KR101896977B1 - 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치 및 통신 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 통신하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 기 설정된 시간에 기초하여 동작 모드를 전송 모드 또는 수신 모드로 변환하고, 점유한 채널을 이용하여 통신을 수행하는 것에 관계없이 상기 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 일정한 세기의 신호(constant wave)로 상기 전송 모드에서 전송한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치 및 통신 방법{COMMUNICATION APPARATUS AND COMMUNICATION METHOD IN WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
기술분야는 무선 전력 전송 시스템에서 통신하는 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. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스 디바이스와 전력을 공급받는 타겟 디바이스를 포함할 수 있다. 소스 디바이스가 타겟 디바이스에게 전력을 효율적으로 전송 위해서는 소스 디바이스의 상태에 대한 정보 및 타겟 디바이스의 상태에 대한 정보를 서로 주고 받아야 한다. 즉, 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 통신을 수행할 필요가 있다. 보다 구체적으로 복수의 소스 디바이스들이 밀집하여 위치한 경우에, 각각의 소스 디바이스 간에, 각각의 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 간섭 없이 통신을 수행할 필요가 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 기 설정된 시간에 기초하여 동작 모드를 전송 모드 또는 수신 모드로 변환하는 동작 모드 변환부 및 점유한 채널을 이용하여 통신을 수행하는 것에 관계없이 상기 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 일정한 세기의 신호(constant wave)로 상기 전송 모드에서 전송하는 전송부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 상기 수신 모드로 동작하는 동안에 상기 통신 셀에 추가적으로 진입하는 추가 소스로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 상기 점유한 채널의 사용 스케쥴 및 상기 점유한 채널의 상태 정보에 기초하여 상기 추가 소스로의 채널 할당을 결정하는 결정부를 더 포함할 수 있다.
상기 전송부는 상기 추가 소스로의 채널 할당이 결정되면, 상기 전송 모드에서 채널 할당 승인 메시지를 전송할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 상기 수신 모드로 동작하는 동안에, 상기 점유한 채널의 수신신호 강도 및 링크 품질을 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 결정부는 상기 측정된 점유한 채널의 수신신호 강도 및 링크 품질에 기초하여, 통신을 수행하기 위한 채널의 변경여부를 결정할 수 있다.
상기 수신부는 상기 수신 모드로 동작하는 동안에, 상기 통신 셀에 속한 상기 복수의 소스들로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신할 수 있다.
상기 점유한 채널의 상태에 관한 정보는 채널을 현재 점유하고 있는 소스에 관한 정보, 상기 소스로부터 전력을 수신하는 타겟에 관한 정보, 상기 소스의 채널 사용 스케쥴에 대한 정보를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 상기 복수의 채널들의 상태정보를 검출하는 상태정보 검출부, 상기 상태정보에 기초하여 상기 복수의 소스들 중, 상기 할당된 복수의 채널들에 대한 점유 정보를 전송 모드에서 전송하는 소스들을 식별하는 식별부, 상기 상태정보 및 상기 식별 결과에 기초하여, 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는 결정부 및 상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들 중에서, 상기 결정된 채널에 대응하는 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송하는 전송부를 포함한다.
상기 상태정보 검출부는 상기 복수의 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 검출할 수 있다.
상기 결정부는 상기 수신신호 강도 및 상기 링크 품질을 고려하여 상기 채널 할당을 요청할 채널을 결정할 수 있다.
상기 식별부는 상기 복수의 소스들로부터 일정한 세기의 신호(constant wave)를 수신하는지 여부에 기초하여 상기 할당된 복수의 채널들 중 상기 복수의 소스들에 의한 점유 여부를 식별할 수 있다.
상기 전송부는 수신 모드로 동작하는 상기 복수의 소스들에게 상기 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들로부터 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지를 수신하는 수신부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 기 설정된 시간에 기초하여 동작 모드를 전송 모드 또는 수신 모드로 변환하는 단계 및 점유한 채널을 이용하여 통신을 수행하는 것에 관계없이 상기 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 일정한 세기의 신호(constant wave)로 상기 전송 모드에서 전송하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 상기 수신 모드로 동작하는 동안에 상기 통신 셀에 추가적으로 진입하는 추가 소스로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 상기 점유한 채널의 사용 스케쥴 및 상기 점유한 채널의 상태 정보에 기초하여 상기 추가 소스로의 채널 할당을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 상기 추가 소스로의 채널 할당이 결정되면, 상기 전송 모드에서 채널 할당 승인 메시지를 전송할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 상기 복수의 채널들의 상태정보를 검출하는 단계, 상기 상태정보에 기초하여 상기 복수의 소스들 중, 상기 할당된 복수의 채널들에 대한 점유 정보를 전송 모드에서 전송하는 소스들을 식별하는 단계, 상기 상태정보 및 상기 식별 결과에 기초하여, 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는 단계 및 상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들 중에서, 상기 결정된 채널에 대응하는 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송하는 단계를 포함한다.
상기 상태정보를 검출하는 단계는 상기 복수의 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 검출할 수 있다.
