JP7685228B2

JP7685228B2 - 送信装置及び送信システム

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Publication number: JP7685228B2
Application number: JP2021199777A
Authority: JP
Inventors: 瑞貴片岡; 波楊; 真毅篠原; 友彦三谷
Original assignee: Kyoto University NUC
Current assignee: Kyoto University NUC
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2025-05-29
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: JP2023085640A; WO2023105983A1

Description

本発明は、無線送信を行う送信装置、及びそれを備える送信システムに関する。

近年、センサ、カメラ、ＩоＴデバイス等が、工場、施設等に多く設置されている。このような機器に給電するための技術として、マイクロ波送電、特にレトロディレクティブ方式の送電が注目されている。この方式では、一般に、目標から放射されたパイロット信号を受け、そのパイロット信号を用いて目標の方向を推定し、その目標の方向を向く送電ビームを形成することで、目標の方向に送電ビームを制御する。

特許文献１には、マルチパス環境内のビーコン信号の到着時間の差異を利用して、クライアント機器に無線電力供給を行う無線電力送信システムが開示されている。この無線電力送信システムは、クライアント機器からのビーコン信号をアレイアンテナで受信し、そのビーコン信号の到着時間の反転に基づいて送信開始をずらした送信信号をアレイアンテナから送信する。これにより、送信信号は、異なる伝搬遅延を有する経路を進んでも、ほぼ同時にクライアント機器に到着する。

特許文献２には、分離構成された複数の送電ユニットから目標装置に送電を行うマイクロ波送電システムが開示されている。それぞれの送電ユニットは、受信アンテナ、送電アンテナ、位相同期回路、共役位相生成回路、及びマイクロ波発生装置を備える。位相同期回路は、それぞれの送電ユニットによって受信され、それぞれの送電ユニットの間で伝送するパイロット信号の間の位相差に基づいて、位相同期信号を生成する。共役位相生成回路は、送電ユニットによって受信されたパイロット信号と、位相同期回路によって生成された位相同期信号とを重畳して、共役位相波を生成する。マイクロ波発生装置は、共役位相波の位相を補正して発生させたマイクロ波を送電アンテナに供給する。このような構成によって、分離構成された複数の送電ユニット間の位相同期制御が行われる。

特表２０２１－５０７６６３号公報特開２００４－７９３２号公報

特許文献１及び特許文献２に開示された送電システムは、パイロット信号と送電信号に同じ周波数を用いる。このため、パイロット信号と送電信号が干渉し、目標の方向推定の精度が低下するおそれがある。

同様に、パイロット信号を用いて通信ビームを形成する通信システムでも、パイロット信号と通信信号が干渉し、目標の方向推定の精度が低下するおそれがある。

本発明の目的は、パイロット信号と送信信号の干渉を抑制した送信装置、及びそれを備える送信システムを提供することにある。

本発明の送信装置は、複数の受信用アンテナ素子及び複数の送信用アンテナ素子を有するアレイアンテナと、それぞれ前記複数の受信用アンテナ素子及び前記複数の送信用アンテナ素子に接続された複数の位相共役回路と、を備え、前記位相共役回路は、それぞれ、前記受信用アンテナ素子で受信されたパイロット信号を入力され、前記送信用アンテナ素子に供給される送信信号を出力し、前記それぞれの位相共役回路から出力される送信信号の周波数は、前記それぞれの位相共役回路に入力されたパイロット信号の周波数の１／２倍に等しく、前記それぞれの位相共役回路から出力される送信信号の、前記複数の位相共役回路のうちの任意の１つの位相共役回路から出力される送信信号に対する位相差は、前記それぞれの位相共役回路に入力されたパイロット信号の、前記任意の１つの位相共役回路に入力されたパイロット信号に対する位相差の－１／２倍に等しい。

本発明の送信システムは、本発明の送信装置と、レクテナを有する受信装置と、を備え、前記レクテナは、前記レクテナに到達した前記送信信号の一部を２次高調波として反射することで、前記パイロット信号を発生させる。

本発明によれば、パイロット信号と送信信号の干渉を抑制し、目標の方向推定の精度を高めることができる。

図１は本発明の実施形態に係る送電システム１０の概念図である。図２は受電装置３０に設けられたレクテナ３１のブロック図である。図３は送電装置２０の主要部のブロック図である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は送電ビームの形成を説明するための概念図である。図５は位相共役回路４０のブロック図である。

