WO2022054586A1 - アンテナ装置、給電装置、及び給電方法 - Google Patents

アンテナ装置、給電装置、及び給電方法 Download PDF

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WO2022054586A1
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elevation angle
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antenna
phase
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正明 藤井
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ミネベアミツミ株式会社
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    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
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    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device, a power feeding device, and a power feeding method.
  • information that is a wireless power transmission device and acquires control information for transmitting an energy beam for power supply to a wireless power receiving device mounted on an air vehicle and a control information for increasing the power receiving efficiency of the wireless power receiving device.
  • a wireless power transmission device characterized by having an acquisition unit and a control unit that controls the energy beam so that the power reception efficiency of the wireless power receiving device is increased based on the control information. It is described that an array antenna may be used as the power transmission antenna (see, for example, Patent Document 1).
  • the wireless power transmitting device power supply
  • the wireless power receiving device power receiving device
  • the angle difference between the plurality of antenna elements and the power receiving device is negligible, and even if power is transmitted from the plurality of antenna elements to the same target, the receiving phase shift is small when the power receiving device receives power, which is almost a problem. do not become.
  • the distance between the power receiving device and the power feeding device is as short as several meters, if power is transmitted from multiple antenna elements to the same target, when the power receiving device receives power, power is received from each antenna element. Since the difference in angle to the device is large and the receiving potential phase shift is large, there may be a problem that the combined power received is reduced.
  • the antenna device of the embodiment of the present invention has an array antenna having a plurality of antenna elements arranged two-dimensionally along the first axis and the second axis, and a phase of a transmission signal supplied to the plurality of antenna elements.
  • a phase adjusting unit that adjusts in the first axis direction, an image acquisition unit that acquires an image through a fisheye lens, and a first position of a marker included in the image acquired by the image acquisition unit with respect to the image acquisition unit.
  • a position deriving unit that converts to a second position in polar coordinates on the first plane including the first axis and the second axis, and the first position is the first axis and the third axis based on the second position.
  • the elevation angle acquisition unit that acquires the elevation angle of the projected position projected on the second plane including the above third axis in the second plane, and the plurality of antenna elements transmit power to the power receiver at the position of the marker.
  • the phase data representing a plurality of phases adjusted so that the phases received by the power receiver from the plurality of antenna elements are aligned is stored for a plurality of sets corresponding to the plurality of elevation angles.
  • the direction of the beam emitted by the array antenna is in the second plane based on the phase data read from the storage unit and the phase data according to the elevation angle acquired by the elevation angle acquisition unit from the storage unit.
  • a control unit that controls the phase adjusting unit so as to have the elevation angle is included.
  • FIG. 1 is a diagram showing a power feeding device 100 of an embodiment.
  • the feeding device 100 includes an array antenna 110, a phase shifter 120, a microwave source 130, a camera 140, and a control device 150.
  • the antenna device 100A of the embodiment is obtained by removing the microwave generation source 130 from the feeding device 100.
  • the plane view is an XY plane view.
  • the X-axis is an example of the first axis
  • the Y-axis is an example of the second axis
  • the Z-axis is an example of the third axis.
  • the XY plane is an example of the first plane
  • the XZ plane is an example of the second plane.
  • the array antenna 110 is grouped into N sub-arrays 110A as an example.
  • the first (# 1) to Nth (#N) of the N subarrays 110A are shown.
  • N is an integer of 2 or more, but FIG. 1 shows a form in which N is an even number of 4 or more as an example.
  • the N sub-arrays 110A are arranged in the X-axis direction, and each sub-array 110A includes four antenna elements 111 as an example. Therefore, the array antenna 110 includes 4N antenna elements 111 as an example.
  • the antenna element 111 is a patch antenna having a rectangular shape in a plan view.
  • the array antenna 110 may have a ground plate held at the ground potential on the ⁇ Z axis direction side of the antenna element 111.
  • the center of the position of the 4N antenna elements 111 coincides with the origin of the XYZ coordinate system.
  • the number of antenna elements 111 included in each sub-array 110A may be two or more, and may be arranged two-dimensionally.
  • FIG. 2 is a diagram showing the power feeding device 100 of the embodiment.
  • the origin of the XYZ coordinate system is shifted to make the drawing easier to see, but in the following, the origin of the XYZ coordinate system coincides with the center of the position of the 4N antenna elements 111 as shown in FIG. Explain as a thing.
  • FIG. 2 shows one antenna element 111 adjacent to the ⁇ Y axis direction side of the X axis for each subarray 110A.
  • FIG. 2 shows the components included in the control device 150, the marker 50A, and the power receiving device 50B.
  • the marker 50A and the power receiving device 50B are fixed to the inner wall 51 of the tunnel as an example.
  • the antenna device 100A and the power feeding device 100 detect the marker 50A attached to the inner wall 51 of the tunnel while traveling in the tunnel while being mounted on a work vehicle, and transmit power to the power receiving device 50B.
  • the marker 50A exists in the direction of the angle ⁇ b from the Z axis in the XZ plan view.
  • the XYZ coordinate system is shifted for convenience of explanation, but since the origin of the XYZ coordinate system coincides with the center of the position of the 4N antenna elements 111, the angle ⁇ b is the XYZ coordinate system in the XZ plane. This is the angle formed by the straight line connecting the origin of the marker 50A and the marker 50A with the Z axis.
  • the angle ⁇ b indicates a positive value when the XZ plane is oscillated in the + X direction when viewed from the + Y axis direction side, and a negative value when the XZ plane is oscillated in the ⁇ X direction side.
  • N phase shifters 120 are provided corresponding to N sub-arrays 110A, and N phase shifters 120 are connected to antenna elements 111 of N sub-arrays 110A, respectively. In each sub-array 110A, the four antenna elements 111 are connected in parallel to one phase shifter 120.
  • the phase shifter 120 is an example of a phase adjusting unit.
  • each sub-array 110A power transmission signals having the same phase are supplied to the four antenna elements 111. Further, the phases of the power transmission signals output by the N phase shifters 120 to the N subarrays 110A are different from each other. Therefore, the angle (elevation angle) of the beam formed by the radio waves radiated from the 4N antenna elements 111 can be controlled in the XZ plane.
  • the beam formed by the radio waves radiated from the 4N antenna elements 111 is synonymous with the beam output by the array antenna 110. Further, the beam output by the array antenna 110 is synonymous with the beam output by the antenna device 100A and the feeding device 100.
  • the microwave generation source 130 is connected to N phase shifters 120 and supplies microwaves of a predetermined power.
  • the microwave generation source 130 is an example of a radio wave generation source.
  • the frequency of the microwave is, for example, 915 MHz.
  • the mode in which the power feeding device 100 includes the microwave generation source 130 will be described here, the power feeding device 100 is not limited to microwaves, and may be a radio wave having a predetermined frequency.
  • the camera 140 is arranged between the N / 2nd sub-array 110A and the N / 2 + 1st sub-array 110A in the X direction, and in the Y-axis direction, of the four antenna elements 111 included in each sub-array. It is arranged between the second antenna element 111 and the third antenna element 111 from the + Y-axis direction side.
  • the camera 140 has a fisheye lens 141 and a camera body 142.
  • the camera 140 is an example of an image acquisition unit. In FIG. 2, the camera body 142 is shown separately as an image pickup unit 142A and an image processing unit 142B.
  • the fisheye lens 141 is a lens that employs an equidistant projection method. As an example, the position of the center of the fisheye lens 141 coincides with the center of the 4N antenna elements 111 and the origin of the XYZ coordinate system.
  • the camera body 142 is a part of the camera 140 other than the fisheye lens 141, and may be a camera including a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor or an infrared camera.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the camera 140 acquires an image including the marker 50A through the fisheye lens 141, and outputs the image data to the control device 150.
  • the marker 50A is attached to the antenna device 100A and the power receiving device 50B having a power receiving antenna which is a target to irradiate the beam output by the feeding device 100.
