マイクロ波方式の空間伝送・アンテナ・ビームフォーミングを解説
マイクロ波方式ワイヤレス給電
マイクロ波方式ワイヤレス給電は、 電力を高周波の電磁波へ変換し、 アンテナから空間へ放射することで、 離れた場所へ非接触で電力を伝送する技術です。
電磁誘導方式や電界結合方式が 比較的近距離での給電を得意とするのに対し、 マイクロ波方式では電波を空間へ放射するため、 数m以上離れた場所への電力供給や、 移動する機器・複数機器への給電などへ 応用できる可能性があります。
1 マイクロ波ワイヤレス給電の基本原理
電源から得られた電力を高周波信号へ変換し、 送電アンテナから電磁波として空間へ放射します。 受電側ではアンテナで電波を受信し、 整流回路で再び直流電力へ変換します。
RF信号を生成・増幅
直流電力から高周波信号を生成し、 必要な送信電力まで増幅します。
アンテナから送信
高周波電力を 電磁波へ変換して空間へ放射します。
受電アンテナで受信
空間を伝搬した電磁波を 受電アンテナでRF電力として受け取ります。
RF-DC変換
整流・電圧変換を行い、 センサーやバッテリーへ電力を供給します。
送電側PTxと受電側PRx
送電側では、 RF信号の生成、増幅、位相制御などを行い、 アンテナから必要な方向へ高周波電力を放射します。
受電側では、 アンテナで受けたRFエネルギーを整流し、 DC-DCコンバータなどで負荷に必要な電圧へ変換します。 バッテリーへ接続する場合には、 さらに充電制御回路などを組み合わせます。
したがって、 マイクロ波ワイヤレス給電は アンテナだけの技術ではなく、 RF回路・アンテナ・整流・電源制御を含む 一つの電力伝送システムとして設計します。
2 距離・アンテナ・受電電力の関係
電波は空間を伝搬するにつれて広がります。 そのため、送電側から離れるほど 同じ面積で受け取れる電力密度は小さくなります。
距離が離れるほど受電電力は低下
送電アンテナから放射された電波は 空間を広がりながら伝搬します。 一般的には距離が長くなるほど 受電側へ届く電力は低下します。
そのため長距離給電では、 単に送信電力を大きくするのではなく、 アンテナ利得を高めたり、 必要な方向へ電波を集中したりすることが重要です。
フリスの伝達公式
自由空間で送信アンテナから 受信アンテナへ届く電力は、 フリスの伝達公式によって概算できます。
主な要素は、 送信電力、送信アンテナ利得、 受信アンテナ利得、波長、伝送距離です。
この関係からも、 マイクロ波給電ではアンテナ設計が 非常に重要であることが分かります。
3 周波数によって変わる空間伝送の特徴
マイクロ波・電波によるワイヤレス給電では、 使用周波数によって波長、アンテナサイズ、 指向性、伝搬特性などが変わります。
比較的長い波長
比較的低い周波数のため、 同じ条件では伝搬損失を抑えやすい特徴があります。 一方、アンテナサイズは大きくなりやすくなります。
低消費電力センサーや 比較的広い範囲への給電などで検討されます。
サイズと伝搬のバランス
920MHz帯よりアンテナを小型化しやすく、 指向性を持たせたシステムにも利用できます。
Wi-Fiなど多くの無線システムが存在するため、 キャリアセンスや干渉回避も重要です。
小型・高指向性
波長が短いため、 小型アンテナや多数素子による フェイズドアレー構成に適しています。
細かなビーム制御や 高指向性の空間伝送へ展開しやすい帯域です。
さらに小型・狭ビームへ
さらに波長が短く、 アンテナやアレーを小型化しながら 非常に高い指向性を持たせやすくなります。
短距離での高精度なビーム制御や、 特定位置へ電力を集中する技術への 応用が期待されます。
※国内での利用可否・出力・用途などは、 最新の法令・制度・技術基準の確認が必要です。
4 アンテナ・ビームフォーミング
マイクロ波給電では、 必要な場所へ電波を集中させることが 受電電力を高める重要なポイントになります。
ワイドビーム
