KR101630377B1 - 무선 전력 전송 시스템에서 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 부 송신기를 이용하여 송신 전력을 빔포빙하는 장치 및 방법을 제공한다. 송신전력 빔포밍 장치는 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신하는 정보 수신부, 상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되고, 주 송신부로부터 수신되는 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전달하는 적어도 하나 이상의 부 송신부 및 상기 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 상기 부 송신부를 통하여 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전송하는 주 송신부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMIT POWER BEAMFORMING USING SUB-TRANSMITTER IN WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEMS}

기술분야는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 전력을 빔포밍하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다.

하지만, 무선 전력 전송 시스템에서 전력 수신은 전력 송신기와 전력 수신기간의 거리가 멀어질수록 수신효율이 감소하게 되고, 특정한 거리 이상으로 송수신기간 거리가 멀어지게 되면 전력 송수신 및 데이터 통신이 거의 불가능하게 된다. 따라서 전력 수신기가 전력 송수신 가능영역(이하 "송전영역"이라 함) 밖에 위치하는 경우에는 무선 전력 전송이 불가능하다.

또한, 무선 전력전송 시스템에서 전력송신기로부터 나오는 전자기 관련 신호는 전력수신을 원하지 않는 주변기기에 전자기 간섭효과를 발생시킬 수 있다. 즉, 전력송신기로부터 방출되는 자계 등 전자기 관련 에너지 장이 전력을 수신하고자 하는 전력수신기뿐만 아니라 전력수신을 원하지 않는 주변기기들에게도 영향을 미칠 수 있다. 이렇게 전자기 에너지로 인해 주변기기에 미치는 간섭을 전자기 간섭 (Electromagnetic Interference, EMI, 전자파 장애) 이라고 한다. 전자기 간섭은 주변기기의 정상적인 동작을 방해하거나 원하지 않는 전력수신, 잡음 및 여러 가지 장애현상을 일으키게 된다.

일 측면에 있어서, 송신전력 빔포밍 장치는 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신하는 정보 수신부, 상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되고, 주 송신부로부터 수신되는 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전달하는 적어도 하나 이상의 부 송신부 및 상기 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 상기 부 송신부를 통하여 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전송하는 주 송신부를 포함한다.

상기 부 송신부는 상기 타겟 수신기로부터 전력전송 요청 신호를 수신하면 활성화(wake-up)되고, 전력전송 요청이 수신되지 않는 경우 비활성화 모드(sleep mode)로 유지될 수 있다.

상기 부 송신부는 상기 타겟 수신기로부터 전력전송 요청신호를 수신하는 정보 수신부, 상기 요청신호를 수신하면 전력전송이 가능한 상태로 준비되는 상태 준비부, 상기 전력전송이 가능한 상태로 준비되면 상기 주 송신부로 전력전송 요청신호를 송신하는 전송 요청신호 송신부 및 상기 주 송신부로부터 전력을 전송받아 상기 타겟 수신기에 전달하는 릴레이부를 포함할 수 있다.

상기 주 송신부는 상기 전달 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 전력 전송을 시작할 수 있다.

상기 정보 수신부는 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하고, 상기 주 송신부는 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 주 송신부의 송전 영역에 상기 타겟 수신기가 위치한 경우에는 상기 부 송신부를 이용하지 않고 직접 전력전송을 수행할 수 있다.

상기 타겟 수신기는 상기 타겟 수신기에서 가장 가까운 상기 부 송신부를 탐색하는 탐색부, 상기 탐색된 부 송신부에 전력전송 요청신호를 송신하는 정보 송신부, 상기 요청신호를 수신한 상기 부 송신부로부터 전력을 수신하는 전력 수신부를 포함할 수 있다.

상기 탐색부는 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 오브 밴드(Out of Band) 통신을 통하여 상기 타겟 수신기에 가장 가까운 상기 부 송신부를 탐색하고, 상기 아웃 오브 밴드 통신을 통하여 탐색하는 경우는 상기 부 송신부와 상기 타겟 수신기의 위치정보를 교환하여 상기 부 송신부의 송전 영역으로 유도될 수 있다.

일 측면에 있어서, 송신전력 빔포밍 장치는 타겟 수신기로부터 전력전송 요청신호 및 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하는 정보 수신부, 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부 사이에서 일직선을 이루는 위치로 이동하는 부 송신부 및 상기 수신된 전력전송 요청신호에 기초하여 상기 부 송신부를 통하여 전력을 전송하는 주 송신부를 포함한다.