상기 결정하는 단계는 상기 수신신호 강도 및 상기 링크 품질을 고려하여 상기 채널 할당을 요청할 채널을 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들로부터 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법은 상기 채널 할당 승인 메시지를 수신한 후, 상기 채널을 할당 받아, 전력 셀의 범위에 있는 무선 전력을 수신하는 타겟과 통신을 수행하고, 상기 통신의 종료 후, 상기 할당 받은 채널의 사용을 종료하였음을 나타내는 채널 사용 종료 메시지를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 할당 받은 채널을 점유하고 있는 경우, 전송 모드에서 점유하고 있음을 알리는 신호를 지속적으로 전송함으로써, 통신 셀에 추가적으로 진입한 소스 디바이스가 점유되지 않은 채널에 대해 할당을 요청하도록 할 수 있다. 따라서, 소스 디바이스가 채널을 점유하고 있는 동안에는 점유 채널에 대해 다른 소스 디바이스로부터 간섭을 받을 가능성을 줄일 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 수신 모드로 동작하는 경우에, 주변 소스 디바이스들로부터 점유하고 있는 채널의 할당을 요청하는 메시지를 수신하고, 채널 할당 요청을 승인함으로써, 점유하고 있는 채널을 주변 소스 디바이스들과 공유할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 복수의 소스가 채널을 할당 받는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 추가 소스가 통신 셀에 진입하는 경우에 채널을 할당 받는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 채널을 점유하는 소스의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 채널을 점유하는 소스에 채널 할당을 요청하는 추가 소스의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 추가 소스가 할당 받은 채널을 사용한 후, 다른 소스에게 채널을 할당하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 통신을 수행하는 방식에는 인 밴드 통신 방식과 아웃 밴드 통신 방식이 있다. 인 밴드 통신 방식은 소스 디바이스와 타겟 디바이스가 전력을 전송에 이용하는 주파수와 동일한 주파수에서 통신하는 것을 의미하고, 아웃 밴드 통신 방식은 소스 디바이스와 타겟 디바이스가 전력 전송에 이용하는 주파수와는 별도의 주파수를 이용하여 통신하는 것을 의미한다.
복수의 소스 디바이스가 밀집한 경우에, 통신 장애 및 주변 신호의 간섭으로 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 통신이 어려워진다. 일 측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 소스 디바이스가 통신을 수행하기 위해 필요한 채널을 할당 받는 과정에서 다른 소스 디바이스가 이미 점유하고 있는 채널에 대한 정보를 획득하여, 간섭 없이 최적의 채널을 결정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다. 소스 디바이스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟 디바이스(120)는 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 충전부(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭부에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다. 여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스 디바이스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어 및 통신부(115)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 상기 타겟 공진기(121)와 상기 소스 공진기(116) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어 및 통신부(115)는 반사파의 엔벨롭(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스 매칭을 검출할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 소스 공진기(116) 또는 전력 변환부(114)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 전력변환부(114)를 제어함으로써, 타겟 디바이스(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(115)는 인-밴드 통신"을 통해 상기 타겟 디바이스에 다양한 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 디바이스로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(121)는 인-밴드 통신을 통해 상기 소스 디바이스로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 충전부(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
충전부(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 충전부(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(126)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 스위치부(124)의 온/오프를 통해 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 도 있다. 간단한 예로, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 "해당 타겟 디바이스의 제품의 종류", "해당 타겟 디바이스의 제조사 정보", "해당 타겟 디바이스의 모델명", "해당 타겟 디바이스의 Battery type", "해당 타겟 디바이스의 충전 방식", "해당 타겟 디바이스의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟 디바이스의 Target 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 소요되는 전력량", "해당 타겟 디바이스의 고유의 식별자", 또는 "해당 타겟 디바이스의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(126)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(126)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스 디바이스(110)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, 상기 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양을 검출하고, 상기 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "상기 정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "상기 정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC(123) 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, 제어 및 통신부(115)는 소스 공진기(116)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(116)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(116)의 Q-factor(QS)가 결정될 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(116)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 통신을 통해, 소스 디바이스(110)와 타겟 디바이스(120)는 소스 공진기(116) 및 타겟 공진기(121) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟 디바이스(120)로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(116)의 큐-펙터 QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟 장치(120)로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(116)의 큐-펙터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(116)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]
Figure 112011060551407-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112011060551407-pat00002
는 대역폭,
Figure 112011060551407-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(116)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011060551407-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112011060551407-pat00005
는 소스 공진기(115)에서의 반사계수,
Figure 112011060551407-pat00006
는 타겟 공진기(121)에서의 반사계수,
Figure 112011060551407-pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(116)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(121)의 임피던스, QS는 소스 공진기(116)의 Q-factor, QD는 타겟 공진기(121)의 Q-factor, QK는 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 Q-factor이다.
상기 수학식 2를 참조하면, Q-factor는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 Q-factor는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011060551407-pat00008
소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하는 경우, 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 감소할 수 있다. 수학식 1 및 수학식 3에 따르면, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하면, 소스 공진기(116)의 큐-펙터와 타겟 공진기(121)의 큐-펙터는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 복수의 소스가 채널을 할당 받는 과정을 나타내는 도면이다.
이하의 설명에서, 소스는 소스 디바이스와 동일한 의미이고, 타겟은 타겟 디바이스와 동일한 의미이다. 도 2를 참조하면, 하나의 통신 셀(210)에 복수의 소스가 위치한 경우에, 각각의 소스는 통신 셀(210)에서 사용할 수 있는 채널을 할당 받아서 통신을 수행할 수 있다. 예를 들면, 통신 셀(210)에서 사용할 수 있는 채널이 N개 있다고 가정할 수 있다. 소스 S1이 통신 셀(210)에 처음으로 진입하였다면, 소스 S1은 N개의 채널들의 상태를 판단하여, N개의 채널 중 상태가 가장 좋은 채널을 할당 받을 수 있다. 채널의 상태 판단은 채널에서 수신신호의 강도(RSSI, Received Signal Strength Indication) 및 링크 품질(LQI, Link Quality Indicator)에 기초하여 이루어질 수 있다. CH1의 상태가 가장 좋다고 가정하면, 소스 S1은 CH1을 할당 받을 수 있다. 다음으로 소스 S2가 통신 셀(210)에 진입하였다면, 소스 S2는 CH1을 제외한 나머지 N-1개의 채널 중 상태가 가장 좋은 채널을 할당 받을 수 있다. 계속하여 진입하는 소스들이 채널을 할당 받은 후, 마지막으로 소스 SN가 통신 셀(210)에 진입하였다면, 소스 SN는 마지막 남은 채널을 할당 받을 수 있다. 위와 같은 방식으로 통신 셀(210)에 N개의 소스가 진입하면, N개의 소스는 각각 채널을 할당 받을 수 있다.
