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2017 年度 実施状況報告書

偏波面の情報とGPS測位情報を共有する高効率なミリ波ワイヤレス給電システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 17K06329
研究機関豊田工業高等専門学校

研究代表者

安藤 浩哉  豊田工業高等専門学校, 情報工学科, 教授 (30212674)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードマイクロ波 / ワイヤレス電力伝送 / 指向性アンテナ / 移相器 / 0dBカプラ
研究実績の概要

マイクロ波による電力伝送の伝送効率を評価することができるように、測定機器が搭載できるラックを兼ねた架台の上に、送電用のアンテナと受電用のアンテナとが正対した1.5mのワイヤレス電力伝送路を構成した。電力伝送の効率は、ラック上にアンテナとして直径が40cmの回転楕円体面アンテナを1組用いたガウシアンビーム伝送路を構成し、周波数18GHz~20GHz(波長15mm)の電磁波の通過特性を測定することで確認した。
この作業と並行して、指向性のあるアンテナを任意の方向に向けることができるような駆動系を検討し、水平方向の回転を600kg-cmのトルクで±225度(回転速度が約6度/秒)、仰角方向の回転を1400kg-cmのトルクで±90度(回転速度が約2.7度/秒)、それぞれ変化させることことができる駆動系を導入した。
偏波面制御を実現するために、各偏波成分の位相差を変化させることができるような移相器に関する研究・考察を行ない、その試みとして、2箇所の非接触な摺動部に分布結合方式0dBカプラを用いた、伝送線路長が可変な移相器を考案した。
考察の結果、位相器を構成する伝送線路の特性インピーダンスZ1およびZ2と、分布結合部の偶モードインピーダンスZeと奇モードインピーダンスZoとの間に成立する関係性を見出し、これに基づいて設計した結果、比帯域100%で反射損失が20dB以下であり、摺動部のスライド量を増やすごとに位相差が線型的に変化する移相器が実現できることを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

初年度は、マイクロ波による電力伝送の伝送効率が評価できるように、測定機器が搭載可能なラック上に送電用の指向性アンテナと受電用の指向性アンテナとが正対したワイヤレス電力伝送路を構成することができた。しかしながら、このワイヤレス電力伝送路を構成するアンテナは、現状では形状や肉厚等が最適化されていないために重量が重く、素早く方向を変えるには適していない。このため、指向性アンテナの方向を変えるのに必要な駆動系を先に導入し、この駆動系の能力に見合った形状や肉厚のアンテナを検討している。
偏波面の制御については、各偏波成分の位相差を連続的に変化させることが望ましいため、そのために必要な移相器について検討を重ね、2箇所の非接触な摺動部に分布結合方式0dBカプラを用いた伝送線路長が連続的に可変な移相器を考案した。考案した移相器は、比帯域100%の周波数範囲で動作することが、シミュレーション上で確認できている。

今後の研究の推進方策

固定されたパラボラアンテナ間で10mW~100mWレベルの送電が行えることをLED等の点灯実験で確認する。特に、受電側の整流回路で使用する、RF/DC変換効率の向上に寄与するような低電圧で動作するダイオードや、チャージポンプ回路に関して検討を行い、受電した高周波電力を高効率で直流電力に変換する回路を開発する。
さらに、水平方向は600kg-cm以下、仰角方向は1400kg-cm以下のトルクで、それぞれ回転させることができるような指向性アンテナを製作し、送電電力にGPS位置情報を重畳させ、2軸でアンテナの向きを制御することで、任意の位置に置かれた指向性アンテナ間で、電力の伝送が出来ることを確認する。
さらに、送電側と受電側に偏波分離機能を持たせ、受電側の各偏波出力を送電側にフィードバックすることで、送電側と受電側で偏波面を合わせることで電力伝送効率が最も良い偏波方向で、マイクロ波送電が行える技術を開発する。

次年度使用額が生じた理由

本研究において、マイクロ波による電力伝送の伝送効率を正確に把握することが大切であるが、測定機器が搭載可能なラック上に送電用の指向性アンテナと受電用の指向性アンテナとが正対したワイヤレス電力伝送路を構成するのに時間を要した。
偏波面の制御では、各偏波成分の位相差を連続的に変化させることが望ましく、そのために必要な移相器について検討・動作の確認をすることを優先させたために、2箇所の非接触な摺動部に分布結合方式0dBカプラを有する移相器の検討や製作のための費用が計上されている。これらの成果は研究発表の通りである。
予算執行の関係で平成29年度予算執行には計上されていないが、アンテナ駆動系等の執行は既に行われており、平成30年度の予算執行に計上される見込みである。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] T-Type Equivalent Circuit of On-Chip Microstrip Line With Magnetic Film-Type Noise Suppressor2018

    • 著者名/発表者名
      Muroga Sho、Endo Yasushi、Takamatsu Masanari、Andoh Hiroya
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 54 ページ: 8001204

    • DOI

      10.1109/TMAG.2018.2818119

    • 査読あり
  • [学会発表] 磁性膜を配置したMSLの回路定数の計測と特性解析2018

    • 著者名/発表者名
      室賀翔, 遠藤恭, 安藤浩哉, 田中元志
    • 学会等名
      電気学会全国大会講演論文集
  • [学会発表] 災害救助用ロボット実現に向けたマイクロ波無線電力伝送マルチコプタ中継システムの損失に関する評価2018

    • 著者名/発表者名
      安原裕登, 河合祐弥, 大島正彦, 井上真澄, 安藤浩哉
    • 学会等名
      電子情報通信学会大会講演論文集
  • [学会発表] 分布結合方式を用いた移相器の開発2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤健吾, 安藤浩哉
    • 学会等名
      高等専門学校第3ブロック専攻科研究フォーラム
  • [学会発表] THz帯域を目指した新構造可変位相シフタ2017

    • 著者名/発表者名
      前澤宏一, 中野大輔, 森雅之, 石井仁, 安藤浩哉
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術研究報告
  • [学会発表] T-Type Equivalent Circuit Analysis of On-Chip Lines with Magnetic Film-type Noise Suppressor2017

    • 著者名/発表者名
      Sho Muroga, Yasushi Endo, Masanari Takamatsu, Hiroya Andoh
    • 学会等名
      The 4th International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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