WO2024261981A1 - Power transmission device and power transmission system - Google Patents
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- H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
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- H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
- H02J50/23—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of transmitting antennas, e.g. directional array antennas or Yagi antennas
Definitions
- This disclosure relates to a power transmission device and a power transmission system, and more specifically to contactless power transmission using an array antenna.
- phased array antenna that radiates a signal (radio waves) using multiple radiating elements arranged on a flat substrate is underway.
- a phased array antenna as shown in JP 2022-191769 A (Patent Document 1) or WO 2018/105303 A (Patent Document 2), beamforming is possible, adjusting the direction of the beam radiated from the array antenna by adjusting the phase of the high-frequency signal supplied to each arranged radiating element.
- a phase shifter is provided in the path from the power supply circuit to the radiating element to adjust the phase of the high-frequency signal supplied to the radiating element.
- a phase shifter is required for each radiating element or for each predetermined group of radiating elements. Because phase shifters are relatively expensive, increasing the number of phase shifters can increase the size of the device and the cost of the device.
- a Rotman lens has a configuration in which a planar pattern having multiple input ports, multiple output ports connected to radiating elements, and curved surfaces arranged between the input ports and the output ports is formed on a substrate, and the time delay amount (i.e., phase) between the multiple output ports can be changed by switching the input port that supplies the high-frequency signal.
- Non-Patent Document 1 discloses a power supply system that applies the antenna device described above and supplies power contactlessly using a Rotman lens and a phased array antenna. In such a contactless power supply system, it is necessary to improve the power transmission efficiency in order to reduce power consumption on the power transmitting device side and shorten the charging time on the power receiving device side.
- the present disclosure has been made to solve these problems, and its purpose is to improve the power transmission efficiency in a power transmission device that supplies power contactlessly using a phased array antenna.
- the power transmission device transmits power to an object in a non-contact manner.
- the power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna.
- the Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports.
- the switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens.
- the array antenna radiates signals from the multiple output ports of the Rotman lens.
- the array antenna includes multiple antenna rows provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna rows has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna row, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna row.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads relatively to the phase of the signal radiated from the radiating element arranged in the center in the first direction.
- a power transmission system transmits power contactlessly to a moving object.
- the power transmission system includes a detection device for detecting the object, a power transmission device for transmitting power to the object, and a control device for controlling the power transmission device.
- the power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna.
- the Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports.
- the switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens.
- the array antenna radiates signals from the multiple output ports in the Rotman lens.
- the array antenna includes multiple antenna arrays respectively provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna arrays has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction.
- the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna array.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the center in the first direction.
- the control device controls the switching device according to the position of the object detected by the detection device to change the direction of the signal radiated from the power transmission device.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the high-frequency signal radiated from the radiating element at the end of the antenna row is relatively ahead of the phase of the high-frequency signal radiated from the radiating element at the center of the antenna row.
- FIG. 1 is an overall schematic diagram of a power transmission system to which a power transmission device according to an embodiment is applied;
- FIG. 2 is a functional block diagram of the control device of FIG. 1 .
- FIG. 2 is a diagram illustrating a detailed configuration of the power transmitting device of FIG. 1 .
- 10A and 10B are diagrams for explaining a phase adjustment technique for each radiating element.
- 1 is a diagram for explaining the direction of a beam radiated from an array antenna.
- FIG. FIG. 1 is a diagram showing simulation results of the signal strength radiated from an array antenna.
- FIG. 2 shows the simulation results of the signal strength radiated from the array antenna.
- FIG. 3 shows the simulation results of the signal strength radiated from the array antenna.
- 13A and 13B are diagrams illustrating an example of measurement of signal strength when the input to the Rotman lens is switched.
- (Outline of the power transmission system) 1 is an overall schematic diagram of a power transmission system 10 to which a power transmission device 100 according to the present embodiment is applied.
- the power transmission system 10 is a system for contactlessly transmitting power to a movable object 50.
- the object 50 is, for example, a transport vehicle that transports parts or the like in a factory.
- the object 50 has a power receiving device 51, which receives power supplied from the power transmission system 10 and uses the received power to charge a battery (not shown) mounted on the object 50 or to operate various electrically-powered devices.
- the power transmission system 10 includes, in addition to the power transmission device 100, a control device 300, and a number of sensors S1 to S3 arranged on the movement path of the target object 50.
- the power transmission device 100 includes a signal source 110, a switching device 120, and an antenna device 150 in which a number of radiating elements 160 are arranged.
- the power transmission device 100 is controlled by the control device 300, and radiates high-frequency power generated by the signal source from the antenna device 150 to supply power to the target object 50 in a non-contact manner.
- the direction of the beam radiated from the antenna device 150 can be changed by switching the input position of the high-frequency power to the antenna device 150 using the switching device 120.
- the detailed configuration of the antenna device 150 will be described later with reference to FIG. 3 and FIG. 4.
- the object 50 is configured to be able to move, for example, between three stations P1 to P3 on the movement route RD, stopping at each station to load and unload parts.
- the power transmission device 100 switches the beam direction to the direction of the station where the object 50 is stopped.
- the beam direction is switched to beam direction BM1.
- the beam direction is switched to beam direction BM2
- the beam direction is switched to beam direction BM3.
- Sensors S1 to S3 are disposed at stations P1 to P3, respectively. Sensors S1 to S3 detect whether or not the object 50 is stopped at the corresponding station. Sensor S1 may be, for example, a mechanical limit switch, or a non-contact magnetic sensor or optical sensor. Alternatively, sensors S1 to S3 may be a reader for an identifier such as an RFID or barcode affixed to the object 50. Detection signals DP1 to DP3 detected by sensors S1 to S3, respectively, are transmitted to the control device 300.
- an imaging device (camera) 250 may be used instead of or in addition to the above-mentioned sensors S1 to S3. Image data IMG captured by the imaging device 250 is transmitted to the control device 300.
- the control device 300 is, for example, a computer system, and includes a CPU (Central Processing Unit) 310, memory 320, and an input/output interface (I/F) 330, all of which are communicatively connected to a common bus.
- the memory 320 includes a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) made of volatile or non-volatile semiconductor memory, and/or a large-capacity storage device such as a HDD (Hard Disc Drive) and an SSD (Solid State Drive).
- the CPU 310 receives the detection signals DP1-DP3 of the sensors S1-S3 and/or the image data IMG captured by the imaging device 250 via the I/F 330.
- the CPU 310 generates control signals CON1, CON2 for controlling the signal source 110 and the switching device 120 of the power transmission device 100, respectively, by executing a program stored in the memory 320 based on the received data.
- the generated control signals CON1, CON2 are output to the signal source 110 and the switching device 120 via the I/F 330.
- the control device 300 may be constructed with a hardware circuit instead of the software processing described above. Alternatively, the control device 300 may be a combination of a hardware circuit and software processing.
- the control device 300 includes an input unit 301, a position detection unit 302, a signal control unit 304, and a switching control unit 305. If the power transmission system 10 includes an imaging device 250, an image analysis unit 303 is further included in addition to the above configuration.
- the input unit 301 corresponds to the I/F 330 in FIG. 1.
- the input unit 301 acquires the detection signals DP1 to DP3 of the sensors S1 to S3, and, if an imaging device 250 is provided, image data IMG from the imaging device 250.
- the input unit 301 outputs the detection signals DP1 to DP3 to the position detection unit 302, and outputs the image data IMG to the image analysis unit 303.
- the image analysis unit 303 determines the position of the object 50 by analyzing the acquired image data IMG, and outputs the determination result to the position detection unit 302.
- the position detection unit 302 detects at which station the object 50 is stopped based on the acquired detection signals DP1 to DP3 and/or the determination result by the image analysis unit 303.
- the position detection unit 302 outputs information on the detected stopping position of the object 50 to the signal control unit 304 and the switching control unit 305.
