３０の数は減少しているため、例えば電力密度で表わされるビーム強度は、従来の送電アンテナ１００に比べて小さくなる場合がある。このような場合は、送電アンテナ１４を構成する各アンテナパネル３０が送信する電磁波の強度を増加させることで、ビーム強度を従来の送電アンテナ１４Ｂのビーム強度と同等とすることができる。

　ここで、図６は、アンテナパネル３０が１枚も配置されない行及び列が存在する送電アンテナ２００の一例を示した図である。このようなアンテナパネル３０の配置では、電磁波のビーム形状が崩れてしまい、離島電力伝送システム１０による送電に適さない。

　この理由は、以下の通りである。
　図７は、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４の横断面及び受電アンテナ１６の位置におけるビーム形状の模式図である。図７における破線で示されるアンテナパネル３０Ｂは、実線で示されるアンテナパネル３０Ａに対して一つ奥に配置され、送電アンテナ１４を構成するアンテナパネル３０が市松模様状に配置さていることを示している。
　送電アンテナ１４を構成するアンテナパネル３０の縦横の長さが例えば５ｍ×５ｍであり、送電アンテナ１４と受電アンテナ１６との距離が例えば１０ｋｍである。このように、送電アンテナ１４と受電アンテナ１６との距離は、アンテナパネル３０の縦横の長さに対して十分に長い。

　このような場合、受電アンテナ１６にとっては、送電アンテナ１４を構成するアンテナパネル３０が例えば市松模様状に配置されていたとしても、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置されているため、近隣のアンテナパネル３０から送電される電磁波が平均化される。このため、受電アンテナ１６は、アンテナパネル３０の配置の影響をほとんど受けることが無く、ビーム形状が崩れない。
　一方、図６に示されるように、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置されず、送電アンテナ１４にアンテナパネル３０が１枚も配置されない行及び列が存在すると、電磁波の強度が小さい領域が生じ、その領域が特異点となり、電磁波のビーム形状が崩れる原因となる。

　以上説明したように、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４は、アンテナパネル３０が平面状に配置され、該平面を構成する行及び列毎にアンテナパネル３０が一つ以上配置されると共にアンテナパネル３０が配置されない間欠部３１が一つ以上配置され、かつアンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される。これによって、本第１実施形態に係る送電アンテナ１４は、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナパネル３０の数を減少させることができる。

〔第２実施形態〕
　以下、本発明の第２実施形態について説明する。

　なお、本第２実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成と同様であるので説明を省略する。

　図８は、本第２実施形態に係る送電アンテナ１４におけるアンテナパネル３０の配置を示した図である。

　図８に示されるように、送電アンテナ１４は、互いに隣接する２つ以上のアンテナパネル３０をアンテナパネル組４０とし、アンテナパネル組４０が行方向及び列方向に隣接せず、かつアンテナパネル組４０及び間欠部３１が等間隔で配置される。
　すなわち、アンテナパネル組４０は、所謂、市松模様状に配置される。

　このように、送電アンテナ１４は、市松模様状にアンテナパネル組４０が配置されることによって、行及列毎にアンテナパネル３０が一つ以上配置されると共に間欠部３１が一つ以上配置され、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される構成とされる。

　なお、図８では、アンテナパネル組４０が、隣接する４つのアンテナパネル３０によって構成されている。しかし、これは一例であり、アンテナパネル組４０が、隣接する５つ以上又は３つ以下のアンテナパネル３０によって構成されてもよい。

　図９は、本第２実施形態に係る送電アンテナ１４から送信される電磁波のビーム形状を示した図である。なお、図９は、送電アンテナ１４から３０ｋｍ離れた位置における電磁波のビーム形状のシミュレーション結果である。

　図９に示されるように、送電アンテナ１４のビーム形状は、送電アンテナ１４の中心を頂点とした山形となっている。このビーム形状は、従来の送電アンテナ１００のビーム形状と同様である。

　このように、本第２実施形態に係る送電アンテナ１４は、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置されることにより、全面にアンテナパネル３０を配置させた場合と同様に、ビーム形状を崩すことなく電磁波を送信することができる。

〔第３実施形態〕
　以下、本発明の第３実施形態について説明する。

　なお、本第３実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成と同様であるので説明を省略する。

　本第３実施形態に係る送電アンテナ１４は、アンテナパネル３０が行及列毎に２つ配置されると共に、該アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置されている。
　この配置の一例としては、図１０に示されるようにＸ字状に配置されるアンテナパネル３０をアンテナパネル組４２とし、アンテナパネル組４２が１つ配置されて構成される。なお、Ｘ字状とは、所謂、たすき掛け状であり、より具体的には、例えば四角形に含まれる２つの対角線上にアンテナパネル３０が配列された形状である。

