KR101974156B1 - 송신 배열 안테나 장치, 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템 및 그의 역지향성 빔포밍 방법 - Google Patents

송신 배열 안테나 장치, 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템 및 그의 역지향성 빔포밍 방법 Download PDF

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KR101974156B1 KR1020170174322A KR20170174322A KR101974156B1 KR 101974156 B1 KR101974156 B1 KR 101974156B1 KR 1020170174322 A KR1020170174322 A KR 1020170174322A KR 20170174322 A KR20170174322 A KR 20170174322A KR 101974156 B1 KR101974156 B1 KR 101974156B1
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권오헌
양영구
이강윤
이종민
이성우
송찬미
윤주호
임홍준
박원빈
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성균관대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 송신 배열 안테나 장치, 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템 및 그의 역지향성 빔포밍 방법에 관한 것이다. 본 발명의 송신 배열 안테나 장치는 좌우 양측 가장자리에 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 N × N의 주기 배열 또는 M × M의 비주기 배열로 구비한다. N × N의 주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치는 하나의 유전체 기판에 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열로 구성한다. M × M의 비주기 배열 구조는 복수 개의 유전체 기판들 각각에 단일 배열 소자를 형성하고 단일 배열 소자가 형성된 복수 개의 유전체 기판들을 기구물을 이용하여 M × M의 비주기 배열 구조로 구성한다. 본 발명에 의하면, 빔폭을 유지하면서 역지향성 빔포밍 시에 그레이팅 로브가 발생되지 않고, 수신 안테나 장치의 위치 변화에 대응하여 신속하게 역지향성 빔포밍이 가능하게 한다.

Description

송신 배열 안테나 장치, 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템 및 그의 역지향성 빔포밍 방법{TRANSMISSION array ANTENNA APPARATUS, WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM INCLUDING IT METHOD FOR RETRO-DIRECTIVE BEAM FORMING THEREOF}
본 발명은 송신 배열 안테나 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 코흐 프랙탈(koch-fractal) 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비하여, 빔폭을 유지하면서 역지향성 빔포밍 시에 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생되지 않고, 수신 안테나 장치의 위치 변화에 대응하여 신속하게 역지향성 빔포밍을 처리하는 송신 배열 안테나 장치에 관한 것이다.
본 발명은 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들이 주기 배열 또는 비주기 배열 구조로 구성된 송신 배열 안테나 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템 및 그의 역지향성 빔포밍 방법에 관한 것이다.
기존의 무선 전력 전송 기술은 대부분 코일을 이용하는 자기 유도(inductive coupling) 방식과 자기 공명(magnetic resonant coupling) 방식을 사용한다. 자기 유도 방식은 전송 거리가 수 mm 이내로 전송 거리가 매우 짧고, 자기 공명 방식은 수 m 까지 전력 전송이 가능하지만, 특정 거리에서만 전송 효율이 보장되므로 수신기의 이동성을 보장하지 못한다. 이에 반해, 마이크로파 전력 전송(Microwave Power Transfer : MPT)는 안테나를 통해 전력을 전송하기 때문에 원거리 무선 전력 전송이 가능하며 송신 배열 안테나의 빔포밍 기술을 통해 위치가 변하는 수신기에 전자기파 에너지를 집중시킬 수 있어 수신기의 이동성을 확보할 수 있다.
역지향성(Retro-directive) 빔포밍은 수신된 신호에 대한 위치 정보 없이 빔을 신호원 방향으로 생성하는 방식으로, 수신부에서 송신된 파일럿 신호를 송신부에서 수집하고, 수집한 위상 정보로부터 공액 위상을 취해 송신 배열 안테나의 배열 소자에 급전함으로써 구현 가능하다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템에서 사용되는 빔포밍 방식은 빔포밍 알고리즘을 통해 수신기의 수신 전력이 최대가 되는 방향으로 빔을 생성한다. 그러나 역지향성 빔포밍은 알고리즘을 사용하는 계산 과정이 필요하지 않기 때문에, 수신기의 위치 변화에 따른 대응이 즉각적이고, 알고리즘 계산을 위한 고성능 송신 RF 모듈 제어기가 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다.
MPT에서 특정 방향에 전력을 집중시키기 위해서는 배열 안테나의 배열 면적을 증가시켜야 한다. 이를 위해서는 배열 안테나의 배열 소자 간의 간격을 증가시키거나, 배열 소자의 개수를 증가시켜야만 한다. 그러나 주기 배열 안테나에서 배열 소자 간의 간격이 증가되면, 특정 방향으로 빔을 조향했을 때 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생하기 때문에 원하는 방향으로 에너지를 집중시킬 수 없다. 또한 배열 안테나에서 배열 소자 간의 간격 또는 배열 소자의 개수를 증가시키는 것은 시스템 측면에서 보았을 때 송신 모듈의 증가를 의미하며, 이는 시스템의 복잡도 증가를 초래하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1630377호(공고일 2016.06.14.) 일본 등록특허공보 제5916238호(공고일 2016.05.11.) 일본 공개특허공보 특개2003-110494호(공개일 2003.04.11.)
