KR102202728B1

KR102202728B1 - 무선 전력 전송 장치

Info

Publication number: KR102202728B1
Application number: KR1020190078861A
Authority: KR
Inventors: 유종원; 조혜원; 황인준; 안병권; 채수창; 김솔
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2039-07-01
Also published as: KR20200057593A

Abstract

본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는: 비콘(beacon) 신호를 송신하며, 전력 신호를 수신하는 수신 안테나와, 전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나와, 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter) 및 복수의 단위 안테나 별로 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부를 포함하며, 위상 천이기는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나이다.

Description

무선 전력 전송 장치{WIRELESS POWER TRANSMIT APPARATUS}

본 기술은 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

휴대 전화, 태블릿 등을 비롯한 여러 전자기기들은 주로 유선 충전 방식으충전되나, 근래에는 휴대 전화를 중심으로 무선 충전 방식이 도입되고 있다. 무선 충전 방식에 있어서도 서로 가까운 거리에 위치한 두 개의 코일을 이용하는 자기 유도 방식의 무선 충전이 사용되는 추세이다.

한편, RF 신호를 이용하여 중거리 내에서 전력을 전송하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 마이크로파를 이용하는 전력 전송 시스템은 RF 신호를 안테나에서 방사하고, 수신 전자기기가 안테나를 통해 이를 수집하여 전력을 수신한다. 마이크로파 전력 전송 장치에서 전력 전송 효율을 증가시키기 위해서는 복수의 단위 안테나들을 포함하는 배열 안테나를 이용하거나 높은 이득을 가지는 안테나를 사용한다.

복수의 단위 안테나를 이용하는 방식은 빔 포밍(beam forming)을 수행하여 수신 전자기기의 위치를 향해 전력 신호를 전력을 전송하는 것이며, 높은 이득의 안테나를 이용하는 방식은 기계적으로 수신기의 위치에 맞게 송신 안테나의 방향을 조절한다.

빔 조향 방식의 전력 전송 시스템에서, 송신기는 수신기로부터 받은 비콘(Beacon) 신호의 위상 정보로부터 수신기의 위치를 추정하고, 수신기를 향해 RF 신호인 전력 신호를 전송한다. 각각의 단위 안테나가 수집한 비콘 신호의 위상 정보가 수신기와 송신기까지의 거리에 따라 달라지므로, 비콘 신호를 통해 수신기의 위치를 추정할 수 있다.

무선 전력 전송 장치로 높은 전력 전송 효율을 얻기 위하여 상기한 바와 같이 역지향성(retrodirective) 방식을 사용하며, 역지향성 방식은 일반적인 빔 형성 방식으로는 제대로 빔이 형성되지 않는 프레넬 영역(Fresnel Region)에 수신기가 존재할 때에 효과적이다.

전력을 전송하기 위해 비콘 신호를 통해 추정된 수신부 방향으로 빔을 조향하여야 한다. 빔 조향을 위하여 배열 안테나에 포함된 각 단위 안테나 별로 높은 정밀도의 위상 천이기가 요청된다. 그러나, 높은 정밀도를 가지는 위상 천이기는 높은 구동 전력을 가지고, 손실되는 전력도 커서 이를 이용한 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율은 낮다. 나아가, 높은 정밀도를 가지는 위상 천이기는 고가이므로, 이를 포함하는 기존 전력 전송 시스템의 가격은 높다.

본 실시예는 상기한 종래 기술의 단점을 해소하기 위한 것이다. 본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하는 종래 기술에 비하여 낮은 가격으로 높은 전력 전송 효율을 가지는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.

본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는 높은 전력 전송 효율을 유지한 채로 경제적인 가격을 가진다는 장점이 있다.

도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 위상 천이기, 위상 검출기 및 제어부의 개요를 도시하며, 비콘 신호(beacon signal) 수신시 각 단위 안테나 별로 비콘 신호의 위상 차이를 검출하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 의한 제어부가 전력 신호의 위상을 결정하는 것을 설명하기 위한 개요도이다.
도 4(a), 4(b) 및 도 4(c)는 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치에 사용될 수 있는 위상 천이기를 예시한 도면이다.
도 5는 전력 신호를 송신할 때 위상 천이기, 위상 검출기 및 제어부의 개요를 도시한 도면이다.
도 6은 3 상태 위상 천이기의 레이아웃을 예시한 도면이다.
도 7은 역지향성 방법을 사용하지 않는 경우의 무선 전력 전송 장치(conventional)와 역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기, 2 상태(1 bit) 위상 천이기 및 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 도면이다.

첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 살펴본다. 도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는: 전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나(600)와, 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter, 400) 및 복수의 단위 안테나 별로 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부(700)를 포함하며, 위상 천이기(400)는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나이다. 일 실시예에서, 무선 전력 전송 장치(10)는 비콘 신호(beacon signal)를 제공하며, 전송된 전력 신호(power signal)을 수신하는 수신부(RX)를 더 포함할 수 있다.

도 2는 위상 천이기(400), 위상 검출기(500) 및 제어부(700)의 개요를 도시하며, 비콘 신호(beacon signal) 수신시 각 단위 안테나 별로 비콘 신호의 위상 차이를 검출하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 수신부(RX)는 수신 안테나로 비콘 신호(beacon signal)을 전송한다. 각 단위 안테나는 비콘 신호(beacon signal)를 수신하고, 제1 전력 분배기(710)로 출력한다.

제1 전력 분배기(710)는 비콘 신호(beacon signal)를 분할하여 양방향성 커플러(730)들에 제공한다. 양방향성 커플러(730)는 분할된 비콘 신호(beacon signal)를 위상 검출기(740)으로 출력한다. 말단에 배치된 단위 안테나가 수신한 비콘 신호(beacon signal)의 일부는 양방향성 커플러(730)에 의하여 50Ω 종단(50 Ω termination, 750)으로 제공될 수 있다.

예시된 실시예에서, 위상 검출기(740)는 어느 한 단위 안테나가 검출한 비콘 신호(푸른 점선)와 다른 단위 안테나가 검출한 비콘 신호(적색 점선)사이의 위상 차이를 검출하고, 검출된 위상차 정보(Δφ₁, Δφ₂) 를 제어부(700)에 제공한다. 예시된 실시예에서, 어느 한 위상 검출기(740)에 제공된 비콘 신호들은 서로 인접한 단위 안테나들이 검출한 비콘 신호들일 수 있다.

도 3은 본 실시예에 의한 제어부(700)가 전력 신호의 위상을 결정하는 것을 설명하기 위한 개요도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 수신 안테나가 전송한 비콘 신호는 서로 다른 경로들(r1, r2, r3, r4, r5)을 거쳐 배열 안테나(600)에 포함된 단위 안테나에 도달한다.

비콘 신호가 서로 다른 경로들(r1, r2, r3, r4, r5)을 거치며, 각 경로는 서로 다른 길이를 가지므로 단위 안테나가 수신한 비콘 신호는 서로 다른 위상을 가진다. 도 3(a)에서 횡 방향으로 연장된 막대 그래프는 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상을 도식적으로 표현한 것으로, 짧은 경로(r3)를 거쳐 도달한 신호의 위상은 작게, 비교적 긴 경로(r1, r5)를 거쳐 도달한 신호의 위상은 크게 표시하였다. 제어부(700)는 위상 검출기(500)가 출력한 위상차 정보로부터 각 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각을 연산한다.

도 3(b)는 제어부가 각 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각으로부터 각 단위 안테나가 전송하는 위상 천이기(400)가 천이할 위상각을 결정하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3(b)를 참조하면, 위상 천이기(400)의 위상 해상도(phase resolution)를 정수배 한 값들 중에서 단위 안테나가 비콘 신호를 수신한 위상각과의 합이 360°의 정수배에 가장 인접한 값을 위상 천이기(400)가 천이할 위상값으로 결정한다.

단위 안테나 각각이 위상 천이 과정을 거치지 않은 전력 신호를 송신하면 경로의 길이차에 의한 위상차가 발생하므로 수신부(RX)가 위치한 곳에서 전력 신호들 사이의 상쇠 간섭에 의하여 전송 효율이 감소할 수 있다. 따라서, 제어부(700)는 단위 안테나들이 전송하는 전력 신호가 수신부(RX)의 위치에서 보강 간섭이 일어날 수 있도록 단위 안테나 별로 전송할 전력 신호의 위상각을 천이하는 위상 천이기(500)의 위상각을 결정한다.

전력 신호가 단위 안테나로부터 수신 안테나(RX)에 도달하는 경로는 비콘 신호(beacon signal)가 단위 안테나에 도달한 경로와 방향만 달리하는 동일한 경로이다. 따라서, 각 단위 안테나가 전송하는 전력 신호는 수신측(RX) 안테나에 도달할 때 해당 단위 안테나가 수신한 비콘 신호(beacon signal)의 위상과 동일하다.

