KR102102245B1 - 개별신호발생기를 이용한 무선 전력 송신 장치 및 방법 - Google Patents

개별신호발생기를 이용한 무선 전력 송신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 따른 무선 전력 송신 장치는, 종래 retro-directive 빔포밍 방식과 달리, 다중 송신셀과 송신셀 내 수신부를 갖는 송신 배열 구조에서 전력 분배기를 사용하지 않고 각 송신셀 내부에서 각각의 고주파신호발생기를 이용하여 송신신호(RF)와 수신신호(LO) 신호를 직접 만들어 낼 수 있다. 이를 통해 본 명세서에 따른 무선 전력 송신 장치는 고주파에서 동작하는 다중 전력분배기 대신에 디지털 제어부로부터 동일한 기준신호를 각 고주파신호발생기에 공급함으로써 셀의 개수가 많아지더라도 하드웨어의 복잡성이 상대적으로 덜 증가하는 장점을 갖는다.

Description

개별신호발생기를 이용한 무선 전력 송신 장치 및 방법{WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS USING INDIVISUAL SIGNAL GENERATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 전력 송신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 개별신호발생기를 이용한 레트로 다이렉티브 빔포밍 무선 전력 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 기술의 발달에 의해 전자 제품이 소형화 되었고, 무선 통신의 기술 발달과 함께 전자 제품의 휴대성이 높아졌다. 다만, 제품의 소형화 및 휴대성에도 불구하고 전력은 배터리를 통해서 공급받고 있어서, 소형화 및 휴대성 향상에 한계를 가져오고 있다. 이를 극복하기 위한 다양한 방안 중 하나가 무선 전력 송신 기술이다. 이와 관련한 종래 기술로서 미국 특허공개문헌 2011-0050166에 무선으로 전력을 공급하는 기술이 개시되어 있다.
무선 전력 송신은 원거리 전송이 가능하다는 장점을 갖는다. 하지만 주파수가 높아질수록 경로손실이 커져서 낮은 효율을 가질 수 밖에 없다. 효율을 조금이라도 높이기 위해서는 경로손실을 보상해야 하는데, 가장 효율적인 방법은 송수신 안테나의 이득을 높이는 것이다. 하지만, 안테나의 이득을 많이 높이면 지향성이 너무 높아져서 수신기의 위치가 가변적인 상황에 대처할 수 없는 문제점이 생긴다. 높은 안테나 이득을 유지하면서 수신기의 위치 가변에 대응하기 위해서는 적응형 빔포밍이 필수적이다.
적응형 빔포밍은 송신 안테나의 이득을 극대화 하기 위하여 송신부를 다수의 송신셀의 배열로 구성하고 각 송신셀로부터 송신되는 개별 신호의 위상을 적응제어 방식을 통하여 정렬하는 것을 의미한다. 이를 통해 수신기에서는 최적의 신호를 수신할 수 있다. 송신기의 적응제어 시스템은 이동하는 수신기의 위치를 계속해서 추적할 수 있도록 적응제어 알고리즘을 수행한다.
수 많은 송신셀들의 위상을 모두 정렬하기 위해서 각 송신셀 내의 위상천이기를 조정해야 하는데 일반적인 빔 스캔 방식을 이용하여 최적의 위상조합을 찾는 방식을 적용하면 시간이 너무 많이 걸릴 뿐 아니라 송신부 적응제어기의 부담이 커져서 수신기의 위치 변화를 실시간으로 추적하기 어렵다. 이를 극복하기 위하여 시간반전방식을 응용한 retro-directive radio라는 방식이 제안되었다. 이 방식은 일단 수신부에서 송신신호와 같은 주파수의 신호를 송신하고 이를 각 송신셀에 딸린 수신부로 수신한다. 각 송신셀에서는 수신된 신호들을 통해 검출된 위상을 반전하여 송신함으로써 빔 스캔 없이 송신셀의 위상을 단시간에 정렬하는 방식이다.