以降、本発明を実施するための複数の形態を示す。それぞれの実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能である。それぞれの実施形態では、その実施形態以前に説明した点と異なる点について説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

本発明の実施形態に係る送信システムはレトロディレクティブ方式の送電システムでもよい。

図１は本発明の実施形態に係る送電システム１０の概念図である。送電システム１０は送電装置２０及び受電装置３０を備える。送電装置２０は本発明の「送信装置」の一例である。受電装置３０は本発明の「受信装置」の一例である。送電システム１０は次のように動作する。

送電装置２０は、最初に短時間だけ、周波数ｆの送電信号を広角に又は等方的に放射する。送電装置２０によって放射される送電信号の周波数は例えば２．４５ＧＨｚである。送電装置２０によって放射される送電信号は本発明の「送信信号」の一例である。

受電装置３０は、受電装置３０に到達した送電信号の一部を２次高調波として反射することで、周波数２ｆのパイロット信号を発生させる。パイロット信号の周波数は例えば４．９ＧＨｚである。送電装置２０は、送電装置２０に到達したパイロット信号の位相を用いて、パイロット信号の到来方向を向き、パイロット信号の到来経路を再現する周波数ｆの送電ビームを形成する。換言すれば、送電装置２０は、パイロット信号の到来方向に向けて周波数ｆの送電信号を放射する。これにより、受電装置３０はパイロット信号の放射を続け、送電装置２０は送電信号の放射を続ける。

送電装置２０は、例えば、送電開始から所定時間の経過後に送電を停止してもよいし、受電装置３０から受けた停止命令に応じて送電を停止してもよい。

なお、送電装置２０は、送電装置２０の周囲を走査するように最初の送電信号を放射してもよい。

受電装置３０が移動すると、パイロット信号の到来経路が変化する。送電装置２０は、変化したパイロット信号の到来経路を再現する送電ビームを形成する。このように、送電装置２０は、受電装置３０を自動追尾して受電装置３０に送電することができる。

図２は受電装置３０に設けられたレクテナ３１のブロック図である。レクテナ３１はアンテナ３２及び整流回路３３を備える。整流回路３３は、アンテナ３２と負荷の間に接続され、シャント接続されたダイオードで構成される。レクテナ３１は、一般的なレクテナに設けられる、高調波の再放射を防止するフィルタを備えていない。このため、整流回路３３による整流時に発生する高調波はアンテナ３２から放射される。これにより、レクテナ３１は、レクテナ３１に到達した送電信号の一部を２次高調波として反射する。

図３は送電装置２０の主要部のブロック図である。送電装置２０はアレイアンテナ２１及び複数の位相共役回路４０を備える。アレイアンテナ２１は複数の受信用アンテナ素子２２及び複数の送電用アンテナ素子２３を有する。送電用アンテナ素子２３は本発明の「送信用アンテナ素子」の一例である。受信用アンテナ素子２２はパイロット信号の周波数２ｆで動作し、送電用アンテナ素子２３は送電信号の周波数ｆで動作する。受信用アンテナ素子２２と送電用アンテナ素子２３は受信と送電を分離するように働く。位相共役回路４０は、それぞれ、対をなす受信用アンテナ素子２２と送電用アンテナ素子２３に接続される。位相共役回路４０は、それぞれ、受信用アンテナ素子２２で受信されたパイロット信号を入力され、送電用アンテナ素子２３に供給される送電信号を出力する。送電装置２０は、それぞれの位相共役回路４０に接続された局部発振器２４をさらに備える。局部発振器２４は、それぞれの位相共役回路４０で共有され、それぞれの位相共役回路４０に共通の基準信号を供給する。送電装置２０は、最初の送電信号を放射するために、図３に示された回路とは別に設けられた一般的な送信回路（図示せず）をさらに備える。

なお、送電装置２０は、受信用アンテナ素子２２及び送電用アンテナ素子２３に代えて、２つの周波数で動作して受信と送電に共用されるアンテナ素子を備えてもよい。この場合、受信と送電に共用されるアンテナ素子が、本発明の「受信用アンテナ素子」の一例になると共に、本発明の「送信用アンテナ素子」の一例にもなる。