- the signal control unit 304 generates a control signal CON1 for controlling the signal source 110 based on information on the stopping position of the object 50, and outputs the signal to the signal source 110. For example, when the distance from the power transmission device 100 to each station is different, the signal control unit 304 changes the output power of the high-frequency signal output from the signal source 110 depending on the station. Alternatively, when multiple objects 50 are targets for receiving power, if the receiving frequency differs for each moving body, the signal control unit 304 may adjust the frequency of the high-frequency signal depending on the object 50 to which power is to be transmitted.
- the switching control unit 305 changes the input position of the high-frequency signal to the antenna device 150 by switching the switching device 120 based on information about the stopping position of the object 50. This causes the direction of the beam emitted from the antenna device 150 to move in the direction of the station where the object 50 is stopped.
- power transmission from the power transmission device 100 may be performed not only when the target object 50 is stopped at the station, but also while the target object 50 is moving on the moving route RD.
- the direction of the beam radiated from the antenna device 150 is set to the direction determined from the position of the sensor that detects the target object 50.
- the position of the object 50 on the movement path RD may be estimated from the time when it passed the sensor and the movement speed of the object 50, and the beam direction may be set based on the estimated position to transmit power.
- the movement speed of the object 50 is fixed, power may be transmitted in a predetermined beam direction after a predetermined time has elapsed since the time when it passed the sensor.
- the position of the object 50 may be determined from the transport command for movement and the beam direction may be switched without using detection devices such as sensors and imaging devices.
- the control device 300 determines the position of the object 50 from the transport command calculated inside the control device 300.
- the control device 300 receives a transport command for the object 50 from these other control devices and determines the position of the object 50 from the transport command.
- FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of the power transmission device 100 in FIG. 1.
- the power transmission device 100 includes a signal source 110, a switching device 120, and an antenna device 150.
- the antenna device 150 includes a Rotman lens 151, an amplifier 152, and an array antenna 153.
- the signal source 110 includes a mixer and a local oscillator, neither of which are shown, and upconverts the signal to be transmitted to generate a high-frequency signal.
- the frequency of the high-frequency signal radiated from the antenna device 150 is, for example, a microwave band frequency of 900 MHz to 30 GHz.
- the power transmitted by the power transmission device 100 varies depending on the frequency used, but is approximately 1 to 30 W.
- the switching device 120 is a so-called SPNT type switch that includes an input terminal T0 and output terminals T1 to T5.
- the switching device 120 receives a high-frequency signal from the signal source 110 at the input terminal T0, and supplies the signal to one of the multiple output terminals T1 to T5.
- the number of output terminals is determined according to the number of input ports of the Rotman lens 151.
- the Rotman lens 151 has a configuration in which a planar pattern having multiple input ports, multiple output ports, and a main body 1512 arranged between these input and output ports is formed on a flat dielectric substrate 1511.
- the main body 1512 has a shape that is approximately elliptical with protrusions formed around the periphery that connect to each port.
- five input ports and six output ports are set.
- the input ports are connected to input terminals T11 to T15, respectively.
- the output ports are connected to output terminals T21 to T26, respectively, via corresponding wiring sections PS1 to PS6.
- the Rotman lens 151 determines the phase between signals output from the output ports according to the transmission distance from one input port to each output port.
- the Rotman lens 151 in FIG. 3 has a shape that is linearly symmetrical with the direction from the input terminal to the output terminal (the X-axis direction in FIG. 3) as the axis of symmetry.
- the line lengths of the wiring sections PS1 to PS6 are set so that when a high-frequency signal is input to the input terminal T13, which is located on this axis of symmetry, the signals output from the output terminals T21 to T26 have the same phase. Therefore, when the center input terminal T13 is selected by the switching device 120, signals of the same phase are output from the output terminals T21 to T26.
- the array antenna 153 includes a plurality of radiating elements 160 and a dielectric substrate 161 on which the radiating elements 160 are arranged.
- the array antenna 153 in FIG. 3 is an array antenna in which 72 radiating elements 160 are arranged in a 12 x 6 two-dimensional array on the dielectric substrate 161 or on the inner layer of the dielectric substrate 161.
- the radiating elements 160 are grouped into six antenna arrays ANT1 to ANT6, each of which includes 12 elements arranged in the X-axis direction.
- the antenna arrays ANT1 to ANT6 are connected to the output terminals T21 to T26 of the Rotman lens 151, respectively, via the amplifier 152.
- a high-frequency signal is transmitted to each radiating element in the antenna array ANT1 from output terminal T21 of the Rotman lens 151.
- a high-frequency signal is transmitted to each radiating element in the antenna arrays ANT2 to ANT6 from output terminals T22 to T26, respectively.
- the phase between the signals output from the output terminals T21 to T26 changes when the switching device 120 switches the input port to which the high frequency signal is supplied in the Rotman lens 151.
- the phase between the signals radiated from the antenna arrays ANT1 to ANT6 can be changed, thereby enabling beamforming in the Y-axis direction in FIG. 3.
- amplifier 152 is not necessarily a required component, and if the desired amplification rate can be achieved by an amplifier (not shown) included in signal source 110, output terminals T21 to T26 may be directly connected to antenna arrays ANT1 to ANT6, respectively.
- Fig. 4 is a diagram for explaining the details of the phase adjustment method of each radiating element 160.
- the wiring pattern corresponding to each antenna array branches out and extends from near the center of the arrangement direction of the 12 radiating elements 160 in two directions, the positive and negative directions of the X-axis, and is connected to each radiating element 160.
- the line length to each radiating element 160 is set so that the phase of the signal radiated from each radiating element 160 is made different. More specifically, the line length is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element closer to both ends in the X-axis direction advances relatively to the phase of the signal radiated from the radiating element near the center in the X-axis direction.
- the phase difference for each radiating element By setting the line length between the radiating elements in each antenna array in this way, a directionality is generated in the composite wave of all the radiating elements in each antenna array. Therefore, by appropriately adjusting the phase difference for each radiating element, the phase of the signal at a specific position spaced apart in the normal direction of the dielectric substrate 161 near the center in the X-axis direction can be matched, thereby increasing the signal strength. In other words, the transmission power can be concentrated at that specific position.
- the line length is set so as to make the phases different between the antenna rows. More specifically, the line length is set so that the phase of the signal radiated from the antenna row near the center in the Y-axis direction advances relatively as it approaches both ends in the Y-axis direction.
- the composite wave also has directionality in the Y-axis direction. Therefore, by appropriately adjusting the phase difference between each antenna row, the phase of the signal at a specific position spaced apart in the normal direction of the dielectric substrate 161 near the center in the Y-axis direction can be matched, thereby increasing the signal strength. In other words, the transmitted power can be concentrated at that specific position.
- the beam direction of the signal radiated from each radiating element 160 can be concentrated near the center of the X-axis and Y-axis.
- the array antenna 153 functions as a "focusing lens" that concentrates the radiated signal at a predetermined focal point.
- the focal length of the beam is determined by the phase difference between the radiating elements in each antenna row and the phase difference between the antenna rows. Increasing the phase difference shortens the focal length, and decreasing the phase difference lengthens the focal length.
- the phase of the signal between the output ports of the Rotman lens 151 can be adjusted.
- the distance (arrow AR1) from the input port corresponding to the input terminal T15 to the wiring section PS1 becomes longer than the distance (arrow AR2) from the input port to the wiring section PS6. Therefore, the phase of the signal radiated from the antenna array ANT1 is delayed relatively compared to the phase of the signal radiated from the antenna array ANT6.
- the beam direction of the signal radiated from the entire array antenna 153 is tilted in the positive direction of the Y axis as shown by the arrow AR3, and the specific position (i.e., the focal position) shifts in the Y axis direction.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the direction of the beam radiated from the array antenna 153 of the power transmission device 100.
- the left diagram (A) shows the phase difference of the high frequency signal between the radiating elements caused by the Rotman lens 151
- the center diagram (B) shows the phase difference of the high frequency signal between the radiating elements caused by the difference in the path length of the power supply wiring in the array antenna 153.
- the right diagram (C) shows the total phase difference of the signal radiated by the entire power transmission device 100. Note that in FIG. 5, the phase difference is shown in shades, with the darker the color, the greater the phase delay.