도 1는 일반적인 retro-directive radio 방식의 무선 전력 송수신측의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 전력 송신측은 무선 전력 송신을 위한 특정 주파수로 신호를 송신한다. 전력 수신측 내 보조 송신부는 전력 송신측이 송신한 신호와 동일한 주파수의 신호를 전력 송신측으로 송신한다. 각 안테나로부터 수신한 신호의 위상을 검출하고 이와 반대되는 위상을 갖는 신호를 각각의 송신안테나를 통해 송신함으로써 수신기에서 동위상으로 신호를 수신하는 방식이다. 이를 통하면 다수의 송신 안테나를 이용함으로써 이득을 높일 수 있고, 수신부에서 오는 신호를 검출하여 역위상으로 송신함으로써 수신부의 위치변화에 대응할 수 있다. 기존의 빔포밍 방식이 2차원적 방향에 맞추어 각 안테나를 통한 송신 신호를 제어하는 반면, 이 방식은 3차원적 빔포밍이 가능해 추가적 장점을 갖는다.
이러한 방식은 다중의 송신셀을 통해 안테나 이득을 높이는 방향으로 구성되어야 하는데, 이렇게 할 경우 다중의 송신셀로 신호를 인가하기 위하여 송신신호를 발생시킨 이후 다중 전력분배기를 통해 동위상으로 분배해서 공급하여야 한다. 또한 수신부를 통한 역방향 신호에 대한 위상 검출을 위해 송신신호의 주파수와 IF 주파수만큼 다른 LO 신호를 만들어 각 송신셀의 수신부로 제공하여야 한다. 이를 위해 역시 다중 전력 분배기를 통해 동위상으로 분배해서 공급해야 할 필요성이 있다. 다중 안테나를 통한 이득 증가를 극대화 하기 위하여 많은 수의 송신셀을 사용하려고 할 경우 다중 신호 분배기의 구성과 각셀로 동위상의 신호를 제공하는 것이 무척 어려워 진다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 송신기 하드웨어를 효율적 구성할 수 있는 무선 전력 송수신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 다수의 송신셀; 상기 다수의 송신셀과 각각 연결된 디지털 제어부; 및 상기 디지털 제어부와 연결된 보조 통신부;를 포함하는 무선 전력 송신 장치로서, 상기 각 송신셀은, 상기 디지털 제어부로부터 기준신호를 수신하여 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)를 생성하는 고주파 신호 발생기; 안테나; 상기 송신신호의 위상을 변형시켜 상기 안테나를 통해 송신하는 송신부; 및 수신기(전력 수신기)로부터 송신된 역방향 신호를 처리하여 상기 디지털 제어부로 출력하는 수신부; 를 포함하고, 상기 디지털 제어부는, 상기 각 송신셀의 수신부로부터 수신된 신호의 위상을 비교하여 그 역 위상을 추출하고 각각의 송신셀에서 수신된 신호의 역위상을 갖는 신호를 그 송신셀에서 송신할 수 있도록 위상제어신호를 상기 송신부에 출력하는 것이다.
상기 송신부는, 가변위상천이기, 감쇄기 및 전력증폭기를 포함할 수 있다.
상기 디지털 제어부는, 상기 위상제어신호를 상기 가변위상천이기에 출력할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는, PLL(Phase Locked Loop) 또는 DDS(Digital Direct Synthesis)를 이용하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는, 상기 기준 신호의 주파수를 소정 배수로 증가시키는 다단 주파수 채배기를 이용하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는, 상기 기준 신호에 기초하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기; 및 상기 고주파신호(f0)를 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)로 분배하는 전력분배기를 더 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는, 상기 기준 신호에 기초하여 상기 송신 신호(RF)를 생성하는 제 1 주파수 합성기; 및 상기 기준 신호에 기초하여 상기 수신 신호(LO)를 생성하는 제 2 주파수 합성기를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는, 상기 기준 신호에 기초하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기; 및 상기 고주파신호(f0)를 상기 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)로 교차 출력하는 스위치;를 포함할 수 있다.
상기 디지털 제어부는, 상기 각각의 송신셀에 포함된 하드웨어 구성에 의하여 발생하며 상기 기준 신호와 상기 안테나에서 송신되는 신호간의 위상 차를 나타내는 제 1 위상차와 상기 안테나와 상기 전력 수신기간의 채널 특성에 의하여 발생하며 상기 안테나에서 송신되는 신호와 상기 전력 수신기에서 수신되는 신호간의 위상 차를 나타내는 제 2 위상차에 기초하여, 상기 위상 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템은, 무선 전력 송신 장치; 및 안테나, 전력 수신부 및 상기 무선 전력 송신 장치에서 출력하는 신호와 동일한 주파수를 송신하는 보조 송신부를 가진 무선 전력 수신부;를 포함하는 것이다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 송신셀의 개수가 매우 많은 송신배열의 구조에서도 하드웨어(Hardware) 구성이 간단해서 IoT 소자, 각종 웨어러블 소자, 각종 센서의 전원공급이나 더 나아가 휴대폰을 포함한 모바일 디바이스의 원거리 충전에 사용될 수 있다.