한국전자파학회 논문지, '4 × 4 버틀러 매트릭스 기반 28 GHz 스위치 빔포밍 안테나 시스템 설계', 2015 Sep., 26(10), 876 ~ 884
본 발명에 따른 송신 배열 안테나 장치 및 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, MPT 방식의 무선 전력 전송을 위해 빔폭을 유지하면서 배열 소자의 개수를 줄여서, 역지향성 빔포밍 시에 그레이팅 로브가 발생되지 않고, 수신 안테나의 위치에 관계없이 빔포밍 대응을 신속하게 처리하고자 한다.
둘째, 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나를 구성하여 역지향성 빔포밍 배열을 구현하고자 한다.
셋째, 신드(thinned) 배열의 비주기 배열 구조를 이용해 송신 배열 안테나 장치를 구성하고, 이를 이용해 적응형 신드 역지향성 빔포밍을 구현하고자 한다
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 송신 배열 안테나 장치는 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비하여 송신 배열 안테나를 구성하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 송신 배열 안테나 장치는 빔폭을 유지하면서 역지향성 빔포밍 시에 그레이팅 로브가 발생되지 않고, 수신 안테나의 위치에 관계없이 신속한 빔포밍 대응을 가능하게 한다.
이 특징에 따른 본 발명의 송신 배열 안테나 장치는, 하나의 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자;를 포함하고, 상기 송신 배열 안테나 장치는 상기 유전체 기판 상에 상기 단일 배열 소자들을 N × N(N은 2 이상의 양의 정수)의 주기 배열로 구비한다.
이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수 개의 단일 배열 소자들을 M × M의 비주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나 장치가 제공된다.
이 특징에 따른 송신 배열 안테나 장치는, 복수 개의 유전체 기판; 상기 유전체 기판들 각각의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자; 및 상기 단일 배열 소자들이 형성된 상기 유전체 기판들을 M × M(M은 3 이상의 양의 정수)의 적응형 신드 구조의 비주기 배열로 장착되는 플레이트 형상의 기구물;을 포함한다.
이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 송신 배열 안테나 장치는, 적어도 사이클릭 디퍼런스 세트 기법과 유전 알고리즘을 이용하여 M × M의 비주기 배열에서의 상기 단일 배열 소자의 개수와 비주기 배열 형태가 결정된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수 개의 단일 배열 소자들을 N × N의 주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나 장치가 포함되는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
이 특징에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호를 수신받아서 상기 수신 안테나 장치로 무선 전력 전송을 위한 빔 신호를 송신하여 역지향성 빔포밍을 처리하는 송신 배열 안테나 장치를 포함하되; 상기 송신 배열 안테나 장치는, 하나의 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자;를 포함하여, 상기 유전체 기판 상에 상기 단일 배열 소자들을 N × N(N은 2 이상의 양의 정수)의 주기 배열로 구비한다.
이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수 개의 단일 배열 소자들을 M × M의 비주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나 장치가 포함되는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
이 특징에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호를 수신받아서 상기 수신 안테나 장치로 무선 전력 전송을 위한 빔 신호를 송신하여 역지향성 빔포밍을 처리하는 송신 배열 안테나 장치를 포함하되; 상기 송신 배열 안테나 장치는, 복수 개의 유전체 기판; 상기 유전체 기판들 각각의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자; 및 상기 단일 배열 소자들이 형성된 상기 유전체 기판들을 M × M(M은 3 이상의 양의 정수)의 적응형 신드 구조의 비주기 배열로 장착되는 플레이트 형상의 기구물;을 포함한다.
이 특징의 한 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는다.
다른 실시예에 있어서, 상기 단일 배열 소자는, 상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 송신 배열 안테나 장치는, 적어도 사이클릭 디퍼런스 세트 기법과 유전 알고리즘을 이용하여 M × M의 비주기 배열에서의 상기 단일 배열 소자의 개수와 비주기 배열 형태가 결정된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수 개의 단일 배열 소자들을 N × N의 주기 배열 또는 M × M의 비주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나 장치가 포함되는 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍 방법이 제공된다.
이 특징에 따른 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍 방법은, 송신 배열 안테나 장치가 수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호가 수신되면, 수신된 파일럿 신호를 단일 배열 소자들 각각에 대해 수집하는 단계; 상기 송신 배열 안테나 장치가 상기 단일 배열 소자들 각각에서 수집된 수신 신호의 위상을 각각 검출하는 단계; 상기 송신 배열 안테나 장치가 검출된 위상으로부터 공액 위상을 산출하는 단계; 및 상기 송신 배열 안테나 장치가 산출된 공액 위상의 빔 신호를 상기 단일 배열 소자들로 급전하여 상기 수신 안테나 장치로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 본 발명의 송신 배열 안테나 장치 및 이를 구비하는 무선 전력 전송 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비하는 송신 배열 안테나를 구성하여 역지향성 빔포밍 시, 수신 안테나의 위치에 관계없이 신속한 대응이 가능하게 한다.