채널을 할당 받은 소스들은 각각의 전력 셀의 범위에서, 할당 받은 채널을 이용하여 타겟 들과 통신을 수행할 수 있다. 예를 들면, 소스 S1은 전력 셀(220)에서 타겟 T1 및 T2와 CH1을 이용하여 통신할 수 있고, 소스 S2는 전력 셀(230)에서 타겟 T2 및 T3와 CH2을 이용하여 통신할 수 있고, 전력 셀(240)에서 타겟 T5 및 T6와 CHN을 이용하여 통신할 수 있다.
그런데, 통신 셀(210)에 위치한 N개의 소스들에게 이미 채널들이 모두 할당된 경우에, 추가적으로 소스가 진입하는 경우, 이 소스도 통신을 하기 위해서는 채널을 할당 받을 필요가 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 통신 장치는 동작모드 변환부(310), 측정부(320), 결정부(330), 제어부(340), 전송부(350) 및 수신부(360)를 포함한다. 도 3의 통신 장치는 통신 셀에서 이미 채널을 할당 받은 소스에 대응할 수 있다.
동작모드 변환부(310)는 통신 장치의 동작 모드를 수신 모드 또는 전송 모드로 변환할 수 있다. 통신 장치는 할당 받은 채널을 통하여 전송 모드에서 통신 장치가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 전력 셀의 타겟과 통신을 할 수 있다. 또한, 통신 장치는 할당 받은 채널을 점유하고 있음을 일정한 세기의 신호를 이용하여, 전송 모드에서 지속적으로 전송할 수 있다. 통신 장치는 수신 모드에서 전력 셀의 타겟으로부터 정보를 수신할 수 있다. 또한, 주변 소스들로부터 채널의 할당을 요청하는 메시지를 수신할 수도 있다. 또한, 주변 소스들로부터의 간섭 신호, 기타 주변 환경의 변화 등을 고려한 채널의 상태 정보를 측정할 수도 있다.
측정부(320)는 통신 장치가 수신 모드로 동작하는 동안, 점유하고 있는 채널의 상태를 측정할 수 있다. 예를 들면, 채널의 수신신호 강도(RSSI, Received Signal Strength Indication) 및 링크 품질(LQI, Link Quality Indicator)을 측정할 수 있다. 채널의 수신신호 강도는 소스와 동일한 종류 또는 상이한 종류의 통신 장치들로부터 영향을 받는 무선 신호의 세기를 의미하고, 링크 품질은 점유하고 있는 채널의 통신 상태의 품질을 의미한다.
전송부(350)는 통신 장치가 전송 모드로 동작하는 동안, 통신 장치가 타겟과 통신을 수행하는 것과 관계없이, 할당된 채널을 점유하고 있다는 신호를 전송할 수 있다. 또한, 전송부(350)는 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 전송할 수 있다. 전송부(350)는 전송 모드에서 일정한 세기의 신호(CW, constant wave)를 전송함으로써, 할당된 채널을 점유하고 있음을 주변 소스들에게 알릴 수 있다. 이때, 일정한 세기의 신호는 일정한 세기로 변조된 신호일 수도 있다. 점유한 채널의 상태에 관한 정보는 채널을 현재 점유하고 있는 소스에 관한 정보, 상기 소스로부터 전력을 수신하는 타겟에 관한 정보 및 상기 소스의 채널 사용 스케쥴에 대한 정보를 포함할 수 있다. 예를 들면, 채널을 현재 점유하고 있는 소스에 관한 정보는 소스의 ID, 소스가 점유하고 있는 채널의 식별번호 등을 포함할 수 있다.
전송부(350)는 주파수 합성부(351) 및 PA(353)를 포함할 수 있다. 주파수 합성부(351)는 통신에 이용할 주파수를 합성할 수 있다. 주파수 합성부(351)는 발진기(oscillator)로부터 통신에 이용할 주파수를 합성할 수 있다. PA(Power Amplifer)(353)는 무선 주파수 대역에서 노이즈의 영향을 감소시키기 위해 신호의 전력을 증폭시킨다. 증폭된 신호는 안테나(380)를 통하여 전송될 수 있다. 통신에 이용하는 주파수가 변경되는 경우, 변경된 주파수에 대한 정보에 기초하여 LO Generator(Local Oscillator Generator)(370)는 변경된 주파수를 수신부(360)에 제공할 수 있다. 제어부(340)는 PA(353)의 power를 조절할 수 있다.
수신부(360)는 통신 장치가 수신 모드로 동작하는 동안, 주변의 소스들로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신할 수 있다. 주변의 소스들에는 통신 셀에서 이미 할당 가능한 채널을 모두 할당한 후, 진입한 추가 소스도 포함될 수 있다. 추가 소스는 통신 셀에서 각각의 채널의 상태 정보를 측정하여, 판단한 결과 최적의 채널을 선택하여 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수 있다. 추가 소스는 채널 선택에 있어서, CW신호를 수신하는 채널의 경우는 상기 채널을 제외한다. 또한, 주변의 소스들에는 통신 셀에서 이미 채널을 할당 받은 후, 채널을 변경하려는 소스도 포함될 수 있다.
수신부(360)는 LNA(361), Mixer(363), LPF(365), VGA(367) 및 RX ADC(369)를 포함할 수 있다. LNA(Low Noise Amplifier)(361)는 안테나(380)에서 수신한 신호를 증폭시킨다. 이때, LNA(361)는 전송선로의 감쇠를 줄이기 위해 안테나(380) 가까이에 위치할 수 있다. 또한, LNA(361)는 신호에 포함된 노이즈를 감소시킬 수 있다. Mixer(363)는 입력되는 2가지 이상의 신호를 이용하여 새로운 주파수의 신호를 생성할 수 있다. Mixer(363)는 LNA(361)로부터 증폭된 신호와 LO Generator(Local Oscillator Generator)(370)로부터 제공되는 신호를 합성하여 새로운 주파수 대역의 신호를 생성한다. Mixer(363)는 무선 주파수 대역 신호에서 기저대역 신호로 주파수를 하향할 수도 있다. LPF(Low Pass Filter)(365)는 새로운 주파수 대역의 신호 중에서 낮은 주파수의 신호를 통과시키고, cutoff frequency보다 높은 주파수는 감쇠시킨다. VGA(Variable gain amplifier)(367)는 LPF(365)를 통과한 신호의 크기를 증폭시킨다. VGA(Variable gain amplifier)(367)는 control voltage에 따라 VGA(367)의 이득을 다르게 할 수 있다. RX ADC(Analog-Digital Converter)(369)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. RX ADC(369)는 디지털 신호를 제어부(340)에 제공할 수 있다. 제어부(340)는 디지털 신호를 해석하여 메시지를 복원할 수 있다. 제어부(340)는 LNA(361), Mixer(363) 및 VGA(367)의 gain을 조절할 수 있다.