  • the antenna device 100A and the power feeding device 100 determine the position of the marker 50A included in the image acquired by the camera 140, and irradiate the beam toward the power receiving device 50B.
  • the camera body 142 has an image pickup unit 142A and an image processing unit 142B.
  • the image pickup unit 142A includes an image pickup element, and is a portion for acquiring image data by taking an image through a fisheye lens 141.
  • the image processing unit 142B performs image processing such as binarization processing on the image data acquired by the image pickup unit 142A, and outputs the pixel index to the control device 150.
  • the pixel index is an XY coordinate value (address) indicating the position of the marker 50A on the imaging screen.
  • the control device 150 includes a position derivation unit 151, an elevation angle acquisition unit 152, a position shift detection unit 153, a distance estimation unit 154, a control unit 155, and a memory 156.
  • the control device 150 is realized by a computer including a CPU (Central Processing Unit) and a memory.
  • the position derivation unit 151, the elevation angle acquisition unit 152, the position shift detection unit 153, the distance estimation unit 154, and the control unit 155 show the function of the program executed by the control device 150 as a functional block.
  • the memory 156 functionally represents the memory of the control device 150.
  • FIG. 3 is a diagram showing a polar coordinate system of the array antenna 110.
  • FIG. 3 shows a sub-array 110A of the array antenna 110 of the power feeding device 100, an antenna element 111 included in each sub-array 110A, and a beam 115 output from the array antenna 110, and components other than these are omitted. do. Further, FIG. 3 shows a polar coordinate system on a plane 1 parallel to the XY plane.
  • the position of the marker 50A in the XYZ coordinate system is P1
  • the elevation angle of the line segment connecting the origin O and the position P1 is ⁇
  • the azimuth is ⁇ .
  • the elevation angle is an angle with respect to the + Z axis direction
  • the azimuth is an angle with respect to the + X direction
  • clockwise is a positive value in a plan view viewed from the + Z axis direction side.
  • the elevation angle of the line segment connecting the position P1a projected on the XZ plane and the origin O is defined as ⁇ a.
  • the position P1 is an example of the first position, and the position P1a is an example of the projection position.
  • the origin O is an example of a reference point in the XYZ coordinate system.
  • the antenna device 100A and the feeding device 100 control the elevation angle of the beam 115 output by the array antenna 110 only in the XZ plane. This is because the array antenna 110 feeds in-phase in the Y-axis direction, so the beam is fixed in the Y-axis direction, and the beam can be swayed in the elevation angle direction with the Z-axis as 0 degree, and the power receiving device 50B. It is assumed that the position of is not significantly deviated from the XZ plane (for example, the elevation angle with respect to the Z axis in the YZ plane is within ⁇ 30 degrees).
  • the beam 115 is efficiently irradiated to the power receiving device 50B while reducing the scale of the control unit of the array antenna 110 by simply controlling the elevation angle of the beam 115 in the XZ plane. Because it can be done.
  • the position derivation unit 151 calculates the center of gravity of the position marker image based on the pixel index output from the image processing unit 142B.
  • the pixel index output from the image processing unit 142B represents an image of equidistant projection obtained through the fisheye lens 141.
  • the position P1 of the marker included in the image acquired by the camera 140 with respect to the array antenna 110 is converted to the position P2 in polar coordinates on the XY plane.
  • the position deriving unit 151 derives the position P2.
  • the position P1 is the position of the center of gravity calculated by the position deriving unit 151.
  • the position P2 is an example of the second position.
  • the position P2 is represented by the radius r from the origin O and the declination ⁇ .
  • the declination ⁇ is the same as the azimuth angle ⁇ .
  • the position derivation unit 151 obtains r ⁇ cos ⁇ which maps the radius r on the X axis by the above-mentioned image processing.
  • the position derivation unit 151 outputs data representing the position P2 to the elevation angle acquisition unit 152.
  • the elevation angle acquisition unit 152 uses the value (r ⁇ cos ⁇ / f L ) obtained by dividing the X coordinate (r ⁇ cos ⁇ ) of the mapping position P2a mapped to the X axis of the position P2 by the focal length f L of the fisheye lens 141 as the elevation angle ⁇ a. Get (calculate). The reason why the elevation angle ⁇ a can be obtained in this way will be described later.
  • the elevation angle acquisition unit 152 outputs the elevation angle ⁇ a to the distance estimation unit 154 and the control unit 155.
  • the misalignment detection unit 153 obtains the shape and center of gravity of the marker 50A based on the pixel index output from the image processing unit 142B, and the camera 140 in the Y-axis direction is based on the position of the center of gravity within the range in which the marker 50A exists. And the marker 50A are detected.
  • the position of the center of the fisheye lens 141 coincides with the center of the 4N antenna elements 111 and the origin of the XYZ coordinate system. Therefore, as an example, there is no positional deviation between the camera 140 and the marker 50A.
  • the distance estimation unit 154 is the center of the fisheye lens 141 based on the number of pixel indexes output from the image processing unit 142B of the camera 140 when the elevation angle ⁇ a calculated by the elevation angle acquisition unit 152 is zero degree (0 degree).
  • the distance from the marker 50A to the marker 50A is estimated.
  • the fact that the elevation angle ⁇ a is 0 degrees means that the marker 50A exists in front of the fisheye lens 141 in the Z-axis direction (the center of gravity of the marker 50A exists on the Z-axis).
  • the distance estimation unit 154 estimates the facing distance rFD from the center of the fisheye lens 141 to the marker 50A when the elevation angle ⁇ a is 0 degrees.
  • the facing distance r FD is the distance when the marker 50A faces the camera 140 on the Z axis.
  • the number of a plurality of binarized pixel indexes acquired by the image processing unit 142B when the camera 140 and the marker 50A are separated by a plurality of types of distances on the Z axis is stored in the memory 156 in advance.
  • the distance estimation unit 154 counts the number of pixel indexes output from the image processing unit 142B of the camera 140 when the elevation angle ⁇ a is zero degree (0 degree), and the plurality of facing distances stored in the memory 156.
  • the facing distance r FD from the center of the fisheye lens 141 to the marker 50A when the elevation angle ⁇ a is 0 degrees is estimated. Since the number of pixel indexes differs depending on the facing distance r FD , the facing distance r FD can be estimated based on the number of pixel indexes.
  • the facing distance rFD is calculated based on the average of the numbers of the plurality of pixel indexes. You can estimate it.
  • the distance estimation unit 154 has a pixel index with respect to the misalignment in the Y-axis direction. Data representing the degree of change in the number may be stored in the memory 156 in advance, and the facing distance r FD may be estimated using the number of pixel indexes corrected according to the degree of positional deviation in the Y-axis direction.
  • the control unit 155 controls the phase shift amount in the phase shifter 120 so that the direction of the beam emitted by the array antenna 110 is the elevation angle ⁇ a in the XZ plane.
  • the elevation angle ⁇ a is acquired by the elevation angle acquisition unit 152.
  • the control unit 155 controls the output of the microwave generation source 130, controls the shooting of the camera 140, and the like.
  • the control unit 155 specifically controls the phase shift amount in the phase shifter 120 as follows.
  • the control unit 155 reads out phase data corresponding to the facing distance rFD estimated by the distance estimation unit 154 and the elevation angle ⁇ a acquired by the elevation angle acquisition unit 152 from the memory 156, and N pieces are based on the read phase data.
  • the phase shift amount in the phase shifter 120 is controlled.
  • the antenna device 100A and the power feeding device 100 transmit a power transmission signal from the array antenna 110 to a power receiving device 50B located at a short distance of, for example, about 3 m to 7 m.
  • the distance from the array antenna 110 to the power receiving device 50B is about 3 m to about 5 m when the angle ⁇ b is 0 degrees.
  • the relative difference in the distances from each of the N sub-arrays 110A to the antenna of the power receiving device 50B is relatively large, and the N sub-arrays 110A are the same target.