둘째, 적응형 신드 역지향성(adpative thinned retro-directive) 빔포밍 배열을 통해서 송신 배열 안테나의 빔폭을 유지하면서 배열 소자의 개수를 줄이고 동시에 빔포밍 시, 그레이팅 로브의 발생을 억제할 수 있다.
셋째, 송신 배열 안테나에 신드(thinned) 배열을 적용함으로써, 송신 모듈의 개수를 줄일 수 있어 시스템의 복잡도를 줄일 수 있으며, 송신 제어기의 부담이 줄기 때문에 수신 안테나의 위치에 대한 빔포밍 대응이 더욱 빠르게 처리할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면,
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 단일 배열 소자의 구성을 나타내는 도면,
도 7은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 코흐 프랙탈 구조의 형성 과정을 나타내는 도면들,
도 8은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 급전점에 대한 X 축 방향 변위량에 따른 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들,
도 9는 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 급전점에 대한 Y 축 방향 변위량에 따른 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들,
도 10은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들,
도 11은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 복사 패턴을 나타내는 파형도들,
도 12는 도 2에 도시된 송신 배열 안테나 장치의 복수 패턴을 나타내는 파형도들,
도 13은 도 3 내지 도 5에 도시된 송신 배열 안테나 장치들 각각의 복수 패턴을 나타내는 파형도들,
도 14는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에서의 역지향성 빔포밍 시뮬레이션을 위한 송신 및 수신 안테나 장치의 위치를 나타내는 도면들,
도 15는 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍을 위한 처리 수순을 도시한 흐름도,
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 정면에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제1 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 정면에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제1 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들,
도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들, 그리고
도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 송신 배열 안테나 장치는 코흐 프랙탈(koch-fractal) 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비한다.
이러한 본 발명의 송신 배열 안테나 장치는 비주기 배열의 경우, 단일 배열 소자들 간의 간격이나 개수에 따른 배열 면적을 증가시키지 않고, 빔폭을 유지하면서 빔포밍 시에 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생되지 않고, 수신 안테나의 위치에 변화에 대응하여 신속하게 빔포밍을 처리한다.
또 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 구비하여 적응형 신드 역지향성 배열의 송신용 원형 편파 배열 안테나를 이용하여 역 지향성 빔포밍을 구현한다.
이러한 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 무전 전력 전송을 위한 시스템의 복잡도를 줄일 수 있으며, 송신 제어기의 부담을 줄일 수 있기 때문에 수신 안테나의 위치에 대한 빔포밍 대응이 더욱 빠르게 처리할 수 있다.
이하에서는 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(2)은 무선 전력 전송을 위하여 복수 개의 단일 배열 소자(도 6의 110)들을 갖는 송신 배열 안테나 장치(100)를 이용하여 마이크로파 전력 전송(Microwave Power Transfer : MPT) 방식으로 역지향성(retro-directive) 빔포밍을 처리한다.
이를 위해 무선 전력 전송 시스템(2)은 송신 배열 안테나 장치(100)를 갖는 송신부(10)와, 수신 안테나(32)를 갖는 수신부(30)를 포함한다.
송신부(10)는 무선 전력 전송을 위해, 전력을 공급하는 RF 신호원(14)과, RF 신호원(14)으로부터 공급된 전력을 송신 배열 안테나 장치(100)의 단위 배열 소자(110)들 각각에 대응하는 복수 개의 송신 채널로 균등 또는 차등 분배하는 전력 분배기(16)와, 각각의 송신 채널에 대응하여 송신빔의 조향을 위한 신호 위상을 변환하는 복수 개의 위상 천이기(18)와, 송신 배열 안테나(100)로 급접되는 전력의 크기를 조절하기 위해 전력을 감쇄하는 복수 개의 감쇄기(20)와, 감쇄된 빔 신호의 전력을 증폭하는 복수 개의 전력 증폭기(22)와, 무선 전력 송신을 위해 송신 배열 안테나 장치(100)의 각각의 단위 배열 소자(110)로부터 수집한 위상 정보를 위상 천이기(18)에서 공액 위상을 취해 송신하도록 제어하는 제어기(12) 및, 각각의 송신 채널에 대응하여 변환된 위상의 송신빔을 수신부(30)의 수신 안테나(32)로 전송하는 복수 개의 단일 배열 소자(110)들을 구비하는 송신 배열 안테나(100)를 포함한다.