결정부(330)는 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 채널 할당 여부를 결정할 수 있다. 결정부(330)는 통신 장치의 채널 사용 스케쥴, 점유한 채널의 상태 정보에 기초하여 채널 할당 여부를 결정할 수 있다. 채널 할당이 결정되면, 전송부(350)는 채널 할당 승인 메시지를 전송할 수 있다. 채널 할당을 하지 않는 것으로 결정되면, 전송부(350)는 채널 할당 비승인 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 결정부(330)는 측정부(320)에서 측정된 채널의 상태정보에 기초하여 점유하는 채널의 변경여부를 결정할 수 있다. 이때, 결정부(330)는 채널의 수신신호 강도에 기초하여 채널 변경여부를 결정할 수 있다. 또는 결정부(330)는 채널의 링크 품질에 기초하여 채널 변경여부를 결정할 수 있다.
제어부(340)는 CW 신호의 세기를 조절할 수 있다. 즉, 제어부(340)는 일정한 세기로 전송되는 CW 신호의 레벨을 다양하게 할 수 있다. CW 신호의 전송을 통해 채널을 통신 장치가 사용하고 있음을 주변 소스에 알릴 수 있고, 이때, CW 신호의 레벨에 따라 채널 점유에 대한 정보를 전송할 수 있는 거리가 결정될 수 있다. 예를 들면, 통신 장치는 CW 신호의 세기가 큰 경우, CW 신호의 세기가 작은 경우보다 채널 점유에 대한 정보를 멀리 전송할 수 있다. 제어부(340)는 주변 소스와의 거리를 고려하여, 주변 소스에 미치는 간섭을 최소화하기 위해 CW신호의 세기를 조절할 수도 있다.
제어부(340)는 통신 장치의 전반적인 제어를 담당하고, 동작모드 변환부(310), 측정부(320), 결정부(330), 전송부(350) 및 수신부(360)의 기능을 수행할 수 있다. 도 3의 실시 예에서 이를 별도로 구성하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다. 따라서 실제로 제품을 구현하는 경우에 이들 모두를 제어부(340)에서 처리하도록 구성할 수도 있으며, 이들 중 일부만을 제어부(340)에서 처리하도록 구성할 수도 있다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 통신 장치는 상태정보 검출부(410), 식별부(420), 결정부(430), 제어부(440), 전송부(450) 및 수신부(460)를 포함한다. 도 4의 통신 장치는 통신 셀에서 이미 할당 가능한 채널이 모두 할당된 후, 진입한 추가 소스에 대응할 수 있다.
상태정보 검출부(410)는 통신 셀에 할당된 채널들의 상태정보를 검출할 수 있다. 상태정보 검출부(410)는 상기 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 검출할 수 있다.
식별부(420)는 검출된 상태 정보에 기초하여 채널을 점유하고 있는 소스가 전송 모드로 동작하는지 여부를 식별할 수 있다. 식별부(420)는 채널이 할당된 복수의 소스들 중에서 어느 소스들이 전송 모드로 동작하는지 식별할 수 있다. 이때, 식별부(420)는 채널에서 검출된 수신신호 강도가 소정의 레벨 이상 값을 가지면, 해당 채널을 소스가 점유하고 있다고 식별할 수 있다. 또한, 식별부(420)는 채널에서 검출된 링크 품질이 소정의 레벨 이하의 값을 가지면, 해당 채널을 소스가 점유하고 있다고 식별할 수도 있다. 또한, 식별부(420)는 수신신호 강도 및 링크 품질을 고려하여 채널을 소스가 점유하고 있는지 여부를 식별할 수 있다. 또한, 식별부(420)는 채널에서 일정한 세기의 신호(CW, constant wave)가 검출되면 소스가 채널을 점유하는 것으로 식별할 수도 있다. 통신 셀에 추가적으로 진입한 소스가 기존의 소스들과는 다른 종류의 소스인 경우에도, 일정한 세기의 신호를 통하여 점유 채널에 대한 정보를 획득함으로써, 점유 채널에 영향을 미치지 않을 수 있다.
결정부(430)는 검출된 상태 정보에 기초하여 채널 할당을 요청할 채널을 결정할 수 있다. 결정부(430)는 채널의 수신신호 강도 또는 링크 품질에 기초하여 채널할당을 요청할 채널을 결정할 수 있다. 예를 들면, 결정부(430)는 수신신호 강도가 낮고 링크 품질이 좋은 채널 중에서, 다른 소스에 의해 점유되지 않은 채널을 채널 할당을 요청할 채널로 결정할 수 있다. 다른 소스에 의해 점유되지 않은 채널은 식별부(420)에서 식별될 수 있다. 이러한 결정과정에서 다른 소스에 의해 점유되지 않은 채널은 채널 할당 요청에서 제외되므로, 채널 할당 요청으로 인하여 채널에 발생하는 간섭을 줄일 수 있다. 또한, 점유된 채널에서는 타겟과 소스간에 안정적으로 통신을 수행할 수 있다.