상기 부 송신부는 상기 주 송신부와 일직선 축으로 연결되어 상기 주 송신부를 기준으로 360도 회전할 수 있다.

상기 주 송신부는 상기 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여, 상기 타겟 수신기와 상기 주 송신부 사이에서 일직선의 위치에 놓이도록 상기 부 송신부를 회전시킬 수 있다.

상기 주 송신부는 상기 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여, 상기 주 송신부의 송전 영역에 상기 타겟 수신기가 위치한 경우에는 상기 부 송신부를 이용하지 않고 직접 전력전송을 수행할 수 있다.

일 측면에 있어서, 송신전력 빔포밍 방법은 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신하는 단계, 상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되고, 주 송신부로부터 수신되는 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전달하는 단계 및 상기 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 상기 부 송신부를 통하여 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전송하는 단계를 포함한다.

일 측면에 있어서, 송신전력 빔포밍 방법은 타겟 수신기로부터 전력전송 요청신호 및 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하는 단계, 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부 사이에서 일직선을 이루는 위치로 이동하는 단계 및 상기 수신된 전력전송 요청신호에 기초하여 부 송신부를 통하여 전력을 전송하는 단계를 포함한다.

복수개의 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치 및 회전 가능한 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치를 통하여 전력 송수신이 가능한 거리를 증가시켜 준다.

또한, 복수개의 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치 및 회전 가능한 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치를 통하여 전력수신을 원하지 않는 주변기기들에게 미치는 전자기 간섭을 제거 및 완화시킨다.

도 1은 일측에 따른 이동체를 이용한 전력송신 장치의 블록도이다.
도 2는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신전력 빔포밍 장치의 블록도이다.
도 3은 일측에 따른 송전영역 확장 및 전자기 간섭 완화를 위한 복수개의 부 송신기의 활용을 나타낸 도면이다.
도 4는 일측에 따른 송전영역 확장 및 전자기 간섭 완화를 위한 회전 가능한 부 송신기의 활용을 나타낸 도면이다.
도 5는 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 커패시터의 삽입 위치를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 9는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 부 송신부를 이용하는 송신전력 빔포밍 방법의 흐름도이다.
도 10은 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 이동 가능한 부 송신부를 이용하는 송신전력 빔포밍 방법의 흐름도이다.

이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 무선 전력전송 시스템에 이용되는 무선전력전송 기술을 설명한다. 무선전력전송 기술은 크게 전자기 유도 방식, 전파 수신 방식, 전장 혹은 자장의 공진방식 등 3가지 방식으로 구분할 수 있다.

첫째, 전자기 유도 방식은 서로 다른 두 개의 코일을 가까이 접근 시킨 후 한쪽 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 자속이 발생하게 되고 이를 통해 다른 코일 한쪽에도 기전력이 발생하는 현상을 이용한다. 전자기 유도방식은 전력 이용 효율이 대략 60~98%에 이르는 등 고효율 및 실용화가 가장 많이 진행되어 있다.

둘째, 전파 수신 방식은 전파 에너지를 안테나로 수신하여 이용하는 것으로 교류 전파 파형을 정류회로를 통해 직류로 변환하여 전력을 얻는다. 전파수신방식은 가장 긴 거리간(수 m 이상) 무선전력전송이 가능하다.

셋째, 공진방식은 전장 혹은 자장의 공진을 이용한 것으로 기기간에 동일 주파수로 공진하여 에너지를 전달한다. 자장의 공진을 이용하는 경우 LC공진기 구조를 활용한 자계공진(magnetic resonance coupling)을 이용하여 전력을 발생시킨다. 자계공진방식은 사용 주파수의 파장에 비해 짧은 거리의 근접장(near field)효과를 이용하는 기술로써, 전파 수신 방식과는 달리 비방사형(non-radiative) 에너지 전송이며, 송수신부간의 공진주파수를 일치시켜 전력을 전송한다. 자계공진방식을 통해 전력 전송효율은 약 50~60% 정도로 높아지며, 이 정도의 효율은 전파 방사를 통한 전파 수신형 보다 상당히 높은 것이다. 송수신기간 거리는 약 수 m로써, 비록 전파 수신 방식보다는 근거리에서 사용되는 기술이나, 수 mm 이내의 전자 유도형 방식보다는 매우 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하게 된다.