본 발명의 송신 배열 안테나(100)는 역지향성 원형 편파 송신용 안테나 배열을 위하여, 코흐 프랙탈(koch-fractal) 구조로 단일 배열 소자를 형성하고, 복수 개의 단일 배열 소자를 주기 배열 또는 비주기 배열로 구성하여 역지향성 빔포밍을 구현한다. 특히, 본 발명의 송신 배열 안테나(100)가 비주기 배열 구조인 경우, 적응형 신드 배열(thinned array)로 구비되어, 주기 배열 구조와 동일한 빔폭을 유지하고, 단일 배열 소자의 개수를 줄일 수 있으며, 빔포밍 시, 그레이팅 로브가 발생되지 않는다. 이러한 송신 배열 안테나(100)에 대한 구체적인 구성과 기능에 대한 내용은 도 2 내지 도 13에서 상세히 설명한다.
그리고 수신부(30)는 송신 배열 안테나 장치(100)로부터 전송된 무선 전력을 수신한다. 즉, 수신부(30)는 송신 배열 안테나 장치(100)의 단일 배열 소자(110)로부터 전송되는 송신빔을 수신하는 수신 안테나(32), 수신된 빔 신호의 RF 에너지를 DC 신호로 변환하는 RF-DC 변환기(34) 및, 변환된 DC 신호의 RF 에너지를 수신 안테나 장치(30)와 연결되는 무선 전자 장치(미도시됨)에서 필요로 하는 DC 전력으로 변환하여 출력하는 DC-DC 변환기(36)를 포함한다. 물론 수신부(30)는 해당 무선 전자 장치에 포함될 수 있다.
다음은 도 2 내지 도 13을 이용하여 본 발명의 송신 배열 안테나 장치의 구성 및 기능에 대하여 상세히 설명한다.
즉, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이며, 그리고 도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치(100)는 하나의 유전체 기판(102)에 복수 개의 단일 배열 소자(110)들이 N × N 주기 배열로 구성된다. 여기서 N은 예컨대, 2 이상의 양의 정수로 구비될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 9 × 9 주기 배열로 구성된 것을 이용하여 설명한다.
유전체 기판(102)은 예를 들어, Taconic 사의 RF-35 기판 또는 글래스 에폭시(FR-4)와 같은 인쇄회로기판(PCB) 등으로 구비된다. 유전체 기판(102)은 하부에 접지면(미도시됨)이 형성되고, 송신부(10)의 제어기(12), 전력 증폭기(22) 등과 전기적으로 연결하기 위한 동축선로(미도시됨)가 형성된다. 이 실시예의 유전체 기판(102)은 송신 배열 안테나 장치(100)가 5.2 GHz 주파수 대역에서 작동되는 경우, 3.5의 유전율을 갖는다.
단일 배열 소자(110)는 복수 개가 9 × 9 주기 배열로 유전체 기판(102)의 상부층에 인쇄된다. 단일 배열 소자(110)는 도 6에 도시된 바와 같이, 코흐 프랙탈(Koch-fractal) 구조로 형성된다. 즉, 단일 배열 소자(110)는 직사각형 형상의 마이크로스트립 패치(microstrip patch)로 구비되고, Y 축 방향을 따라 상하가 대칭되고, X 축 방향을 따라 좌우가 대칭되며, 좌우 가장자리 각각에 코흐 프랙탈 형태로 구성된다.
이러한 제1 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)는 복수 개의 단일 배열 소자(110)들이 하나의 유전체 기판(102)에 상호 균등한 간격을 유지하여 배열되는 주기 배열 구조를 갖는다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제2 내지 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)들 각각은 복수 개의 단일 배열 소자(110)가 적응형 신드 배열(adaptive thinned array)인 M × M 비주기 배열로 구성된다. 여기서 M은 예컨대, 3 이상의 양의 정수로 구비될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 9 × 9 비주기 배열로 구성된다.
단일 배열 소자(110)들 각각은 도 6에 도시된 바와 같이, 각각이 유전체 기판(102a)의 상부면에 개별적으로 형성된다. 즉, 단일 배열 소자(110)는 Y 축 방향을 따라 상하가 대칭되고, X 축 방향을 따라 좌우가 대칭되며, 좌우 가장자리 각각에 코흐 프랙탈 형태로 구성되어 유전체 기판(102a)의 상부면에 직사각형 형상의 마이크로스트립 패치로 구비된다.
또 단일 배열 소자(110)가 형성된 복수 개의 유전체 기판(102)들은 별도의 플레이트 형상의 기구물(104, 104a 또는 104b)에 장착되어 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c) 각각을 구성한다. 기구물((104, 104a 또는 104b)은 예를 들어, 단일 배열 소자(110)들을 외부 전자 장치와 전기적으로 연결 가능한 인쇄회로기판이나 금속 플레이트 등으로 구비될 수 있다.
