宇宙太陽発電 Vol.6 (2021), pp. 38-41
（ ） 38 －シンポジウム論文－
整流効率を考慮した HAPS に向けたマイクロ波送電システム検討
†A Study on Microwave Power Transfer System to High Altitude Platform
Station Considering Rectification Efficiency
中 本 悠 太*1‡・長 谷 川 直 輝*1・太 田 喜 元*1・篠 原 真 毅*2
Yuta NAKAMOTO, Naoki HASEGAWA, Yoshichika OHTA and Naoki SHINOHARA
成層圏プラットフォーム(HAPS:High Altitude Platform Station)は発展途上国や山岳部などでの通信エリア拡大 や災害時通信への活用が期待されている．HAPS を長期間運用するために昼夜関係なく安定した電源供給源とし てマイクロ波無線電力伝送が検討されている．本研究ではビーム効率と整流効率を含めた伝送効率を元に送電 アンテナ形状や周波数，飛行経路についてのシステム検討を行う．
High altitude platform station (HAPS) is a telecommunication platform in the stratosphere and its communication area is expected to expand in developing countries and mountain areas. Microwave power transmission (MPT) is considered as a stable power for long-term operation of HAPS, regardless of day or night. In this paper, we study the MPT system based on the transmission efficiency, including beam transmission and rectification efficiencies, and also study the transmitter antenna shape, frequency, and flight path.
Keywords：Microwave Power Transfer, High Altitude Platform Station, Wireless Power Transfer, Phased Array Antenna 1. は じ め に 発展途上国や山岳部などの通信環境が整っていない地域 や災害時において広域で安定した通信環境への需要が高ま っており，成層圏プラットフォーム（HAPS：High Altitude Platform Station）が新しい通信インフラとして注目を集めて いる1)．さらに，太陽電池の性能改善や飛行機素材の改良な どの技術的進展があり，細長いソーラープレーン型の無人航 空機が現実味を帯びてきており，実用化・産業化検討が進め られている2~5)． しかし，HAPS を長期間運用するには無人航空機への電力 供給が重要な課題となる．従来はソーラーパネルと再生型燃 料電池を使用した運用が想定されてきた．しかし，夜間での 発電量減少や再生型燃料電池の重量増加が大きな課題であ った．そこで，無人航空機への安定した軽量な電力供給とし てマイクロ波電力伝送を用いた運用が提案されている6)．さ らに，HAPS へのマイクロ波電力伝送は宇宙太陽発電におけ るマイクロ波電力伝送技術の発展に大きく寄与すると期待 される7)． これまで HAPS へのマイクロ波無線電力伝送技術につい て多くの研究が進められてきた 8,9)．カナダでは，飛行機に マイクロ波電力伝送を行う SHARP 構想も研究されてきた10)． しかし，これらの先行研究では送受電アンテナを円形と想定 し，送電アンテナも大規模である．そこで本研究では技術的 な進歩がある細長いソーラープレーン型の無人航空機を想 定する，さらに 5G により開発が進められているミリ波を視 野に入れて、高周波化による送電アンテナの小規模化を検討 する．そのため，本研究では細長い長方形型の受電アンテナ を想定して，周波数，送電アンテナ形状，飛行経路などを考 慮し，飛行経路全体で平均直流電力が最大となるマイクロ波 送電システムを検討する． 2. HAPS へのマイクロ波送電システム 2.1 マイクロ波送電システムの概要 成層圏プラットフ ォームへのマイクロ波送電システムの概形を第 1 図に示す． 無人航空機は高度約 20 km を飛行しており，無人航空機に向 けて地上の送電アンテナから無人航空機下面の受電アンテ ナへマイクロ波で電力を供給する．受電アンテナは無人航空 機の形状から最大限設置できる 2 m×80 m を想定する．地上 の送電アンテナとしては大規模な送電アンテナを構築が容 易で，電気的なビーム制御が可能なフェーズドアレイアンテ ナを想定する．送電アンテナの電界分布として振幅は一様で， 位相は受電アンテナの中心で焦点を結ぶ分布を想定する． さらに，一般的なマイクロ波送電システム構成を第 2 図に 示す．送電アンテナから受電アンテナへのマイクロ波の空間 伝搬部分の効率をビーム効率とし，受電アンテナで受電した 電力を整流回路で整流する効率を整流効率とする．周波数と † 第 6 回宇宙太陽発電シンポジウム，2020 年 12 月 4-5 日，オンラ インにて発表
