KR102208552B1 - 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기, 컴팩트 mimo 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 송신 시스템 - Google Patents

고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기, 컴팩트 mimo 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 송신 시스템 Download PDF

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고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기는 RF 신호를 생성하는 신호생성기, 상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 안테나 모듈을 포함하되, 상기 복수의 안테나 모듈 각각은 2n개의 안테나 요소 및 상기 상기 증폭된 RF 신호를 상기 2n개의 안테나 요소 중 어느 하나로 전달하는 스위치를 포함한다.

Description

고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기, 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 송신 시스템{WIRELESS POWER TRANSMITTER USING INTEGRATED ARRAY ANTENNA, WIRELESS POWER TRANSMITTER USING COMPACT MIMO ANTENNA AND WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
이하 설명하는 기술은 RF 신호를 이용한 무선 전력 송신 기법에 관한 것이다.
무선 전력 전송은 다양한 IoT 기기의 유선 충전을 대체하여 자유로운 활동성을 보장할 수 있는 기술로 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 자기유도 방식으로 이 방식에서는 송신 코일에서 발생하는 자기장이 수신 코일을 통과하면서 유도전류가 흘러 전력을 전달한다. 두 번째는 자기공명 방식으로 송신 코일과 수신 코일의 자기 공진 현상을 이용하여 전력을 전송한다. 세 번째 방식은 전자기파(RF) 방식으로 안테나를 통해 전자파를 직접 전달한다. 특히 전자기파 방식은 다른 두 방식에 비해 수 m 이상 먼 거리 전력 전송이 가능하기 때문에 실내외, 가정, 산업용 등 많은 분야에 적용가능하다.
종래 무선 전력 송신기는 신호를 발생시키는 발진기(oscillator), 발진기가 생성한 신호를 증폭하는 증폭기(amplifier), 위상 천이기 및 배열 안테나를 포함한다. 종래 발진기는 좁은 협대역 정현파 신호를 생성한다. 증폭기는 신호의 전력을 RF 주파수에 싣기위한 고출력 파워 증폭기이다. 각 위상 천이기는 증폭기를 통해 전력이 증폭된 신호의 위상을 제어하여 빔을 형성하게 된다. 배열 안테나는 위상이 조정된 신호를 방사하여 전력을 전송한다.
미국등록특허 제9,450,449호
RF 기반 무선전력전송 기술이 먼 거리 전송이 가능하더라도, 상용화 전 해결해야 할 여러 문제점이 존재한다. 종래 RF 무선 전력 전송은 일반적인 RF 증폭기를 사용하는데 일반 RF 증폭기는 넓은 주파수 대역을 지원하지만 낮은 전력 효율을 보인다는 문제점이 있다.
종래 RF 무선 전력 전송은 전송 효율을 높이기 위하여 다중 배열 안테나를 사용한다. 일반적인 다중 배열 안테나는 공중 링크의 큰 감쇠를 극복하기 위해 매우 많은 개별 안테나를 반파장 혹은 그 이상의 간격으로 배치한다. 이러한 구조의 다중 배열 안테나는 가격면도 매우 비싸며 그 크기도 상당히 크다는 단점이 있다.
종래 RF 무선 충전 시스템은 다중 배열 안테나를 이용하여 빔을 형성하는데 이때 단순히 수신각(Angle of Arrival: AoA)과 송신각(Angle of Departure: AoD)기반의 단순한 방식을 이용한다. 이러한 빔포밍은 배열 안테나를 통해 형성된 빔을 특정 각도로 방사하여 해당 지점에 전력을 전송하는 단순한 방식으로 이러한 방식은 다중 경로에 의한 위상차가 고려되지 않는다. 따라서 수신 렉테나에 도달하는 전자기파가 동위상을 이루지 못할 가능성이 존재하고 그 경우 효율이 떨어지는 문제점이 존재한다.