여기서 제2 내지 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)들 각각은 사이클릭 디퍼런스 세트(cyclic difference set) 기법과 유전 알고리즘(Genetic Algorithms) 등을 이용하여 제1 실시예의 주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치(100)와 동일하거나 유사한 특성을 도출함으로써, M × M 비주기 배열에서의 최적화된 단일 배열 소자(110)의 개수와 비주기 배열 형태를 다양하게 결정할 수 있다.
이러한 제2 내지 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)들 각각은 복수 개의 단일 배열 소자(110)들이 각각 형성된 복수 개의 유전체 기판(102a)들이 상호 배열 간격이 일정하지 않은 즉, 부균등 간격으로 배열되는 비주기 배열 구조를 갖는다. 그러므로 제2 내지 제4 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c) 각각은 비주기 배열로 구성되므로, 빔 포밍 시, 제1 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)에 비해 그레이팅 로브가 발생되지 않지만, 빔폭은 제1 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)와 동일하다.
따라서 제2 내지 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)들 각각은 빔폭을 유지하면서 빔포밍 시에 제1 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)에 비해 그레이팅 로브가 더 발생되지 않는다.
도 6은 도 2 내지 도 5에 도시된 단일 배열 소자의 구성을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 코흐 프랙탈 구조의 형성 과정을 나타내는 도면들이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 단일 배열 소자(110)는 유전체 기판(102a)의 상부면에 마이크로스트립 패치(112)로 형성된다. 단일 배열 소자(110)는 좌우 가장자리에 코흐 프랙탈 구조(114)가 적용된 원형 편파 패치 안테나로, 급전 방식은 동축 급전(coaxial probe) 방식이다.
단일 배열 소자(110)는 패치(112)의 중심점(112a)에서 X 축, Y 축 방향으로 각각 일정 거리(feed_x, feed_y) 만큼 떨어진 위치에 급전점(112b)이 존재한다. 또 단일 배열 소자(110)는 30 × 30 × 1.52 mm3의 크기를 가지며, 유전체 기판(102a)은 예를 들어, RF-35 기판 또는 글래스 에폭시(FR-4)와 같은 인쇄회로기판(PCB) 등으로 구비된다. 이 실시예에서 유전체 기판(102a)은 유전율이 3.5인 Taconic 사의 RF-35 기판으로 구비된다. 또 유전체 기판(102a)은 하부에 접지면(미도시됨)이 형성되고, 송신부(10)의 제어기(12), 전력 증폭기(22) 등과 전기적으로 연결하기 위한 동축선로(미도시됨)가 형성된다.
단일 배열 소자(110)는 코흐 프랙탈 구조를 형성하기 위하여, 먼저 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 직사각형의 패치(112a)를 구비하고, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 직사각형의 패치(112a)의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분 b에 직각 이등변 삼각형의 슬롯을 추가한다. 이어서 삼각형의 슬롯이 추가된 패치(112b)에서 1의 비율에 해당하는 부분 a와 c 각각과, 삼각형의 슬롯 이등변 각각에 동일한 과정을 반복하여 슬롯을 추가함으로써 코흐 프랙탈 구조(114)의 패치(112)를 형성한다. 따라서 본 발명에서는 2 단계로 형성된 코흐 프랙탈 구조를 단일 배열 소자(110)의 형상으로 설정한다.
이러한 단일 배열 소자(110)는 패치의 중심점(112a)에서 +X 축 및 -Y 축 방향으로 각각 feed_x, feed_y의 거리에 위치하는 급전점(112b)을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 나타낸다. 따라서 본 발명의 단일 배열 소자(110)는 제1 내지 제4 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100, 100a ~ 100c) 각각에 구비되어 원형 편파 패치 안테나로 작용한다.
도 8은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 급전점에 대한 X 축 방향 변위량에 따른 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들이고, 도 9는 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 급전점에 대한 Y 축 방향 변위량에 따른 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 단일 배열 소자(110)는 시뮬레이션 결과, 5.2 GHz 주파수 대역을 중심으로 -10 dB의 반사 계수 대역폭 특성을 나타내며, 5.2 GHz 주파수 대역에서의 반사 계수는 -15 dB 이하이다. 또 5.2 GHz 주파수 대역에서의 축비는 1.5 dB 이하를 만족한다.
또 단일 배열 소자(110)는 급전점(112b)의 가로 위치(feed_x)의 증가에 따라 최저 축비 주파수가 저주파 대역으로 이동한다.
또 단일 배열 소자(110)는 급전점(112b)의 세로 위치(feed_y)에 대한 시뮬레이션 결과, 세로 위치(feed_y)의 절대값의 증가에 따라 최저 축비 주파수가 고주파 대역으로 이동한다.