- the left diagram (A) of FIG. 5 shows the case where a high frequency signal is supplied to the input terminal T15 of the Rotman lens 151 as in FIG. 4.
- the phase of the signal radiated from the radiating element 160 near the center of the array antenna relatively delays, and the phase of the signal radiated from the radiating element 160 near the outer periphery of the array antenna relatively advances.
- the beam direction of the signal radiated from the array antenna 153 is concentrated at a focal position at a predetermined distance from the array antenna.
- the power transmission device 100 as a whole is in a state where the signal phase is most delayed at the position offset in the positive direction of the Y axis from the center of the array antenna (arrow AR4). Therefore, the focal position of the beam can be moved in the positive direction of the Y axis.
- the amount of movement of the focal position in the Y axis direction can be controlled by switching the input position to the Rotman lens 151 using the switching device 120.
- Figures 6 to 8 are simulation results showing the distribution of signal strength radiated from antenna device 150.
- the principal surface of antenna device 150 was taken as the XY plane, and the normal direction of the principal surface of antenna device 150 was taken as the Z axis. Simulations were then performed on the intensity distribution in the ZX plane at the center of the Y axis direction of the antenna array ( Figure 7), and the intensity distribution in the XY plane near the focal position of the beam (Figure 8).
- Figure 8 corresponds to the cross-sectional view at line VIII-VIII in Figure 7.
- the signal strength is partially strong at a specific position near the center of the antenna device 150, away from the antenna device 150 in the Z-axis direction, and the signal strength in other parts is weaker than that specific position. That is, it can be seen that the beam is concentrated near the center in the X-axis direction.
- the signal strength is strong in a spot shape, and it can be seen that the beam is concentrated near the center in the Y-axis direction as well as the X-axis direction. That is, it can be seen that the antenna device 150 functions as a focusing lens. Note that, in one example, by using the configuration of this embodiment, it is possible to improve the power transmission efficiency by about 10 times compared to a case in which no phase difference is provided in the array antenna 153 and no focal beam is formed.
- Figure 9 shows an example of signal strength measurement when the input to the Rotman lens 151 is switched.
- the near electromagnetic field is measured at a position away from the antenna device 150 by a distance corresponding to the focal position.
- Figure 9 shows the measurement results when high-frequency signals are supplied to the input terminals T13, T14, and T15 of the Rotman lens 151. Note that the position of zero on the horizontal axis corresponds to the center of the array antenna 153 in the X-axis direction, and the position of zero on the vertical axis corresponds to the center of the array antenna 153 in the Y-axis direction.
- a power transmission device that uses an array antenna to supply power contactlessly
- beamforming with a Rotman lens and an antenna board that functions as a focusing lens it is possible to transmit power to different positions while concentrating the power at a specific focal position. This improves the power transmission efficiency and allows a single power transmission device to supply power to a movable object.
- the size of the receiving antenna on the power receiving device side can be reduced.
- the power transmission system of the embodiment is described as being applied to powering a transport vehicle that transports parts and the like within a factory, but the power transmission system may also be applied to powering vehicles that run on public roads, for example.
- the concept of the power transmission system can also be applied to a system that transmits electricity generated by solar panels placed in space to the ground.
- a power transmission device transmits power to an object in a non-contact manner.
- the power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna.
- the Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports.
- the switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens.
- the array antenna radiates a signal transmitted from the multiple output ports of the Rotman lens.
- the array antenna includes multiple antenna rows provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna rows has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna row, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna row.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads relatively to the phase of the signal radiated from the radiating element arranged in the center in the first direction.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from each radiating element in each antenna row coincides at a predetermined position spaced apart in the radiation direction from the array antenna.
- the multiple antenna arrays are arranged in a second direction that intersects with the first direction.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal input to the radiating element of the antenna array located at the center in the second direction lags behind the phase of the signal input to the radiating element of the antenna array located at the end in the second direction.
- a power transmission system transmits power to a moving object in a non-contact manner.
- the power transmission system includes a power transmission device that transmits power to the object, and a control device for controlling the power transmission device.
- the power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna.
- the Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports.
- the switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens.
- the array antenna radiates a signal transmitted from the multiple output ports in the Rotman lens.
- the array antenna includes multiple antenna arrays that correspond to the multiple output ports. Each of the multiple antenna arrays has multiple radiating elements that are arranged at a distance in a first direction.
- the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna array.
- the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element located at the end in the first direction leads the phase of the signal radiated from the radiating element located in the center in the first direction.
- the control device controls the switching device according to the position of the target object to change the direction of the signal radiated from the power transmission device.
- the power transmission system described in 6 further includes a detection device for detecting an object.
- the control device controls the switching device according to the position of the object detected by the detection device to change the direction of the signal emitted from the power transmission device.
- the detection device includes a plurality of sensors for detecting an object.
- the plurality of sensors are arranged on the path of movement of the object.
- the control device controls the switching device so that a signal from the power transmission device is emitted in a direction determined from the position of the sensor that has detected the object among the plurality of sensors.
- the detection device includes a camera.
- the control device controls the switching device so that a signal from the power transmission device is emitted in the direction of the object detected by the detection device based on the position of the object detected by the detection device.
- control device controls the switching device in accordance with the position of the object determined based on a position control signal for moving the object, thereby changing the direction of the signal radiated from the power transmission device.
- 10 Power transmission system 50 Object, 51 Power receiving device, 100 Power transmission device, 110 Signal source, 120 Switching device, 150 Antenna device, 151 Rotman lens, 152 Amplifier, 153 Array antenna, 160 Radiating element, 161, 1511 Dielectric substrate, 250 Imaging device, 300 Control device, 301 Input section, 302 Position detection section, 303 Image analysis section, 304 Signal control section, 305 Switching control section, 320 Memory, 1512 Main body section, ANT1 to ANT6 Antenna array, P1 to P3 Stations, PS1 to PS6 Wiring section, RD Movement path, S1 to S3 Sensors, T0, T11 to T15 Input terminals, T1 to T5, T21 to T26 Output terminals.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
本開示は、送電装置および送電システムに関し、より特定的には、アレイアンテナを用いた非接触電力伝送に関する。 This disclosure relates to a power transmission device and a power transmission system, and more specifically to contactless power transmission using an array antenna.
平板形状の基板に配列された複数の放射素子を用いて信号(電波)を放射するフェーズドアレイアンテナの開発が進められている。フェーズドアレイアンテナにおいては、特開2022-191769号公報(特許文献1)あるいは国際公開第2018/105303号明細書(特許文献2)に示されるように、配列された各放射素子に供給される高周波信号の位相を調整することによって、アレイアンテナから放射されるビームの方向を調整するビームフォーミングが可能である。 Development of a phased array antenna that radiates a signal (radio waves) using multiple radiating elements arranged on a flat substrate is underway. In a phased array antenna, as shown in JP 2022-191769 A (Patent Document 1) or WO 2018/105303 A (Patent Document 2), beamforming is possible, adjusting the direction of the beam radiated from the array antenna by adjusting the phase of the high-frequency signal supplied to each arranged radiating element.
特開2022-191769号公報(特許文献1)においては、放射素子に供給される高周波信号の位相調整のために、給電回路から放射素子に至る経路に位相器が設けられている。しかしながら、ビームフォーミングを行なう場合には、放射素子毎、あるいは、所定の放射素子群毎に位相器が必要となる。位相器は比較的コストが高いため、位相器の数が多くなると、装置のサイズが大きくなるとともに装置コストも増加し得る。 In JP 2022-191769 A (Patent Document 1), a phase shifter is provided in the path from the power supply circuit to the radiating element to adjust the phase of the high-frequency signal supplied to the radiating element. However, when performing beamforming, a phase shifter is required for each radiating element or for each predetermined group of radiating elements. Because phase shifters are relatively expensive, increasing the number of phase shifters can increase the size of the device and the cost of the device.