이하 설명하는 기술은 전파 감쇠에 따른 신호 손실이 적은 구성을 갖는 무선 전력 송신기를 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 안테나 크기가 작은 고집적 배열 안테나를 사용하는 무선 전력 송신기를 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 근거리 영역에서 전력 송신 대상의 위치를 추정하여 신호를 집중하는 무선 전력 송신기를 제공하고자 한다.
고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기는 RF 신호를 생성하는 신호생성기, 상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 안테나 모듈을 포함하되, 상기 복수의 안테나 모듈 각각은 2n개의 안테나 요소 및 상기 증폭된 RF 신호를 상기 2n개의 안테나 요소 중 어느 하나로 전달하는 스위치를 포함한다. 상기 스위치는 상기 증폭된 RF 신호를 수신하는 사용자 기기의 위치에 따른 위상에 따라 안테나를 선택한다.
컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기는 RF 신호를 생성하는 신호생성기, 상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 컴팩트 MIMO 안테나 모듈을 포함한다. 상기 복수의 컴팩트 MIMO 안테나 모듈 각각은 주 안테나, 보조 안테나 및 상기 주 안테나에 상기 증폭된 RF 신호에 대한 위상을 변화시켜 전달하는 위상 천이기를 포함하고, 상기 보조 안테나의 리액턴스 값을 조절하여 상기 주 안테나와 상기 보조 안테나의 커플링으로 빔을 형성한다.
사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템은 사용자 기기의 비콘 신호로 사용자 기기의 후보 위치를 추정하고, 상기 사용자 기기에 RF 신호를 전송하는 복수의 무선 전력 송신기 및 상기 복수의 무선 전력 송신기가 각각 추정한 복수의 후보 위치를 이용하여 클러스터를 결정하고, 상기 클러스터에 포함된 위치의 평균 위치를 상기 사용자 기기의 최종 위치로 결정하고, 상기 최종 위치를 상기 복수의 무선 전력 송신기에 전달하는 중앙 제어기를 포함한다. 상기 복수의 무선 전력 송신기는 상기 최종 위치를 기준으로 개별 안테나 요소에 대한 위상 변환값 제어한다.
이하 설명하는 기술은 고집적 배열 안테나를 사용하여 안테나가 형성하는 빔을 매우 첨예하게 만들어 에너지를 집중하게 한다. 이하 설명하는 기술은 고집적 배열 안테나를 사용하여 송신기의 구조가 작고 비용도 저렴하다. 또한 이하 설명하는 기술은 전력 송신 대상의 위치를 추정하여 높은 효율로 전력 신호를 전송한다.
도 1은 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기의 구조에 대한 예이다.
도 2는 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기의 구조에 대한 예이다.
도 3은 사용자 기기의 위치를 추정하는 방법에 대한 순서도의 예이다.
도 4는 무선 전력 송신기의 안테나 요소와 사용자 기기의 거리를 나타내는 예이다.
도 5는 무선 전력 송신기와 사용자 기기의 위치에 따른 각도를 나타내는 예이다.
도 6은 사용자 기기가 21.8도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다.
도 7은 사용자 기기가 0도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다.
도 8은 사용자 기기가 -21.8도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다.
도 9는 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정하는 방법에 대한 순서도의 예이다.
도 10은 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정하는 예이다.
도 11은 무선 전력 송신 시스템에 대한 예이다.
도 12는 무선 전력 송신기의 개별 안테나 요소와 사용자 기기의 거리를 고려한 위상 변화값에 대한 예이다.
도 13은 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 평면도의 예이다.
도 14는 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 측면도의 예이다.
도 15는 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 평면도의 다른 예이다.
도 16은 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 측면도의 다른 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 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.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 RF 신호를 이용한 무선 전력 송신기 내지 무선 전력 송신 시스템에 과한 것이다. 이하 설명에서 무선 전력 송신 분야에서 일반적인 구성이나 프로세스는 간략하게 설명한다. 이하 설명하는 무선 전력 송신기는 크게 두 가지 유형으로 구분된다. 하나는 복수의 안테나 모듈에 있는 안테나 요소에 스위치로 출력 신호를 인가하는 무선 전력 송신기(제1 유형 무선 전력 송신기)이고, 다른 하나는 컴팩트(compact) MIMO 안테나를 이용한 무선 전력 송신기(제2 유형 무선 전력 송신기)이다. 두 종류의 무선 전력 송신기는 사용자 기기의 위치를 추정하여 출력 신호의 위상 등을 조절할 수 있다. 따라서 이하 설명하는 사용자 기기 위치 추정 알고리즘은 두 종류의 무선 전력 송신기에 공통된다. 또 복수의 무선 전력 송신기를 사용하는 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정하는 과정에 대해서도 설명한다.