이 시뮬레이션 결과로부터 본 발명의 단일 배열 소자(110)는 안테나의 중심 주파수 대역(5.2 GHz)에서 동작하기 위해, 급전점(112b)의 가로 위치(feed_x)를 중심점(112a)으로부터 1.695 mm 거리 만큼, 세로 위치(feed_y)를 중심점(112a)으로부터 1.966 mm 거리 만큼 이격된 위치로 결정된다.
도 10은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 반사 계수와 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 단일 배열 소자(110)의 시뮬레이션 결과, 반사계수 특성 (a)는 주파수 대역 5.2 GHz를 중심으로 -10 dB의 반사 계수 대역폭 특성을 나타내며, 주파수 대역 5.2 GHz에서의 반사계수는 -15 dB 이하이다. 또 단일 배열 소자(110)의 축비 특성 (b)는 주파수 대역 5.2 GHz에서 1.5 dB 이하를 만족한다.
도 11은 도 6에 도시된 단일 배열 소자의 복사 패턴을 나타내는 파형도들이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 단일 배열 소자(110)는 좌편파(LHCP : Left-Handed Circular Polarization) 원형 편파 안테나의 복사 패턴 특성을 가지며, θ = 0°방향에서의 이득은 6.5 dBic이다. XZ-plane과 YZ-plane에서의 반치각은 각각 89.3°와 88.9°이다.
그리고 도 12 및 도 13을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 12는 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치의 복사 패턴을 나타내는 파형도들이다.
도 12를 참조하면, 이 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)는 9 × 9 주기 배열 구조를 가지며, 주파수 대역 5.2 GHz에서 정규화 복사 패턴 특성은 XZ-plane과 YZ-plane 각각에서의 반치각은 모두 11.2°이다. 또 부엽 준위는 -13.3 dB인 것을 확인할 수 있다.
도 13은 도 3 내지 도 5에 도시된 제2 내지 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치들 각각의 복수 패턴을 나타내는 파형도들이다.
도 13을 참조하면, 이 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)들 각각은 제1 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100)와 빔폭이 동일함을 알 수 있다.
따라서 제2 내지 제4 실시예의 송신 배열 안테나 장치(100a ~ 100c)는 복수 개의 단일 배열 소자(110)들을 비주기 배열로 구성하여 신드 배열(thinned array) 구조를 적용함으로써, 실효 등방성 복사 전력(Effective Isotropically Radiated Power : EIRP)이 줄었으나, 제1 실시예에 따른 주기 배열의 송신 배열 안테나 장치(100)와 동등한 빔폭 특성의 구현이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
계속해서 본 발명의 무선 전력 송신 시스템에 대한 시뮬레이션 과정 및 결과를 도 14 내지 도 23을 이용하여 설명한다.
도 14는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에서의 역지향성 빔포밍 시뮬레이션을 위한 송신 및 수신 안테나 장치의 위치를 나타내는 도면들이고, 도 15는 본 발명의 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍 수순을 도시한 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 역지향성 빔포밍 시뮬레이션을 위하여 송신 배열 안테나 장치(Tx)와 수신 안테나 장치(Rx) 사이의 거리(D)를 일정하게 유지하고, 수신 안테나 장치(Rx)에 도 6에 도시된 단일 배열 소자(110)를 사용하고, 송신 배열 안테나 장치(Tx)는 도 2 내지 도 5에 도시된 9 × 9 주기 배열 또는 9 × 9 비주기 배열의 송신 배열 안테나 장치(100, 100a ~ 100c)를 사용한다.
이 시뮬레이션은 수신 안테나 장치(Rx)의 위치에 따라 역지향성 빔포밍을 시뮬레이션한다. 이 때, 수신 안테나 장치(Rx)의 위치는 9 × 9 주기 배열 또는 9 × 9 비주기 배열의 송신 배열 안테나 장치(TX)의 5.2 GHz 주파수 대역의 원거리장(farfield) 범위(약 4.6 m) 내에서 일정 거리(D) 예를 들어, 송신 배열 안테나 장치(Tx)와 약 2.5 m의 거리(D)를 고정한 채, 수신 안테나 장치(Rx)와 송신 배열 안테나 장치(Tx)가 이루는 각도(정면, θ1, θ2) 예를 들어, 0°, 15°, 30°등에 따라 정의한다.
또 역지향성 빔포밍 시뮬레이션 구현을 위해서 수신 안테나 장치(Rx)를 급전하여 송신 배열 안테나 장치(Tx)의 각 단일 배열 소자에서 위상을 검출하고, 검출된 위상의 공액 위상을 송신 배열 안테나 장치(Tx)에 급전한다.
구체적으로 도 15를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템(2)은 단계 S200에서 수신 안테나 장치(Rx)가 송신 배열 안테나 장치(Tx)로 파일럿 신호를 송신하면, 단계 S210에서 송신 배열 안테나 장치(Tx)가 수신된 파일럿 신호를 단일 배열 소자들 각각에 대해 수집한다.