‡ Corresponding author: Yuta NAKAMOTO. E-mail:yuta.nakamoto@g.softbank.co.jp
＊1 ソフトバンク株式会社 基盤技術研究室
〒135-0064 東京都江東区青海 2-5-10 テレコムセンタービル東棟 19F
R&D Dept. Technology Lab. Softbank Corp., Telecom Center Bldg. East Tower 19F, 2-5-10, Aomi, Koto-ku, Tokyo 135-0064, Japan
＊2 京都大学 生存圏研究所
〒601-0011 京都府宇治市五ヶ庄,
Research Institute of Humanosphere Kyoto Univ., Gokasho, Uji-shi, Kyoto, 611-0011, Japan
流効率を考慮した HAPS に向けたマイクロ波送電システム検討（中本悠太・長谷川直輝・太田喜元 他） （ ） 39 送電アンテナ形状についてはビーム効率を元に検討を行い， 飛行経路まで含めた検討では，ビーム効率と整流効率を合わ せた伝送効率で検討を行う． 2.2 ビーム効率計算手法 全ての送電アンテナ素子から の放射電界を足し合わせることで，受電アンテナ上の電力密 度分布を計算し，伝送効率を求める．第 3 図がビーム効率計 算手法の概要図である．Eimはアンテナ素子 i がある点 m に 作る放射電界ベクトルである．本検討では，Eimとして微小 ダイポールの放射電界ベクトルを想定する．ある点 m にお ける合成電界ベクトル Em，合成磁界ベクトル Hmは式(1)で 表される． ⎩ ⎪ ⎨ ⎪ ⎧𝐸𝐸𝑚𝑚= � 𝐸𝐸𝑖𝑖𝑚𝑚 𝑛𝑛 𝑖𝑖=1 𝐻𝐻𝑚𝑚= � 𝐻𝐻𝑖𝑖𝑚𝑚 𝑛𝑛 𝑖𝑖=1 このとき，点 m における複素ポインティングベクトルは 式(2)で表される． 𝑆𝑆𝑚𝑚= 𝐸𝐸𝑚𝑚× 𝐻𝐻𝑚𝑚∗ これより点 m での電力密度を計算でき，受電アンテナ上 の点での電力密度を積分することで，ビーム効率 𝜂𝜂𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑚𝑚 を 式(3)で計算することができる． 𝜂𝜂𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑚𝑚 =𝑃𝑃𝑃𝑃Ψ Ω = ∫ 12𝑅𝑅𝑅𝑅[𝑆𝑆Ψ 𝑧𝑧]𝑑𝑑Ψ ∫ 12𝑅𝑅𝑅𝑅[𝑆𝑆Ω 𝑧𝑧]𝑑𝑑Ω Ψは受電アンテナの範囲を，Ωは送電アンテナの上半分の 全範囲を，𝑃𝑃Ψは受電電力を，𝑃𝑃Ωは空間の上半分に放射された 全放射電力を表す． 2.3 伝送効率計算手法 無人航空機が回転した場合に受 電アンテナ中心と受電アンテナ端で電力差が生じるため，受 電アンテナ端では整流効率が低下し，システム全体の効率が 低下する可能性が考えられる．そのため，ビーム効率に加え て，整流回路での整流効率も考慮して検討する必要がある． ビーム効率計算の際に求めた受電アンテナ上での電力密 度分布から受電アンテナ素子ごとの受電電力を求める．受電 アンテナ 1 素子の入力電力は小さいため，想定する整流回路 への入力電力に合わせて受電アンテナ素子をサブアレイ化 する．サブアレイごとの受電電力を整流回路への入力電力と し，それに対応する整流効率を掛け合わせて，受電アンテナ 全体で得られる直流電力を計算し，伝送効率を求める． 3. HAPS へのマイクロ波送電システム検討 3.1 周波数と送電アンテナ形状についての検討 まず， 周波数と送電アンテナ形状についてビーム効率に基づいて 検討を行う．受電アンテナを無人航空機の形状から 2 m×80 m の長方形，高度 20 km を想定する．マイクロ波電力伝送で は比較的規制が緩やかな ISM バンドでの研究が進められて いるため，周波数は 5.8 GHz，24 GHz に注目して検討を行 う．送電アンテナ面積は限られた面積での送電を想定して， 100 平方メートルとする． 第 4 図に周波数，送電アンテナ形状を変化させた場合のビ ーム効率を示す．送電アンテナ形状としては，40 m×2.5 m， 10 m×10 m，2.5 m×40 m の 3 種類を比較した．このとき， 周波数が高くなるにつれて，高いビーム効率が得られている． これは周波数が高くなるにつれて，波長が短くなり，アンテ ナ 1 素子は小規模になる．同面積の送電アンテナを想定した 場合，アンテナ素子数が増大するため，高いビーム効率が得 られる．さらに，送電アンテナ形状は細長い受電アンテナに 対して垂直な長方形を設置することで高いビーム効率が得 られる．このとき，周波数を 24 GHz，送電アンテナを 40 m ×2.5 m とすることで，ビーム効率が 20 %程度得られる．こ れを元に以降の検討を行う． 第 1 図 HAPS へのマイクロ波送電システム概形 第 2 図 一般的なマイクロ波送電システム構成 (1) (2) (3) 第 3 図 ビーム効率計算手法 第 4 図 周波数，送電アンテナ形状とビーム効率の関係