도 1은 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기(100)의 구조에 대한 예이다. 도 1은 전술한 제1 유형 무선 전력 송신기에 대한 예이다. 무선 전력 송신기(100)는 신호 생성기(110), 증폭기(120), 안테나 모듈(130) 및 위치 추정기(140)를 포함한다.
신호 생성기(110)는 무선 전력 전송을 위한 신호를 생성하는 발진기(oscillator)이다. 신호 생성기(110)는 마그네트론 발진기 (Magnetron oscillator)를 사용할 수 있다. 마그네트론 발진기는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 인가되는 교차장 (Crossed field)이 존재하는 고진공속에서 발생된 전자빔 (Electron beam)의 전기에너지를 고출력 전자기파 (Electromagnetic wave) 에너지로 변환하여 방사하는 고효율, 고출력의 전자기파 발생장치이다. 마그네트론 발진기는 정현파를 고효율, 고출력으로 생성할 수 있는 장치로 무선 전력 전송용 신호를 생성하는데 적합한 장치이다.
증폭기(120)는 신호 생성기(110)가 생성한 신호를 증폭하여 RF 신호에 신호를 싣는다. 종래 신호처리용 증폭기는 넓은 대역폭을 갖는 것을 사용하였다. 증폭기(120)는 협대역 증폭기를 사용할 수 있다. 무선 전력 전송은 좁은 대역만을 필요로한다는 사실을 고려하여 증폭기(120)는 협대역 증폭기를 사용할 수 있다. 예컨대, 협대역 증폭기는 증폭기 입력단 또는 출력단에 주파수 선택성 소자를 결합한 증폭기, 증폭기 자체가 협대역으로 설계된 증폭기 등을 포함한다.
안테나 모듈(130)은 증폭기가 증폭한 신호를 전송한다. 안테나 모듈(130)은 복수 개이다(130-1, 130-2, 130-N). 인접한 안테나 모듈은 서로 반파장 간격으로 배치될 수 있다. 인접한 안테나 모듈은 서로 반파장 이상의 간격을 가질 수도 있다.
안테나 모듈(130) 각각은 2n개의 안테나 요소 및 증폭된 RF 신호를 2n개의 안테나 요소 중 어느 하나로 전달하는 스위치를 포함한다. 안테나 모듈(130)은 안테나 요소로 신호를 전달하는 2n개의 입력 포트를 포함할 수 있다.
설명의 편의를 위한 안테나 모듈(130-1)을 기준으로 설명한다. 안테나 모듈(130-1)은 두 개(21개)의 안테나 요소(θ0 및 θ1)를 갖는 예이다. 이는 하나의 예이며 안테나 모듈(130)는 더 많은 안테나 요소를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(130-1)은 제1 안테나 요소(131), 제2 안테나 요소(132) 및 스위치(133)을 포함한다. 안테나 모듈(130-1)은 안테나 요소로 신호를 전달하는 2개의 입력 포트를 포함할 수 있다. 한편 각 입력 포트는 서로 다른 위상값을 지원한다. 입력 포트와 스위치를 이용한 전송 라인 설계에 따라 안테나로 입력되는 신호의 위상을 결정할 수 있다. 이 경우 스위치(133)는 종래 위상 천이기의 역할을 대체한다. 안테나 모듈(130-1)은 스위치(133)를 통해 θ0 및 θ1 중 어느 하나로 위상을 선택할 수 있다. 종래 위상 천이기 대신에 단순한 구조의 스위치를 사용하여 저비용 및 높은 효율을 가질 수 있다.