それぞれの位相共役回路４０から出力される送電信号の周波数は、それぞれの位相共役回路４０に入力されたパイロット信号の周波数の１／２倍に等しい。それぞれの位相共役回路４０から出力される送電信号の、複数の位相共役回路４０のうちの任意の１つの位相共役回路４０から出力される送電信号に対する位相差は、それぞれの位相共役回路４０に入力されたパイロット信号の、上記の任意の１つの位相共役回路４０に入力されたパイロット信号に対する位相差の－１／２倍に等しい。

即ち、送電信号の周波数はｆであり、パイロット信号の周波数は２ｆである。また、時間ｔにおいて、ｎ番目の受信用アンテナ素子２２で取得されてｎ番目の位相共役回路４０に入力されたパイロット信号の位相が２（ωｔ－θ_ｎ）である場合、ｎ番目の位相共役回路４０から出力されてｎ番目の送電用アンテナ素子２３に入力される送電信号の位相はωｔ＋α＋θ_ｎである。ここで、２ωはパイロット信号の角周波数である。－２θ_ｎは、ｎ番目の位相共役回路４０に入力されたパイロット信号の、１番目の位相共役回路４０に入力されたパイロット信号に対する位相差である。αは、時間ｔ＝０において１番目の位相共役回路４０から出力される送電信号の位相である。

なお、受信用アンテナ素子２２、送電用アンテナ素子２３、及び位相共役回路４０の順番は、それぞれの受信用アンテナ素子２２、送電用アンテナ素子２３、及び位相共役回路４０を区別するための便宜的なものである。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は送電ビームの形成を説明するための概念図である。図４（Ａ）に例示されるように、ｎ番目の受信用アンテナ素子２２で取得された周波数２ｆのパイロット信号の位相は、１番目の受信用アンテナ素子２２で取得されたパイロット信号の位相より２θ_n遅れていたとする。その場合、図４（Ｂ）に例示されるように、ｎ番目の送電用アンテナ素子２３に入力される周波数ｆの送電信号の位相が、１番目の送電用アンテナ素子２３に入力される周波数ｆの送電信号の位相よりθ_n進んでいれば、それぞれの送電用アンテナ素子２３から放射される送電信号の電波又はマイクロ波の等位相面はパイロット信号の到来方向を向く。このため、パイロット信号の周波数が２ｆであり、ｎ番目の受信用アンテナ素子２２で取得されたパイロット信号の位相が２（ωｔ－θ_ｎ）である場合、送電信号の周波数がｆであり、ｎ番目の送電用アンテナ素子２３に入力される送電信号の位相がωｔ＋α＋θ_ｎであれば、パイロット信号の到来方向を向く送電ビームが形成される。

図５は位相共役回路４０のブロック図である。位相共役回路４０は、それぞれ、入力端と出力端との間に直列又は縦続接続された、ハイパスフィルタ４１、低雑音増幅器４２、ミキサー４３、分周器４４、ローパスフィルタ４５、及び電力増幅器４６を有する。ハイパスフィルタ４１は本発明の「第２フィルタ」の一例である。ローパスフィルタ４５は本発明の「第１フィルタ」の一例である。

ハイパスフィルタ４１は、ミキサー４３の入力側に接続され、位相共役回路４０に入力されたパイロット信号を通過させ、受信用アンテナ素子２２で阻止されずに位相共役回路４０に入力された送電信号を遮断する。これにより、受信と送電の分離が高まり、パイロット信号と送電信号の干渉がさらに抑制される。

ミキサー４３は、低雑音増幅器４２で増幅されたパイロット信号と、局部発振器２４が発生させた基準信号をミキシングする。基準信号は、パイロット信号の周波数の２倍の周波数を有し、それぞれの位相共役回路４０で同位相を有する。即ち、基準信号は周波数４ｆ及び位相２（２ωｔ＋θ_LO）を有する。ここで、２θ_LOは時間ｔ＝０における基準信号の位相である。ミキサー４３は、周波数６ｆ及び位相２（３ωｔ＋θ_LO－θ_n）を有する信号と、周波数２ｆ及び位相２（ωｔ＋θ_LO＋θ_n）を有する信号を出力する。

