JP3420781B2 - 太陽発電の送電装置 - Google Patents
太陽発電の送電装置Info
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Description
をマイクロ波で地上や飛翔体または宇宙ステーションあ
るいは宇宙工場などの受電物体としての目標物体に送電
する太陽発電の送電装置に関する。 【0002】 【従来の技術】太陽発電は、例えば、平成4年7月14
日付け読売新聞(朝刊)13版第15面に掲載されてい
るものが提案されている。これは、図6に示すようにな
っている。図6において、発電装置として地球から静止
軌道上に打ち上げられた太陽発電衛星101が、太陽エ
ネルギを収集し、この太陽エネルギをマイクロ波に変換
し、このマイクロ波を図外の目標物体から送られてきた
パイロット信号の到来方向に送ることによって、太陽発
電衛星101から電気エネルギを目標物体に送電するも
のである。 【0003】ところで、太陽発電の送電装置には、送電
波としてのマイクロ波の位相を制御して、マイクロ波を
パイロット信号の到来方向と同じ方向に送るために、フ
ェイズドアレイアンテナの一方式であるレトロディレク
ティブ方式が試みられている。レトロディレクティブ方
式を説明する。図7において、送電波を集中したい目標
点をAとし、この目標点Aから送電側に向けて周波数ω
iなるパイロット信号が放射され、このパイロット信号
を送電側の各アンテナ素子で受信し、周波数ωtの送電
波が目標点Aに向けて放射されたものとする。このと
き、目標点Aから発せられた送電波が時間t後に、距離
X0離れた送電側の中心(基準点)P0に到達するものと
仮定すると、基準点P0におけるパイロット信号の位相
は、 φ0=ωi(t0−X0/C)………(1) となる。ただし、Cは光速である。同様に、目標点Aか
ら距離X1離れた送電側の一点P1での位相は、 φ1=ωi(t0−X1/C)………(2) と表される。このときの二点間の位相差は、 Φi=φ1−φ0=−ωir/C………(3) となる。ただし、r=X1−X0である。 【0004】点P0,P1において、仮に、同相で送電波
を放射したとすれば、目標点Aにおける位相差は、送電
波の周波数がωtであるから、(3)式より、 Φt=−ωtr/C………(4) となる。したがって、二点P0,P1からの送電波の位相
が目標点Aにおいて等しくなるためには、 Φc=ωtr/C………(5) をP1点において補償してやるとよい。よって、送電側
の各点において(5)式の位相補償を行うことにより、
送電側から発せられた全ての送電波の位相が目標点Aに
おいて等しくなる。これがレトロディレクティブ方式の
原理である。 【0005】このレトロディレクティブ方式を太陽発電
の送電装置に採用するについては、送電アンテナ素子全
てにレトロディレクティブ方式に必要なパイロット受電
系と位相共役回路とを持たせると、莫大な数量および重
量になることから、送電アンテナ素子をいくつかのサブ
アレイなるブロックに分け、各サブアレイ毎に1つのパ
イロット受電系と1つの位相共役回路とを持たせる。そ
して、各サブアレイ内の送電アンテナ素子には、送電電
力が全て同位相で給電されている。また、レトロディレ
クティブ方式では、目標物体側からパイロット信号が発
せられるが、マイクロ波が大電力であることから、パイ
ロット信号の周波数が送電側のマイクロ波の周波数と同
一であると、パイロット信号を抽出するのが困難にな
る。このため、太陽発電の送電装置では、例えば、三菱
電気株式会社から「マイクロ波送電用アンテナのビーム
制御電力」に示すような非対称二周波方式が提案されて
いる(昭和63年度宇宙基地利用基礎実験研究成果報告
書;宇宙科学研究所宇宙利用研究委員会の中に項目「マ
イクロ波無線エネルギー伝送システムの開発」によ
る)。 【0006】この非対称二周波レトロディレクティブ方
式の位相共役回路110は、図8に示すようになってい
る。図8において、分波器111が、太陽発電衛星側の
パイロットアンテナで受信されたθ1(t)なるパイロ
ット信号と位相θ2(t)なるパイロット信号とに分波
する。−1逓倍器112が、分波器111で分波された
θ1(t)の出力を−1逓倍する。2逓倍器113が、
分波器111で分波されたθ2(t)の出力を2逓倍す
る。そして、第1混合器114が、−1逓倍器112か
らの−θ1(t)の−1逓倍出力と2逓倍器113から
の2θ2(t)の2逓倍出力との2つの信号を混合し