전송부(450)는 결정부(430)에서 결정된 채널을 할당 받기 위해, 결정된 채널을 이미 할당 받았던 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수 있다. 보다 구체적으로 전송부(450)는 결정된 채널에서 수신 모드로 동작하고 있는 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 통신 셀에 위치한 동일한 종류의 소스 간에는 소스의 전송 모드 및 수신 모드의 타이밍이 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 전송부(450)는 결정된 채널을 이미 할당 받았던 소스가 수신 모드로 동작하는 타이밍에, 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수 있다. 즉, 채널 할당을 요청할 채널이 결정되었다면, 전송부(450)는 점유 채널의 소스가 수신 모드로 동작하는 타이밍이 될때까지 대기한 후, 채널 할당 요청 메시지를 전송할 수도 있다.
전송부(450)는 주파수 합성부(451) 및 PA(453)를 포함할 수 있다. 주파수 합성부(451)는 통신에 이용할 주파수를 합성할 수 있다. 주파수 합성부(451)는 발진기(oscillator)로부터 통신에 이용할 주파수를 합성할 수 있다. PA(Power Amplifer)(453)는 무선 주파수 대역에서 노이즈의 영향을 감소시키기 위해 신호의 전력을 증폭시킨다. 증폭된 신호는 안테나(480)를 통하여 전송될 수 있다. 통신에 이용하는 주파수가 변경되는 경우, 변경된 주파수에 대한 정보에 기초하여 LO Generator(Local Oscillator Generator)(470)는 변경된 주파수를 수신부(460)에 제공할 수 있다. 제어부(440)는 PA(453)의 power를 조절할 수 있다.
수신부(460)는 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지를 수신할 수 있다. 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 이미 채널을 할당 받았던 소스가 상기 소스의 상황 및 채널의 상태에 따라 채널 할당의 승인여부를 결정할 수 있다. 채널 할당의 승인여부에 따라 이미 채널을 할당 받았던 소스로부터 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지가 전송될 수 있다.
채널 할당 비승인 메시지를 수신하는 경우, 통신 장치는 다른 채널들의 상태정보를 다시 검출하고, 전송 모드로 동작하지 않는 소스들에게 다시 채널 할당을 요청할 수 있다. 또는 통신 장치는 상태정보가 가장 좋은 채널의 소스가 수신 모드로 동작할 때까지 대기한 후, 채널 할당을 요청할 수도 있다.
수신부(460)는 LNA(461), Mixer(463), LPF(465), VGA(467) 및 RX ADC(469)를 포함할 수 있다. LNA(Low Noise Amplifier)(461)는 안테나(480)에서 수신한 신호를 증폭시킨다. 이때, LNA(461)는 전송선로의 감쇠를 줄이기 위해 안테나(480) 가까이에 위치할 수 있다. 또한, LNA(461)는 신호에 포함된 노이즈를 감소시킬 수 있다. Mixer(463)는 입력되는 2가지 이상의 신호를 이용하여 새로운 주파수의 신호를 생성할 수 있다. Mixer(463)는 LNA(461)로부터 증폭된 신호와 LO Generator(Local Oscillator Generator)(470)로부터 제공되는 신호를 합성하여 새로운 주파수 대역의 신호를 생성한다. Mixer(463)는 무선 주파수 대역 신호에서 기저대역 신호로 주파수를 하향할 수도 있다. LPF(Low Pass Filter)(465)는 새로운 주파수 대역의 신호 중에서 낮은 주파수의 신호를 통과시키고, cutoff frequency보다 높은 주파수는 감쇠시킨다. VGA(Variable gain amplifier)(467)는 LPF(465)를 통과한 신호의 크기를 증폭시킨다. VGA(Variable gain amplifier)(467)는 control voltage에 따라 VGA(467)의 이득을 다르게 할 수 있다. RX ADC(Analog-Digital Converter)(469)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. RX ADC(469)는 디지털 신호를 제어부(440)에 제공할 수 있다. 제어부(440)는 디지털 신호를 해석하여 메시지를 복원할 수 있다. 제어부(440)는 LNA(461), Mixer(463) 및 VGA(467)의 gain을 조절할 수 있다.
제어부(440)는 통신 장치의 전반적인 제어를 담당하고, 상태정보 검출부(410), 식별부(420), 결정부(430), 전송부(450) 및 수신부(460)의 기능을 수행할 수 있다. 도 4의 실시 예에서 이를 별도로 구성하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다. 따라서 실제로 제품을 구현하는 경우에 이들 모두를 제어부(440)에서 처리하도록 구성할 수도 있으며, 이들 중 일부만을 제어부(440)에서 처리하도록 구성할 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 추가 소스가 통신 셀에 진입하는 경우에 채널을 할당 받는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 통신 셀(510)에 속한 소스들은 모두 채널을 할당 받아, 소스 SN은 이미 CHN을 할당 받은 경우를 전제한다. 소스 SN은 전력 셀(520)에 속한 타겟 T1과 타겟 T2와 CHN을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 통신 셀(510)은 복수의 채널을 이용하여 통신이 가능한 영역을 의미하고, 전력 셀(520)은 소스 SN으로부터 무선으로 전력 전송이 가능한 영역을 의미한다.