도 3(b)로 예시된 것과 같이 위상 천이기의 해상도를 정수배한 값 들 중에서 해당 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각의 합이 360도의 정수배에 가장 가까운 값을 선택하면 수신부(RX)에서의 전력 신호는 보강 간섭이 일어나 전력 효율이 감소하지 않는다. 일 실시예로, 제어부(700)는 상기 단위 안테나가 상기 비콘 신호를 수신한 위상값의 켤레(-

)를 취하고, 이를 위상 해상도(

)로 나누어 반올림을 취한 몫과 가장 가까운 정수를 위상 해상도에 곱하여 위상 천이기의 위상각을 얻으며, 이는 아래의 수학식 1과 같이 연산할 수 있다.

[]: 가우스 함수, { }: 반올림

종래 기술에 의한 무선 전력 전송 장치는 높은 위상 해상도를 가지는 위상 천이기를 사용하였으나, 위상 천이기가 천이할 수 있는 위상의 해상도가 높아질수록 위상 천이기를 구동하는데 필요한 전력이 크고, 구동과정에서의 전력 손실도 크며, 가격이 높다. 그러나, 본 실시예의 위상 천이기는 저해상도의 위상 천이기를 사용함에도 불구하고 비교적 낮은 전력 손실을 가지며 가격적 이점도 제공된다.

일 실시예에서, 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는 도 4(a)로 예시된 것과 같이 90°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+90°, 기준 위상+180°, 기준 위상+270°로 위상을 천이할 수 있는 4 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 전력 전송 장치는 도 4(b)로 예시된 것과 같이120°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+120°, 기준 위상+240°로 위상을 천이할 수 있는 3 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 무선 전력 전송 장치는 도 4(c)로 예시된 것과 같이 180°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+180°로 위상을 천이할 수 있는 2 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(c)에서 사용되는 스위치는 반도체 RF 스위치일 수 있다. 일 예로, 반도체 RF 스위치는 신호 경로를 분기할 수 있는 반도체 기반 스위치로, PIN 다이오드 또는 트랜지스터를 이용한 RF 스위치 중 어느 하나일 수 있다. RF 스위치는 신호 경로를 변경할 수 있으며 RF 스위치가 선택하는 신호 경로는 각각 길이 딜레이가 달라 신호의 위상이 변화된다. 반도체 RF 스위치는 도 4(a)로 도시된 것과 같이 SP4T(single pole 4 throw)스위치거나, 도 4(b)로 도시된 것과 같이 SP3T(single pole 3 throw)스위치 또는 도 4(c)로 도시된 것과 같이 SPDT(single pole double throw) 스위치일 수 있다.

도 5는 전력 신호를 송신할 때 위상 천이기(400), 위상 검출기(500) 및 제어부(700)의 개요를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 발진기(100)은 전력 전송을 위한 RF(radio frequency) 신호인 전력 신호를 발생하고, 전력 증폭기(200)는 이를 대신호로 증폭하여 전력 분배기(300)에 제공한다. 전력 분배기(300)는 전력 증폭기(200)가 증폭한 전력 신호를 안테나 별로 분배하여 제공한다.

제어부(700)는 위에서 설명된 것과 같이 분배된 신호의 위상을 결정하여 위상 천이기(400)를 제어한다. 위상 천이기(400)에 의하여 위상 천이된 전력 신호는 제2 전력 분배기(720)에 의하여 분배되고, 분배된 전력 신호는 양방향성 커플러(730)에 각각 제공된다. 제1 전력 분배기(710)는 양방항성 커플러(730)가 출력한 전력 신호를 병합하여 단위 안테나에 제공한다. 각 단위 안테나는 각 위상 천이기(700)가 천이한 위상으로 방사된다.

종래 기술에서는 3 dB 하이브리드 커플러를 사용하여 젼력 신호를 분리하였으며, 이로 인해 송신 시 전력이 절반으로 분리되어 송신 전력이 손실되었다. 본 실시예는 양방향성 커플러 회로를 이용하므로 송신 시 송신 전력의 손실을 감소시킬 수 있으며, 스위칭 회로가 필요 없이 인접한 안테나 간 비콘 신호를 위상 검출 회로에 입력시킬 수 있다는 장점이 제공된다.

실험예

이하에서는 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치의 실험예를 설명한다. 위상 천이기는 도 6으로 예시된 3 상태 위상 천이기(도 4(b) 참조)를 사용하였다. 아래의 표 1은 실험 결과를 도시한 표이다.

