JPH06233480A - レクテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レクテナと予備電源とを切り換えて用いる際
に、整流用ダイオードが破壊されない回路構成としたレ
クテナ装置を提供する。 【構成】 マイクロ波を受信するアンテナ素子、そのア
ンテナ素子で受信したマイクロ波を整流するためのダイ
オード、そのダイオードで発生する高調波を遮断する入
力フィルタ、前記ダイオードで整流されたマイクロ波を
直流信号に変換する出力フィルタからなるレクテナ素子
を複数配列してなるレクテナ素子部と前記レクテナ素子
部で変換された直流信号を出力する出力端とを有するレ
クテナ装置において、予備電源と第一のスイッチ素子と
を直列接続した回路を前記出力端に対して前記レクテナ
素子部と並列に接続し、前記レクテナ素子部と出力端と
の間に整流素子を挿入することを特徴とするレクテナ装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波を受信し
それを直流電力に変換するレクテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レクテナ装置とはマイクロ波を受電しＤ
Ｃ電力に変換する装置であり、応用としては太陽発電衛
星システムや成層圏無線中継システムなどが検討されて
いる。太陽発電衛星システムとは、衛星に搭載した太陽
電池で受光した太陽光エネルギーをマイクロ波に変換
し、地上に送電し、地上でレクテナ装置によりマイクロ
波を受電しＤＣ電力に変換するシステムである。成層圏
無線中継システムは、レクテナ装置を搭載した無人飛行
機を衛星の代りに飛ばして通信の中継器として使うシス
テムであり、その無人飛行機は地上からのマイクロ波を
エネルギー源として飛行し続けることができる。

【０００３】一般に、このレクテナ装置はマイクロ波が
照射される領域にレクテナ素子を多数配列する構成をと
り、個々のレクテナ素子からのＤＣ出力を合成すること
により大電力を取り出すことが可能となる。

【０００４】まずレクテナ素子は図３に示すように、マ
イクロ波を受信するアンテナ部１１、マイクロ波を整流
するためのダイオード１２、ダイオード１２から発生す
る高調波を遮断するための入力フィルタ１３、ダイオー
ド１２で整流された信号をＤＣ電力に変換する出力フィ
ルタ１４、ＤＣ電力を出力するための出力端１５から構
成される。そして負荷１６が接続されることにより、出
力端１５からＤＣ電力が供給される。一般に電力伝送に
用いられるＲＦ周波数は２．４５ＧＨｚ帯である。

【０００５】そしてレクテナ素子の具体的構成例を図４
に示す。アンテナ部１１は円形導体で構成され、ここで
受信されたマイクロ波をスロットで結合させる。ダイオ
ード１２で整流された信号は出力フィルタ１４によりＤ
Ｃ電力に変換され、出力端子１５に伝送される。入力フ
ィルタ１３は、ダイオードで生ずる不要な高調波がアン
テナ部から再放射するのを防ぐため設けられる。

【０００６】ところで、このレクテナ素子を無人飛行機
などの動力源として用いる場合には、マイクロ波を受電
できない場合などを想定して、予備電源をレクテナ装置
内に併設することが考えられる。

【０００７】例えば、無人飛行機が地上からのマイクロ
波を受電することにより、動力のための電力供給を受け
るとすると仮定すると、必然的にレクテナ素子を機体の
地上側に配列されることとなる。しかし機体の下側にレ
クテナ装置を配置した場合には、無人飛行機の離着陸時
にマイクロ波を受電することは非常に困難となるため、
予備電源を併設し、離着陸時にはこの予備電源から電力
を供給するのが有力な手段となる。

【０００８】このようにレクテナ素子と予備電源を併設
したレクテナ装置にモーター等の負荷を接続した構成例
を図５示す。レクテナ装置Ａは、所望の出力電力に応じ
てレクテナ素子を１〜ｎ個配列してあるレクテナ素子部
１、予備電源２、レクテナ素子部１と予備電源２を切換
えるスイッチ４とから成る。一方レクテナ装置に接続さ
れる負荷Ｂは、駆動されるモータ６、モータ６により回
転し推進力を生み出すプロペラ７から構成される。

【０００９】そして離着陸時にはスイッチ４で予備電源
２とモーター６とを接続し、モーター６の動力源として
用いる。飛行機がマイクロ波を受電することできる態勢
となった後、スイッチ４を切り換えてレクテナ素子とモ
ータ−とを接続し、レクテナ素子からの電力によりモー
タ６を回転させる。