도 1은 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1의 예에서, 무선 전력 전송 시스템을 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 공진 전력 전송 장치(110)와 타겟에 해당하는 공진 전력 수신 장치(120)를 포함한다.

공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 이때, 외부의 전압 공급원은 AC, DC 및 배터리 등이 될 수 있다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진 주파수 대역을 이용하여 공진 전력 수신 장치(120)에 데이터를 전송할 수 있다.

소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다. 또한, 소스부(111)는 고정된 위치에 있는 것이 아니라 움직이는 이동체를 통하여 이동하면서 타겟부(125)에 공전 전력을 전송할 수 있다. 예를 들면, 소스부(111)는 이동하는 로봇장치에 포함될 수 있다.

매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.

소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.

공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다. 또한, 공진 전력 수신 장치(120)는 공진 주파수 대역을 이용하여 공진 전력 전송 장치(110)으로부터 데이터를 전송받을 수 있다.

타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.

Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.

타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다. 상기 공진 전력을 수신할 수 있는 부하에는 디지털 액자, 스피커, 청소기, 드라이기, 면도기 등을 비롯한 다양한 가전제품, 노트북 PC, 컴퓨터 및 그 주변기기, 그리고 휴대폰, 디지털 카메라, 캠코더, MP3 player, PDA 등 각종 휴대기기, 이밖에 펨토셀 기지국, 다양한 센서 및 조명기기 등이 포함될 수 있다.

소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다. meta-structured 공진기에 대한 설명은 도 6이하에서 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 즉, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭이 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.

공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.

[수학식 1]

수학식 1에서, f0는 중심주파수,

는 대역폭,

는 공진기 사이의 반사 손실, BW_S는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BW_D는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BW_S 또는 1/BW_D를 의미한다.

한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.

즉, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진 전력 수신 장치 (120)와 전력뿐만 아니라 데이터의 교환도 가능하며 전력전송용 주파수대역을 동시에 같이 사용할 수도 있고 별도의 독립적인 주파수대역을 사용할 수도 있다. 공진 전력 수신 장치(120)는 전력을 수신하여 부하에 공급하게 된다. 이때 공진 전력 전송 장치(110)에서 방출된 에너지 장은 주변 시스템에 여러 가지 불필요한 영향을 줄 수 있다.

도 2는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 전송전력 빔포밍 장치의 블록도이다. 무선 전력 수신장치는 타겟 수신기를 포함한다.

도 2를 참조하면, 일측에 따른 송신전력 빔포밍 장치는 정보 수신부(210), 부 송신부(220), 주 송신부(230)를 포함한다.

정보 수신부(210)는 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신한다. 타겟 수신기는 인 밴드(In-Band) 또는 아웃 오브 밴드(Out of Band) 통신을 통하여 주위의 가장 가까운 송신부를 찾는다. 여기서 인 밴드(In-Band)는 주 송신부(230) 및 부 송신부(220)의 공진 주파수 대역과 동일한 주파수 대역을 의미하며 아웃 오브 밴드(Out of Band)는 공진 주파수 대역이 아닌 별도의 주파수 대역을 의미한다. 타겟 수신기는 송신부를 찾으면, 송신부로 무선 전력전송 요청신호를 송신한다. 따라서, 정보 수신부(210)는 무선 전력전송 요청신호를 수신한다. 또한, 정보 수신부(210)는 타겟 수신기의 위치정보를 수신할 수 있다.

또한, 부 송신부(220)는 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되고, 주 송신부로부터 수신되는 무선 전력을 타겟 수신기로 전달한다. 부 송신부(220)는 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에만 활성화(wake-up)되어 전력전송이 가능한 상태로 준비된다. 여기서, 무선 전력전송 요청신호는 정보 수신부(210)에 의해 수신될 수도 있고, 부 송신부(220)에 별도로 설치된 수신부에 의해 수신될 수도 있다. 전력전송이 가능한 상태라 함은 주 송신부로부터 전력을 전송받아 타겟 수신기로 전달할 준비가 됨을 의미한다.