소스 S(531)가 통신 셀(510)에 진입한 경우에, 통신을 하기 위해서는 채널을 할당 받아야 한다. 그런데, 소스 SN은 전송 모드(Tx Mode)로 동작하여 소스 SN이 CHN을 점유하고 있음을 알린다. 소스 SN은 일정한 세기의 신호(CW, Constant Wave)를 전송 모드에서 전송함으로써, CHN을 소스 SN이 점유하고 있음을 알릴 수 있다. 소스 S(531)는 소스 SN이 CHN을 점유하고 있음을 채널의 상태 정보를 확인함으로써 알 수 있다. 또는 일정한 세기의 신호(CW, Constant Wave)를 수신함으로써 알 수 있다. 이때, 소스 S(531)는 CHN이 아닌 다른 채널을 검색하여, 채널 할당을 요청하여야 한다. 소스 S(531)는 다른 채널들의 상태 정보를 측정하고, 전송 모드로 동작하지 않는 채널의 할당을 요청할 수 있다. 소스 S(531)에 채널이 할당되면, 전력 셀(530)의 범위 안에 있는 타겟 T3 및 타겟 T4와 통신을 수행하고, 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
소스 SN은 통신 수행 여부와 관계없이 CHN을 점유하고 있음을 전송 모드에서 알림으로써, 추가 진입한 소스뿐만 아니라 주변의 소스들이 CHN을 사용하지 못하도록 할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 채널을 점유하는 소스의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 채널 CHN을 점유하는 소스 SID1은 CHN을 이용하여 통신을 수행하는지 여부와 관계없이, CHN을 점유하고 있음을 주변 소스들에게 전송할 수 있다. 소스 SID1은 전송 모드(Tx mode)로 동작하는 동안 지속적으로 CHN을 점유 중임을 전송할 수 있다. 610단계에서, 소스 SID1은 통신 셀에 진입한 소스 SID2로 일정한 세기의 신호(CW, Constant Wave)를 이용하여, CHN을 점유 중임을 전송할 수 있다. 620단계 및 630단계에서도 소스 SID1은 소스 SID2로 일정한 세기의 신호를 이용하여, CHN을 점유 중임을 전송할 수 있다. 소스 SID2는 CHN을 소스 SID1이 점유하고 있음을 식별하고, 다른 채널들을 검색할 수 있다. 따라서, CHN에 대한 다른 소스들의 간섭이 감소할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 채널을 점유하는 소스에 채널 할당을 요청하는 추가 소스의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 채널 CHN을 점유하는 소스 SID1은 710단계 및 720단계에서, 전송 모드(Tx Mode)로 일정한 세기의 신호를 이용하여 채널 CHN을 점유 중임을 소스 SID2로 알릴 수 있다. 기 설정 또는 사용자의 설정에 따라 소스 SID1은 전송 모드에서 수신 모드(Rx Mode)로 변환될 수 있다. 730단계에서, 소스 SID1는 수신 모드로 동작하는 동안 주변 소스들로부터 채널 할당의 요청을 수신할 수 있다. 예를 들면, 소스 SID2로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신할 수 있다. 소스 SID2는 통신 셀에 추가로 진입한 추가 소스일 수도 있고, 이미 통신 셀에 위치하여 채널을 할당 받은 소스에 대응할 수도 있다. 소스 SID2는 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 고려하여 할당 받을 채널을 결정할 수 있다. 이때, 소스 SID2는 채널의 상태가 떨어지더라도 수신 모드로 동작하는 소스에게 채널 할당을 요청할 수도 있다. 또는 소스 SID2는 채널의 상태가 가장 좋은 경우의 소스가 수신 모드로 동작할 때까지 대기한 후, 채널 할당을 요청할 수도 있다. 740단계에서, 소스 SID1는 채널 할당 요청 메시지에 대응하여 소스 SID2로 채널 할당 승인 메시지를 전송할 수 있다. 소스 SID2는 소스 SID1이 수신 모드로 동작하는 지 여부를 일정한 세기의 신호(CW)를 수신하는지 여부에 따라 판단할 수 있다. 또는 소스 SID1과 소스 SID2가 동일한 종류의 소스인 경우에, 소스 SID1과 소스 SID2는 기 설정된 타이밍에 따라 전송 모드 또는 수신 모드로 동작할 수 있고, 소스 SID2는 소스 SID1가 기 설정된 수신 모드로 동작하는 타이밍에 소스 SID1로 채널 할당을 요청할 수도 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 추가 소스가 할당 받은 채널을 사용한 후, 다른 소스에게 채널을 할당하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 810단계에서, 소스 SID2는 소스 SID1이 수신 모드로 동작하는 동안, 소스 SID1이 점유하고 있는 채널의 할당을 요청할 수 있다. 820단계에서, 소스 SID1은 채널의 사용 스케쥴링 및 채널의 상태를 고려하여 채널 할당 요청을 승인하는 ACK 신호를 전송할 수 있다. 이때, 소스 SID1은 전송 모드로 동작한다. 소스 SID2는 ACK 신호 수신 후, 채널을 할당 받아 통신을 수행할 수 있다. 830단계에서, 소스 SID2는 채널의 사용을 종료한 후에, 채널 사용 종료 메시지를 소스 SID1에게 전송할 수 있다. 840단계에서, 소스 SID1은 상황에 따라 채널 할당이 필요한 경우, 소스 SID2로 채널의 할당을 요청할 수 있다. 850단계에서, 소스 SID2는 채널 할당 요청을 승인하는 ACK 신호를 전송할 수 있다. 소스 SID1는 ACK 신호 수신 후, 채널을 할당 받아 전력 셀의 타겟 들과 통신을 수행할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치의 블록도이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치는 통신 트랜시버(Communication Transceiver)(910) 및 MAC(Medium Access Control)을 통하여 소스에서 변조된 신호를 전송하고, 타겟에서 변조된 신호를 수신한다. 제어부(PHY controller)(930)는 통신 장치에서 데이터의 변조 및 무선 전력의 생성과 관련하여 전반적인 제어를 담당한다. 소스 공진기(WPT Tx)(940)는 타겟 공진기와의 상호 공진을 통하여 무선 전력을 전송한다.
제1 복조부(O-QPSK Demodulator, Offset-Quasi Phase Shift Keying Demodulator)(951)는 O-QPSK 복조를 수행할 수 있다. 제2 복조부(Chip Demodulator)(953)는 PN 시퀀스를 이용하여 복조를 수행한다. 심볼 디맵핑부(Symbol Demapper)(955)는 I(In-Phase)와 Q(Quadrature-phase)값에 대응하는 데이터 심볼을 생성한다. 복호화부(Viterbi Decoder)(957)는 데이터 심볼을 비터비 방식을 이용하여 복호화한다. 복호화부(957)는 convolution code를 기반으로 순방향 오류 정정(FEC, Forward Error Correction)을 사용하여 부호화된 비트 스트림을 복호화하기 위해 비터비 알고리즘을 사용한다. 복호화부(957)는 생략될 수도 있다.