このような課題を解決するために、国際公開第2018/105303号明細書(特許文献2)に開示されるアンテナ装置のように、ロットマンレンズを用いて位相調整を行なう技術が開発されている。ロットマンレンズは、複数の入力ポートと、放射素子につながる複数の出力ポートと、入力ポートおよび出力ポートの間に配置された曲面とを有する平面パターンが基板上に形成された構成を有しており、高周波信号を供給する入力ポートを切換えることによって、複数の出力ポート間の時間遅延量(すなわち、位相)を変化させることができる。 In order to solve these problems, a technology has been developed to adjust the phase using a Rotman lens, such as the antenna device disclosed in International Publication WO 2018/105303 (Patent Document 2). A Rotman lens has a configuration in which a planar pattern having multiple input ports, multiple output ports connected to radiating elements, and curved surfaces arranged between the input ports and the output ports is formed on a substrate, and the time delay amount (i.e., phase) between the multiple output ports can be changed by switching the input port that supplies the high-frequency signal.
「5G通信網を使ってスマホをワイヤレス充電―新しいミリ波ワイヤレス給電システムを開発」(非特許文献1)には、上記のようなアンテナ装置を応用し、ロットマンレンズおよびフェーズドアレイアンテナを用いて非接触で電力を供給する給電システムが開示されている。このような非接触給電システムにおいては、送電装置側での電力消費量の低減、および、受電装置側での充電時間の短縮のために、送電効率を向上させることが必要とされる。 "Wireless charging of smartphones using 5G communication networks - Development of a new millimeter wave wireless power supply system" (Non-Patent Document 1) discloses a power supply system that applies the antenna device described above and supplies power contactlessly using a Rotman lens and a phased array antenna. In such a contactless power supply system, it is necessary to improve the power transmission efficiency in order to reduce power consumption on the power transmitting device side and shorten the charging time on the power receiving device side.
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、フェーズドアレイアンテナを用いて非接触で電力供給を行なう送電装置において、送電効率を向上させることである。 The present disclosure has been made to solve these problems, and its purpose is to improve the power transmission efficiency in a power transmission device that supplies power contactlessly using a phased array antenna.
本開示に係る送電装置は、対象物に対して非接触で電力を伝送する。送電装置は、信号源と、ロットマンレンズと、切換装置と、アレイアンテナとを備える。ロットマンレンズは、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する。切換装置は、信号源から出力される高周波電力を、ロットマンレンズの複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給する。アレイアンテナは、ロットマンレンズにおける複数の出力ポートからの信号を放射する。アレイアンテナは、複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含む。複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有している。各アンテナ列の複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されている。そして、当該アンテナ列において、第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。 The power transmission device according to the present disclosure transmits power to an object in a non-contact manner. The power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna. The Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports. The switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens. The array antenna radiates signals from the multiple output ports of the Rotman lens. The array antenna includes multiple antenna rows provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna rows has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna row, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna row. In the antenna row, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads relatively to the phase of the signal radiated from the radiating element arranged in the center in the first direction.
本開示の他の局面に係る送電システムは、移動する対象物に対して非接触で電力を伝送する。送電システムは、対象物を検出するための検出装置と、対象物に対して電力を伝送する送電装置と、送電装置を制御するための制御装置とを備える。送電装置は、信号源と、ロットマンレンズと、切換装置と、アレイアンテナとを含む。ロットマンレンズは、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する。切換装置は、信号源から出力される高周波電力を、ロットマンレンズの複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給する。アレイアンテナは、ロットマンレンズにおける複数の出力ポートからの信号を放射する。アレイアンテナは、複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含む。複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有している。各アンテナ列の複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されている。そして、当該アンテナ列において、第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。制御装置は、検出装置によって検出された対象物の位置に応じて切換装置を制御して、送電装置から放射される信号の方向を変化させる。 A power transmission system according to another aspect of the present disclosure transmits power contactlessly to a moving object. The power transmission system includes a detection device for detecting the object, a power transmission device for transmitting power to the object, and a control device for controlling the power transmission device. The power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna. The Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports. The switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens. The array antenna radiates signals from the multiple output ports in the Rotman lens. The array antenna includes multiple antenna arrays respectively provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna arrays has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna array, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna array. In the antenna array, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the center in the first direction. The control device controls the switching device according to the position of the object detected by the detection device to change the direction of the signal radiated from the power transmission device.
本開示に係る送電装置および送電システムにおいては、アレイアンテナの各アンテナ列において第1方向に一次元に配列された複数の放射素子に対して、アンテナ列の端部の放射素子から放射される高周波信号の位相が、アンテナ列の中央部の放射素子から放射される高周波信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定される。各放射素子から放射される高周波信号に位相差を設けることによって、全放射素子による合成波のビーム方向に方向性が生じ、アンテナ列全体から放射される信号を所定領域に集中させることができる。したがって、フェーズドアレイアンテナを用いて非接触で電力供給を行なう送電装置において、送電効率を向上させることができる。 In the power transmission device and power transmission system disclosed herein, for multiple radiating elements arranged one-dimensionally in a first direction in each antenna row of an array antenna, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the high-frequency signal radiated from the radiating element at the end of the antenna row is relatively ahead of the phase of the high-frequency signal radiated from the radiating element at the center of the antenna row. By providing a phase difference in the high-frequency signal radiated from each radiating element, directionality is created in the beam direction of the composite wave of all the radiating elements, and the signal radiated from the entire antenna row can be concentrated in a specified area. Therefore, in a power transmission device that supplies power contactlessly using a phased array antenna, it is possible to improve the power transmission efficiency.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Below, the embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings will be given the same reference numerals and their description will not be repeated.