  • the phases of the power transmission signals received by the antennas of the power receiving device 50B from the N sub-arrays 110A are not aligned, and the power receiving device 50B cannot efficiently receive power.
  • the difference in the distance from each of the N sub-arrays 110A to the antenna of the power receiving device 50B differs depending on the angle ⁇ b and the distance in the Z-axis direction from the N sub-arrays 110A to the antenna of the power receiving device 50B.
  • the antenna device 100A and the power feeding device 100 adjust the phase when each of the N sub-arrays 110A transmits power so that the phases of the power transmission signals received by the antenna of the power receiving device 50B from the N sub-arrays 110A are aligned.
  • N sub-arrays 110A are arranged in 1 degree increments.
  • Each phase data includes N phase shift amounts set in N phase shifters 120, respectively, connected to N subarrays 110A corresponding to one elevation angle ⁇ a.
  • phase data 141 sets of such phase data are prepared in 1 degree increments in the range of the elevation angle ⁇ a from +70 degrees to ⁇ 70 degrees, which is the phase data for a plurality of sets for a certain facing distance rFD .
  • phase data for a plurality of sets are prepared for the plurality of facing distances rFD . Since the phase data is data created based on the angle ⁇ b, FIG. 2 shows the phase data ⁇ 3 ( ⁇ b) to ⁇ 7 ( ⁇ b) for a plurality of sets using ⁇ b.
  • the control unit 155 may use a plurality of sets of phase data for an angle ⁇ b equal to the elevation angle ⁇ a.
  • the control unit 155 uses the phase data for a plurality of sets according to the facing distance rFD estimated by the distance estimation unit 154, and sets the elevation angle ⁇ a acquired by the elevation angle acquisition unit 152 from the phase data for the plurality of sets.
  • the phase shift amount in the N phase shifters 120 is controlled by using the phase data for the same angle ⁇ b.
  • the memory 156 is acquired by the position derivation unit 151, the elevation angle acquisition unit 152, the program executed when the control unit 155 performs processing, the data used in the execution of the program, the data generated by the execution of the program, and the camera 140. Stores image data, etc. Further, the memory 156 stores a plurality of sets of phase data for each of the plurality of facing distances rFD . As an example, 141 sets of phase data are stored in 1 degree increments in the range where the elevation angle ⁇ a is from +70 degrees to ⁇ 70 degrees for five types of facing distances rFD of 3m, 4m, ..., 7m.
  • the elevation angle ⁇ a can be obtained by the following equation (1) from the geometrical relationship between the position P1 and the position P1a by using the azimuth angle ⁇ and the elevation angle ⁇ .
  • Equation (2) when the elevation angle ⁇ is sufficiently small, tan ⁇ , when the azimuth angle ⁇ is sufficiently small, cos ⁇ 1, and when the azimuth angle ⁇ is close to 90 degrees, cos ⁇ 0. Therefore, the equation (2) can be transformed into the following equation (3).
  • the elevation angle ⁇ a can be approximated as in the equation (3).
  • the radius r is expressed by the following equation (4).
  • the elevation angle ⁇ a can be expressed by the following equation (5).
  • the elevation angle ⁇ a can be approximately obtained by using the equation (5).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating how to obtain phase data.
  • FIG. 4 shows a fisheye lens 141 of the camera 140, a marker 50A, a power receiving device 50B, and N antenna elements 111.
  • Each antenna element 111 is one of the four antenna elements 111 included in the N subarrays 110A.
  • the position of the marker 50A is equal to the position of the power receiving device 50B.
  • the distances from the N sub-arrays 110A to the markers 50A are r1 to rN.
  • the facing distance is rFD
  • the angle of the power receiving device 50B seen from the fisheye lens 141 is ⁇ b
  • the distance r ref can be expressed by the following equation (6).
  • r i can be expressed by the following equation (7).
  • the path difference ⁇ i between the distance r ref from the fisheye lens 141 to the power receiving device 50B and the distance ri from the i -th antenna element 111 to the power receiving device 50B can be expressed by the following equation (8).
  • phase difference ⁇ i can be expressed by the following equation (9) by converting it into the wavelength ⁇ of the microwave used.
  • Inverting the sign of the phase difference represented by the equation (9) - ⁇ r FDi ( ⁇ b) is set as the phase set in the phase shifter 120 when the i-th antenna element 111 transmits power, and a plurality of N sub-arrays 110A are used.
  • a plurality of sets of phase data corresponding to the elevation angle ⁇ a may be prepared and stored in the memory 156.
  • phase data for a plurality of sets for a plurality of facing distances rFD may be prepared and stored in the memory 156.
  • the power transmission signals transmitted from the N sub-arrays 110A can reach the power receiving device 50B in the same phase.
  • the phase data for a plurality of sets corresponding to the plurality of angles ⁇ b is represented by the following equation (10).
  • the control unit 155 may set the shift amount in the N phase shifters 120 connected to each of the N subarrays 110A by using the phase data of the angle ⁇ b corresponding to the elevation angle ⁇ a.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the effects of the antenna device 100A and the feeding device 100.
  • FIG. 5 is a diagram showing an antenna gain received by the antenna of the power receiving device 50B when the facing distance r FD is 4 m and the speed of the vehicle equipped with the antenna device 100A and the feeding device 100 is 80 km / h.
  • the horizontal axis represents time, 0 seconds represents the time when the elevation angle ⁇ a becomes 0 degrees, -300 seconds represents the time when the elevation angle ⁇ a becomes +70 degrees, and +300 seconds represents the time when the elevation angle ⁇ a becomes -70 degrees. .. That is, the time on the horizontal axis corresponds to the elevation angle ⁇ a.
  • the antenna gain when the shift amount in the phase shifter 120 is adjusted by using the phase data based on the facing distance and the elevation angle in the antenna device 100A and the feeding device 100 is shown by a solid line, and only the elevation angle is shown for comparison.
  • the antenna gain when the based phase data is used is shown by a broken line.
  • the antenna gain when the phase data based only on the elevation angle is used is obtained by the power receiving device 50B when the shift amount in the N phase shifters 120 connected to the N subarrays 110A is set to a value corresponding to the elevation angle ⁇ a.
  • the antenna gain when the phase data based on the facing distance and the elevation angle is used is larger than or equivalent to the antenna gain when the phase data based only on the elevation angle is used, and is close to 0 seconds.
  • the difference between the antenna gain when using the facing distance and the phase data based on the elevation angle and the antenna gain when using the phase data based only on the elevation angle became larger in the time zone (the smaller the absolute value of the elevation angle ⁇ a). ..
  • control unit 155 may set the shift amount in the N phase shifters 120 connected to each of the N subarrays 110A by using the phase data of the angle ⁇ b corresponding to the elevation angle ⁇ a. If the shift amount in the N phase shifters 120 is controlled by using the phase data corresponding to the change in the elevation angle ⁇ a accompanying the movement of the antenna device 100A and the power feeding device 100, the antenna device 100A and the power feeding device 100 move while N. Transmission signals having the same phase can always be transmitted from the sub-array 110A to the antenna of the power receiving device 50B.
  • an antenna device 100A capable of transmitting power so that the power receiving device can efficiently receive power even at a short distance, and a power feeding device 100.
  • phase data for a plurality of sets is stored in the memory 156 for the plurality of facing distances r FD , and the distance estimation unit 154 estimates the facing distance r FD .
  • the shift amount in the N phase shifters 120 connected to each of the N subarrays 110A can be set by using the phase data of. Therefore, by using the phase data for a plurality of sets according to the distance in the Z-axis direction to the power receiving device 50B, the power receiving device efficiently receives power even at a short distance according to the distance in the Z-axis direction to the power receiving device 50B. It is possible to provide an antenna device 100A capable of transmitting electric power and a power feeding device 100. For example, when there is no phase data for a plurality of sets corresponding to the facing distance r FD , the phase data corresponding to the facing distance r FD closest to the estimated facing distance r FD may be used.