또한, 개별 신호 발생기를 이용하면서 하드웨어 구성에 의하여 발생할 수 있는 위상 틀어짐을 효율적으로 제거함으로서, 전력 충전 효율을 극대화한다.
본 명세서에 기재된 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 일반적인 retro-directive radio 방식의 무선 전력 송수신측의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 명세서의 제3 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 명세서에 따른 변형 응용에 대한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어부에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 제어부에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 명세서에 따른 무선 전력 송신 장치는 다수의 송신셀, 디지털 제어부 및 보조 통신부를 포함할 수 있다.
상기 각 송신셀은 고주파 신호 발생기, 안테나, 송신부 및 수신부를 포함할 수 있다.
상기 고주파 신호 발생기는 상기 디지털 제어부로부터 기준신호를 수신하여 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)를 생성할 수 있다. 상기 고주파 신호 발생기는 PLL(Phase Locked Loop), DDS(Digital Direct Synthesis)를 이용하여 고주파 신호를 생성하는 하나 이상의 주파수 합성기(미도시)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 고주파 신호 발생기는 후술할 송신부로 전송될 고주파 신호(RF)와 수신부로 전송될 고주파 신호(L0)를 각각 생성하기 위하여 복수의 주파수 합성기를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 고주파 신호 발생기가 하나의 주파수 합성기를 이용하여 하나의 고주파 신호를 생성하고, 생성된 고주파 신호를 전력 분배기나 스위치를 통하여 송신부 및 수신부로 전송할 수 있다.
상기 안테나는 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자')에게 알려진 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 송신부는 상기 송신신호의 위상을 변형시켜 상기 안테나를 통해 송신하는 역할을 할 수 있다.
상기 수신부는 수신기(전력 수신기)로부터 송신된 역방향 신호를 처리하는 역할을 할 수 있다. 그리고 상기 수신부는 처리된 신호를 상기 디지털 제어부를 출력할 수 있다.
상기 보조통신부는 당업자에게 알려진 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 송신부는 가변위상천이기, 감쇄기 및 전력증폭기를 포함할 수 있다. 상기 송신신호(RF)는 가변위상천이기, 가변감쇄기, 전력증폭기를 거쳐 안테나를 통해 방사된다. 상기 가변위상천이기, 감쇄기 및 전력증폭기는 당업자에게 알려진 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 수신부는 하향변환기, 저잡음증폭기, 대역여파기 및 A/D 변환기를 포함할 수 있다. 수신기(전력 수신기)로부터 송신된 역방향 신호는 대역여파기와 저잡음증폭기로 구성된 송신기의 수신부를 통해 수신하며 하향 변환기를 통해 적절한 IF 신호로 변환된다. 하향 변환된 IF 신호는 A/D 변환기를 통해 디지털제어부로 입력된다. 상기 하향변환기, 저잡음증폭기, 대역여파기 및 A/D 변환기는 당업자에게 알려진 내용이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 디지털 제어부는 각 송신셀로부터 수신된 신호의 위상을 비교하여 그 역 위상을 추출하고 각각의 송신셀에서 수신된 신호의 역위상을 갖는 신호를 그 송신셀에서 송신할 수 있도록 위상제어신호를 상기 송신부에 출력할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 디지털 제어부는 위상제어신호를 상기 송신부의 가변위상천이기에 출력한다.
상기 디지털 제어부에서 생성하는 위상제어신호는 하드웨어 구성에 따라 발생하는 제 1 위상차와 상기 무선 전력 송신 장치와 상기 전력 수신기 사이의 채널 특성에 따라 발생하는 제 2 위상차를 고려하여 생성될 수 있다.
일반적으로, 기준신호(fref)는 고주파신호발생기, 가변위상천이기, 감쇄기, 전력증폭기, 안테나와 같은 하나 이상의 하드웨어 구성을 통과하면서 위상(또는 주파수)가 틀어지게 되는데, 본 명세서에서는 하드웨어 구성에 의한 위상차를 제 1 위상차로 명명한다. 복수의 송신 채널을 사용하여 무선 전력을 전송하는 경우 각각의 송신 채널에 포함된 하드웨어의 스펙이 완벽하게 동일할 수 없기 때문에 제 1 위상차는 송신 채널들간에 상이할 수 있으며, 이러한 이유로 제 1 위상차를 송신채널간 위상차로 명명할 수도 있다.