단계 S220에서 송신 배열 안테나 장치(Tx)가 단일 배열 소자들 각각에서 수집된 수신 신호의 위상을 각각 검출하고, 단계 S230에서 검출된 위상을 바탕으로 공액 위상을 산출한다. 이어서 단계 S240에서 송신 배열 안테나 장치(Tx)가 산출된 공액 위상의 빔 신호를 단일 배열 소자들로 급전하여 수신 안테나 장치(Rx)로 송신함으로써, 역지향성 빔포밍이 이루어진다.
상술한 도 14의 시뮬레이션 환경에서의 역지향성 빔포밍 시뮬레이션 결과는 도 15 내지 도 23에 나타나 있다.
즉, 도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 정면에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이고, 도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제1 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이며, 그리고 도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 이 시뮬레이션은 제1 실시예에 따른 9 × 9 주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치(100)를 이용하여 5.2 GHz 주파수 대역에서의 수신 안테나 장치의 위치 즉, 제1 내지 제3 각도 즉, 정면, 15°, 30° 각각에 따른 전계 분포를 나타낸다. 여기서 도 16 내지 도 18 각각에서 (a)는 XZ-plane, (b)는 XY-plane에서의 전계 분포를 나타낸다.
제1 실시예에 대한 시뮬레이션 결과, 도 16의(a), 도 17의 (a) 및 도 18의 (a)에 도시된 바와 같이, 수신 안테나 장치의 위치에 따라 전계가 수신 안테나 장치가 위치하고 있는 방향으로 강하게 분포하고 있으며, 도 16의(b), 도 17의 (b) 및 도 18의 (b)에 도시된 바와 같이, 수신 안테나 장치를 중심으로 강한 전계가 형성된다.
그러므로 역지향성 빔포밍 시, 9×9 주기 배열의 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 수신 안테나 장치의 위치와 관계없이 수신 안테나 장치의 방향으로 빔포밍이 가능함을 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 정면에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이고, 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제1 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이며, 그리고 도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이다.
도 19 내지 도 21을 참조하면, 이 시뮬레이션은 제2 실시예에 따른 9 × 9 비주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치(100a)를 이용하여 5.2 GHz 주파수 대역에서의 수신 안테나 장치의 위치 즉, 제1 내지 제3 각도 즉, 0°(정면), 15°, 30° 각각에 따른 전계 분포를 나타낸다. 여기서 도 19 내지 도 21 각각에서 (a)는 XZ-plane, (b)는 XY-plane에서의 전계 분포를 나타낸다.
제2 실시예에 대한 시뮬레이션 결과, 도 16 내지 도 18의 제1 실시예에 따른 9×9 주기 배열의 송신 배열 안테나 장치(100)를 사용한 경우와 전계 분포가 거의 동일하며, 수신 안테나 장치의 주변으로 전계가 강하게 형성됨을 확인할 수 있다.
따라서 역지향성 빔포밍 시, 9×9 비주기 배열 구조의 신드 배열로 구비된 송신 배열 안테나 장치(100a)를 사용한 경우에도 제1 실시예의 9×9 주기 배열 구조와 마찬가지로 수신 안테나 장치의 위치와 관계없이 수신 안테나 장치의 방향으로 빔포밍이 가능함을 확인할 수 있다.
그리고 도 22는 본 발명의 제3 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이고, 도 23은 본 발명의 제4 실시예에 따른 송신 배열 안테나 장치를 사용했을 경우, 제2 각도에 위치한 수신 안테나 장치의 방향에 따른 전계 분포를 나타내는 도면들이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 이 시뮬레이션은 제3 및 제4 실시예에 따른 9 × 9 비주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치(100b, 100c) 각각을 이용하여 5.2 GHz 주파수 대역에서의 수신 안테나 장치의 제2 각도 위치 즉, 15°에 따른 전계 분포를 나타낸다. 여기서 도 22 및 도 23 각각에서 (a)는 XZ-plane, (b)는 XY-plane에서의 전계 분포를 나타낸다.
제3 및 제4 실시예에 대한 시뮬레이션 결과 또한, 제1 실시예의 9 × 9 주기 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치(100)의 전계 분포와 거의 동일하며, 이로부터 다양한 형태의 신드 배열 구조의 송신 배열 안테나 장치를 역지향성 빔포밍에 적용 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 시뮬레이션을 통하여, 본 발명에서는 코흐 프랙탈 구조로 형성된 복수 개의 단일 배열 소자들을 주기 배열 또는 비주기 배열로 구비하여 송신 배열 안테나를 구성하여 역지향성 빔포밍 배열을 구현 가능하다.