【００１０】しかし、このような駆動系を上記の構成で
実現する際には、以下の様な問題が生ずる。マイクロ波
を受信開始するためには、スイッチを予備電源側からレ
クテナ素子側に切換えた後にマイクロ波を送信開始しな
ければならない。レクテナ素子と負荷とが接続されない
ままマイクロ波の送信を開始すると、レクテナ素子の出
力端が開放（抵抗値無限大）状態でマイクロ波を受電す
ることとなり、消費されない起電力がレクテナ素子に生
ずる。特にレクテナ素子内の整流用のダイオード１２
（図３参照）の両端に大きな直流電圧がかかり、最悪の
場合にはダイオード１２の逆方向の耐圧電圧を越えてダ
イオードが破壊されてしまう。

【００１１】この不都合を避けるためには、レクテナ素
子の出力端が開放状態のときには電力送電が行われない
よう、レクテナ装置を含む電力伝送システム全体で処置
を講ずることが必要であるが、この方法では電力受信側
と電力送信側との間に制御信号チャネルを新たに設け
て、受信側の安全を確認した後に電力伝送を開始するよ
うに電力伝送手続の制御を行わねばならない等、システ
ム全体が大規模化、複雑化する恐れがある。この傾向は
飛行機搭載用の受電装置にあっては、より小型、軽量の
ものが望ましいという要求に反する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたよう
に、レクテナ素子と予備電源を併設したレクテナ装置に
おいては、レクテナ素子の出力端に負荷が接続されない
まま電力伝送が開始されると、レクテナ素子内部のダイ
オードに過大な逆方向電圧がかかるため、ダイオードが
破壊される恐れがあった。本発明はダイオードの破壊等
の恐れがなく、複雑な電力伝送処理手続を必要としない
電力伝送に利用できるレクテナ装置を提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この問題点を解決するた
め、本発明においては、マイクロ波を受信するアンテナ
素子、そのアンテナ素子で受信したマイクロ波を整流す
るためのダイオード、そのダイオードで発生する高調波
を遮断する入力フィルタ、前記ダイオードで整流された
マイクロ波を直流信号に変換する出力フィルタからなる
レクテナ素子を複数配列してなるレクテナ素子部と前記
レクテナ素子部で変換された直流信号を出力する出力端
とを有するレクテナ装置において、予備電源と第一のス
イッチ素子とを直列接続した回路を前記出力端に対して
前記レクテナ素子部と並列に接続し、前記レクテナ素子
部と出力端との間に整流回路を挿入することを特徴とす
る。

【００１４】また第２の発明においては、前記レクテナ
素子部の出力電圧が前記予備電源の出力電圧よりも大き
く、且つ前記レクテナ素子部を構成するダイオードの逆
方向の耐電圧特性が前記レクテナ素子部の出力電圧より
も大きいことを特徴とする。

【００１５】また第３の発明においては、前記整流回路
と並列に設けられた第二のスイッチ素子と、前記第一、
第二のスイッチ素子をそれぞれ反転して接続するよう制
御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明においては、レクテナ装置の出力端と予
備電源とを接続するスイッチ手段のスイッチの接続状態
に関わらず、レテクナ素子部が整流回路を介してレクテ
ナ装置の出力端と接続されていることを特徴とする。す
なわち、レクテナ素子部の出力電圧よりも大きな逆方向
耐圧を有するダイオードを整流素子としてレクテナ素子
部を構成するため、スイッチ手段の切り換えタイミング
の正誤に関わらず、レクテナ素子からみた負荷抵抗が無
限大となる場合にも、レクテナ素子内部の整流用のダイ
オードの破壊を防ぐことができる。また第二のスイッチ
手段を設けることにより、整流回路での電力浪費をなく
することが可能となり、電力供給を行なうことができ
る。

【００１７】すなわち、本発明によれば、スイッチをＯ
Ｎにして予備電源でモータを駆動中にレクテナ素子部が
マイクロ波を受電した場合、レクテナ素子部の出力電圧
Ｖｒが予備電源電圧Ｖｇを越えない時ではダイオードは
ＯＦＦなのでレクテナの出力端はオープンになるがレク
テナの出力電圧Ｖｒはダイオードが破壊される電圧Ｖｂ
よりも低いのでダイオードは破壊されず、レクテナの出
力電圧Ｖｒが予備電源電圧Ｖｇを越えた時にダイオード
がＯＮするためレクテナとモータが接続しダイオードは
破壊されない。またレクテナと予備電源の間に設けたダ
イオードと並列に、予備電源の前に設けてあるスイッチ
と連動反転するスイッチを設けたことにより、ダイオー
ドでの電力の損失を無くすることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１９】図１は、本発明の一実施例であるレクテナ
装置の構成を示す。同図において、１は所望の出力電力
に応じて、レクテナ素子を１〜ｎ個配列して構成される
レクテナ素子部、２は予備電源、３はダイオード、４は
予備電源をＯＮさせるスイッチ、レクテナ素子部または
予備電源から電力を供給するための出力端５により、レ
クテナ装置が構成される。