또한, 부 송신부(220)는 주 송신부의 전력 전송이 가능한 송전 영역에 적어도 하나 이상 위치하여 타겟 수신기로부터 전력전송 요청 신호를 수신하면 활성화(wake-up)되고, 전력전송 요청이 수신되지 않는 경우 비활성화 모드(sleep mode)로 유지된다. 주 송신부의 송전 영역에 적어도 하나 이상 위치한 부 송신부(220)는 타겟 수신기와 가장 가까운 경우에만 전력전송 요청신호를 수신하여 활성화 된다. 즉, 타겟 수신기와 가장 가까운 부 송신부(220)만 활성화 됨으로써, 부 송신부(220)는 주 송신부(230)로부터 전력을 전달받아 전송한다. 따라서, 부 송신부(220)의 송전 영역만큼 전력 전송 거리가 확장되고, 주 송신부, 부 송신부 및 타겟 수신기 간에 전력 빔포밍이 가능하다. 타겟 수신기 방향에 위치한 부 송신기(220)가 활성화 되면, 주 송신부(230)의 전력이 부 송신부(220)로 자계공진 커플링(magnetic resonance coupling) 되고, 다시 부 송신부(220)의 전력이 타겟 수신기로 커플링(coupling) 된다. 따라서 부 송신부(220)를 켜놓은 방향으로, 자계공진 커플링(magnetic resonance coupling) 이 일어나는 거리가 증가하게 된다. 반면에 다른 부 송신부(220) 방향으로는 해당 부 송신부(220)가 꺼져 있기 때문에 전력전송 거리가 증가하지 않는다. 여기서 부 송신부(220)는 주 송신부(230)와 달리 AC전원이 연결되지 않도록 구현할 수 있다. 왜냐하면 주 송신부(230)에서 커플링(coupling)된 전력을 활용하여 그대로 재전송하면 되기 때문이다.

여기서 전력 빔포밍 개념은 기존의 스마트 안테나(smart antenna) 시스템에서 사용된 데이터 빔포밍 개념과는 조금 다르다. 즉, 기존의 스마트 안테나 시스템에서는 여러 개로 배열된 안테나 배열(array) 에서 각각의 위상을 제어하여 원하는 방향으로 데이터를 송수신하는 방법이었으나, 전력 빔포밍은 데이터가 아니라 "전력"을 원하는 방향으로 송수신하는 방법이다. 물론 전력전송으로 사용되는 주파수대역을 통해 데이터도 동시에 전송하는 경우를 고려하면 비슷한 개념이라고 볼 수도 있다. 그러나, 스마트 안테나 시스템에서는 안테나의 위상 제어를 통해 신호를 전송할 때 "far field"영역에서 "전자파 방사"를 통해 특정한 방향으로 송출되지만, 전력 빔포밍 방법은 자계 등과 같은 에너지장이 "near field"영역에서 "비방사형(non-radiative)"형태로 특정한 방향으로 형성되도록 한다.

또한, 부 송신부(220)는 수신된 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부(230) 사이에서 일직선을 이루는 위치(상기 타겟 수신기와 최단 거리의 위치로)로 이동한다. 부 송신부(220)는 타겟 수신기의 위치를 인식하고 있으므로 주 송신부(230)와 부 송신부(220) 및 타겟 수신기가 일직선이 되도록 이동할 수 있다. 부 송신부(220)는 이동체를 이용하여 이동할 수 있다. 여기서 이동체에는 로봇장치가 포함될 수 있다. 또한, 부 송신부(220)가 주 송신부(230)를 중심으로 한 원판형태의 회전판에 놓이고, 회전판이 회전함으로써 타겟 수신기와 일직선이 되도록 할 수 있다. 또한, 부 송신부(220)는 주 송신부(230)와 일직선 축으로 연결되어 상기 주 송신부를 기준으로 360도 회전 하여 타겟 수신기와 일직선을 이룰 수 있다. 여기서 부 송신부(220)의 회전은 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여 부 송신부(220)의 자체명령에 의해 이루어질 수도 있고, 주 송신부(230)의 회전 명령에 의해 이루어 질 수도 있다.

또한, 부 송신부(220)는 타겟 수신기로부터 전력전송 요청신호를 수신하는 정보 수신부, 상기 요청신호를 수신하면 전력전송이 가능한 상태로 준비되는 상태 준비부, 상기 전력전송이 가능한 상태로 준비되면 상기 주 송신부로 전력전송 요청신호를 송신하는 전송 요청신호 송신부 및 상기 주 송신부로부터 전력을 전송받아 상기 타겟 수신기에 전달하는 릴레이부를 포함할 수 있다.