(送電システムの概要)
図1は、本実施の形態に係る送電装置100が適用される送電システム10の全体概略図である。送電システム10は、移動可能な対象物50に対して非接触で電力を伝送するためのシステムである。対象物50は、たとえば工場内において部品等を搬送する搬送車両である。対象物50は、受電装置51を有しており、送電システム10から供給される電力を当該受電装置51により受電し、受電電力を用いて対象物50に搭載されたバッテリ(図示せず)を充電したり、各種電動機器を動作させたりする。
(Outline of the power transmission system)
1 is an overall schematic diagram of a
図1を参照して、送電システム10は、送電装置100に加えて、制御装置300と、対象物50の移動経路に配置された複数のセンサS1~S3を備える。送電装置100は、信号源110と、切換装置120と、複数の放射素子160が配置されたアンテナ装置150とを含む。送電装置100は、制御装置300により制御され、信号源で生成された高周波電力をアンテナ装置150から放射し、対象物50に対して非接触で電力を供給する。このとき、切換装置120を用いてアンテナ装置150への高周波電力の入力位置を切換えることによって、アンテナ装置150から放射されるビームの方向を変化させることができる。なお、アンテナ装置150の詳細な構成については、図3および図4で後述する。
Referring to FIG. 1, the
図1の例では、対象物50は、たとえば、移動経路RD上の3つのステーションP1~P3間を移動可能であり、各ステーションにおいて停止して部品の搬入および搬出を行なうように構成されている。この場合、送電装置100は、対象物50が各ステーションに停止しているときに、停止中のステーションの方向にビーム方向を切換える。対象物50がステーションP1に停止中の場合には、ビーム方向がビーム方向BM1に切換えられる。同様に、対象物50がステーションP2に停止中の場合にはビーム方向BM2に切換えられ、ステーションP3に停止中の場合にはビーム方向BM3に切換えられる。
In the example of FIG. 1, the
センサS1~S3は、ステーションP1~P3にそれぞれ配置される。センサS1~S3は、対応するステーションに対象物50が停止中であるか否かを検出する。センサS1は、たとえば、機械式のリミットスイッチであってもよいし、非接触式の磁気センサあるいは光学センサであってもよい。あるいは、センサS1~S3は、対象物50に貼付されたRFIDまたはバーコードなどの識別子の読取り装置であってもよい。センサS1~S3でそれぞれ検出された検出信号DP1~DP3は制御装置300に伝送される。
Sensors S1 to S3 are disposed at stations P1 to P3, respectively. Sensors S1 to S3 detect whether or not the
なお、対象物50の位置を検出するために、上記のセンサS1~S3に代えてあるいは加えて、撮像装置(カメラ)250が用いられてもよい。撮像装置250で撮像された画像データIMGは制御装置300に伝送される。
In addition, to detect the position of the
制御装置300は、たとえばコンピュータシステムであり、共通のバスに互いに通信可能に接続されたCPU(Central Processing Unit)310と、メモリ320と、入出力用のインターフェース(I/F)330とを含む。メモリ320は、揮発性または不揮発性の半導体メモリで構成されたROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)、および/または、HDD(Hard Disc Drive)およびSSD(Solid State Drive)などの大容量記憶装置を含む。
The
CPU310は、I/F330を介して、センサS1~S3の検出信号DP1~DP3および/または撮像装置250で撮像された画像データIMGを受ける。CPU310は、受信したデータに基づいて、メモリ320に記憶されたプログラムを実行することによって、送電装置100の信号源110および切換装置120をそれぞれ制御するための制御信号CON1,CON2を生成する。生成された制御信号CON1,CON2は、I/F330を介して、信号源110および切換装置120に出力される。なお、制御装置300は、上記のようなソフトウェア的な処理に代えて、ハードウェア的な回路で構築されていてもよい。あるいは、制御装置300は、ハードウェア回路とソフトウェア処理とを組み合わせたものであってもよい。
The
図2は、図1の制御装置300の機能ブロック図である。制御装置300は、入力部301と、位置検出部302と、信号制御部304と、切換制御部305とを含む。なお、送電システム10に撮像装置250が含まれる場合には、上記構成に加えて画像解析部303がさらに含まれる。
2 is a functional block diagram of the
入力部301は、ハードウェアとしては図1のI/F330に対応する。入力部301は、センサS1~S3の検出信号DP1~DP3、ならびに、撮像装置250が設けられる場合には撮像装置250からの画像データIMGを取得する。入力部301は、検出信号DP1~DP3を位置検出部302に出力するとともに、画像解析部303に画像データIMGを出力する。
In terms of hardware, the
画像解析部303は、取得した画像データIMGを解析することにより対象物50の位置を判別し、その判別結果を位置検出部302に出力する。位置検出部302は、取得した検出信号DP1~DP3、および/または、画像解析部303による判別結果に基づいて、対象物50がどのステーションに停止しているかを検出する。位置検出部302は、検出した対象物50の停止位置の情報を、信号制御部304および切換制御部305に出力する。
The
信号制御部304は、対象物50の停止位置の情報に基づいて、信号源110を制御するための制御信号CON1を生成して信号源110に出力する。信号制御部304は、たとえば送電装置100から各ステーションまでの距離が異なる場合に、信号源110から出力される高周波信号の出力電力をステーションに応じて変化させる。あるいは、複数の対象物50が受電対象である場合に、各移動体において受信周波数が異なる場合には、信号制御部304は、送電すべき対象物50に応じて高周波信号の周波数を調整してもよい。
The
切換制御部305は、対象物50の停止位置の情報に基づいて切換装置120を切換えることによって、アンテナ装置150への高周波信号の入力位置を変更する。これによって、アンテナ装置150から放射されるビームの方向が、対象物50が停止しているステーションの方向に移動する。
The switching
制御装置300において、上記のような制御を行なうことによって、移動経路RD上の対象物50の停止位置が変化しても、送電装置100から対象物50の停止位置に向けて適切に送電を行なうことができる。
By performing the above-described control in the
なお、送電装置100からの送電は、対象物50がステーションに停止している場合だけでなく、移動経路RD上の移動中に行なってもよい。言い換えれば、対象物50を検出したセンサの位置から定まる方向に、アンテナ装置150から放射されるビームの方向が設定される。
Note that power transmission from the
具体的には、センサを通過したときの時刻と対象物50の移動速度から移動経路RD上における対象物50の位置を推定し、当該推定位置に基づいてビーム方向を設定して送電を行なうようにしてもよい。あるいは、対象物50の移動速度が固定されているような場合には、センサを通過した時刻から所定の時間経過後に、予め定められたビーム方向に送電を行なうようにしてもよい。
Specifically, the position of the
また、対象物50が、位置制御信号(搬送指令)に従って移動する場合には、センサおよび撮像装置などの検出装置を用いずに、移動用の搬送指令から対象物50の位置を判定してビーム方向を切換えるようにしてもよい。対象物50の移動制御が制御装置300で実行される場合には、制御装置300は、制御装置300の内部で演算される搬送指令から対象物50の位置を判定する。一方で、対象物50の移動制御が制御装置300以外の制御装置で実行される場合、あるいは、対象物50に搭載された制御装置によって対象物50の位置が自律的に制御される場合には、制御装置300は、これらの他の制御装置から対象物50の搬送指令を受信し、当該搬送指令から対象物50の位置を判定する。
Also, when the
図3は、図1の送電装置100の詳細な構成を示す図である。送電装置100は、図1で説明したように、信号源110と、切換装置120と、アンテナ装置150とを含む。そして、アンテナ装置150は、ロットマンレンズ151と、増幅器152と、アレイアンテナ153とを含む。
FIG. 3 is a diagram showing a detailed configuration of the
信号源110は、いずれも図示しないが、ミキサおよび局部発振器を含んでおり、送信すべき信号をアップコンバートして高周波信号を生成する。本実施の形態の送電装置100においてアンテナ装置150から放射する高周波信号の周波数は、一例として900MHz~30GHzのマイクロ波帯域の周波数である。また、送電装置100によって送電される電力は、使用周波数によって異なるが、およそ1~30W程度である。
The
切換装置120は、入力端子T0および出力端子T1~T5を含む、いわゆるSPNT型のスイッチである。切換装置120は、入力端子T0において信号源110からの高周波信号を受け、複数の出力端子T1~T5のうちの1つの出力端子に供給する。なお、出力端子の数は、ロットマンレンズ151の入力ポート数に応じて定められる。
The
ロットマンレンズ151は、平板形状の誘電体基板1511上に、複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、これらの入力ポートおよび出力ポートの間に配置された本体部1512とを有する平面パターンが形成された構成を有している。本体部1512は、略楕円形の周囲に、各ポートにつながる突起部が形成された形状を有している。図3の例においては、5つの入力ポートおよび6つの出力ポートが設定されている。入力ポートは、入力端子T11~T15にそれぞれ接続されている。また、出力ポートは、対応する配線部PS1~PS6を経由して、出力端子T21~T26にそれぞれ接続されている。
The
ロットマンレンズ151は、1つの入力ポートから各出力ポートまでの伝送距離に応じて、出力ポートから出力される信号間の位相が定まる。図3のロットマンレンズ151は、入力端子から出力端子へ向かう方向(図3のX軸方向)を対称軸として線対称の形状を有している。配線部PS1~PS6の線路長は、この対称軸上に配置された入力端子T13に高周波信号が入力された場合に出力端子T21~T26から出力される信号が同位相となるように設定される。したがって、切換装置120によって中央の入力端子T13が選択されると、出力端子T21~T26から同位相の信号が出力される。
The
アレイアンテナ153は、複数の放射素子160と、当該放射素子160が配置される誘電体基板161とを含む。図3におけるアレイアンテナ153は、誘電体基板161上あるいは誘電体基板161の内層に、72個の放射素子160が12×6の二次元のアレイ状に配置されたアレイアンテナである。放射素子160は、各々がX軸方向に配列された12個の素子を含む6個のアンテナ列ANT1~ANT6にグルーピングされている。アンテナ列ANT1~ANT6は、増幅器152を介して、ロットマンレンズ151の出力端子T21~T26にそれぞれ接続されている。
The
すなわち、アンテナ列ANT1の各放射素子には、ロットマンレンズ151の出力端子T21から高周波信号が伝達される。同様に、アンテナ列ANT2~ANT6における各放射素子には、出力端子T22~T26から高周波信号がそれぞれ伝達される。
That is, a high-frequency signal is transmitted to each radiating element in the antenna array ANT1 from output terminal T21 of the
上述のように、切換装置120によって、ロットマンレンズ151において高周波信号が供給される入力ポートを切換えることによって、出力端子T21~T26から出力される信号間の位相が変化する。言い換えれば、高周波信号が供給される入力ポートを切換えることによって。これによりアンテナ列ANT1~ANT6から放射される信号間の位相を変化させることができるので、図3のY軸方向にビームフォーミングすることができる。
As described above, the phase between the signals output from the output terminals T21 to T26 changes when the
なお、増幅器152は必ずしも必須の構成ではなく、信号源110に含まれる増幅器(図示せず)によって所望の増幅率が実現できる場合には、出力端子T21~T26とアンテナ列ANT1~ANT6とがそれぞれ直接接続されてもよい。
Note that
(位相調整手法)
図4は、各放射素子160の位相調整手法の詳細を説明するための図である。図4のアレイアンテナ153においては、誘電体基板161の内部に配置された、各放射素子160に高周波信号を伝達するための配線パターン(給電配線)示されている。
(Phase Adjustment Method)