【００２０】出力端５には負荷となるモーター６が接続
されており、レクテナ素子部１及び予備電源２から供給
される電力によりモーターが駆動され、モーターの回転
軸に接続されたプロペラ７が回転して推進力を生み出
す。本発明のレクテナ装置を無人飛行機などの動力源と
して用いた本実施例の動作原理を、図１を用いて詳細に
説明する。

【００２１】無人飛行機の離陸開始前にはモーターを駆
動する必要がないため、レクテナ素子部化からの電力供
給はなく、予備電源からも電力を供給する必要がないた
め、スイッチ４はＯＦＦのままである。

【００２２】離陸開始時には、レクテナ素子部から電力
供給することが困難なため、予備電源から電力供給する
ために、スイッチ４をＯＮさせる。こうして予備電源２
によりモータ６が駆動されプロペラ７が回転し推進力が
生み出され、無人飛行機が離陸する。

【００２３】ここでレクテナ素子部１を構成するレクテ
ナ素子内部の整流用ダイオード１２（図３参照）が破壊
される逆方向電圧Ｖｂ、レクテナ素子部の最大出力電圧
Ｖｒ、予備電源電圧Ｖｇとの間には次のような関係があ
る。 Ｖｂ≧Ｖｒ≧Ｖｇ 電力伝送を開始する前はレクテナ素子部１の出力電圧は
零であるため、ダイオード３には予備電源の電圧Ｖｇが
印加される。Ｖｇはダイオードに対して逆方向の電圧で
あり、このときダイオード３はＯＦＦのままで、ダイオ
ード３には電流は流れない。

【００２４】次に、無人飛行機がある程度の高度で飛行
状態となり、機体の地上側に配列されたレクテナ素子で
地上側からのマイクロ波を受電できる態勢になったと
き、スイッチ４をＯＦＦにして、マイクロ波を送電を開
始する。レクテナ素子部はマイクロ波を受信し、直流電
圧に変換し、レクテナ素子部は出力電圧Ｖｒを発生す
る。スイッチ４はＯＦＦとなっており、ダイオード３の
負荷側の端子の電圧は零であり、レクテナ素子部の出力
電圧Ｖｒの方が電位が高いので、ダイオード３には順方
向の電圧が印加され、ダイオード３はＯＮとなり、ダイ
オードの電流が流れて、レクテナ素子部１から電力が供
給され、モーター６が駆動される。これが通常の運転モ
ードである。

【００２５】ここで予備電源２によりモータ５が駆動さ
れている最中に、マイクロ波の送信が開始した場合につ
いて説明する。本実施例の構成では、スイッチ４のＯ
Ｎ、ＯＦＦに関わらず、レクテナ素子部の出力端子がダ
イオード３を介して常に負荷（モーター）に接続されて
おり、従来のレクテナ装置のように出力端の負荷抵抗が
無限大となって、レクテナ素子内部の整流用のダイオー
ドに過大な電圧が印加される状態は起こらない。

【００２６】すなわち、スイッチ４がＯＮ状態でマイク
ロ波により電力が送電されると、レクテナ素子部１に出
力電圧Ｖｒが発生する。Ｖｒが予備電源の電圧Ｖｇより
小さいときは、ダイオード３には逆方向に（Ｖｇ−Ｖ
ｒ）の大きさの電圧が印加され、レクテナ素子内部のダ
イオード１２にはＶｒが印加されるため、ダイオード３
はＯＦＦのまま予備電源２によりモータ５が駆動され
る。

【００２７】一方レクテナ素子部の出力電圧Ｖｒが予備
電源の電圧Ｖｇより高くなると、ダイオード３には順方
向の電圧が印加されるため、ダイオード３はＯＮとな
り、レクテナ１と予備電源２の並列駆動によりモータ５
が駆動される。このときスイッチ４をＯＦＦにしたとし
ても、レクテナ素子部１で発生する電力による単独駆動
になるだけである。