또한, 주 송신부(230)는 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 부 송신부를 통하여 무선 전력을 타겟 수신기로 전송한다. 주 송신부(230)는 부 송신부를 통하여 무선 전력을 타겟 수신기에 전송하므로, 전력 빔포밍이 가능하다. 또한, 주 송신부(230)는 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 전력 전송을 시작할 수 있다. 주 송신부(230)는 대기 상태에 있다가 정보 송신부(210) 또는 부 송신부(220)가 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신하면 활성화(wake-up)되어 부 송신부(220)에 전력을 전송할 수 있다. 또한, 주 송신부(230)는 정보 수신부(210)가 수신한 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여 주 송신부(230)의 송전 영역에 상기 타겟 수신기가 위치한 경우에는 부 송신부(220)를 이용하지 않고 직접 전력전송을 수행할 수 있다. 또한, 주 송신부(230)는 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여, 상기 타겟 수신기와 상기 주 송신부(230) 사이에서 일직선의 위치에 놓이도록 부 송신부(220)를 회전시킬 수 있다. 주 송신부(230)와 부 송신부(230)는 안테나의 방향을 서로 일치시킴으로써, 가장 커플링(coupling)이 잘 일어날 수 있도록 할 수 있고, 따라서 전력 빔포밍의 세기를 최대화시킬 수 있다.

또한, 타겟 수신기는 상기 타겟 수신기에서 가장 가까운 부 송신부(220)를 탐색하는 탐색부, 상기 탐색된 부 송신부(220)에 무선 전력전송 요청신호를 송신하는 정보 송신부, 상기 요청신호를 수신한 상기 부 송신부(220)로부터 전력을 수신하는 전력 수신부를 포함할 수 있다. 탐색부는 인 밴드를 통하여 부 송신부(220)와 데이터를 교환할 수 있다. 여기서 데이터는 타겟 수신기의 위치정보, 무선 전력전송 요청신호를 포함할 수 있다. 탐색부는 데이터의 교환을 통해 타겟 수신기에서 가장 가까운 부 송신부(220)를 탐색할 수 있다. 또한, 탐색부는 아웃 오브 밴드(Out of Band) 통신을 통하여 타겟 수신기에 가장 가까운 부 송신부(220)를 탐색할 수 있다. 탐색부가 아웃 오브 밴드 통신을 통하여 탐색하는 경우에는 상기 부 송신부(220)와 상기 타겟 수신기의 위치정보를 아웃 오브 밴드 통신을 통하여 교환함으로써 상기 부 송신부(220)의 송전 영역으로 유도될 수 있다. 정보 송신부는 상기 데이터를 부 송신부(220)에 전송하고, 부 송신부(220)는 주 송신부(230)로부터 전력을 전송받아 전력 수신부에 전달한다.

도 3은 일측에 따른 송전영역 확장 및 전자기 간섭 완화를 위한 복수개의 부 송신기의 활용을 나타낸 도면이다.

주 송신부(230)와 타겟 수신기와의 거리가 멀거나 다른 방향의 주변기기로 전력전송을 원하지 않는 경우, 즉 주변기기에 미치는 전자기 간섭의 영향을 줄이기 위해 주 송신(230) 주위에 여러 개의 부 송신부(220)들을 설치하고 타겟 수신기 방향에 위치한 부 송신부(220)를 활성화(wake-up)시켜 동작시킴으로써 전력송수신이 가능하도록 한다. 도 3을 참조하면, 타겟 수신기는 가장 가까이에 위치한 부 송신부1을 탐색하고, 타겟 수신기는 부 송신부1에 무선 전력전송 요청신호를 전송함으로써 부 송신부1을 활성화시킨다. 활성화 된 부 송신부1은 주 송신부로부터 전력을 전송받아 타겟 수신기에 전력을 전달한다. 따라서, 부 송신기1의 방향으로 주 송신부의 전력 전송거리가 확장되는 것과 같다.

도 4는 일측에 따른 송전영역 확장 및 전자기 간섭 완화를 위한 회전 가능한 부 송신기의 활용을 나타낸 도면이다.

주 송신부(230)와 타겟 수신기와의 거리가 멀거나 다른 방향의 주변기기로 전력전송을 원하지 않는 경우, 주 송신부(230)와 일직선 축으로 연결된 부 송신부를 설치하고 기계적으로 회전 가능하도록 하여 타겟 수신기 방향으로 전력송수신이 가능하도록 한다. 타겟 수신기가 부 송신부(220)를 탐색하면, 주 송신부(230)는 부 송신부(220)와 타겟 수신기가 동일한 방향에 위치하도록 회전시켜 가장 커플링(coupling)이 잘 일어날 수 있도록 할 수 있고, 따라서 전력 빔포밍의 세기를 최대화시킬 수 있다.