Fig. 4 is a diagram for explaining the details of the phase adjustment method of each radiating
各アンテナ列に対応する配線パターンは、12個の放射素子160の配列方向の中央付近から、X軸の正方向および負方向の2方向に分岐して延在し、各放射素子160へと接続されている。このとき、各放射素子160から放射される信号の位相を異ならせるように、各放射素子160への線路長が設定される。より具体的には、X軸方向の中央付近の放射素子から放射される信号の位相に対して、X軸方向の両端部側に近づくほど放射素子から放射される信号の位相が相対的に進むように線路長が設定される。
The wiring pattern corresponding to each antenna array branches out and extends from near the center of the arrangement direction of the 12 radiating
各アンテナ列における放射素子間の線路長をこのように設定することによって、各アンテナ列の全放射素子による合成波に方向性が生じる。したがって、各放射素子についての位相差を適切に調整することによって、X軸方向の中央付近における誘電体基板161の法線方向に離間した特定位置の信号の位相を一致させて、信号強度を増加させることができる。すなわち、当該特定位置に送電電力を集中させることができる。
By setting the line length between the radiating elements in each antenna array in this way, a directionality is generated in the composite wave of all the radiating elements in each antenna array. Therefore, by appropriately adjusting the phase difference for each radiating element, the phase of the signal at a specific position spaced apart in the normal direction of the
さらに、アレイアンテナ153においては、アンテナ列間における位相を異ならせるように線路長が設定される。より具体的には、Y軸方向の中央付近のアンテナ列から放射される信号の位相に対して、Y軸方向の両端部側に近づくほどアンテナ列から放射される信号の位相が相対的に進むように線路長が設定される。
Furthermore, in the
アンテナ列間の線路長をこのように設定することによって、Y軸方向についても合成波に方向性が生じる。したがって、各アンテナ列間の位相差を適切に調整することによって、Y軸方向の中央付近における誘電体基板161の法線方向に離間した特定位置の信号の位相を一致させて、信号強度を増加させることができる。すなわち、当該特定位置に送電電力を集中させることができる。
By setting the line length between the antenna rows in this way, the composite wave also has directionality in the Y-axis direction. Therefore, by appropriately adjusting the phase difference between each antenna row, the phase of the signal at a specific position spaced apart in the normal direction of the
以上のように、アレイアンテナ153において、各放射素子160から放射される信号のビーム方向を、X軸およびY軸の中央付近に集中させることができる。すなわち、アレイアンテナ153は、放射信号を所定の焦点に集中させる「合焦レンズ」として機能する。この焦点の位置に受電側のアンテナを配置することによって、送電装置100からの送電効率を向上させることができる。なお、ビームの焦点距離は、各アンテナ列における放射素子間の位相差、および、アンテナ列間における位相差によって定まる。位相差を大きくすると焦点距離が短くなり、位相差を小さくすると焦点距離が長くなる。
As described above, in the
また、上述したように、ロットマンレンズ151の入力ポートを切換えることによって、ロットマンレンズ151の出力ポート間の信号の位相を調整することができる。たとえば、図4に示されるように、信号源110からの高周波信号が切換装置120によって入力端子T15に入力された場合、入力端子T15に対応する入力ポートから配線部PS1までの距離(矢印AR1)は、当該入力ポートから配線部PS6までの距離(矢印AR2)よりも長くなる。そのため、アンテナ列ANT1から放射される信号の位相は、アンテナ列ANT6から放射される信号の位相に比べて相対的に遅れる。これによって、アレイアンテナ153全体から放射される信号のビーム方向が矢印AR3のようにY軸の正方向に傾斜し、特定位置(すなわち焦点位置)がY軸方向にシフトする。
Also, as described above, by switching the input port of the
図5は、送電装置100のアレイアンテナ153から放射されるビーム方向を説明するための図である。図5において、左図(A)にはロットマンレンズ151によって生じる放射素子間の高周波信号の位相差が示されており、中図(B)にはアレイアンテナ153における給電配線の経路長の差によって生じる放射素子間の高周波信号の位相差が示されている。そして、右図(C)には送電装置100全体として放射される信号のトータル位相差が示されている。なお、図5においては、位相差が濃淡で示されており、色が濃くなるほど位相が遅れていることを示している。また、図5の左図(A)においては、図4のように、ロットマンレンズ151の入力端子T15に高周波信号が供給されている場合が示される。
FIG. 5 is a diagram for explaining the direction of the beam radiated from the
図5の左図(A)に示されるように、ロットマンレンズ151の入力端子T15に高周波信号が供給されることによって、Y軸の負方向のアンテナ列ANT6から放射される高周波信号の位相が相対的に進み、Y軸の正方向のアンテナ列ANT1から放射される高周波信号の位相が相対的に遅れる。これにより、アレイアンテナ153から放射される信号のビーム方向はY軸の正方向に傾斜する。また、図5の中図(B)に示されるように、アレイアンテナ153の給電配線の経路長の設定によって、アレイアンテナの中央付近の放射素子160から放射される信号の位相が相対的に遅れ、アレイアンテナの外周付近の放射素子160から放射される信号の位相が相対的に進む。これより、アレイアンテナ153から放射される信号のビーム方向が、アレイアンテナから所定距離の焦点位置に集中する。
As shown in the left diagram (A) of FIG. 5, when a high frequency signal is supplied to the input terminal T15 of the
そのため、送電装置100全体としては、アレイアンテナの中央からY軸の正方向にオフセットした位置(矢印AR4)における信号の位相が最も遅れた状態となる。したがって、ビームの焦点位置をY軸の正方向に移動させることができる。なお、Y軸方向への焦点位置の移動量は、切換装置120によるロットマンレンズ151への入力位置の切換えによって行なうことができる。
As a result, the
(実験例)
次に、図6~図9を用いて、送電装置100から送電される信号強度についての実験例について説明する。
(Experimental Example)
Next, an experimental example regarding the strength of a signal transmitted from the
図6~図8は、アンテナ装置150から放射される信号強度の分布を示すシミュレーション結果である。シミュレーションにおいては、アンテナ装置150の主面をXY平面とし、アンテナ装置150の主面の法線方向をZ軸とした。そして、アンテナアレイのY軸方向の中央のZX平面における強度分布(図7)、および、ビームの焦点位置付近のXY平面の強度分布(図8)についてシミュレーションを行なった。図8は、図7における線VIII-VIIIにおける断面図に対応する。
Figures 6 to 8 are simulation results showing the distribution of signal strength radiated from
なお、シミュレーションにおいては、ロットマンレンズ151の入力端子T13に高周波信号を入力し、出力端子T21~T26から出力される信号を同位相としている。図6~図8の分布図において、信号強度の強い位置が、より濃い色で示されている。
In the simulation, a high-frequency signal is input to input terminal T13 of the
図7に示されるように、ZX平面については、アンテナ装置150の中央付近におけるアンテナ装置150からZ軸方向に離間した特定位置において信号強度が部分的に強くなっており、その他の部分の信号強度は当該特定位置に比べて弱くなっている。すなわち、X軸方向の中央付近にビームが集中していることがわかる。また、図8に示されるように、XY平面においては、スポット状に信号強度が強くなっており、X軸方向に加えてY軸方向についても中央付近にビームが集中していることがわかる。すなわち、アンテナ装置150が合焦レンズとして機能していることがわかる。なお、一例においては、本実施の形態の構成とすることによって、アレイアンテナ153に位相差を設けずに焦点ビームを形成しない場合に比べて、送電効率を10倍程度まで向上させることができる。
As shown in FIG. 7, in the ZX plane, the signal strength is partially strong at a specific position near the center of the
図9は、ロットマンレンズ151への入力を切換えたときの信号強度の測定例を示す図である。図9の測定においては、アンテナ装置150から焦点位置に対応する距離だけ離間した位置における近傍電磁界を測定している。図9においては、ロットマンレンズ151の入力端子T13,T14,T15に高周波信号を供給した場合の測定結果が示されている。なお、横軸ゼロの位置はアレイアンテナ153のX軸方向の中心に対応し、縦軸ゼロの位置はアレイアンテナ153のY軸方向の中心に対応している。
Figure 9 shows an example of signal strength measurement when the input to the
入力端子T13に高周波信号を供給した場合(左図)は、信号強度が強くなるスポットの位置が中央付近となっている。入力端子T14に高周波信号を供給した場合(中図)は、スポットの位置がY軸の正方向に若干移動している。入力端子T15に高周波信号を供給した場合(右図)は、スポットの位置がY軸の正方向にさらに移動している。このように、ロットマンレンズ151への入力を切換えることにより、焦点位置がY軸方向に移動することがわかる。
When a high frequency signal is supplied to input terminal T13 (left diagram), the position of the spot where the signal strength is strong is near the center. When a high frequency signal is supplied to input terminal T14 (middle diagram), the position of the spot moves slightly in the positive direction of the Y axis. When a high frequency signal is supplied to input terminal T15 (right diagram), the position of the spot moves further in the positive direction of the Y axis. In this way, it can be seen that by switching the input to the
以上説明したように、アレイアンテナを用いて非接触給電を行なう送電装置において、ロットマンレンズによるビームフォーミングと、合焦レンズとして機能するアンテナ基板を用いることによって、特定の焦点位置に電力を集中させた状態で、異なる位置に電力を送電することができる。したがって、送電効率を向上させるとともに、移動可能な対象物に対して1つの送電装置で給電することができる。さらに、焦点ビームを形成することによって、受電装置側の受信用アンテナのサイズを小型化することができる。 As described above, in a power transmission device that uses an array antenna to supply power contactlessly, by using beamforming with a Rotman lens and an antenna board that functions as a focusing lens, it is possible to transmit power to different positions while concentrating the power at a specific focal position. This improves the power transmission efficiency and allows a single power transmission device to supply power to a movable object. Furthermore, by forming a focal beam, the size of the receiving antenna on the power receiving device side can be reduced.