比較的広い範囲へ電波を放射します。 複数の低消費電力センサーなどへ 広範囲に電力を届ける用途で検討できます。
ナロービーム
高指向性アンテナを利用し、 特定方向へ電力を集中させます。 受電器方向への電力密度を高めることができます。
ビームステアリング
フェイズドアレーの各アンテナ素子の位相を制御し、 機械的にアンテナを動かさずに 電波の方向を電子的に変更します。
フェイズドアレーによるビームフォーミング
複数のアンテナ素子から放射する電波の 位相を少しずつ変えることで、 特定方向では電波を強め、 別の方向では弱めることができます。
これにより、 受電器の方向へ電力を集中させながら、 周囲へ無駄に広がる電波を抑えることができます。
アンテナ素子数を増やすほど 細かなビーム制御が可能になりますが、 RF回路、位相制御、熱設計などは複雑になります。
5 受電技術 ― レクテナ・RF-DC変換・MPPT
空間を伝わってきた電波を 実際の電源として利用するためには、 受電側で効率よく直流電力へ変換する必要があります。
レクテナ
レクテナは、 Rectifying Antennaの略で、 受電アンテナと整流回路を組み合わせた マイクロ波ワイヤレス給電の代表的な受電デバイスです。
アンテナが受信したRFエネルギーを ダイオードなどで整流し、 直流電力として取り出します。
受電電力が小さい場合には 整流素子の損失も大きく影響するため、 低入力電力で高いRF-DC変換効率を得る設計が重要です。
DC-DC変換とMPPT
マイクロ波給電では、 送受電距離、アンテナ方向、 障害物などによって受電電力が変化します。
そこで受電側では、 DC-DCコンバータによって出力電圧を安定させたり、 受電状態に応じて最適な動作点を探す MPPT（Maximum Power Point Tracking）の考え方を利用したりします。
特にセンサーやバッテリーへの充電では、 変動する受電電力をできるだけ有効に利用するため、 受電回路と電源制御の連携が重要です。
6 移動体追従・複数機器給電を実現する制御技術
空間伝送型ワイヤレス給電では、 アンテナを固定したまま送るだけでなく、 受電器の位置や状態に合わせて 電力の送信方法を変えることができます。
レトロディレクティブ方式 ― 移動体を自動追従
レトロディレクティブ方式は、 受電側から送信される パイロット信号やビーコン信号を送電側で受信し、 その到来方向を利用して 送電ビームを受電器方向へ自動的に向ける技術です。
受電器が移動しても、 到来方向の変化に応じて ビーム方向を更新できるため、 AGV・AMR・移動ロボットなどへの 空間給電に適した技術です。
フェイズドアレーを利用すれば、 送電アンテナ自体を機械的に回転させず、 電子的に高速追従できます。
最適時分割給電 ― 複数の受電器へ効率的に給電
高指向性ビームを使用するシステムでは、 複数の受電器へ広く同時に放射するのではなく、 給電する対象を時間ごとに切り替える方法があります。
例えば、 バッテリー残量が少ない機器には長い給電時間を割り当て、 十分な電力を持つ機器への給電時間を短くするなど、 受電器ごとに必要な電力量を考慮できます。
受電電力、優先度、稼働予定などを使って ビームを切り替えることで、 限られた送電能力を複数機器で効率よく利用できます。
Near-Field Focusing ― 特定の位置へ電力を集中
通常のビームフォーミングが 主に「方向」へ電波を集中するのに対し、 Near-Field Focusingでは 放射近傍界にある特定の空間位置へ 電磁波を集中させます。
フェイズドアレー各素子の位相を調整し、 受電器が存在する位置で 電界が強くなるよう制御します。
比較的近い距離で、 特定位置へ効率的に給電したい場合に 有効な技術として研究されています。
ヌルフォーミング ― 電波を弱めたい方向を作る
フェイズドアレーでは、 受電器方向へ電波を集中するだけでなく、 特定方向の電波を意図的に弱くすることもできます。