채널 검출부(961)는 수신한 신호의 강도(RSSI, Received Signal Strength Indication, Indicator)를 검출할 수 있다. RSSI는 주변 장치들이 전달한 데이터의 전파 세기를 측정한 값을 의미한다. 프레임 검출부(963)는 통신 링크의 품질(LQI, Link Quality Indicator)를 검출할 수 있다. LQI는 각 통신 링크 사이의 강도를 의미하며, RSSI로부터 계산될 수도 있다.
제1 변조부(O-QPSK Modulator)(971)는 O-QPSK 변조를 수행할 수 있다. 제2 변조부(DSSS Chip Modulator, Direct Sequence Spread Spectrum Chip Modulator)(973)는 데이터 비트를 무작위 비트 패턴, 즉 PN 시퀀스와 곱하여, 데이터를 해당 채널의 전체 대역폭을 차지하는 대규모 코드 흐름으로 확산시킨다. 이 방식은 우수한 잡음 방지 성능을 가지며, 데이터를 중간에서 가로채기 어려워 보안성이 우수하다. 심볼 맵핑부(Symbol Mapper)(975)는 심볼을 지정된 변조 방식에 따라 적당한 배치를 하기 위해 맵핑을 수행한다. 부호화부(Convolution Encoder)(977)는 입력 신호를 부호화하여 부호화된 행렬을 출력할 수 있다. 부호화부(977)는 추가 비트를 이용하여 비트 에러 체크를 성공적으로 수행할 수 있다. 부호화부(977)는 생략될 수도 있다.
프로텍션부(987)는 전력 증폭기(985)에 과 전류가 공급되는 것을 방지할 수 있다. 전력 증폭기(985)는 타겟에서 필요로 하는 전력을 생성한다. 검출부(983)는 타겟의 임피던스 변화를 검출할 수 있다. 또한, 전력 증폭기(985)에 입력되는 전력을 검출할 수도 있다. 트래킹부(981)는 소스와 타겟 간의 매칭 임피던스를 트래킹할 수 있다. 또한, 트래킹부(981)는 소스와 타겟 간의 공진 주파수를 트래킹할 수 있다.
도 10 내지 도 12에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
도 10은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 10의 (a)를 참조하면, 피더(1010)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(1030)이 발생한다. 피더(1010) 내부에서 자기장의 방향(1031)과 외부에서 자기장의 방향(1033)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(1010)에서 발생하는 자기장(1030)에 의해 공진기(1020)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(1020)에서 자기장(1040)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(1020)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(1020)에 의해 피더(1010)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(1041)과 피더(1010)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(1043)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(1010)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(1020)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(1010)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(1010)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 10과 같은 구조의 피더(1010)를 통해 공진기(1020)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(1020) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(1020) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
도 11은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 공진기(1110)는 캐패시터(1111)를 포함할 수 있다. 피딩부(1120)는 캐패시터(1111)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(1110)는 제1 전송선로, 제1 도체(1141), 제2 도체(1142), 적어도 하나의 제1 캐패시터(1150)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1150)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1131)과 제2 신호 도체 부분(1132) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(1150)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1131)과 제2 신호 도체 부분(1132)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(1133)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1131) 및 제2 신호 도체 부분(1132)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(1133)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1131) 및 제2 신호 도체 부분(1132)과 제1 그라운드 도체 부분(1133)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1131) 및 제2 신호 도체 부분(1132)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1131)의 한쪽 단은 제1 도체(1141)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1150)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1132)의 한쪽 단은 제2 도체(1142)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1150)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1131), 제2 신호 도체 부분(1132) 및 제1 그라운드 도체 부분(1133), 도체들(1141, 1142)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(1150)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(1150)는 제1 신호 도체 부분(1131) 및 제2 신호 도체 부분(1132) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(1150)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1150)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 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 자연계에 존재하지 않는 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 제1 캐패시터(1150)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(1150)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(1150)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(1150)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
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 제1 캐패시터(1150)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(1150)에 집중되므로, 제1 캐패시터(1150)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(1150)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1120)는 제2 전송선로, 제3 도체(1171), 제4 도체(1172), 제5 도체(1181) 및 제6 도체(1182)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(1161) 및 제4 신호 도체 부분(1162)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(1163)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(1161) 및 제4 신호 도체 부분(1162)과 제2 그라운드 도체 부분(1163)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(1161) 및 제4 신호 도체 부분(1162)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(1161)의 한쪽 단은 제3 도체(1171)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(1181)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(1162)의 한쪽 단은 제4 도체(1172)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (1182)와 연결된다. 제5 도체(1181)는 제1 신호 도체 부분(1131)과 연결되고, 제6 도체 (1182)는 제2 신호 도체 부분(1132)과 연결된다. 제5 도체(1181)와 제6 도체(1182)는 제1 캐패시터(1150)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(1181) 및 제6 도체(1182)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(1161), 제4 신호 도체 부분(1162) 및 제2 그라운드 도체 부분(1163), 제3 도체(1171), 제4 도체(1172), 제5 도체(1181), 제6 도체(1182) 및 공진기(1110)는 서로 연결됨으로써, 공진기(1110) 및 피딩부(1120)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(1181) 또는 제6 도체(1182)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(1120) 및 공진기(1110)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(1110)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(1120)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(1110)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(1110)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(1110)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(1110)와 피딩부(1120) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(1120)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(1171), 제4 도체(1172), 제5 도체(1181), 제6 도체(1182) 는 공진기(1110)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(1110)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(1120)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(1110)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(1120)도 원형 구조일 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 12의 공진기(1210) 및 피딩부(1220)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(1210)로 사용될 수 있다. 