なお、上記の例においては、実施の形態の送電システムを、工場内で部品等を搬送する搬送車両の給電に適用した場合について説明したが、本送電システムは、たとえば一般道を走行する車両への給電に適用してもよい。また、本送電システムの概念は、宇宙空間に配置された太陽光パネルで発電された電力を地上に送電するようなシステムにも応用可能である。 In the above example, the power transmission system of the embodiment is described as being applied to powering a transport vehicle that transports parts and the like within a factory, but the power transmission system may also be applied to powering vehicles that run on public roads, for example. The concept of the power transmission system can also be applied to a system that transmits electricity generated by solar panels placed in space to the ground.
[態様]
上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
[Aspects]
It will be appreciated by those skilled in the art that the exemplary embodiments described above are examples of the following aspects.
(第1項)一態様に係る送電装置は、対象物に対して非接触で電力を伝送する。送電装置は、信号源と、ロットマンレンズと、切換装置と、アレイアンテナとを備える。ロットマンレンズは、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する。切換装置は、信号源から出力される高周波電力を、ロットマンレンズの複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給する。アレイアンテナは、ロットマンレンズにおける複数の出力ポートから伝達される信号を放射する。アレイアンテナは、複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含む。複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有している。各アンテナ列の複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されている。そして、当該アンテナ列において、第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。 (1) A power transmission device according to one embodiment transmits power to an object in a non-contact manner. The power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna. The Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports. The switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens. The array antenna radiates a signal transmitted from the multiple output ports of the Rotman lens. The array antenna includes multiple antenna rows provided corresponding to the multiple output ports. Each of the multiple antenna rows has multiple radiating elements arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna row, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna row. In the antenna row, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads relatively to the phase of the signal radiated from the radiating element arranged in the center in the first direction.
(第2項)第1項に記載の送電装置において各アンテナ列における各放射素子から放射される信号の位相がアレイアンテナから放射方向に離間した所定位置において一致するように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。 (2) In the power transmission device described in 1, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from each radiating element in each antenna row coincides at a predetermined position spaced apart in the radiation direction from the array antenna.
(第3項)第2項に記載の送電装置において、複数のアンテナ列は、第1方向に交差する第2方向に配列されている。 (3) In the power transmission device described in 2, the multiple antenna arrays are arranged in a second direction that intersects with the first direction.
(第4項)第3項に記載の送電装置の複数のアンテナ列において、第2方向の中央部に配置されたアンテナ列の放射素子に入力される信号の位相が、第2方向の端部に配置されたアンテナ列の放射素子に入力される信号の位相よりも遅れるように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。 (4) In the multiple antenna arrays of the power transmission device described in 3, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal input to the radiating element of the antenna array located at the center in the second direction lags behind the phase of the signal input to the radiating element of the antenna array located at the end in the second direction.
(第5項)第4項に記載の送電装置において、切換装置における、信号源からの高周波電力を供給する入力ポートを切換えると、所定位置が第2方向にシフトする。 (5) In the power transmission device described in 4, when the input port in the switching device that supplies high-frequency power from the signal source is switched, the predetermined position shifts in the second direction.
(第6項)他の態様に係る送電システムは、移動する対象物に対して非接触で電力を伝送する。送電システムは、対象物に対して電力を伝送する送電装置と、送電装置を制御するための制御装置とを備える。送電装置は、信号源と、ロットマンレンズと、切換装置と、アレイアンテナとを含む。ロットマンレンズは、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有する。切換装置は、信号源から出力される高周波電力を、ロットマンレンズの複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給する。アレイアンテナは、ロットマンレンズにおける複数の出力ポートから伝達される信号を放射する。アレイアンテナは、複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含む。複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有している。各アンテナ列の複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されている。そして、当該アンテナ列において、第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されている。制御装置は、対象物の位置に応じて切換装置を制御して、送電装置から放射される信号の方向を変化させる。 (Section 6) A power transmission system according to another aspect transmits power to a moving object in a non-contact manner. The power transmission system includes a power transmission device that transmits power to the object, and a control device for controlling the power transmission device. The power transmission device includes a signal source, a Rotman lens, a switching device, and an array antenna. The Rotman lens has multiple input ports and multiple output ports. The switching device supplies high-frequency power output from the signal source to one of the multiple input ports of the Rotman lens. The array antenna radiates a signal transmitted from the multiple output ports in the Rotman lens. The array antenna includes multiple antenna arrays that correspond to the multiple output ports. Each of the multiple antenna arrays has multiple radiating elements that are arranged at a distance in a first direction. For each of the multiple radiating elements of each antenna array, the phase of the radiated signal is set by the line length from the output port corresponding to the antenna array. In the antenna array, the line length corresponding to each radiating element is set so that the phase of the signal radiated from the radiating element located at the end in the first direction leads the phase of the signal radiated from the radiating element located in the center in the first direction. The control device controls the switching device according to the position of the target object to change the direction of the signal radiated from the power transmission device.
(第7項)第6項に記載の送電システムは、対象物を検出するための検出装置をさらに備える。制御装置は、検出装置によって検出された対象物の位置に応じて切換装置を制御して、送電装置から放射される信号の方向を変化させる。 (7) The power transmission system described in 6 further includes a detection device for detecting an object. The control device controls the switching device according to the position of the object detected by the detection device to change the direction of the signal emitted from the power transmission device.