또한, 안테나를 통하여 송신된 RF 신호는 무선 전력 송신 장치로부터 전력 수신기에 도달할 때까지의 통신 환경(예를 들면, 거리 또는 통신 채널의 특성)에 따라 위상(또는 주파수)이 틀어지게 되는데, 본 명세서에서는 무선 전력 송신 장치로부터 전력 수신기까지의 통신 환경에 따른 위상차를 제 2 위상차로 명명한다. 제 2 위상차는 무선 전력 송신 장치로부터 전력 수신기까지의 통신 환경에 의하여 발생하므로 실시예에 따라서는 채널 정보에 포함되거나, 채널 정보로 명명될 수 있다.
디지털 제어부에서 제 1 위상차를 획득하는 방법에 관한 자세한 설명은 도 9 및 도 10에서 후술한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고주파 신호 발생기는 주파수 합성기 및 전력분배기를 포함할 수 있다. 상기 주파수 합성기는 PLL(Phase Locked Loop), DDS(Digital Direct Synthesis) 또는 주파수 체배기를 이용하여 고주파신호를 만들어 낼 수 있다. 상기 고주파 신호 발생기가 만들어낸 신호는 보통 매우 높은 주파수(f0)를 갖게 된다. 이를 2-방향 전력분배기를 통해 분배하여 송신신호(RF)와 수신신호(LO)를 만들어 낸다. 이때, 두 신호는 모두 f0의 주파수를 갖게 되며 수신기에서 역송신되는 수신신호의 주파수가 f0±fΙF이면, 상기 하향변환기를 통해 fΙF의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있게 된다. 상기 디지털 제어부에서 고주파신호발생기로 공급되는 기준신호는 fref의 주파수를 가지게 된다. 보통 하향 변환된 신호(fΙF)와 기준신호(fref)는 보통 수 KHz~수십 MHz 이내의 낮은 주파수를 갖는다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고주파 신호 발생기는 2개의 주파수 합성기를 포함할 수 있다. 각 주파수 합성기는 송신부와 수신부에 각각 송신신호(RF)와 수신신호(LO)를 출력할 수 있다.
송신신호(RF)와 수신신호(LO)는 동일한 주파수인 f0를 갖지고 있다. 그리고 수신기에서 역송신된 수신신호의 주파수가 f0±fΙF이면 하향변환기를 통해 fΙF의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있게 된다. 이 방식은 위에서 설명한 주파수 체계뿐 아니라 다른 주파수 체계를 가질 수 있는 장점이 있다. 송신신호(RF)와 수신신호(LO)가 따로 발생이 되므로, 송신신호는 f0를 갖고 수신신호(LO)는 f0±fΙF를 갖게하고, 수신신호(LO)의 주파수를 송신신호(RF)와 같은 f0가 되게 하여도 하향변환기를 통해 fΙF의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 고주파 신호 발생기의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 고주파 신호 발생기는 주파수 합성기 및 스위치를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 도 3에 도시된 실시예와 비교할 때, 고주파신호발생기를 위해 PLL이나 DDS 또는 주파수 체배기를 이용한 주파수합성기를 하나만 사용하고 이를 스위치를 통해 교차하여 송신부로 공급하거나 수신부로 공급하여 송신신호(RF)와 수신신호(LO)를 교차 발생하는 방식이다. 송신신호(RF)와 수신신호(LO)가 동일한 주파수인 f0로 사용한다면 수신신호의 주파수를 f0±fΙF가 되게 하여 하향변환기를 통해 fΙF의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있게 된다. 이 방식은 도4와 같이 수신신호(LO)를 발생할 때 주파수를 동적으로 변환하여 f0±fΙF가 되게 할 수 있고, 이 경우 역시 수신신호의 주파수를 송신신호와 같은 f0가 되게 하여 하향변환기를 통해 fΙF의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있게 된다.
