ATR研发为空中无人机无线供电的新技术

  随着无人机在社会中的普及，其应用范围有望拓展至体育赛事观看、物流、农业，甚至灾害期间的信息收集和通信恢复等诸多领域。然而，常规无人机的电池容量有限，且续航时间较短（约30分钟至1小时）。日本国际尖端电信研究所（ATR）波工程实验室研究员松村隆之领导的研究小组，开发出一种微波向飞行中的无人机无线传输电力的新技术。该技术形成一种被称为“空心光束”的特殊光束，可以在不影响无人机摄像头和其他设备的情况下为其供电。    该系统使用一种称为“空心梁”的特殊技术来解决电力传输过程中的干扰问题。而且要以无线方式传输电力，必须在无人机底部安装“整流天线”来接收电力。这会导致无线电干扰以及对无人机任务设备（例如摄像头）的物理干扰等问题。    在实验中，将空心梁传输的电力转换为直流电，成功仅点亮了远离无人机中心的LED，而中心LED没有点亮，这证实干扰被避免了。该技术将成为无人机在飞行过程中执行各种任务时供电的基础，预计未来无线电力传输将得到实际应用并应用于各种领域。    此项研究成果将于2025年5月28日在东京国际展览中心举办的“Wireless Japan x Wireless Technology Park (WTP) 2025”上展出。

    首先ATR根据传输距离以及发射和接收天线的尺寸，设计了形成空心波束所需的振幅和相位分布。空心波束的特点是，从天线发射的无线电波的相位以螺旋状旋转，导致无线电波在传播轴上相互抵消，从而导致中心处的功率为零。    基于此设计，ATR开发了直径30厘米的发射天线，可在24GHz频段产生空心波束。此外，ATR还开发了5厘米见方的轻型整流天线作为接收天线，并在无人机底部以扁平状布置了19个。每个整流天线都配备了LED，以便通过灯光确认电力传输的位置。为了评估该系统的性能，ATR在距离发射天线1米处安装了整流天线面板，并进行了实验（图4）。结果确认，无人机中心周围的LED灯亮起，且不会对无人机中心造成影响（上图2）。未来，随着发射天线尺寸的进一步增大，ATR期待能够实现更大功率、更远距离的无线电力传输。

未来展望

    这项研究的结果表明，可以在无线电力传输系统中，在波束中心创建一个可避免干扰的区域。这项技术将从根本上解决电力传输与无人机上搭载的摄像头和各种任务设备之间的干扰问题。该技术是实现无人机通过地面供电实现长距离飞行和执行各种任务的重要一步，并有望应用于远距离无线电力传输等各个领域。

术语*1) 空心光束：一种特殊光束，其无线电波传输中心的强度为零。它具有涡旋相位分布，也称为轨道角动量 (OAM) 模式或拉盖尔-高斯模式。

*2) 整流天线：一种接收微波并将其转换为直流电的装置。它是“整流”和“天线”的合成词，用于无线电力传输系统的受电侧。