Type of phase shifter	Phase resolution (deg.)	Phase shifter loss (dB)	Algorithm error (dB) *Tx=32x32, Rx=1x1
ideal	0.1	0	0
4-bit	22.5	6~9	-0.06
3 states	120	2.8~3.2	-2.3

표 1로 예시된 것과 같이 64 상태 위상 천이기를 사용하면 위상 천이기의 위상 해상도는 22.5도로 해상도 특성이 양호하다. 그러나, 위상 천이기의 손실은 6 ~ 9 dB에 달하며, 알고리즘 에러에 의한 손실을 도합하면 대략 6.06 ~ 9.06 dB에 이른다. 이에 반하여 저가의 3 상태 위상 천이기의 위상 해상도는 120도로 64 상태 위상 천이기의 위상 해상도에 비하여 20% 정도에 불과하나, 위상 천이기에서 발생하는 손실은 2.8 ~ 3.2 dB에 불과하며, 알고리즘 에러에 의한 손실을 도합하면 대략 5.1 ~ 5.6 dB에 불과한 것을 확인할 수 있다.

도 7은 역지향성 방법을 사용하지 않는 경우의 무선 전력 전송 장치(conventional)와 역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기, 2 상태(1 bit) 위상 천이기 및 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 역지향성 방법을 사용하지 않는 무선 전력 전송 장치는 송신부와 수신부 사이의 거리에 무관하게 가장 낮게 전력을 수신하는 것을 알 수 있다.

역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기는 수신 전력값이 서로 유사하여 겹쳐져 표시되었으며, 비교 대상들 중에서 가장 높은 수신 전력 성능을 가진다.

이에 반하여 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치는 1m 이내 거리에서 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치에 비하여 2.5dBm 가량 낮은 수신 전력 특성 차이만을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따라 3 상태 위상 천이기는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기에 비하여 가격 대비 성능이 양호하다는 장점이 제공된다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 발진기 200: 전력 증폭기
300: 전력 분배기 400: 위상 천이기
500: 위상 검출기 600: 송신 안테나
700: 제어부 750: 50옴 종단
710: 제1 전력 분배기 720: 제2 전력 분배기
730: 양방향성 커플러 740: 위상 비교기

Claims

무선 전력 전송 장치는:
전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나;
상기 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter); 및
상기 복수의 단위 안테나 별로 상기 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부를 포함하며,
상기 위상 천이기는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나이고,
상기 제어부는,
상기 위상 천이기의 해상도를 정수배 한 값들 중에서 상기 단위 안테나가 비콘 신호를 수신한 위상값과의 합이 360°의 정수배에 가장 인접한 값을 상기 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상값으로 결정하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상 또는 기준 위상 +180°천이하여 출력하는 두 상태 위상 천이기(bi-state phase shifter)인 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상, 기준 위상 +120° 및 기준 위상 +240°중 어느 하나로 지연하여 출력하는 세 상태 위상 천이기(tri-state phase shifter)인 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상, 기준 위상 + 90°, 기준 위상 + 180° 및 기준 위상 + 270°중 어느 하나로 천이하여 출력하는 네 상태 위상 천이기(quad-state phase shifter)인 무선 전력 전송 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 단위 안테나가 비콘 신호를 수신한 위상값의 켤레를 위상 해상도로 나누어 반올림을 취한 몫에 가까운 정수값을 위상 해상도에 곱한 값을 위상 천이기의 위상각으로 결정하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
복수의 단위 위상 검출 회로를 포함하는 위상 검출 회로부를 포함하며, 상기 단위 위상 검출 회로는:
상기 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 전력을 분할하는제1 전력 분배기와,
서로 단위 안테나들이 수신하여 분할된 비콘 신호들 사이의 위상 차이를 검출하여 상기 제어부에 제공하는 위상 비교기 및
상기 제1 전력 분배기가 분할한 비콘 신호를 상기 위상 비교기에 제공하는 양방향성 커플러(bi-directional coupler)를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
제7항에 있어서,
상기 단위 위상 검출 회로는,
상기 위상 천이기가 제공한 전력 신호를 분할하는 제2 전력 분배기를 더 포함하며,
상기 양방향성 커플러는 상기 제2 전력 분배기가 분할한 전력 신호를 상기 제1 전력 분배기로 제공하고,
상기 제1 전력 분배기는 제공된 전력 신호를 병합하여 상기 단위 안테나로 제공하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
미리 정해진 주파수로 전력 신호를 생성하는 발진기와,
상기 발진기가 생성한 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
비콘(beacon) 신호를 송신하며, 상기 전력 신호를 수신하는 수신 안테나를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.