これをヌルフォーミングと呼びます。 人がいる方向や、 他の無線設備が存在する方向へ 電波が集中しないよう制御する用途が考えられます。
ビームフォーミングと組み合わせることで、 「必要な場所には強く、 不要な場所には弱く」という 空間的な電力制御が可能になります。
7 受電器の向き・姿勢変化への対応
移動体やセンサーでは、 受電アンテナが常に理想的な方向を向いているとは限りません。 そのため、姿勢変化を考慮した受電技術も重要になります。
偏波ダイバーシチ受電
電波には電界の振動方向である 「偏波」があります。 送電アンテナと受電アンテナの偏波方向が大きくずれると、 受電電力が低下します。
そこで、 異なる偏波方向を受けられる複数アンテナを配置し、 受信状態の良いアンテナを利用したり、 複数の受電電力を合成したりする方法があります。
これにより、 受電器の回転や姿勢変化による 受電電力の低下を抑えることができます。
複数アンテナ
異なる方向・偏波を持つアンテナを配置し、 姿勢変化に対応します。
受信選択
最も受電状態の良いアンテナを 自動選択する構成が可能です。
電力合成
複数アンテナで受けたRF電力を 合成して利用する方式も検討できます。
8 既存無線システムとの共存
マイクロ波方式では電波を使用するため、 Wi-Fiやその他の無線設備との 周波数共用・干渉対策が重要になります。
キャリアセンス
送電前に使用する周波数帯の電波状況を確認し、 既存無線通信が利用中の場合には 送電を開始しない、 チャネルを変更するなどの制御を行います。
指向性による干渉低減
必要な受電器方向だけへ 電波を集中させることで、 他の無線設備へ届く電波を できるだけ小さくします。
周波数選択
利用環境に存在する無線LANや その他のRFシステムを確認し、 システム間で干渉しにくい 周波数・チャネルを選択します。
時分割・出力制御
必要な時間だけ送電したり、 通信状態に合わせて 送信出力や給電タイミングを変更したりすることで、 共存性を高めます。
9 安全対策・電波防護・法令
空間へ電波を放射するマイクロ波ワイヤレス給電では、 給電性能だけでなく、 人への電波曝露、既存無線への影響、 法令・技術基準への適合も重要です。
人・障害物の検出
カメラ、赤外線センサー、 レーダーなどで送電エリアを監視し、 必要に応じて送電を停止・低減する 構成を検討できます。
電波防護
送電電力、アンテナ利得、 距離、ビーム方向などから 人が受ける電波強度を評価し、 適用される基準を満たすよう設計します。
ビーム・ヌル制御
必要な受電器へ電力を集中しながら、 人や他設備が存在する方向への 電波を小さくする制御も 安全対策の一つとして利用できます。
最新制度の確認
利用可能な周波数、 最大送信電力、利用場所、 免許・登録・技術基準などは 用途や制度によって異なります。
10 B&PLUSのマイクロ波ワイヤレス給電
B&PLUSでは、 電磁誘導方式・電界結合方式に加えて、 電波を利用した空間伝送型ワイヤレス給電についても 研究・試作開発を進めています。
電力を「空間へ飛ばす」ワイヤレス給電へ。
送電RF回路、アンテナ、 フェイズドアレー、ビーム制御、 受電アンテナ、レクテナ、 RF-DC変換、電源制御などを組み合わせ、 用途に合わせた空間伝送型ワイヤレス給電を検討します。 センサー・IoT機器・移動ロボットなど、 ケーブルや接点を設けにくい機器への 新しい電力供給手段として研究・試作開発を進めています。
空間伝送
接触・近接することなく、 離れた受電器へ電力を供給。
移動体追従
受電器位置に合わせて ビーム方向を電子的に制御。
複数機器給電
複数の受電器へ 時分割・優先度制御で給電。
マイクロ波ワイヤレス給電をご相談ください
必要電力、伝送距離、周波数、 受電対象、アンテナサイズ、 移動の有無、設置環境などを伺い、 空間伝送型ワイヤレス給電の試作・評価をご提案します。
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