分周器４４は、ミキサー４３から出力されて伝送された信号の周波数を１／２に分周する。このため、分周器４４は、周波数２ｆ及び位相２（ωｔ＋θ_LO＋θ_n）を有する信号を入力されると、周波数ｆ及び位相ωｔ＋θ_LO＋θ_nを有する信号を出力する。

なお、分周器４４は、周波数６ｆの入力信号に対して動作してもよいが、周波数６ｆの入力信号に対して動作しないことが好ましい。

ローパスフィルタ４５は、ミキサー４３から出力されて伝送された２つの異なる周波数を有する信号のうち、より低い周波数を有する信号を通過させる。即ち、ローパスフィルタ４５は、ミキサー４３から出力されて分周器４４を通って伝送された周波数ｆの信号を通過させる。また、分周器４４が周波数６ｆの入力信号に対して動作する場合、又は分周器４４が周波数６ｆの入力信号に対して予期せず動作した場合、ローパスフィルタ４５は、ミキサー４３から出力されて分周器４４を通って伝送された周波数３ｆの信号を遮断する。

電力増幅器４６は、周波数ｆを含む周波数範囲で所定の利得を有し、ローパスフィルタ４５を通過した信号を増幅して送電用アンテナ素子２３に供給する。

従って、ｎ番目の位相共役回路４０は、周波数２ｆ及び位相２（ωｔ－θ_ｎ）を有するパイロット信号を入力されると、周波数ｆ及び位相ωｔ＋θ_LO＋θ_nを有する送電信号を出力する。

なお、位相共役回路４０は、ハイパスフィルタ４１に代えてバンドパスフィルタを有してもよく、ローパスフィルタ４５に代えてバンドパスフィルタを有してもよい。

また、位相共役回路４０は、ローパスフィルタ４５に代えて、又はローパスフィルタ４５と共に、ミキサー４３と分周器４４の間に接続され、周波数２ｆの信号を通過させて周波数６ｆの信号を遮断するローパスフィルタを有してもよい。

また、位相共役回路４０は、ミキシングを行った後に分周を行うが、分周を行った後にミキシングを行ってもよい。

また、それぞれの位相共役回路４０は、局部発振器２４が発生させた基準信号に代えて、任意の１つの受信用アンテナ素子２２で受信されたパイロット信号を２逓倍して生成された基準信号を用いてもよい。

また、位相共役回路４０はハイパスフィルタ４１及び低雑音増幅器４２を必須としない。

本実施形態によれば、送電装置２０は位相共役回路４０でパイロット信号の周波数を変換して送電信号を生成し、受電装置３０は送電信号の一部を２次高調波として反射することでパイロット信号を発生させる。これにより、周波数の異なるパイロット信号と送電信号を利用できる。このため、パイロット信号と送電信号の干渉を抑制し、受電装置３０の方向推定の精度を高めることができる。無線送電では、送電信号の強度がパイロット信号の強度よりはるかに強いため、パイロット信号と送電信号の干渉が特に問題になる。また、無線送電では、送電ビームが高い方向精度を有する必要がある。このため、上記の本実施形態の効果は特に顕著である。

また、送電システム１０はハードウェア・レトロディレクティブ方式の送電システムであり、位相共役回路４０はアナログ回路で構成される。このため、送電システム１０では、ソフトウェア・レトロディレクティブ方式の送電システムと比較して、受電装置３０の方向検出からビームの送電までの応答時間が短い。それ故、高速な自動追尾が可能であり、スマートフォン、ドローン、ＥＶ等の移動体への給電が容易になる。

また、位相共役回路４０は、ソフトウェア・レトロディレクティブ方式の位相共役回路より非常に簡素な構成を有し、一般的なハードウェア・レトロディレクティブ方式の位相共役回路と比較してもほぼ同じ程度の簡素な構成を有する。さらに、ソフトウェア・レトロディレクティブ方式の位相共役回路は、位相共役をとるために、高価な移相器を必要とする。これに対して、位相共役回路４０は、ハードウェア・レトロディレクティブ方式の位相共役回路であり、移相器を有しない。このため、送電システム１０は、低コストで作製でき、実用化に有利である。