입력 포트(1210)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(1210)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1221)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1223)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1233)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1231)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1240) 및 공진기(1250)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(1240)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112011060551407-pat00009
여기서, M은 피딩부(1240)와 공진기(1250) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(1240)와 공진기(1250) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(1250)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(1240)와 공진기(1250) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(1240)와 공진기(1250) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(1240)의 크기에 따라 피딩부(1240)와 공진기(1250) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(1240)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
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 (23)

  1. 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 상기 통신 셀 내에 복수의 전력 셀들을 각각 형성하여 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 기 설정된 시간에 기초하여 동작 모드를 전송 모드 또는 수신 모드로 변환하는 제어부; 및
    상기 전송 모드에서 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 지속적으로 전송하는 통신부
    를 포함하고,
    상기 통신 셀은 상기 복수의 소스들 상기 복수의 채널들을 이용하여 통신 가능한 영역이고, 상기 복수의 전력 셀들은 각각 대응하는 소스가 무선 전력을 전송 가능한 영역인,
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 수신 모드로 동작하는 동안에 상기 통신 셀에 추가적으로 진입하는 추가 소스로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 상기 점유한 채널의 사용 스케쥴 및 상기 점유한 채널의 상태 정보에 기초하여 상기 추가 소스로의 채널 할당을 결정하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 추가 소스로의 채널 할당이 결정되면, 상기 전송 모드에서 채널 할당 승인 메시지를 전송하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수신 모드로 동작하는 동안에, 상기 점유한 채널의 수신신호 강도 및 링크 품질을 측정하는 측정부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 측정된 점유한 채널의 수신신호 강도 및 링크 품질에 기초하여, 통신을 수행하기 위한 채널의 변경여부를 결정하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 수신 모드로 동작하는 동안에, 상기 통신 셀에 속한 상기 복수의 소스들로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 점유한 채널의 상태에 관한 정보는
    채널을 현재 점유하고 있는 소스에 관한 정보, 상기 소스로부터 전력을 수신하는 타겟에 관한 정보, 상기 소스의 채널 사용 스케쥴에 대한 정보
    를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  9. 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 상기 통신 셀 내에 복수의 전력 셀들을 각각 형성하여 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 상기 복수의 채널들의 상태정보를 검출하고, 상기 상태정보에 기초하여 상기 복수의 소스들 중, 상기 할당된 복수의 채널들에 대한 점유 정보를 전송 모드에서 전송하는 소스들을 식별하고, 상기 상태정보 및 상기 식별 결과에 기초하여, 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는 제어부; 및
    상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들 중에서, 상기 결정된 채널에 대응하는 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송하는 통신부
    를 포함하고,
    상기 통신 셀은 상기 복수의 소스들 상기 복수의 채널들을 이용하여 통신 가능한 영역이고, 상기 복수의 전력 셀들은 각각 대응하는 소스가 무선 전력을 전송 가능한 영역인,
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 검출하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 수신신호 강도 및 상기 링크 품질을 고려하여 상기 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 소스들로부터 일정한 세기의 신호(constant wave)를 수신하는지 여부에 기초하여 상기 할당된 복수의 채널들 중 상기 복수의 소스들에 의한 점유 여부를 식별하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 통신부는
    수신 모드로 동작하는 상기 복수의 소스들에게 상기 채널 할당 요청 메시지를 전송하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들로부터 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지를 수신하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 장치.
  15. 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 상기 통신 셀 내에 복수의 전력 셀들을 각각 형성하여 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 기 설정된 시간에 기초하여 동작 모드를 전송 모드 또는 수신 모드로 변환하는 단계; 및
    상기 전송 모드에서 점유한 채널의 상태에 관한 정보를 지속적으로 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 통신 셀은 상기 복수의 소스들 상기 복수의 채널들을 이용하여 통신 가능한 영역이고, 상기 복수의 전력 셀들은 각각 대응하는 소스가 무선 전력을 전송 가능한 영역인,
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수신 모드로 동작하는 동안에 상기 통신 셀에 추가적으로 진입하는 추가 소스로부터 채널 할당 요청 메시지를 수신하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 상기 점유한 채널의 사용 스케쥴 및 상기 점유한 채널의 상태 정보에 기초하여 상기 추가 소스로의 채널 할당을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전송하는 단계는
    상기 추가 소스로의 채널 할당이 결정되면, 상기 전송 모드에서 채널 할당 승인 메시지를 전송하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  19. 통신 셀에서 사용할 수 있는 복수의 채널들이 상기 통신 셀 내에 복수의 전력 셀들을 각각 형성하여 무선 전력을 전송하는 복수의 소스들에 모두 할당된 경우에, 상기 복수의 채널들의 상태정보를 검출하는 단계;
    상기 상태정보에 기초하여 상기 복수의 소스들 중, 상기 할당된 복수의 채널들에 대한 점유 정보를 전송 모드에서 전송하는 소스들을 식별하는 단계;
    상기 상태정보 및 상기 식별 결과에 기초하여, 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는 단계; 및
    상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들 중에서, 상기 결정된 채널에 대응하는 소스에게 채널 할당 요청 메시지를 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 통신 셀은 상기 복수의 소스들 상기 복수의 채널들을 이용하여 통신 가능한 영역이고, 상기 복수의 전력 셀들은 각각 대응하는 소스가 무선 전력을 전송 가능한 영역인,
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 상태정보를 검출하는 단계는
    상기 복수의 채널들의 수신신호 강도 및 링크 품질을 검출하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 수신신호 강도 및 상기 링크 품질을 고려하여 상기 채널 할당을 요청할 채널을 결정하는
    무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 점유 정보를 전송 모드에서 전송하지 않는 소스들로부터 상기 채널 할당 요청 메시지에 대응하여, 채널 할당 승인 메시지 또는 채널 할당 비승인 메시지를 수신하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 채널 할당 승인 메시지를 수신한 후, 상기 채널을 할당 받아, 전력 셀의 범위에 있는 무선 전력을 수신하는 타겟과 통신을 수행하고, 상기 통신의 종료 후, 상기 할당 받은 채널의 사용을 종료하였음을 나타내는 채널 사용 종료 메시지를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 통신 방법.
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