도 5는 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.

도 5을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송 선로(510) 및 커패시터(520)를 포함한다. 여기서 커패시터(520)는 전송 선로(510)의 특정 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터에 갇히게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 meta-structured 공진기는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 도 5에 도시된 것과 달리 공진기는 전송 선로가 x, z평면에 배치된 2차원 구조로의 구현될 수 있다.

커패시터(520)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로(510)에 삽입된다. 커패시터(520)가 전송 선로(510)에 삽입됨에 따라 상기 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.

여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.

이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다.

상기 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(510)에 삽입된 직렬 커패시터(520)에 집중되므로, 직렬 커패시터(520)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.

또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(520)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, MNG 공진기는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(530)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(530)는 MNG 공진기와의 결합을 위해 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(530)에 의해 MNG 공진기의 임피던스는 조절된다. 그리고, 전류는 커넥터(540)를 통하여 MNG 공진기로 유입되거나 MNG 공진기로부터 유출된다.

또한, 도 5에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 MNG 공진기가 갖는 특성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.

도 6은 도 5에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 공진기는 도 6에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 6의 등가 회로에서 C_L은 도 5의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.

이 때, 도 5에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는

를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수

는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.

[수학식 2]

상기 수학식 2를 참조하면, 공진기의 공진 주파수

는

에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수

와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수

와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.

도 7은 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송선로부(710) 및 커패시터(720)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기는, 피딩부(730)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

전송선로부(710)는 복수의 전송 선로 쉬트(Sheet)가 병렬로 배치된다. 복수의 전송 선로 쉬트가 병렬로 배치되는 구성은, 도 8을 통하여 보다 상세하기 설명하기로 한다.

커패시터(720)는, 전송선로부(710)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(720)는 전송선로부(710)의 중단에 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(720)에 갇히게 된다.

커패시터(720)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로부(710)에 삽입될 수 있다. 커패시터(720)가 전송 선로부(710)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.

피딩부(730)는 MNG 공진기에 전류를 공급(feeding)하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 피딩부(730)는, 공진기로 공급되는 전류를 복수의 전송 선로 쉬트로 균등하게 분배되도록 설계될 수 있다.

도 8은 도 7의 커패시터(720)의 삽입 위치를 상세하게 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 커패시터(720)는 전송선로부(710)의 중단부에 삽입된다. 이때, 전송선로부(710)의 중단부는 커패시터(720)가 삽입될 수 있도록 오픈(open)된 형태일 수 있으며, 각각의 전송 선로 쉬트들(710-1, 710-2, 710-n)은 중단부에서 서로 병렬 연결된 형태로 구성될 수 있다.

도 9는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 부 송신부를 이용하는 전송전력 빔포밍 방법의 흐름도이다.

무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.

소스는 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호를 수신하고, 상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되며, 상기 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 부 송신부를 통하여 무선 전력을 상기 타겟 수신기로 전송한다.

도 9를 참조하면, 타겟 수신기는 가장 가까운 부 송신부를 탐색(910)하고, 가장 가까운 부 송신부가 탐색되면, 부 송신부에 무선 전력전송 요청신호를 전송(920)한다. 탐색된 부 송신부는 무선 전력전송 요청신호를 수신하면 전력전송 가능한 상태로 준비되어 활성화(wake-up)(930)된다. 부 송신부는 주 송신부에 무선 전력전송 요청신호를 전송(940)하고, 주 송신부는 부 송신부로 전력을 전송(950)한다. 부 송신부는 주 송신부로부터 전달받은 전력을 타겟 수신기로 전송한다(960).

도 10은 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 이동 가능한 부 송신부를 이용하는 전송전력 빔포밍 방법의 흐름도이다.

무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.

소스는 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호 및 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하고, 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부 사이에서 일직선을 이루는 위치로 이동하며, 상기 수신된 무선 전력전송 요청신호에 기초하여 부 송신부를 통하여 전력을 전송한다.