도 6은 본 명세서에 따른 변형 응용에 대한 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각 송신셀에서 수신부가 없는 경우라도 본 발명을 부분 적용하여 송신셀 내부의 고주파신호발생기를 통해 송신신호를 자체 생성할 수 있고 동일한 기준신호를 각각의 송신 셀에 공급함으로써 동기된 위상을 갖는 신호를 생성할 수 있다. 각각의 셀에서 생성된 송신 신호를 셀 내의 위상천이기를 조절 함으로써 적절한 위상을 갖도록 조정하여 송신할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7에 도시된 무선 전력 송신 장치는 다단 주파수 채배기를 이용하여 고주파 신호를 생성한다. 도 7에서는 설명의 편의를 위하여 N개의 다단 주파수 채배기를 이용하여 고주파 신호를 생성하는 것으로 가정한다.
두 배의 주파수 체배 특성을 갖는 주파수 채배기를 N단으로 배치하면, 기준 신호(fref)의 주파수의 2N배의 주파수를 갖는 고주파 신호(f0)를 얻을 수 있다. 유사하게, M배의 주파수 체배 특성을 갖는 주파수 체배기를 N단으로 구성하면 기준 신호(fref)의 주파수의 MN배의 주파수를 갖는 고주파 신호(f0)를 얻을 수 있다
예를 들어, 2배의 주파수 체배 특성을 갖는 주파수 체배기를 10단으로 구성하면, 기준 신호(fref)의 1024배에 해당하는 주파수를 갖는 출력 신호(f0)를 얻을 수 있다. 여기에 5.664MHz의 기준 신호(fref)를 입력으로 사용한다면, 5.8GHz의 출력 신호(f0)를 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8에 도시된 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에서는, 주파수 체배기를 이용하여 개별 고주파 RF 신호를 발생시킨 후, 전력분배기를 통하여 복수의 채널에 대응하는 복수의 송신기에 신호를 공급한다. 이러한 방식의 무선 전력 송신 장치는 복수의 송신 채널을 하나의 집적 회로에 구현하거나, 하나의 패키지 또는 하나의 PCB상에 집적하여 구현하고자 할 때 이용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어부에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 9에서는, 도 1 또는 도 8에 도시된 무선 전력 송신 장치에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 설명한다.
단계 s910에서는, I=1로, 즉, 첫번째 송신기에 대한 제 1 위상차를 획득하기 위하여 변수를 설정한다.
단계 s920에서는, I번째 송신기로의 입력 신호의 위상을 획득한다. 전력 분배기의 I번째 출력 신호는 I번째 송신기로 입력되는 신호이다.
단계 s930에서는, I번째 송신기의 출력 신호의 위상을 획득한다.
단계 s940에서는, 전력 분배기의 I번째 출력 신호의 위상과 I번째 송신기의 출력 신호간의 위상을 비교하여, I번째 송신기에 대응하는 제 1 위상차를 획득한다.
단계 s950에서는, 모든 송신기에 대응하는 제 1 위상차를 획득하였는지를 판하고, 모든 송신기에 대응하는 제 1 위상차가 획득된 경우 종료한다.
제 1 위상차는 송신기의 하드웨어 구성에 따라 발생하는 위상차로서, 하드웨어 스펙이 완벽하게 일치하는 것은 불가능하므로 제 1 위상차를 이용하여 송신 채널간의 위상차를 보정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 제어부에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 10에서는, 도 7에 도시된 무선 전력 송신 장치에서 제 1 위상차를 획득하는 과정을 설명한다.
단계 s1010에서는, 특정한 조건에서 무선 전력 전송 장치와 전력 수신기 사이의 통신 환경(예를 들면, 거리, RF 전송 환경과 같은 채널 특성 등)에 따른 위상차인 제 2 위상차를 획득한다.
특정한 조건에서 제 2 위상차를 획득하는 방법은 다양할 수 있다.
예를 들어, 무선 전력 송신 장치와 전력 수신기간의 거리 및 통신 환경을 실제 환경과 유사하게 설정한 후 시뮬레이션을 통하여 제 2 위상차를 획득한다. 시뮬레이션을 통하여 획득된 제 2 위상차는 실제 통신 환경에서는 오차가 발생할 수도 있으나, 오차가 허용범위 이내인 조건을 가정한다.
단계 s1020에서는, 전력 수신기를 단계 s1010에서 설정한 통신 환경 및 거리에 배치한다.
단계 s1030에서는, 전력 수신기를 통하여 수신된 신호의 위상과 단계 s1010에서 획득한 제 2 위상차를 이용하여, 송신기들 각각의 하드웨어 구성에 따른 위상차인 제 1 위상차를 획득한다. 즉, 전력 수신기를 통하여 수신된 신호의 위상 틀어짐은 제 1 위상차와 제 2 위상차에 의하여 발생하는데, 단계 s1010에서는 무선 전력 송신 장치와 전력 수신기 사이의 통신 환경에 따라 발생하는 제 2 위상차를 알고 있으므로, 하드웨어 구성에 따라 송신 채널들간에 발생하는 위상차인 제 1 위상차를 획득할 수 있다.