  • the misalignment detection unit 153 detects the misalignment between the camera 140 and the marker 50A in the Y-axis direction, and when the misalignment occurs, the distance estimation unit 154 responds to the misalignment from the memory 156 in the Y-axis direction. Data representing the degree of change in the number of pixel indexes is read out, and the facing distance r FD is estimated using the number of pixel indexes corrected according to the degree of positional deviation in the Y-axis direction. Therefore, when the position shift between the camera 140 and the marker 50A in the Y-axis direction occurs, the control unit 155 sets a plurality of sets according to the facing distance rFD estimated using the corrected number of pixel indexes.
  • the power receiver can efficiently receive power even at a short distance according to the distance in the Z-axis direction to the power receiving device 50B.
  • the antenna device 100A capable of transmitting power and the power feeding device 100 can be provided.
  • the antenna device 100A and the feeding device 100 control the elevation angle of the beam output by the array antenna 110 only in the XZ plane, the elevation angle is controlled in both the XZ plane and the YZ plane, as compared with the case where the elevation angle is controlled in both the XZ plane and the YZ plane.
  • the number of phase shifters 120 is only one quarter. Therefore, the antenna device 100A and the power feeding device 100 can be realized at low cost.
  • the center of the fisheye lens 141 coincides with the center of the 4N antenna elements 111 has been described.
  • the center of the fisheye lens 141 may be deviated from the center of the 4N antenna elements 111.
  • the coordinate origin of the array antenna control phase calculation may be shifted by the amount of the positional deviation.
  • the marker 50A and the power receiving antenna may be installed apart by the positional deviation.
  • control device 150 has the misalignment detection unit 153 .
  • the control device 150 Does not include the misalignment detection unit 153, and the distance estimation unit 154 does not have to make corrections corresponding to the misalignment.
  • control device 150 includes the distance estimation unit 154 and the distance estimation unit 154.
  • the phase data for a plurality of sets corresponding to one type of facing distance rFD may be stored in the memory 156 without including the misalignment detection unit 153.
  • FIG. 6 is a diagram showing an application example of the power feeding device 100.
  • the power feeding device 100 is mounted on a vehicle as an example, and an antenna 20 as a target is provided on the inner wall 51 of the tunnel.
  • a marker 50A and a power receiving device 50B are attached to the antenna 20.
  • the marker 50A is a retroreflective plate, a mirror ball, or the like.
  • the distance between the inner wall 51 of the tunnel and the vehicle varies from tunnel to tunnel. However, within the same tunnel, the distance between the inner wall of the tunnel and the vehicle can be regarded as almost constant.
  • the position of the marker 50A is converted into polar coordinates on a plane parallel to the XY plane by the camera 140, and the X coordinate of the mapping position (the mapping position corresponding to P2a) mapped to the X axis.
  • the antenna device 100A and the power feeding device 100 move while receiving power from the N subarrays 110A.
  • a power transmission signal having the same phase can always be transmitted to the antenna 20 of the device 50B.
  • the power transmission signals having the same phase are applied to the antenna 20 as a beam.
  • the elevation angle ⁇ a of the marker 50A of # 1 is zero degree (0 degree)
  • the facing distance from the center of the fisheye lens 141 of the camera 140 to the marker 50A can be estimated.
  • the phase data based on the facing distance and the elevation angle is read from the memory 156 to control the shift amount in the N phase shifters 120. If this is the case, the antenna gain can be further improved.
  • wireless communication with an antenna 20 at a fixed portion for fixing an infrastructure structure such as a jet fan or a sign attached to the inner wall 51 of a tunnel to the inner wall 51, a sensor for monitoring looseness of bolts at the fixed portion, a rectenna, and the like.
  • the rectenna connected to the antenna 20 When a module is provided and a beam is emitted from the power feeding device 100 to the antenna 20 while traveling in a vehicle, the rectenna connected to the antenna 20 generates power to activate the wireless communication module, and the wireless communication module is a sensor. By emitting a signal representing the output and receiving it on the vehicle side, it is possible to inspect the fixed state of the infrastructure structure while driving.
  • the wireless communication module may receive a signal representing the output of the sensor at the array antenna 110.
  • the X coordinate (r ⁇ cos ⁇ ) of the mapping position (the mapping position corresponding to P2a) mapped to the X axis from the position of the antenna 20 deviated from the XZ plane is obtained, and the X coordinate (r ⁇ cos ⁇ ) is the focal point of the fisheye lens 141. Since the beam is controlled using the value divided by the distance f L (r ⁇ cos ⁇ / f L ) as the elevation angle ⁇ a, even if the vehicle traveling in the X-axis direction shifts to either the plus or minus of the Y-axis. , The elevation angle ⁇ a can be obtained by absorbing the positional deviation.