특히, 본 발명에서는 적응형 신드 배열 구조로 역지향성 빔포밍 가능한 송신 배열 안테나 장치를 통해 단일 배열 소자의 개수를 감소시킬 수 있고, 역지향성 빔포밍 시, 그레이팅 로브가 발생하지 않고도 빔폭을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다. 그러므로 본 발명의 송신 배열 안테나 장치는 신드 배열 구조의 역지향성 빔포밍이 구현되어, 송신 모듈의 개수를 줄일 수 있으므로 무선 전력 전송 시스템의 복잡도를 줄일 수 있으며, 이로 인하여 송신 배열 안테나 장치의 제어기의 부하가 줄기 때문에 수신 안테나 장치의 위치에 대한 빔포밍 대응이 더욱 빠르다는 장점을 가진다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
2 : 무선 전력 전송 시스템
10 : 송신부
30 : 수신부
100, 100a, 100b, 100c : 송신 배열 안테나 장치
102, 102a : 유전체 기판
110 : 단일 배열 소자
112 : 마이크로스트립 패치
114 : 코흐 프랙탈 형태
104, 104a, 104b : 기구물

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  4. 송신 배열 안테나 장치에 있어서:
    복수 개의 유전체 기판;
    상기 유전체 기판들 각각의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자; 및
    상기 단일 배열 소자들이 형성된 상기 유전체 기판들을 M × M(M은 3 이상의 양의 정수)의 적응형 신드(adaptive thinned) 구조의 비주기 배열로 장착되는 플레이트 형상의 기구물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 배열 안테나 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 송신 배열 안테나 장치.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 송신 배열 안테나 장치.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 송신 배열 안테나 장치는,
    적어도 사이클릭 디퍼런스 세트(cyclic difference set) 기법과 유전 알고리즘(Genetic Algorithms)을 이용하여 M × M의 비주기 배열에서의 상기 단일 배열 소자의 개수와 비주기 배열 형태가 결정되는 것을 특징으로 하는 송신 배열 안테나 장치.
  8. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호를 수신받아서 상기 수신 안테나 장치로 무선 전력 전송을 위한 빔 신호를 송신하여 역지향성 빔포밍을 처리하는 송신 배열 안테나 장치를 포함하되;
    상기 송신 배열 안테나 장치는,
    하나의 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자;를 포함하여, 상기 유전체 기판 상에 상기 단일 배열 소자들을 N × N(N은 2 이상의 양의 정수)의 주기 배열로 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  11. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호를 수신받아서 상기 수신 안테나 장치로 무선 전력 전송을 위한 빔 신호를 송신하여 역지향성 빔포밍을 처리하는 송신 배열 안테나 장치를 포함하되;
    상기 송신 배열 안테나 장치는,
    복수 개의 유전체 기판;
    상기 유전체 기판들 각각의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 상하 및 좌우가 각각 대칭되며, 상기 좌우 각각이 코흐 프랙탈 형태로 구비되는 복수 개의 단일 배열 소자; 및
    상기 단일 배열 소자들이 형성된 상기 유전체 기판들을 M × M(M은 3 이상의 양의 정수)의 적응형 신드(adaptive thinned) 구조의 비주기 배열로 장착되는 플레이트 형상의 기구물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 직사각형 패치의 좌우 세로변 각각을 1 : 2 : 1의 비율로 분할한 후, 2의 비율에 해당하는 부분에 직각 이등변 삼각형의 슬롯이 형성되고, 1의 비율에 해당하는 부분 각각과, 이등변 삼각형의 슬롯의 이등변 각각의 부분에 동일한 과정을 반복하여 슬롯이 형성된 코흐 프랙탈 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 단일 배열 소자는,
    상기 유전체 기판의 상부면에 직사각형 패치로 형성되고, 동축 급전 방식으로 급전되며, 상기 직사각형 패치의 중심점에서 +X 축, -Y 축 방향으로 각각 일정 거리 만큼 떨어진 위치에 급전점이 구비되고, 상기 급전점을 통해 여기되어 원형 편파 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  14. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 송신 배열 안테나 장치는,
    적어도 사이클릭 디퍼런스 세트(cyclic difference set) 기법과 유전 알고리즘(Genetic Algorithms)을 이용하여 M × M의 비주기 배열에서의 상기 단일 배열 소자의 개수와 비주기 배열 형태가 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  15. 청구항 8, 청구항 9, 청구항 11 및 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍 방법에 있어서:
    송신 배열 안테나 장치가 수신 안테나 장치로부터 파일럿 신호가 수신되면, 수신된 파일럿 신호를 단일 배열 소자들 각각에 대해 수집하는 단계;
    상기 송신 배열 안테나 장치가 상기 단일 배열 소자들 각각에서 수집된 수신 신호의 위상을 각각 검출하는 단계;
    상기 송신 배열 안테나 장치가 검출된 위상으로부터 공액 위상을 산출하는 단계; 및
    상기 송신 배열 안테나 장치가 산출된 공액 위상의 빔 신호를 상기 단일 배열 소자들로 급전하여 상기 수신 안테나 장치로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템의 역지향성 빔포밍 방법.
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