宇宙太陽発電 Vol.6 (2021), pp. 38-41 （ ） 40 3.2 飛行経路についての検討 無人航空機は飛行経路上 を移動するため，飛行経路全体での受電電力を検討する必要 がある．無人航空機は広範囲な通信エリアを確保するために 様々な飛行経路を飛行することが想定されている．本研究で は，半径 3 km の円形を描く飛行経路10)，送電アンテナ直上 を飛行する直線経路を円形の飛行経路に追加する飛行経路 11) について検討を行う．さらに，無人航空機が回転した場合 に受電アンテナ中心と端で電力差が生じ，整流効率が低下す ることが考えられるため，整流効率も含めて検討を行う． 本研究では 24 GHz の整流回路として先行研究の整流回路 を用いることを仮定する12)．入力電力が 100 mW 以上で整 流効率が 50 %以上を達成している．ここで，無人航空機に マイクロ波電力伝送で必要とされる電力は 2 kW である．こ のとき，24 GHz を想定し，アンテナ素子間隔を 0.7 波長と すると，受電アンテナ素子数は 2.09×106 個となる．整流効 率 50%を仮定すると，アンテナ 1 素子の直流電力，受電電力 をそれぞれ 0.95 mW，1.9 mW とすると受電アンテナ全体で 2 kW 得られる．さらに，受電アンテナを 8×8 素子のサブア レイとして受電電力を合成することを仮定すると，整流回路 へは 122 mW の電力が入力されることとなり，必要な整流回 路への入力電力と合致する． これにより飛行経路上でのビーム効率と伝送効率を計算 した結果を第 5 図，第 7 図に示す．各飛行経路上での地点で のビーム効率を青で，整流効率を含めた伝送効率を橙で表す． 各地点において受電アンテナの中心に送電ビームが焦点を 結ぶように送電アンテナの位相分布を設定している．さらに， 各場合における平均効率を第 1 表にまとめる．送電アンテナ が正方形で，飛行経路が円形の場合を第 5 図に示す．飛行経 路上の地点に関わらず，ビーム効率が一定であり，平均ビー ム効率は 7.5 %となる．第 6 図に各地点での整流効率分布を 示す．送電アンテナが正方形の場合，無人航空機が回転して も受電アンテナ上での整流効率分布は大きく変化しない．そ のため，整流効率を考慮しても回転した場合に伝送効率はそ れほど低下せず，平均的に電力を得ることができ，平均伝送 効率は 4.1 %となる．第 7 図に送電アンテナが長方形で，飛 行経路が円形＋直線の場合の伝送効率を示す．送電アンテナ が長方形の場合，無人航空機が回転する円形の飛行経路の部 分ではビーム効率が大幅に低下する．それに，直線経路を追 加することで，直線部分では高いビーム効率が得られて，飛 行経路全体で考えると平均ビーム効率は第 5 図より高く， 12.0 %を達成する．さらに，各地点での整流効率分布を第 8 図に示す．送電アンテナ形状を長方形にする場合，無人航空 機が回転しない場合には整流効率分布に大きな電力差がな いが，無人航空機が回転する場合には整流効率分布に大きな 差が発生する．しかし，回転した場合にはビーム効率自体が 低いため，整流効率が低下しても飛行経路全体の伝送効率へ の影響は少ない．第 7 図の場合，整流効率まで含めた平均伝 送効率は 6.6 %となる． この結果より，送電アンテナ形状を長方形，飛行経路を円 形＋直線とすることで，飛行経路全体で高い平均伝送効率が 得られ，放射電力を 30 kW を想定すると平均直流電力とし て目標の 2 kW に近い 1.97 kW を得ることが確認できる． 4. む す び 通信エリア拡大や災害時通信可能な新しい通信インフラ として注目を集めている HAPS を実現するため，HAPS の無 人航空機へのマイクロ波送電システムについて検討を行っ 第 1 表 送電アンテナ形状・飛行経路ごとの平均伝送効率 図番号 第 5 図 第 7 図 送電アンテナ形状 正方形 (10 m×10 m) 長方形 (40 m×2.5 m) 飛行経路 円形 円形＋直線 平均ビーム効率 7.5 % 12.0 % 平均伝送効率 4.1 % 6.6 % 平均直流電力 （放射電力：30kW） 1.23 kW 1.97 kW 第 5 図 飛行経路による伝送効率 （送電アンテナ：正方形，飛行経路：円形） 第 6 図 各地点での整流効率分布 （送電アンテナ：正方形，飛行経路：円形） 第 7 図 飛行経路による伝送効率 （送電アンテナ：長方形，飛行経路：円形＋直線） 第 8 図 各地点での整流効率分布 （送電アンテナ：長方形，飛行経路：円形＋直線）
流効率を考慮した HAPS に向けたマイクロ波送電システム検討（中本悠太・長谷川直輝・太田喜元 他） （ ） 41 た．技術的な進展がある細長いソーラープレーン型の無人航 空機を想定し，5G により開発が進められているミリ波を視 野に入れて、高周波化による送電アンテナの小規模化を目指 し，周波数，送電アンテナ形状，飛行経路などのマイクロ波 送電システムを検討した． 限られた面積の送電アンテナを想定した場合，細長い受 電アンテナに対して，送電アンテナ形状も長方形とし，飛行 経路を円形経路に送電アンテナ直上を飛行する直線経路を 追加することで，整流効率も含めた平均伝送効率が最も高く なることが確認された． 参 考 文 献