て、第1バンドパスフィルタ115に出力する。バンド
パスフィルタ115は、第1混合器114で混合された
和信号と差信号とのうちのいずれか1つの信号を第2混
合器116に出力する。第2混合器116は、発信器1
17からの周波数がパイロット信号の周波数とは異なる
ローカル信号とバンドパスフィルタ115からの出力信
号とを混合して第2バンドパスフィルタ118を通し、
θt(t)なる信号を太陽発電衛星の送電アンテナ側に
出力する。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】前述の太陽発電におけ
るマイクロ波システムでは、サブアレイ単位でのレトロ
ディレクティブ方式によるビーム制御方式が採用されて
いる。この方式では、サブアレイの指向性の範囲内でし
かマイクロ波ビームを走査することができない。広い角
度範囲でマイクロ波ビームを走査するためには、サブア
レイをより小さく区切り、各サブアレイにレトロディレ
クティブのための共役回路を付加しなければならない。 【0008】現在、誤差のない共役回路は前述の非対称
二周波方式とされるが、二周波を用いるため回路系は複
雑となり、各アンテナ素子に二周波方式の共役回路を組
み合わせることは非現実的である。ここでは、広い角度
範囲を走査する送電システムを簡単なシステムで誤差な
く実現することを課題としている。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明は、発電部で収集
した太陽エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エ
ネルギをマイクロ波に変換し、このマイクロ波の位相を
受電物体としての目標物体から送られてきたパイロット
信号によって制御し、このマイクロ波をパイロット信号
の到来方向に送電する太陽発電の送電装置において、入
力されたパイロット信号をn逓倍する位相共役回路と、
この位相共役回路から出力された信号を送電アンテナ素
子数に分波する分波回路と、前記パイロット信号の到来
方向を検出する角度検出回路と、この角度検出回路から
出力された信号から前記マイクロ波が前記目標物体に集
束する送電アンテナの給電位相差を演算する演算処理部
と、この演算処理部から出力された信号によって前記分
波回路から出力された信号に位相差を生じさせる可変移
相回路と、前記電気エネルギをこの可変移相回路から出
力された信号に基づく位相差を有するマイクロ波送電用
の電気エネルギに増幅する電力増幅器と、前記位相共役
回路に設けられ前記入力されたパイロット信号およびこ
のパイロット信号の中で送電基準点となる共通のパイロ
ット信号によって差信号を得る手段とを備えている。 【0010】 【作用】収集した太陽エネルギを電気エネルギに変換
し、この電気エネルギをマイクロ波に変換する。一方、
このマイクロ波の位相を受電物体としての目標物体から
送られてきたパイロット信号およびこのパイロット信号
の中で送電基準点となる共通のパイロット信号によって
差信号を得て、この差信号によって、入力されたパイロ
ット信号をn逓倍し、n逓倍された信号を送電アンテナ
素子数に分波する。また、前記パイロット信号の到来方
向を検出し、この角度検出信号から前記マイクロ波が前
記目標物体に集束する送電アンテナの給電位相差を演算
し、この演算信号によって、前記分波信号に位相差を生
じさせる。そして、前記電気エネルギを可変移相信号に
基づく位相差を有するマイクロ波送電用の電気エネルギ
に増幅する。この増幅された電気エネルギによって、マ
イクロ波をパイロット信号の到来方向に送電する。 【0011】 【実施例】図1は、太陽発電の送電装置の一実施例を示
している。図1において、図外の目標物体から発せられ
たパイロット信号を受信するためのパイロットアンテナ
1,2,3,4が、1つの送電アンテナをブロックに分
けたサブアレイに対して4つ設けられている。この4つ
のパイロットアンテナ1〜4のうちの1つのパイロット
アンテナ1は、受信した例えば8GHzのパイロット信
号を、受信回路5を経て位相共役回路6に出力する。位
相共役回路6は、入力されたパイロット信号をn逓倍し
て分波回路7に出力する。分波回路7は、入力されたパ
イロット信号を分波して複数の可変移相器8a,8b,
……,8nに出力する。一方、残りの3つのパイロット
アンテナ3,4,5は、3点配置され、受信したパイロ
ット信号それぞれを、受信回路9,10,11を経てR