また、一般的なレトロディレクティブ方式の送電システムでは、受電装置が、受電装置に設けられた電池を用いてパイロット信号を放射する。このため、受電装置は、パイロット信号を放射するための電源を必要とする。また、受電装置の電池が送電開始前に切れていると、送電装置は送電を開始することができない。本実施形態によれば、送電装置２０は、最初に送電信号を広角に放射すると共に、パイロット信号を受信すれば送電ビームを形成する。受電装置３０は、送電信号の一部を２次高調波として反射することでパイロット信号を発生させる。このため、受電装置３０は、パイロット信号を放射するための電源を必要としない。また、受電装置３０の電池が送電開始前に切れていても、送電装置２０は送電を開始することができる。それ故、送電システム１０は、受電装置３０の電池残量に依存しないシステムであり、広い応用範囲を有する。

また、複数の受電装置３０が送電装置２０の送電可能な周囲内にあれば、送電装置２０はその複数の受電装置３０に同時に送電することができる。

このように、送電システム１０は、簡素に作製できるにもかかわらず、多くの利点を有する。

送電システム１０は、例えば、スマートフォン、ＩоＴデバイス等への無線充電、ドローン等の飛行体への無線充電、工場内で稼働するＡＧＶ、ＥＶ等への無線充電に利用することができる。

なお、本発明の別の実施形態に係る受電装置は、送電信号を反射することでパイロット信号を生成する代わりに、受電装置に設けられた電源を用いてパイロット信号を生成してもよい。

また、本発明のさらに別の実施形態に係る送信システムは、ここまでに説明されたような位相共役回路を備えたレトロディレクティブ方式の通信システムでもよい。この通信システムの送信装置は、目標から放射された周波数２ｆのパイロット信号を受信すると、パイロット信号の到来方向を向く周波数ｆの通信ビームを形成する。

この通信システムの位相共役回路は、電力増幅器を有してもよいが、電力増幅器を必須としない。

最後に、上記の実施形態の説明は、すべての点で例示であり、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上記の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１０…送電システム
２０…送電装置
２１…アレイアンテナ
２２…受信用アンテナ素子
２３…送電用アンテナ素子
２４…局部発振器
３０…受電装置
３１…レクテナ
３２…アンテナ
３３…整流回路
４０…位相共役回路
４１…ハイパスフィルタ
４２…低雑音増幅器
４３…ミキサー
４４…分周器
４５…ローパスフィルタ
４６…電力増幅器

Claims

複数の受信用アンテナ素子及び複数の送信用アンテナ素子を有するアレイアンテナと、
それぞれ前記複数の受信用アンテナ素子及び前記複数の送信用アンテナ素子に接続された複数の位相共役回路と、を備え、
前記位相共役回路は、それぞれ、前記受信用アンテナ素子で受信されたパイロット信号を入力され、前記送信用アンテナ素子に供給される送信信号を出力し、
前記それぞれの位相共役回路から出力される送信信号の周波数は、前記それぞれの位相共役回路に入力されたパイロット信号の周波数の１／２倍に等しく、
前記それぞれの位相共役回路から出力される送信信号の、前記複数の位相共役回路のうちの任意の１つの位相共役回路から出力される送信信号に対する位相差は、前記それぞれの位相共役回路に入力されたパイロット信号の、前記任意の１つの位相共役回路に入力されたパイロット信号に対する位相差の－１／２倍に等しい、送信装置。
前記位相共役回路は、それぞれ、
前記パイロット信号と、前記パイロット信号の周波数の２倍の周波数を有し、前記それぞれの位相共役回路で同位相を有する基準信号とをミキシングするミキサーと、
前記ミキサーから出力されて伝送された信号を１／２に分周する分周器と、
前記ミキサーから出力されて伝送された２つの異なる周波数を有する信号のうち、より低い周波数を有する信号を通過させる第１フィルタと、を有する、請求項１に記載の送信装置。
前記位相共役回路は、それぞれ、前記ミキサー、前記分周器、及び前記第１フィルタを含む回路から出力された信号を増幅して前記送信用アンテナ素子に供給する電力増幅器を有する、請求項２に記載の送信装置。
前記位相共役回路は、それぞれ、前記ミキサーの入力側に接続され、前記パイロット信号を通過させ、前記送信信号を遮断する第２フィルタを有する、請求項２又は３に記載の送信装置。
請求項１から４の何れかに記載の送信装置と、
レクテナを有する受信装置と、
を備え、
前記レクテナは、前記レクテナに到達した前記送信信号の一部を２次高調波として反射することで、前記パイロット信号を発生させる、送信システム。