  • the power feeding device 100 (antenna device 100A) communicates with the wireless communication module provided on the inner wall 51 of the tunnel is described here with reference to FIG. 6, the wireless communication module is provided on the inner wall 51 of the tunnel. It may be installed in various places, etc. By doing so, the power feeding device 100 (antenna device 100A) can be used as a communication device.
  • the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments, but is limited to the claims. Various modifications and changes are possible without deviation.
  • Feeding device 110 Array antenna 110A Sub-array 111 Antenna element 120 Phase shifter 130 Microwave source 140 Camera 141 Fisheye lens 150 Control device 151 Position extraction unit 152 Elevation angle acquisition unit 153 Position deviation detection unit 154 Distance estimation unit 155 Control unit 156 Memory

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Abstract

近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置を提供する。　アンテナ装置は、アレイアンテナと、複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を第１軸方向において調節する調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、画像に含まれるマーカの画像取得部に対する第１位置を第１軸と第２軸を含む第１平面上の極座標での第２位置に変換する導出部と、第２位置に基づいて第１位置を第１軸と第３軸を含む第２平面に投影した位置の第２平面内での第３軸に対する仰角を取得する取得部と、受電器が複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の仰角に応じた複数セット分格納する格納部と、取得される仰角に応じて読み出した位相データに基づいてアレイアンテナが放射するビームの方向が第２平面内で仰角になるように調節部を制御する制御部とを含む。

Description

アンテナ装置、給電装置、及び給電方法
　本発明は、アンテナ装置、給電装置、及び給電方法に関する。
　従来より、無線送電装置であって、飛行体に搭載された無線受電装置に給電用のエネルギビームを送出するビーム送出部と、前記無線受電装置の受電効率を高めるための制御情報を取得する情報取得部と、前記制御情報に基づいて、前記無線受電装置の受電効率が高まるように前記エネルギビームの制御を行う制御部とを有することを特徴とする無線送電装置がある。送電アンテナとしてアレイアンテナを用いてもよいことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１９－１３５９００号公報
　ところで、アレイアンテナの複数のアンテナ素子から送電して無線受電装置が受電する場合に、従来の無線送電装置のように無線受電装置が飛行体に搭載されている場合には、無線送電装置（給電装置）と無線受電装置（受電装置）との間には十分な距離がある。このため、複数のアンテナ素子と受電装置との間の角度差は無視できる程度であり、複数のアンテナ素子から同一のターゲットに送電しても受電装置が受電する際に受信位相ずれは小さく殆ど問題にならない。
　しかしながら、受電装置と給電装置との間の距離が数メートル程度と近距離である場合には、複数のアンテナ素子から同一のターゲットに送電すると、受電装置が受電する際には各アンテナ素子から受電装置までの角度の差が大きく受電位相ずれが大きくなるため、合成の受電電力が低減されるという問題が生じうる。
　そこで、近距離でも受電装置が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態のアンテナ装置は、第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電器にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電器が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部とを含む。
　近距離でも受電装置が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を提供することができる。
実施形態の給電装置１００を示す図である。 実施形態の給電装置１００を示す図である。 アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。 位相データの求め方を説明する図である。 アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の効果を説明する図である。 給電装置１００の適用例を示す図である。
　以下、本発明のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法を適用した実施形態について説明する。
　＜実施形態＞
　図１は、実施形態の給電装置１００を示す図である。給電装置１００は、アレイアンテナ１１０、フェーズシフタ１２０、マイクロ波発生源１３０、カメラ１４０、及び制御装置１５０を含む。実施形態のアンテナ装置１００Ａは、給電装置１００からマイクロ波発生源１３０を除いたものである。
　以下では、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。平面視とはＸＹ平面視のことである。また、Ｘ軸は第１軸の一例であり、Ｙ軸は第２軸の一例であり、Ｚ軸は第３軸の一例である。また、ＸＹ平面は第１平面の一例であり、ＸＺ平面は第２平面の一例である。
　アレイアンテナ１１０は、一例としてＮ個のサブアレイ１１０Ａにグループ分けされている。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの１番目（＃１）からＮ番目（＃Ｎ）を示す。ここで、Ｎは２以上の整数であるが、図１には一例としてＮが４以上の偶数である形態を示す。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａは、Ｘ軸方向に配列されており、各サブアレイ１１０Ａは、一例として４つのアンテナ素子１１１を含む。このため、アレイアンテナ１１０は、一例として４Ｎ個のアンテナ素子１１１を含む。アンテナ素子１１１は、平面視で矩形状のパッチアンテナである。アレイアンテナ１１０は、アンテナ素子１１１の－Ｚ軸方向側にグランド電位に保持されるグランド板を有していてもよい。なお、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致している。また、各サブアレイ１１０Ａが含むアンテナ素子１１１の数は、２個以上であればよく、二次元的に配置されていればよい。
　以下では、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、実施形態の給電装置１００を示す図である。図２では、図面を見やすくするためにＸＹＺ座標系の原点をずらして示すが、以下では図１に示すようにＸＹＺ座標系の原点が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているものとして説明する。また、図２には、各サブアレイ１１０Ａについて、Ｘ軸の－Ｙ軸方向側に隣接する１つのアンテナ素子１１１を示す。また、図２には、制御装置１５０に含まれる構成要素と、マーカ５０Ａ及び受電装置５０Ｂを示す。マーカ５０Ａ及び受電装置５０Ｂは、一例としてトンネルの内壁５１に固定されている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、一例として、作業車両に搭載してトンネル内を走行しながら、トンネルの内壁５１に取り付けられたマーカ５０Ａを検出して、受電装置５０Ｂに向けて送電を行う。
　また、図２では、マーカ５０Ａは、ＸＺ平面視においてＺ軸から角度θｂの方向に存在する。図２では説明の便宜上、ＸＹＺ座標系をずらして示すが、ＸＹＺ座標系の原点が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の位置の中心と一致しているため、角度θｂは、ＸＺ平面内でＸＹＺ座標系の原点とマーカ５０Ａとを結ぶ直線がＺ軸となす角度である。角度θｂは、ＸＺ平面を＋Ｙ軸方向側から見て、＋Ｘ方向側に振れているときを正の値で示し、－Ｘ方向側に振れているときの値を負の値で示す。
　フェーズシフタ１２０は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに対応してＮ個設けられており、Ｎ個のフェーズシフタ１２０は、それぞれＮ個のサブアレイ１１０Ａのアンテナ素子１１１に接続されている。各サブアレイ１１０Ａの中では、４つのアンテナ素子１１１は、１つのフェーズシフタ１２０に並列に接続されている。フェーズシフタ１２０は、位相調節部の一例である。
　各サブアレイ１１０Ａの中では、４つのアンテナ素子１１１には同一の位相の送電信号が供給される。また、Ｎ個のフェーズシフタ１２０がＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ出力する送電信号の位相は互いに異なる。このため、４Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームの角度（仰角）をＸＺ平面内で制御することができる。
　４Ｎ個のアンテナ素子１１１から放射される電波が形成するビームは、アレイアンテナ１１０が出力するビームと同義である。また、アレイアンテナ１１０が出力するビームは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームと同義である。
　マイクロ波発生源１３０は、Ｎ個のフェーズシフタ１２０に接続されており、所定の電力のマイクロ波を供給する。マイクロ波発生源１３０は、電波発生源の一例である。マイクロ波の周波数は、一例として９１５ＭＨｚである。なお、ここでは給電装置１００がマイクロ波発生源１３０を含む形態について説明するが、マイクロ波に限られるものではなく、所定の周波数の電波であればよい。
　カメラ１４０は、Ｘ方向においてはＮ／２番目のサブアレイ１１０Ａと、Ｎ／２＋１番目のサブアレイ１１０Ａとの間に配置され、Ｙ軸方向においては、各サブアレイに含まれる４つのアンテナ素子１１１のうちの＋Ｙ軸方向側から２番目のアンテナ素子１１１と３番目のアンテナ素子１１１との間に配置される。カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１及びカメラ本体１４２を有する。カメラ１４０は、画像取得部の一例である。図２では、カメラ本体１４２を撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂとに分けて示す。
　魚眼レンズ１４１は、等距離射影方式を採用したレンズである。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致している。カメラ本体１４２は、カメラ１４０のうち魚眼レンズ１４１以外の部分であり、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサを含むカメラ、又は、赤外線カメラであってもよい。