단계 s1040에서는, 단계 s1030에서 획득한 제 1 위상차를 이용하여 송신 채널들간의 위상차를 보정한다.
RF를 이용한 무선 에너지 전송 시스템은 효율이 낮지만 원거리 전송이 가능하다는 장점을 갖는다. 본 특허에서는 송신셀의 개수가 매우 많은 송신배열의 구조에서 고주파 다중 전력 분배기를 사용하지 않고 각 송신셀에서 고주파신호발생기를 내장함으로써 송신신호를 자체적으로 생성하는 방식을 제안한다. 특히, 송신셀내에 수신부를 가져야 하는 retro-directive 송수신 방식의 경우에 적용하면 그 효과를 더욱 크게 얻을 수 있다. Hardware 구성이 간단해서 IoT 소자, 각종 웨어러블 소자, 각종 센서의 전원공급이나 더 나아가 휴대폰을 포함한 모바일 디바이스의 원거리 충전에 응용될 수 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다수의 송신셀;
    상기 다수의 송신셀과 각각 연결된 디지털 제어부; 및
    상기 디지털 제어부와 연결된 보조 통신부;를 포함하는 무선 전력 송신 장치로서,
    상기 각 송신셀은,
    상기 디지털 제어부로부터 기준신호를 수신하여 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)를 생성하는 고주파 신호 발생기;
    안테나;
    상기 송신신호의 위상을 변형시켜 상기 안테나를 통해 송신하는 송신부; 및
    수신기(전력 수신기)로부터 송신된 역방향 신호를 처리하여 상기 디지털 제어부로 출력하는 수신부;
    를 포함하고,
    상기 디지털 제어부는, 상기 각 송신셀의 수신부로부터 수신된 신호의 위상을 비교하여 그 역 위상을 추출하고 각각의 송신셀에서 수신된 신호의 역위상을 갖는 신호를 그 송신셀에서 송신할 수 있도록 위상제어신호를 상기 송신부에 출력하며,
    상기 수신부는 주파수 대역을 낮추기 위한 하향변환기를 포함하고, 상기 하향변환기는 상기 수신 신호에 기반하여 상기 역방향 신호의 주파수 대역을 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 송신부는,
    가변위상천이기, 감쇄기 및 전력증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 디지털 제어부는,
    상기 위상제어신호를 상기 가변위상천이기에 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 신호 발생기는,
    PLL(Phase Locked Loop) 또는 DDS(Digital Direct Synthesis)를 이용하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 신호 발생기는,
    상기 기준 신호의 주파수를 소정 배수로 증가시키는 다단 주파수 채배기를 이용하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 신호 발생기는,
    상기 기준 신호에 기초하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기; 및
    상기 고주파신호(f0)를 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)로 분배하는 전력분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 신호 발생기는,
    상기 기준 신호에 기초하여 상기 송신 신호(RF)를 생성하는 제 1 주파수 합성기; 및
    상기 기준 신호에 기초하여 상기 수신 신호(LO)를 생성하는 제 2 주파수 합성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 고주파 신호 발생기는,
    상기 기준 신호에 기초하여 고주파신호(f0)를 생성하는 주파수 합성기; 및
    상기 고주파신호(f0)를 상기 송신신호(RF) 및 수신 신호(LO)로 교차 출력하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 디지털 제어부는,
    상기 각각의 송신셀에 포함된 하드웨어 구성에 의하여 발생하며 상기 기준 신호와 상기 안테나에서 송신되는 신호간의 위상 차를 나타내는 제 1 위상차와 상기 안테나와 상기 전력 수신기간의 채널 특성에 의하여 발생하며 상기 안테나에서 송신되는 신호와 상기 전력 수신기에서 수신되는 신호간의 위상 차를 나타내는 제 2 위상차에 기초하여, 상기 위상 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  10. 제1항 또는 제6항에 따른 무선 전력 송신 장치; 및
    안테나, 전력 수신부 및 상기 무선 전력 송신 장치에서 출력하는 신호와 동일한 주파수를 송신하는 보조 송신부를 가진 무선 전력 수신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
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