　図１１は、本第３実施形態に係る送電アンテナ１４から送信される電磁波のビーム形状を示した図である。なお、図１１は、送電アンテナ１４から３０ｋｍ離れた位置における電磁波のビーム形状のシミュレーション結果である。

　図１１に示されるように、送電アンテナ１４のビーム形状は、送電アンテナ１４の中心を頂点とした山形となっている。このビーム形状は、従来の送電アンテナ１００のビーム形状と同様である。

　このように、本第３実施形態に係る送電アンテナ１４は、アンテナパネル３０が行及列毎に２つ配置されると共に、該アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される。これにより、本第３実施形態に係る送電アンテナ１４は、最も少ないアンテナパネル３０の数で送電アンテナ１４を構成でき、全面にアンテナパネル３０を配置させた場合と同様に、ビーム形状を崩すことなく電磁波を送信することができる。

〔第４実施形態〕
　以下、本発明の第４実施形態について説明する。

　なお、本第４実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成は、図１に示される第１実施形態に係る離島電力伝送システム１０の構成と同様であるので説明を省略する。

　本第４実施形態に係る送電アンテナ１４は、アンテナパネル組４２が２つ以上配置されて構成される。

　図１２は、本第４実施形態に係る送電アンテナ１４におけるアンテナパネル３０の配置を示した図である。

　図１２に示されるように、本第４実施形態に係る送電アンテナ１４は、一例として４つのアンテナパネル組４２が配置されて構成される。

　図１３は、本第４実施形態に係る送電アンテナ１４から送信される電磁波のビーム形状を示した図である。なお、図１３は、送電アンテナ１４から３０ｋｍ離れた位置における電磁波のビーム形状のシミュレーション結果である。

　図１３に示されるように、送電アンテナ１４のビーム形状は、送電アンテナ１４の中心を頂点とした山形となっている。このビーム形状は、従来の送電アンテナ１００のビーム形状と同様である。

　このように、本第４実施形態に係る送電アンテナ１４は、Ｘ字状にアンテナパネル組４２が配置されることによって、行及列毎にアンテナパネル３０が一つ以上配置されると共に間欠部３１が一つ以上配置され、アンテナパネル３０が行方向及び列方向に対称に配置される構成とされる。これにより、本第４実施形態に係る送電アンテナ１４は、送信する電磁波のビーム形状を崩すことなく、アンテナパネル３０の数を減少させることができる。

　以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

　また、上記実施形態では、本発明を離島電力伝送システム１０に適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、ＳＳＰＳ等、電磁波により電力を送電する他の無線電力伝送システムに適用する形態としてもよい。

　また、上記実施形態では、送電アンテナ１４及びアンテナパネル３０の形状を四角形とする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、送電アンテナ１４及びアンテナパネル３０の形状を四角形以外の多角形や円形とする形態としてもよい。

　また、上記実施形態では、アンテナパネル３０が規則性を持って配置される形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アンテナパネル３０がランダムに配置される形態としてもよい。

　１０　　離島電力伝送システム
　１４　　送電アンテナ
　１６　　受電アンテナ
　３０　　アンテナパネル
　３１　　間欠部
　４０　　アンテナパネル組
　４２　　アンテナパネル組

Claims

　電力を電磁波に変換して送受信する無線電力伝送システムの送電アンテナであって、
　アンテナ体が平面状に配置され、該平面を構成する行及び列毎にアンテナ体が一つ以上配置されると共に該アンテナ体が配置されない間欠部が一つ以上配置され、かつ該アンテナ体が行方向及び列方向に対称に配置される送電アンテナ。
　前記アンテナ体が行方向及び列方向に隣接せず、かつ前記アンテナ体及び前記間欠部が等間隔で配置される請求項１記載の送電アンテナ。
　互いに隣接する２つ以上の前記アンテナ体を組とし、かつ該組及び前記間欠部が等間隔で配置される請求項１記載の送電アンテナ。
　前記アンテナ体が行及列毎に２つ配置されると共に、該アンテナ体が行方向及び列方向に対称に配置される請求項１記載の送電アンテナ。
　Ｘ字状に配置される前記アンテナ体を組とし、前記組が少なくとも１つ以上配置される請求項１記載の送電アンテナ。
　電磁波を送信する請求項１から請求項５の何れか１項記載の送電アンテナと、
　前記送電アンテナから送信された電磁波を受信する受電アンテナと、
を備える無線電力伝送システム。