　カメラ１４０は、魚眼レンズ１４１を通じてマーカ５０Ａを含む画像を取得し、画像データを制御装置１５０に出力する。マーカ５０Ａは、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が出力するビームを照射したいターゲットである受電用のアンテナを有する受電装置５０Ｂに取り付けられている。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、カメラ１４０で取得した画像に含まれるマーカ５０Ａの位置を求め、受電装置５０Ｂに向けてビームを照射する。
　カメラ本体１４２は、撮像部１４２Ａと画像処理部１４２Ｂを有する。撮像部１４２Ａは、撮像素子を含み、魚眼レンズ１４１を通じて撮像を行うことによって、画像データを取得する部分である。画像処理部１４２Ｂは、撮像部１４２Ａによって取得された画像データに対して２値化処理等の画像処理を行い、ピクセルインデックスを制御装置１５０に出力する。ピクセルインデックスは、マーカ５０Ａの撮像画面上の位置を示すＸＹ座標値（アドレス）である。
　制御装置１５０は、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５、及びメモリ１５６を有する。制御装置１５０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及びメモリを含むコンピュータによって実現される。位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５は、制御装置１５０が実行するプログラムの機能（ファンクション）を機能ブロックとして示したものである。また、メモリ１５６は、制御装置１５０のメモリを機能的に表したものである。
　ここで、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、位置ずれ検出部１５３、距離推定部１５４、制御部１５５、メモリ１５６については、図１及び図２に加えて図３を用いて説明する。図３は、アレイアンテナ１１０の極座標系を示す図である。図３には、給電装置１００のうちのアレイアンテナ１１０のサブアレイ１１０Ａと、各サブアレイ１１０Ａに含まれるアンテナ素子１１１と、アレイアンテナ１１０から出力されるビーム１１５とを示し、これら以外の構成要素を省略する。また、図３には、ＸＹ平面に平行な平面１上における極座標系を示す。
　また、ＸＹＺ座標系におけるマーカ５０Ａの位置をＰ１とし、原点Ｏと位置Ｐ１を結ぶ線分の仰角をθ、方位角をφとする。仰角は＋Ｚ軸方向に対する角度であり、方位角は＋Ｘ方向に対する角度であり、＋Ｚ軸方向側から見た平面視で時計回りを正の値とする。また、位置Ｐ１をＸＺ平面に投影した位置Ｐ１ａと原点Ｏとを結ぶ線分の仰角をθａとする。
　位置Ｐ１は、第１位置の一例であり、位置Ｐ１ａは、投影位置の一例である。また、原点ＯはＸＹＺ座標系の基準点の一例である。
　アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビーム１１５の仰角をＸＺ平面内でのみ制御する。これは、アレイアンテナ１１０がＹ軸方向に同相給電を行っているためＹ軸方向では固定のビームとなっておりＺ軸を０度とする仰角方向にビームを振ることができることと、受電装置５０Ｂの位置がＸＺ平面からあまりずれていない（例えば、ＹＺ平面内でのＺ軸に対する仰角で±３０度以内程度）ことを想定している。このような位置にある受電装置５０Ｂであれば、ビーム１１５の仰角をＸＺ平面内で制御するだけで、アレイアンテナ１１０の制御部の規模を抑えつつ、受電装置５０Ｂにビーム１１５を効率的に照射できるからである。
　位置導出部１５１は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいて位置マーカ画像の重心を計算する。画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスは、魚眼レンズ１４１を通じて得た等距離射影の画像を表す。この画像処理により、カメラ１４０によって取得される画像に含まれるマーカのアレイアンテナ１１０に対する位置Ｐ１は、ＸＹ平面上の極座標における位置Ｐ２に変換される。このようにして位置導出部１５１は、位置Ｐ２を導出する。位置Ｐ１は、位置導出部１５１によって計算される重心の位置である。位置Ｐ２は、第２位置の一例である。
　位置Ｐ２は、原点Ｏからの動径ｒと偏角φによって表される。動径ｒは、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆＬとすると、ｒ＝ｆＬθで表される。偏角φは方位角φと同一である。位置導出部１５１は、上述の画像処理によって、動径ｒをＸ軸に写像したｒ・ｃｏｓφを求める。位置導出部１５１は、位置Ｐ２を表すデータを仰角取得部１５２に出力する。
　仰角取得部１５２は、位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を、仰角θａとして取得（計算）する。このようにして仰角θａを取得できる理由については後述する。仰角取得部１５２は、仰角θａを距離推定部１５４と制御部１５５に出力する。
　位置ずれ検出部１５３は、画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスに基づいてマーカ５０Ａの形状及び重心を求め、マーカ５０Ａが存在する範囲内における重心の位置に基づいて、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれを検出する。魚眼レンズ１４１の中心の位置は、一例として、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心及びＸＹＺ座標系の原点と一致しているため、一例として、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていない場合の重心のＹ軸方向の位置をＹ＝０とすればよい。位置ずれ検出部１５３は、求めたマーカ５０Ａの存在範囲内における重心のＹ軸方向の位置がＹ＝０であればカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは生じていないと判定する。また、位置ずれ検出部１５３は、求めたマーカ５０Ａの存在範囲内における重心のＹ軸方向の位置がＹ＝０でなければカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていると判定し、位置ずれを検出する。位置ずれ検出部１５３は、検出結果を距離推定部１５４に出力する。なお、重心の位置は、位置導出部１５１から取得してもよい。
　距離推定部１５４は、仰角取得部１５２によって計算される仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスの数に基づいて、魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの距離を推定する。仰角θａが０度であることは、Ｚ軸方向においてマーカ５０Ａが魚眼レンズ１４１の正面に存在する（マーカ５０Ａの重心がＺ軸上に存在する）ことを意味する。
　距離推定部１５４は、仰角θａが０度であるときの魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの対向距離ｒＦＤを推定する。対向距離ｒＦＤは、カメラ１４０に対してマーカ５０ＡがＺ軸上で対向したときの距離である。
　例えば、Ｚ軸上においてカメラ１４０とマーカ５０Ａとを複数種類の距離で隔てた場合に画像処理部１４２Ｂが取得した複数の２値化されたピクセルインデックスの数を予めメモリ１５６に格納しておく。そして、距離推定部１５４は、仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから出力されるピクセルインデックスの数をカウントし、メモリ１５６に格納された複数の対向距離ｒＦＤに対応する複数のリファレンスデータと比較することで、仰角θａが０度のときにおける魚眼レンズ１４１の中心からマーカ５０Ａまでの対向距離ｒＦＤを推定する。対向距離ｒＦＤによってピクセルインデックスの数が異なるため、ピクセルインデックスの数に基づいて、対向距離ｒＦＤを推定することができる。
　なお、仰角θａがゼロ度（０度）のときにカメラ１４０の画像処理部１４２Ｂから複数回にわたってピクセルインデックスが出力される場合は、複数のピクセルインデックスの数の平均に基づいて対向距離ｒＦＤを推定すればよい。
　また魚眼レンズ１４１を用いているため、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じている場合には、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていない場合と比べると、同じ対向距離ｒＦＤであってもピクセルインデックス数が小さくなる。このため、位置ずれ検出部１５３がＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていると判定した場合には、距離推定部１５４は、Ｙ軸方向における位置ずれに対してピクセルインデックス数が変化する度合を表すデータを予めメモリ１５６に格納しておき、Ｙ軸方向の位置ずれの度合に応じて補正したピクセルインデックス数を用いて、対向距離ｒＦＤを推定すればよい。
　制御部１５５は、アレイアンテナ１１０が放射するビームの方向がＸＺ平面内で仰角θａになるようにフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。仰角θａは、仰角取得部１５２によって取得される。また、制御部１５５は、マイクロ波発生源１３０の出力制御、及び、カメラ１４０の撮影制御等を行う。
　制御部１５５は、フェーズシフタ１２０における位相のシフト量の制御については具体的に次のように行う。制御部１５５は、距離推定部１５４によって推定される対向距離ｒＦＤと、仰角取得部１５２によって取得される仰角θａとに応じた位相データをメモリ１５６から読み出し、読み出した位相データに基づいてＮ個のフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。
　ここで、受電装置５０Ｂのアンテナが効率的に受電するには、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナが受電する際の送電信号の位相が等しいことが理想的である。ところで、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、アレイアンテナ１１０から例えば３ｍから７ｍ程度の近距離に位置する受電装置５０Ｂに送電信号を送電する。トンネルの内壁５１に取り付けられた受電装置５０Ｂに送電する場合には、角度θｂが０度の状態においてアレイアンテナ１１０から受電装置５０Ｂまでの距離は、約３ｍ～約５ｍ程度である。
　このような近距離での送電を想定しているため、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々から受電装置５０Ｂのアンテナまでの距離の相対的な差は比較的大きく、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａが同一のターゲットに送電すると、受電装置５０ＢのアンテナがＮ個のサブアレイ１１０Ａから受電する送電信号の位相は揃わず、受電装置５０Ｂは効率的に受電できなくなる。Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々から受電装置５０Ｂのアンテナまでの距離の差は、角度θｂと、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０ＢのアンテナまでのＺ軸方向の距離とによって異なる。
　そこで、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００は、受電装置５０ＢのアンテナがＮ個のサブアレイ１１０Ａから受電する送電信号の位相が揃うように、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａの各々が送電する際の位相を調整するための位相データを用いる。ここでは、一例として、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動するにつれて仰角θａが＋７０度から－７０度に変化する際に送電を行うことを想定して、１度刻みでＮ個のサブアレイ１１０Ａの位相のシフト量を調整可能な複数セット分の位相データを用意する。各位相データは、ある１つの仰角θａに対応してＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０に設定するＮ個の位相のシフト量を含む。このような位相データを仰角θａの＋７０度から－７０度までの範囲について１度刻みで１４１セット用意したのが、ある対向距離ｒＦＤについての複数セット分の位相データである。また、複数の対向距離ｒＦＤの各々に応じてＮ個のサブアレイ１１０Ａの位相のシフト量を調整可能にするために、複数セット分の位相データを複数の対向距離ｒＦＤの分だけ用意する。なお、位相データは、角度θｂに基づいて作成されるデータであるため、図２には複数セット分の位相データψ３（θｂ）～ψ７（θｂ）をθｂを用いて示す。制御部１５５は、仰角θａと等しい角度θｂについての複数セット分の位相データを用いればよい。