도 10을 참조하면, 타겟 수신기는 가장 가까운 부 송신부(1001) 또는 주 송신부(1003)를 탐색하고, 자신의 위치를 파악하여 위치정보를 생성한다(1005). 타겟 수신기는 위치 정보(1007) 및 전력전송 요청신호(1009)를 부 송신부로 전송하고, 부 송신부는 수신한 타겟 수신기의 위치 정보(1011) 및 전력전송 요청신호(1013)를 주 송신부로 전송한다. 부 송신부는 주 송신부 및 타겟 수신기와 일직선을 이루는 위치로 이동(1015)하여 전력 빔포밍을 준비한다. 주 송신부는 수신한 전력전송 요청신호에 대응하여 부 송신부로 전력을 전송(1017)하고, 부 송신부는 전력을 수신하여 타겟 수신기에 전달한다(1019).

본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

1. 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호 및 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하는 정보 수신부;
   상기 타겟 수신기로 무선 전력전송을 수행하기 위한 부 송신부; 및
   상기 무선 전력전송 요청신호 및 상기 위치정보에 기초하여 상기 부 송신부를 통하여 무선 전력을 전송할지 여부를 제어하는 주 송신부
   를 포함하는 전송전력 빔포밍 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 부 송신부는,
   상기 타겟 수신기로부터 전력전송 요청 신호를 수신하면 활성화(wake-up)되고, 전력전송 요청이 수신되지 않는 경우 비활성화 모드(sleep mode)로 유지되는 전송전력 빔포밍 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 부 송신부는,
   상기 타겟 수신기로부터 전력전송 요청신호를 수신하는 정보 수신부;
   상기 요청신호를 수신하면 전력전송이 가능한 상태로 준비되는 상태 준비부;
   상기 전력전송이 가능한 상태로 준비되면 상기 주 송신부로 전력전송 요청신호를 송신하는 전송 요청신호 송신부; 및
   상기 주 송신부로부터 전력을 전송받아 상기 타겟 수신기에 전달하는 릴레이부
   를 포함하는 전송전력 빔포밍 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주 송신부는,
   상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 전력 전송을 시작하는 것을 특징으로 하는 전송전력 빔포밍 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 주 송신부는 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 주 송신부의 송전 영역에 상기 타겟 수신기가 위치한 경우에는 상기 부 송신부를 이용하지 않고 직접 전력전송을 수행하는 전송전력 빔포밍 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 타겟 수신기는
   상기 타겟 수신기에서 가장 가까운 상기 부 송신부를 탐색하는 탐색부
   상기 탐색된 부 송신부에 무선 전력전송 요청신호를 송신하는 정보 송신부
   상기 요청신호를 수신한 상기 부 송신부로부터 전력을 수신하는 전력 수신부
   를 포함하는 전송전력 빔포밍 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 탐색부는 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 오브 밴드(Out of Band) 통신을 통하여 상기 타겟 수신기에 가장 가까운 상기 부 송신부를 탐색하고,
   상기 아웃 오브 밴드 통신을 통하여 탐색하는 경우는 상기 부 송신부와 상기 타겟 수신기의 위치정보를 교환하여 상기 부 송신부의 송전 영역으로 유도되는 것을 특징으로 하는 전송전력 빔포밍 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 부 송신부는,
   상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부 사이에서 일직선을 이루는 위치로 이동하는 전송전력 빔포밍 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 부 송신부는,
   상기 주 송신부와 일직선 축으로 연결되어 상기 주 송신부를 기준으로 360도 회전 하는 전송전력 빔포밍 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 주 송신부는,
    상기 타겟 수신기의 위치정보에 기초하여, 상기 타겟 수신기와 상기 주 송신부 사이에서 일직선의 위치에 놓이도록 상기 부 송신부를 회전시키는 전송전력 빔포밍 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 부 송신부는,
    상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 상기 타겟 수신기로 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되는 전송전력 빔포밍 장치.
12. 타겟 수신기로부터 무선 전력전송 요청신호 및 상기 타겟 수신기의 위치정보를 수신하는 단계; 및
    상기 무선 전력전송 요청신호 및 상기 수신된 위치정보에 기초하여 부 송신부를 통하여 무선 전력을 전송할지 여부를 제어하는 단계
    를 포함하는 전송전력 빔포밍 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 부 송신부가 상기 무선 전력전송 요청신호를 수신한 경우에 무선 전력전송이 가능한 상태로 준비되는 단계
    를 포함하는 전송전력 빔포밍 방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 부 송신부가 상기 수신된 위치정보에 기초하여 상기 타겟 수신기와 주 송신부 사이에서 일직선을 이루는 위치로 이동하는 단계
    를 포함하는 전송전력 빔포밍 방법.

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