【００２８】つまりスイッチ４の接続状態に関わらず、
原理的には、レクテナ素子内部の整流用のダイオード１
２には予備電源の出力電圧Ｖｇ以上の逆方向電圧が印加
されることはなく、レクテナ素子部１内の整流用ダイオ
ード１２の両端の逆方向のＤＣ電圧が逆耐圧を越えるこ
とはなく、レクテナ素子内部のダイオード１２が破壊さ
れることはない。

【００２９】次に、本発明の第二の実施例について説明
する。ここではダイオード３をバイパスするスイッチ
と、予備電源の送電用のスイッチとを連動して制御する
ものである。

【００３０】実施例の構成を図２に示す。レクテナ素子
部１、予備電源２、ダイオード３、スイッチ４出力端５
までは前述の実施例と同様の構成である。これに加えて
ダイオード３をバイパスするスイッチ８と、そのスイッ
チ８と前記スイッチ４とを制御する制御部と設ける。ダ
イオード３と並列に、ダイオード３をバイパスするスイ
ッチ８を設け、スイッチ４が接続されているときにはス
イッチ８を開放し、逆にスイッチ４を開放されていたと
きにはスイッチ８を接続するよう、制御部９はスイッチ
４、スイッチ８をコントロールする。この図２は、レク
テナ素子部１と予備電源２とから電力供給が並列して行
われているところを示している。

【００３１】ここで、スイッチ４をＯＦＦにしてレクテ
ナ素子部１からの単独の電力給電動作状態にすると、ス
イッチ８が連動反転してＯＮとなり、ダイオード３を流
れていたＤＣ電流がスイッチ８を流れるようになる。前
述の実施例では、レクテナ素子部からの電力供給時にダ
イオード３に電流が流れるので、ここで電力を浪費する
という欠点があったが、本実施例のようにスイッチ４の
動作に連動反転するスイッチ８を設けたことにより、ス
イッチ４を開放しスイッチ８を接続すると、レクテナ素
子部から電力を供給するときのダイオード３での電力損
失を低減することができる。

【００３２】以上の本実施例では、レクテナ装置に接続
される駆動力発生装置にモータを用いたが、ＤＣ電源を
電力供給源とすることができる負荷、駆動力発生装置で
あれば、上記実施例と同様に本発明を適用することが可
能である。

【００３３】

【発明の効果】本発明のレクテナ装置によれば、予備電
源でモータを駆動中に誤ってレクテナ素子がマイクロ波
を受電した場合でも、レクテナ素子部を構成するダイオ
ードは破壊されず、また運転には何等支障がない。さら
に第２の発明では、レクテナ素子部を構成するダイオー
ドでの電力の損失を無くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るレクテナ装置の基本構成を示す
図。

【図２】 本発明に係るレクテナ装置の他の構成例を示
す図。

【図３】 従来のレクテナ装置に使用されるレクテナ素
子の構成を示した図。

【図４】 従来のレクテナ素子の構成例を示す図。

【図５】 従来のレクテナ装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１：レクテナ素子部 ２：予備電源 ３：ダイオード ４：スイッチ ５：出力端

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波を受信するアンテナ素子、その
   アンテナ素子で受信したマイクロ波を整流するためのダ
   イオード、そのダイオードで発生する高調波を遮断する
   入力フィルタ、前記ダイオードで整流されたマイクロ波
   を直流信号に変換する出力フィルタからなるレクテナ素
   子を複数配列してなるレクテナ素子部と前記レクテナ素
   子部で変換された直流信号を出力する出力端とを有する
   レクテナ装置において、 予備電源と第一のスイッチ素子とを直列接続した回路を
   前記出力端に対して前記レクテナ素子部と並列に接続
   し、前記レクテナ素子部と出力端との間に整流回路を挿
   入することを特徴とするレクテナ装置。
2. 【請求項２】前記レクテナ素子部の出力電圧が前記予備
   電源の出力電圧よりも大きく、且つ前記レクテナ素子部
   を構成するダイオードの逆方向の耐電圧特性が前記レク
   テナ素子部の出力電圧よりも大きいことを特徴とする請
   求項１記載のレクテナ装置。
3. 【請求項３】前記整流回路と並列に設けられた第二のス
   イッチ素子と、前記第一、第二のスイッチ素子をそれぞ
   れ反転して接続するよう制御する制御手段とを備えたこ
   とを特徴とする請求項１、２記載のレクテナ装置。