　制御部１５５は、距離推定部１５４によって推定される対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いて、複数セット分の位相データの中から仰角取得部１５２によって取得される仰角θａに等しい角度θｂ用の位相データを用いて、Ｎ個のフェーズシフタ１２０における位相のシフト量を制御する。
　メモリ１５６は、位置導出部１５１、仰角取得部１５２、制御部１５５が処理を行う際に実行するプログラム、プログラムの実行に伴い利用するデータ、プログラムの実行によって生じるデータ、及び、カメラ１４０が取得する画像データ等を格納する。また、メモリ１５６は、複数の対向距離ｒＦＤの各々について複数セット分の位相データを格納する。一例として、３ｍ、４ｍ、・・・、７ｍの５種類の対向距離ｒＦＤについて、仰角θａが＋７０度から－７０度までの範囲について１度刻みで１４１セットの位相データを格納する。
　次に、仰角θａを求める方法について説明する。
　仰角θａは、方位角φと仰角θを用いると、位置Ｐ１と位置Ｐ１ａの幾何学的関係から次式（１）で求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式（１）を展開すると、式（２）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、仰角θが十分に小さい場合にはｔａｎθ≒θであり、方位角φが十分に小さい場合にはｃｏｓφ≒１であり、方位角φが90度に近い場合にはｃｏｓφ≒0であるので、式（２）は次式（３）に変形できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　すなわち、受電装置５０Ｂの位置がＸＺ平面からあまりずれていない場合には、仰角θａは式（３）のように近似することができる。
　また、上述したように、魚眼レンズ１４１の焦点距離をｆＬとすると、動径ｒは次式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　式（３）、（４）より、仰角θａは次式（５）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　このように、式（５）を用いて、仰角θａを近似的に求めることができる。
　次に、位相データの求め方について説明する。図４は、位相データの求め方を説明する図である。図４には、カメラ１４０の魚眼レンズ１４１、マーカ５０Ａ、受電装置５０Ｂ、及びＮ個のアンテナ素子１１１を示す。各アンテナ素子１１１は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに含まれる４個のアンテナ素子１１１のうちの１個である。マーカ５０Ａの位置は、受電装置５０Ｂの位置と等しい。
　図４に示すように、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａからマーカ５０Ａまでの距離をｒ１～ｒＮとする。ここでは、説明を簡易化するためにＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは無いものとする。４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心は、ＸＹＺ座標系の原点と一致しているため、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心の座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）である。また、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれは無く、対向距離はｒＦＤであり、魚眼レンズ１４１から見た受電装置５０Ｂの角度はθｂであるため、受電装置５０Ｂの位置は、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ｒＦＤ・ｔａｎθｂ，０，ｒＦＤ）と表すことができる。ここで、魚眼レンズ１４１から受電装置５０Ｂまでの距離をｒｒｅｆとすると、距離ｒｒｅｆは次式（６）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　Ｎ個のアンテナ素子１１１のうちのi番目のアンテナ素子１１１の位置を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（ｄｉ，０，０）とすると、ｉ番目のアンテナ素子１１１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒｉは次式（７）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　このため、魚眼レンズ１４１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒｒｅｆと、ｉ番目のアンテナ素子１１１から受電装置５０Ｂまでの距離ｒｉとの経路差τｉは、次式（８）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　経路差τiはメートル単位であるため、使用するマイクロ波の波長λに換算して位相差ψi を計算すると次式（９）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（９）で表される位相差の符号を反転させた－ψrFDi(θb)をｉ番目のアンテナ素子１１１が送電する際にフェーズシフタ１２０に設定する位相とし、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａについて複数の仰角θａに対応した複数セット分の位相データを準備して、メモリ１５６に格納すればよい。また、複数の対向距離ｒＦＤについての複数セット分の位相データを準備して、メモリ１５６に格納すればよい。このような複数セット分の位相データを用いることにより、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから送電する送電信号を同一位相で受電装置５０Ｂに到達させることができる。複数の角度θｂに対応した複数セット分の位相データは、次式（１０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　制御部１５５は、仰角θａに対応する角度θｂの位相データを用いて、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定すればよい。
　図５は、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の効果を説明する図である。図５には対向距離ｒＦＤが４ｍ、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００を搭載した車両の速度が８０ｋｍ／ｈの場合に受電装置５０Ｂのアンテナが受電したアンテナ利得を示す図である。横軸は時間を表し、０秒は仰角θａが０度になる時刻を表し、－３００秒は仰角θａが＋７０度になる時刻を表し、＋３００秒は仰角θａが－７０度になる時刻を表す。すなわち、横軸の時間は仰角θａに相当する。
　また、図５には、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００で対向距離と仰角に基づく位相データを用いてフェーズシフタ１２０におけるシフト量を調整した場合のアンテナ利得を実線で示し、比較用に仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得を破線で示す。仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得は、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａに接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を仰角θａに応じた値に設定した場合に受電装置５０Ｂで得られるアンテナ利得である。
　図５に示すように、対向距離と仰角に基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得は、仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得よりも大きいか又は同等であり、０秒に近い時間帯ほど（仰角θａの絶対値が小さいほど）対向距離と仰角に基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得と、仰角のみに基づく位相データを用いた場合のアンテナ利得との差が大きくなった。仰角θａが０度に近いほど、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａと受電装置５０Ｂとの距離が短くなり、対向距離と仰角に基づく位相データによるＮ個のサブアレイ１１０Ａの個別の位相制御の効果が顕著になったものと考えられる。
　以上のように、アレイアンテナ１１０のビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御する場合には、等距離射影によって得られた位置Ｐ１をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換して位置Ｐ２を求め、さらに位置Ｐ２をＸ軸に写像した写像位置Ｐ２ａのＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算することで、仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を求める。
　そして、制御部１５５が仰角θａに対応する角度θｂの位相データを用いて、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定すればよい。アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００の移動に伴う仰角θａの変化に応じた位相データを用いてＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動しながら、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナに常に同一位相の送電信号を送電することができる。
　したがって、近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。
　また、複数セット分の位相データが複数の対向距離ｒＦＤの分だけメモリ１５６に格納されており、距離推定部１５４が対向距離ｒＦＤを推定するので、対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いてＮ個のサブアレイ１１０Ａにそれぞれ接続されるＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を設定することができる。このため、受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じた複数セット分の位相データを用いることで、受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じて近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。なお、例えば、対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データが存在しない場合には、推定した対向距離ｒＦＤに最も近い対向距離ｒＦＤに応じた位相データを使用すればよい。