F干渉計に構成された角度検出回路12に出力する。角
度検出回路12は、3つのパイロットアンテナ2〜4で
受信したパイロット信号の位相差を計ることにより目標
物体の方向を求め、この目標物体の方向なる角度信号を
マイクロコンピュータに構成された演算処理部13に出
力する。演算処理部13は、角度検出回路12から入力
された角度信号により、太陽発電衛星の送電アンテナ1
5を構成する送信アンテナ素子15a,15b,……,
15nから出力されるマイクロ波が目標物体の受電アン
テナに集束するような送電アンテナのサブアレイ上の給
電位相差を演算してディジタル可変移相器なる可変移相
器8a,8b,……,8nに出力する。可変移相器8
a,8b,……,8nは、演算処理部13から入力され
た給電位相差信号により分波回路7から入力された信号
に位相差を生じさせて複数の電力増幅器14a,14
b,……,14nに出力する。電力増幅器14a,14
b,……,14nは、太陽発電衛星の発電部16から出
力された電力を、可変移相器8a,8b,……,8nか
ら出力されたマイクロ波を増幅して、太陽発電衛星の送
電アンテナ15a,15b,……,15nに出力する。
送電アンテナ15a,15b,……,15nは、電力増
幅器14a,14b,……,14nからの給電位相差を
持った例えば24GHzのマイクロ波を目標物体の受電
アンテナに向けて放射する。また、複数の可変移相器8
a,8b,……,8nと複数の電力増幅器14a,14
b,……,14nとは、送信アンテナ素子15a,15
b,……,15nそれぞれに1個づつ配置されている。
また、受信回路5と位相共役回路5と分波回路7と可変
移相回路8a,8b,……,8nとが位相制御部17を
構成している。また、3つのパイロットアンテナ2,
3,4と3つの受信回路9,10,11と1つの角度検
出回路12と1つの演算処理部13とが、信号処理部1
8を構成している。 【0012】図2は、上記位相共役回路6を示してい
る。図2において、混合器20は、図1に示す1つのパ
イロットアンテナ1で受信されたパイロット信号と送電
側の基準点に位置する図外のパイロットアンテナで受信
されたパイロット信号から2逓倍器21を通って生成さ
れた共通の基準位置信号なるパイロット信号との差信号
を、バンドパスフィルタ22に出力する。バンドパスフ
ィルタ22は、混合器20から出力される和信号と差信
号から差信号すなわち共役位相成分だけを3逓倍器23
に出力する。3逓倍器23は、入力された共役位相成分
を3逓倍してパイロット信号に位相が共役な3倍周波数
の信号を図1に示す分波回路7に出力する。つまり、位
相共役回路6は、レトロディレクティブ方式での位相補
償を行う。具体的には、前述のレトロディレクティブ方
式において、送電側基準点P0での入力信号の位相ωit
とすると、点P1では、前述の(3)式より、 ψ=ωit−ωirr/C =ωi(t−r/C)………(6) となる。点P1において位相を補償した後の出力信号の
位相は、前述の(5)式より、 ψ=ωtt+ωtr/C =ωt(t+r/C)………(7) とならなければならない。したがって、位相共役回路6
は、(6)式の入力信号を(7)式の出力信号に変える
のである。 【0013】図3は、上記角度検出回路12を示してい
る。図3において、角度検出回路12は、図1に示す3
つのパイロットアンテナ2〜4に対応する3つのバンド
パスフィルタ30,31,32と、3つの前置増幅器3
3,34,35と、3つの位相検出器36,37,38
とを備えており、3つのパイロットアンテナ2〜4に入
力されるパイロット信号の位相差を検出して図1に示す
演算処理部13に出力する。この角度検出回路13の原
理は、基線上の二点におかれたアンテナに入る電波の位
相差を計ることによって電波の到来方向の角度を出そう
とするものである。つまり、図4において、位相差を
ψ、ABを基線、Sを目標物とし、R,a,b,Dを図
示の距離、λを波長とすると、 ψ=2π(a−b)/λ ………(8) b2=(D/2)2+R2−DRcosθ a2=(D/2)2+R2−DRcosθ a2−b2=2DRcosθ a−b=Dcosθ{2R/(a+b)}………(9) となる。ここで、もし、R>Dで、bがRにほとんど等
しい(2R=a+b)とすると、 a−b=Dcosθ となる。故に、 cosθ=(a−b)/D=ψλ/2πD………(10) となる。したがって、基線長Dが既知であれば、波長は
既知であるので、電波到来方向の角度θを測定すること