1) R. Miura and M. Oodo: Wireless communications system using stratospheric platforms: R and d program on telecom and broadcasting system using high altitude platform stations, Journal of the Communication Research Laboratory, 48 (2001), pp. 33-48.
2) d’Oliveira, Flavio Araripe, Francisco Cristovão Lourenço de Melo, and Tessaleno Campos Devezas: High-altitude platforms—Present situation and technology trends, Journal of Aerospace Technology and Management, 8 (2016), No. 3, pp. 249-262.
3) A.K. Widiawan and R. Tafazolli: High altitude platform station (haps): A review of new infrastructure development for future wireless communications, Wireless Personal Communications, 42 (2007), no.3, pp. 387-404.
4) Y. Shibata, N. Kanazawa, K. Hoshino, Y. Ohta, and A. Nagate: A study on cell configuration for haps mobile communications, IEEE 89th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Spring) (2019), pp. 1-6. 5) K. Hoshino, S. Sudo, and Y. Ohta: A study on antenna beamforming
method considering movement of solar plane in haps system, IEEE 90th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Fall) (2019), pp. 1-5.
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7) P.E. Glaser: Power from the Sun: Its Future, Science, 162, no.3856 (1968), pp. 857-861. 8) 藤野義之，藤田正晴，伊藤猛男: レクテナを用いたモータ駆動実 験と MILAX 飛行実験(成層圏無線中継システムのためのマイ クロ波電力伝送技術特集)， 通信総合研究所季報，44，no.3 (1998)， pp. 113-120． 9) 藤野義之，藤田正晴: 成層圏無線中継システム用送電アンテナ ビーム制御方式の提案(成層圏無線中継システムのためのマイ クロ波電力伝送技術特集)， 通信総合研究所季報，44，no.3 (1998)， pp. 175-181.
10) J.J. Schlesak, A. Alden, and T. Ohno: A microwave powered high altitude platform, Microwave Symposium Digest,1988., IEEE MTT-S InternationalIEEE (1988), pp. 283-286.
11) R. Miura, M. Maruyama, M. Suzuki, H. Tsuji, M. Oodo, and Y. Nishi: Experiment of telecom/broadcasting mission using a high-altitude solar-powered aerial vehicle pathfinder plus, The 5th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications, 2 (2002), pp. 469-473.
12) K. Hatano, N. Shinohara, T. Seki, and M. Kawashima: Development of mmic rectenna at 24ghz, 2013 IEEE Radio and Wireless Symposium (2013), pp. 199-201.