　また、位置ずれ検出部１５３がＹ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれを検出し、位置ずれが生じている場合は、距離推定部１５４がメモリ１５６からＹ軸方向における位置ずれに対してピクセルインデックス数が変化する度合を表すデータを読み出し、Ｙ軸方向の位置ずれの度合に応じて補正したピクセルインデックス数を用いて対向距離ｒＦＤを推定する。このため、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じている場合には、制御部１５５は、補正されたピクセルインデックス数を用いて推定した対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データを用いることで、Ｙ軸方向におけるカメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じていても受電装置５０ＢまでのＺ軸方向の距離に応じて近距離でも受電器が効率的に受電できるように送電可能なアンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を提供することができる。
　また、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００は、アレイアンテナ１１０が出力するビームの仰角をＸＺ平面内でのみ制御するため、仰角をＸＺ平面内とＹＺ平面内の両方で制御する場合に比べてフェーズシフタ１２０の数が４分の１で済む。このため、アンテナ装置１００Ａ、及び、給電装置１００を安価に実現することができる。
　なお、以上では、魚眼レンズ１４１の中心が４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心と一致している形態について説明した。しかしながら、魚眼レンズ１４１の中心は、４Ｎ個のアンテナ素子１１１の中心からずれていてもよい。この場合には、位置ずれの分だけアレイアンテナ制御位相計算の座標原点をずらせばよい。あるいは、マーカ５０Ａと受電アンテナをその位置ずれ分だけ離して設置してもよい。
　また、以上では、制御装置１５０が位置ずれ検出部１５３を有する形態について説明したが、例えば、カメラ１４０とマーカ５０Ａとの位置ずれが生じないことが分かっているような場合には、制御装置１５０が位置ずれ検出部１５３を含まずに、距離推定部１５４は位置ずれに対応した補正を行わなくてもよい。
　また、以上では、制御装置１５０が距離推定部１５４を有する形態について説明したが、例えば、対向距離ｒＦＤが一定であることが分かっているような用途では、制御装置１５０は距離推定部１５４及び位置ずれ検出部１５３を含まずに、メモリ１５６に１種類の対向距離ｒＦＤに応じた複数セット分の位相データを格納しておけばよい。
　図６は、給電装置１００の適用例を示す図である。給電装置１００は、一例として車両に搭載されており、トンネルの内壁５１にはターゲットとしてのアンテナ２０が設けられている。アンテナ２０にはマーカ５０Ａと受電装置５０Ｂとが取り付けられている。マーカ５０Ａは、再帰性反射板又はミラーボール等である。トンネルの内壁５１と車両との間の距離は通過するトンネル毎に異なる。但し、同一トンネル内ではトンネルの内壁と車両との距離はほぼ一定とみなせる。
　車両が＋Ｘ方向に走行する際に、カメラ１４０でマーカ５０Ａの位置をＸＹ平面に平行な平面上における極座標に変換し、さらにＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算して仰角θａ（＝ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を求めることができる。そして、仰角θａの変化に応じた位相データをメモリ１５６から読み出してＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、アンテナ装置１００Ａ及び給電装置１００が移動しながら、Ｎ個のサブアレイ１１０Ａから受電装置５０Ｂのアンテナ２０に常に同一位相の送電信号を送電することができる。同一位相の送電信号は、ビームとしてアンテナ２０に照射される。
　また、例えば、＃１のマーカ５０Ａの仰角θａがゼロ度（０度）のときに、カメラ１４０の魚眼レンズ１４１の中心からからマーカ５０Ａまでの対向距離を推定することができる。そして、＃２のマーカ５０Ａの受電装置５０Ｂのアンテナ２０に対して送電信号を送電するとき、対向距離と仰角に基づく位相データをメモリ１５６から読み出してＮ個のフェーズシフタ１２０におけるシフト量を制御すれば、さらにアンテナ利得を向上させることができる。
　例えば、トンネルの内壁５１に取り付けてあるジェットファンや標識等のインフラ構造物を内壁５１に固定する固定部にアンテナ２０と、固定部のボルト等の緩みを監視するセンサと、レクテナと、無線通信モジュールとを設けておき、車両で走行しながら給電装置１００からアンテナ２０にビームを放射すると、アンテナ２０に接続されたレクテナが電力を発生して無線通信モジュールを起動し、無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を放射し、車両側で受信することにより、走行しながらインフラ構造物の固定状態を検査することができる。
　この場合に、アレイアンテナ１１０で無線通信モジュールがセンサの出力を表す信号を受信してもよい。
　また、ＸＺ平面からずれたアンテナ２０の位置からＸ軸に写像した写像位置（Ｐ２ａに相当する写像位置）のＸ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を求め、Ｘ座標（ｒ・ｃｏｓφ）を魚眼レンズ１４１の焦点距離ｆＬで除算した値（ｒ・ｃｏｓφ／ｆＬ）を仰角θａとして使用してビームを制御するので、Ｘ軸方向に走行する車両がＹ軸のプラスマイナスのどちらかにシフトとしている場合でも、その位置ずれを吸収して仰角θａを求めることができる。
　また、ここでは図６を用いて給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）がトンネルの内壁５１に設けられた無線通信モジュールと通信する形態について説明したが、無線通信モジュールはトンネルの内壁５１に設けられているものに限らず、様々な場所等に設置されていてよい。このようにすれば、給電装置１００（アンテナ装置１００Ａ）を通信装置として利用することができる。
　以上、本発明の例示的な実施形態のアンテナ装置、給電装置、及び給電方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
　なお、本国際出願は、２０２０年９月１０日に出願した日本国特許出願２０２０－１５１８４９に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。
　１００　給電装置
　１１０　アレイアンテナ
　１１０Ａ　サブアレイ
　１１１　アンテナ素子
　１２０　フェーズシフタ
　１３０　マイクロ波発生源
　１４０　カメラ
　１４１　魚眼レンズ
　１５０　制御装置
　１５１　位置導出部
　１５２　仰角取得部
　１５３　位置ずれ検出部
　１５４　距離推定部
　１５５　制御部
　１５６　メモリ

Claims (8)

  1. 　第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
    　前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
    　魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
    　前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
    　前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
    　前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、
    　前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と
    　を含む、アンテナ装置。
  2. 　前記仰角取得部によって取得される仰角がゼロ度のときに、前記画像取得部によって取得される画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する距離推定部をさらに含み、
    　前記格納部は、前記複数セット分の前記位相データを前記画像取得部から前記マーカまでの複数種類の距離に応じて複数格納しており、
    　前記制御部は、前記距離推定部によって推定される距離と、前記仰角取得部によって取得される仰角とに応じた前記位相データを前記格納部から読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記位相調節部を制御する、請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 　前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの重心の位置に基づいて、前記第２軸方向における前記画像取得部と前記マーカとの位置ずれを検出する位置ずれ検出部をさらに含み、
    　前記距離推定部は、前記位置ずれ検出部によって検出される位置ずれの度合に応じて補正された前記画像に基づいて、前記画像取得部から前記マーカまでの距離を推定する、請求項２に記載のアンテナ装置。
  4. 　前記仰角取得部は、前記第２位置を前記第１軸に写像した写像位置の座標を前記魚眼レンズの焦点距離で除算した値を、前記仰角として求める、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
  5. 　前記写像位置の座標は、前記極座標における動径に偏角の余弦を乗算した値で表される、請求項４に記載のアンテナ装置。
  6. 　前記複数のアンテナ素子は、前記第２軸方向に沿って伸びる複数のサブアレイにグループ分けされており、
    　前記位相調節部は、前記複数のサブアレイにそれぞれ接続され、前記送電信号の位相をサブアレイ毎に調整する複数の位相シフタである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7. 　第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
    　電波発生源と、
    　前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
    　魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
    　前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
    　前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
    　前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と、
    　前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する制御部と
    　を含む、給電装置。
  8. 　第１軸及び第２軸に沿って二次元的に配置される複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、
    　電波発生源と、
    　前記アレイアンテナと前記電波発生源との間に設けられ、前記電波発生源から前記複数のアンテナ素子に供給される送電信号の位相を前記第１軸方向において調節する位相調節部と、
    　魚眼レンズを通じて画像を取得する画像取得部と、
    　前記画像取得部によって取得される画像に含まれるマーカの前記画像取得部に対する第１位置を、前記第１軸及び前記第２軸を含む第１平面上の極座標における第２位置に変換する位置導出部と、
    　前記第２位置に基づいて、前記第１位置を前記第１軸と第３軸とを含む第２平面に投影した投影位置の前記第２平面内での前記第３軸に対する仰角を取得する仰角取得部と、
    　前記複数のアンテナ素子から前記マーカの位置にある受電装置にそれぞれ送電する際の複数の位相であって、前記受電装置が前記複数のアンテナ素子から受電する位相が揃うように調整された複数の位相を表す位相データを複数の前記仰角に応じた複数セット分だけ格納する格納部と
    　を含む給電装置において、
    　前記格納部から前記仰角取得部によって取得される仰角に応じた前記位相データを読み出し、読み出した前記位相データに基づいて前記アレイアンテナが放射するビームの方向が前記第２平面内で前記仰角になるように前記位相調節部を制御する、給電方法。
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