(第8項)第7項に記載の送電システムにおいて、検出装置は、対象物を検出するための複数のセンサを含む。複数のセンサは対象物の移動経路に配置されている。制御装置は、送電装置からの信号が、複数のセンサの中で対象物を検出したセンサの位置から定まる方向に放射されるように切換装置を制御する。 (Section 8) In the power transmission system described in Section 7, the detection device includes a plurality of sensors for detecting an object. The plurality of sensors are arranged on the path of movement of the object. The control device controls the switching device so that a signal from the power transmission device is emitted in a direction determined from the position of the sensor that has detected the object among the plurality of sensors.
(第9項)第7項に記載の送電システムにおいて、検出装置はカメラを含む。制御装置は、検出装置で検出された対象物の位置に基づいて、送電装置からの信号が、検出装置で検出された対象物の方向に放射されるように切換装置を制御する。 (Clause 9) In the power transmission system described in Clause 7, the detection device includes a camera. The control device controls the switching device so that a signal from the power transmission device is emitted in the direction of the object detected by the detection device based on the position of the object detected by the detection device.
(第10項)
第6項に記載の送電システムにおいて、制御装置は、対象物を移動させるための位置制御信号に基づいて定められる対象物の位置に応じて切換装置を制御して、送電装置から放射される信号の方向を変化させる。
(Article 10)
In the power transmission system described in paragraph 6, the control device controls the switching device in accordance with the position of the object determined based on a position control signal for moving the object, thereby changing the direction of the signal radiated from the power transmission device.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the embodiments above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
10 送電システム、50 対象物、51 受電装置、100 送電装置、110 信号源、120 切換装置、150 アンテナ装置、151 ロットマンレンズ、152 増幅器、153 アレイアンテナ、160 放射素子、161,1511 誘電体基板、250 撮像装置、300 制御装置、301 入力部、302 位置検出部、303 画像解析部、304 信号制御部、305 切換制御部、320 メモリ、1512 本体部、ANT1~ANT6 アンテナ列、P1~P3 ステーション、PS1~PS6 配線部、RD 移動経路、S1~S3 センサ、T0,T11~T15 入力端子、T1~T5,T21~T26 出力端子。 10 Power transmission system, 50 Object, 51 Power receiving device, 100 Power transmission device, 110 Signal source, 120 Switching device, 150 Antenna device, 151 Rotman lens, 152 Amplifier, 153 Array antenna, 160 Radiating element, 161, 1511 Dielectric substrate, 250 Imaging device, 300 Control device, 301 Input section, 302 Position detection section, 303 Image analysis section, 304 Signal control section, 305 Switching control section, 320 Memory, 1512 Main body section, ANT1 to ANT6 Antenna array, P1 to P3 Stations, PS1 to PS6 Wiring section, RD Movement path, S1 to S3 Sensors, T0, T11 to T15 Input terminals, T1 to T5, T21 to T26 Output terminals.
Claims (10)
信号源と、
複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有するロットマンレンズと、
前記信号源から出力される高周波電力を、前記複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給するための切換装置と、
前記ロットマンレンズにおける前記複数の出力ポートから伝達される信号を放射するためのアレイアンテナとを備え、
前記アレイアンテナは、前記複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含み、
前記複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有しており、
各アンテナ列において、
前記複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されており、
当該アンテナ列において、前記第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、前記第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されている、送電装置。 A power transmission device that transmits power to an object in a non-contact manner,
A signal source;
a Rotman lens having a plurality of input ports and a plurality of output ports;
a switching device for supplying high frequency power output from the signal source to any one of the plurality of input ports;
an array antenna for radiating signals transmitted from the plurality of output ports of the Rotman lens;
the array antenna includes a plurality of antenna rows provided corresponding to the plurality of output ports,
Each of the plurality of antenna arrays has a plurality of radiating elements arranged at a distance from each other in a first direction,
For each antenna array,
a phase of a signal to be radiated is set for each of the plurality of radiating elements according to a line length from an output port corresponding to the antenna array;
a power transmitting device in which the line length corresponding to each radiating element in the antenna array is set so that the phase of a signal radiated from the radiating element arranged at the end in the first direction leads relatively more than the phase of a signal radiated from the radiating element arranged in the center in the first direction.
前記対象物に対して電力を伝送する送電装置と、
前記送電装置を制御するための制御装置とを備え、
前記送電装置は、
信号源と、
複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを有するロットマンレンズと、
前記信号源から出力される高周波電力を、前記複数の入力ポートのいずれかの入力ポートに供給するための切換装置と、
前記ロットマンレンズにおける前記複数の出力ポートから伝達される信号を放射するためのアレイアンテナとを含み、
前記アレイアンテナは、前記複数の出力ポートに対応してそれぞれ設けられた複数のアンテナ列を含み、
前記複数のアンテナ列の各々は、第1方向に離間して配列された複数の放射素子を有しており、
各アンテナ列において、
前記複数の放射素子の各々について、当該アンテナ列に対応する出力ポートからの線路長によって、放射される信号の位相が設定されており、
当該アンテナ列において、前記第1方向の端部に配置された放射素子から放射される信号の位相が、前記第1方向の中央部に配置された放射素子から放射される信号の位相よりも相対的に進むように、各放射素子に対応する線路長が設定されており、
前記制御装置は、前記対象物の位置に応じて前記切換装置を制御して、前記送電装置から放射される信号の方向を変化させる、送電システム。 A power transmission system that transmits power to a moving object in a non-contact manner,
A power transmitting device that transmits power to the object;
A control device for controlling the power transmitting device,
The power transmitting device is
A signal source;
a Rotman lens having a plurality of input ports and a plurality of output ports;
a switching device for supplying high frequency power output from the signal source to any one of the plurality of input ports;
an array antenna for radiating signals transmitted from the plurality of output ports of the Rotman lens;
the array antenna includes a plurality of antenna rows provided corresponding to the plurality of output ports,
Each of the plurality of antenna arrays has a plurality of radiating elements arranged at a distance from each other in a first direction,
For each antenna array,
a phase of a signal to be radiated is set for each of the plurality of radiating elements according to a line length from an output port corresponding to the antenna array;
in the antenna array, a line length corresponding to each radiating element is set so that a phase of a signal radiated from a radiating element disposed at an end in the first direction leads relatively to a phase of a signal radiated from a radiating element disposed at a center in the first direction,
The control device controls the switching device in accordance with a position of the object to change a direction of a signal radiated from the power transmitting device.
前記制御装置は、前記検出装置によって検出された前記対象物の位置に応じて前記切換装置を制御して、前記送電装置から放射される信号の方向を変化させる、請求項6に記載の送電システム。 a detection device for detecting the object,
The power transmitting system according to claim 6 , wherein the control device controls the switching device in response to a position of the object detected by the detection device to change a direction of a signal radiated from the power transmitting device.
前記制御装置は、前記送電装置からの信号が、前記複数のセンサの中で前記対象物を検出したセンサの位置から定まる方向に放射されるように、前記切換装置を制御する、請求項7に記載の送電システム。 the detection device includes a plurality of sensors for detecting the object, the plurality of sensors being disposed along a path of movement of the object;
The power transmission system according to claim 7 , wherein the control device controls the switching device so that the signal from the power transmission device is emitted in a direction determined from a position of a sensor that detects the object among the plurality of sensors.
前記制御装置は、前記検出装置で検出された前記対象物の位置に基づいて、前記送電装置からの信号が、前記検出装置で検出された前記対象物の方向に放射されるように、前記切換装置を制御する、請求項7に記載の送電システム。 the detection device includes a camera;
The power transmission system according to claim 7 , wherein the control device controls the switching device based on the position of the object detected by the detection device so that a signal from the power transmission device is emitted in the direction of the object detected by the detection device.
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/023188 WO2024261981A1 (en) | 2023-06-22 | 2023-06-22 | Power transmission device and power transmission system |
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|---|---|
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- 2023-06-22 WO PCT/JP2023/023188 patent/WO2024261981A1/en active Pending
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