ができる。 【0014】図5は、上記演算処理部13での位相補正
を示している。図5において、演算処理部13は、角度
検出回路12で求められたパイロット信号の到来方向θ
により、位相差dsinθを各アンテナ素子に補償し、
送信すべきマイクロ波の位相が目標物体の受電アンテナ
において揃うようにしている。 【0015】したがって、この実施例によれば、3つの
パイロットアンテナ2,3,4と3つの受信回路9,1
0,11と1つの角度検出回路12と1つの演算処理部
13とからなる信号処理部18および位相共役回路6に
よって、送電アンテナ素子15a,15b,……,15
n毎に位相を制御しているので、送電アンテナと目標物
体とが、大きく方向がずれた場合でも、送電アンテナ素
子15a,15b,……,15nから発せられる全電波
の位相が、目標物体の受電アンテナに同位相で集束され
るので、受電効率が向上する。 【0016】また、この実施例によれば、位相共役回路
6が、1つのパイロットアンテナ1から入力されたパイ
ロット信号と送電側の基準点に位置する図外のパイロッ
トアンテナから入力された共通のパイロット信号とによ
って、差信号を得る構成になっているので、ローカル信
号が必要なく、したがって、送電側に発振器を必要とせ
ず、構造が簡単となる。 【0017】また、この実施例によれば、パイロット信
号の周波数としてマイクロ波の周波数の1/nのものを
使用し、無変調のパイロット信号を受信するだけである
ので、受信回路5,9,10,11はバンドパスフィル
タと増幅器との直列回路のみで構成することができ、構
造が簡単となる。 【0018】さらに、この実施例によれば、位相共役回
路6と受信回路5,9,10,11との構造が簡単にな
ることから、重量も軽減する。 【0019】 【発明の効果】本発明によれば、角度検出回路と演算処
理部と位相共役回路とによって、送電アンテナ素子毎に
位相を制御しているので、太陽発電衛星と目標物体と
が、例えば数Km程度というように、ある程度以上近い
ときでも、送電アンテナ素子から発せられる全電波の位
相を、目標物体の受電アンテナに同位相で集束すること
ができ、もって、受電効率を向上することができる。ま
た、位相共役回路が、1つのパイロットアンテナから入
力されたパイロット信号と送電側の基準点に位置する図
外のパイロットアンテナから入力された共通のパイロッ
ト信号とによって、差信号を得る手段を備えているの
で、ローカル信号が必要なく、したがって、送電側に発
振器を必要とせず、構造を簡素化することができ、小型
化および軽量化を図ることができる。
図。 【図5】一実施例の演算処理部での位相補正を説明する
図。 【図6】太陽発電衛星を示す斜視図。 【図7】従来の太陽発電の送電装置のレトロディレクテ
ィブ方式を示す図。 【図8】従来の非対称二周波方式の位相共役回路図。 【符号の説明】 6…位相共役回路 7…分波回路 8a,8b,…,8n…可変移相回路 12…角度検出回路 13…演算処理部 14a,14b,…,14n…電力増幅器 16…発電部 17…位相制御部 18…信号処理部 21…結合器
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 発電部で収集した太陽エネルギを電気エ
ネルギに変換し、この電気エネルギをマイクロ波に変換
し、このマイクロ波の位相を受電物体としての目標物体
から送られてきたパイロット信号によって制御し、この
マイクロ波をパイロット信号の到来方向に送電する太陽
発電の送電装置において、 入力されたパイロット信号をn逓倍する位相共役回路
と、 この位相共役回路から出力された信号を送電アンテナ素
子数に分波する分波回路と、 前記パイロット信号の到来方向を検出する角度検出回路
と、 この角度検出回路から出力された信号から前記マイクロ
波が前記目標物体に集束する送電アンテナの給電位相差
を演算する演算処理部と、 この演算処理部から出力された信号によって前記分波回
路から出力された信号に位相差を生じさせる可変移相回
路と、 前記電気エネルギをこの可変移相回路から出力された信
号に基づく位相差を有するマイクロ波送電用の電気エネ
ルギに増幅する電力増幅器と、 前記位相共役回路に設けられ前記入力されたパイロット
信号およびこのパイロット信号の中で送電基準点となる
共通のパイロット信号によって差信号を得る手段と、 を備えたことを特徴とする太陽発電の送電装置。
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