위치추정기(140)는 사용자 기기의 신호를 기준으로 사용자 기기의 위치를 추정하는 구성이다. 위치추정기(140)의 동작은 후술한다.
도 2는 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기(200)의 구조에 대한 예이다. 도 2는 전술한 제2 유형 무선 전력 송신기에 대한 예이다. 무선 전력 송신기(200)는 신호 생성기(210), 증폭기(220), 안테나 모듈(230) 및 위치 추정기(240)를 포함한다.
신호 생성기(210)는 무선 전력 전송을 위한 신호를 생성하는 발진기이다. 신호 생성기(210)는 마그네트론 발진기를 사용할 수 있다. 마그네트론 발진기는 정현파를 고효율, 고출력으로 생성할 수 있는 장치로 무선 전력 전송용 신호를 생성하는데 적합한 장치이다.
증폭기(220)는 신호 생성기(210)가 생성한 신호를 증폭하여 RF 신호에 신호를 싣는다. 무선 전력 전송은 좁은 대역만을 필요로한다는 사실을 고려하여 증폭기(120)는 협대역 증폭기를 사용할 수 있다. 예컨대, 협대역 증폭기는 증폭기 입력단 또는 출력단에 주파수 선택성 소자를 결합한 증폭기, 증폭기 자체가 협대역으로 설계된 증폭기 등을 포함한다.
안테나 모듈(230)은 증폭기가 증폭한 신호를 전송한다. 안테나 모듈(230)은 복수 개이다(230-1, 230-2, 230-N). 인접한 안테나 모듈은 서로 반파장 간격으로 배치될 수 있다. 안테나 모듈(130) 각각은 위상 천이기 및 복수의 안테나 요소를 포함한다. 안테나 모듈(230)은 컴팩트 MIMO 안테나에 해당한다.
설명의 편의를 위한 안테나 모듈(230-1)을 기준으로 설명한다. 안테나 모듈(230-1)은 복수의 안테나 소자(231 내지 233) 및 위상 천이기(235)를 포함한다.
안테나 소자는 주 안테나(231) 및 보조 안테나(232, 233)로 구성된다. 도 2는 보조 안테나가 2개인 예를 도시하였다. 안테나 모듈(230-1)은 보조 안테나(232 내지 233)의 리액턴스 값을 조절하여 주 안테나(231)와 보조 안테나(232 내지 233)의 커플링으로 빔을 형성한다. 컴팩트 MIMO 안테나는 주 안테나(231)와 보조 안테나(232 내지 233)의 커플링을 이용하는 방법으로 다중 배열 안테나와 마찬가지로 다이버시티 이득을 얻거나 간섭신호를 제거(nulling)하는 빔을 자유롭게 형성할 수 있다. 컴팩트 MIMO 안테나는 빔 공간에서 여러 기본(basis) 빔 패턴을 형성할 수 있다. 이 빔패턴에 각 데이터 스트림을 실어서 기존 MIMO 시스템과 마찬가지로 공간 멀티플렉싱 이득을 얻을 수 있다. 즉, 컴팩트 MIMO에서는 하나의 RF 체인만으로도 MIMO 전송이 가능하다. 컴팩트 MIMO는 매우 많은 수의 안테나 요소를 사용하는 배열 안테나 시스템에 비해 적은 수의, 작은 크기의 안테나만으로 구성될 수 있다.
위치추정기(240)는 사용자 기기의 신호를 기준으로 사용자 기기의 위치를 추정하는 구성이다. 위치추정기(240)의 동작은 후술한다.
세밀한 빔을 통해 무선 전력 전송을 하기 위해서는 사용자 기기(수신기)의 위치를 정확하게 추정하는 것이 필요하다. 종래 RF 무선 전력 전송은 아날로그 방식과 유사하게 수신기와 송신기 각도에 기반한 빔포밍을 수행한다. 이러한 방식은 송신기의 조준 중심방향(boresight) 기준으로 수신기가 위치한 각도를 파악하고 해당 방향으로 에너지를 집중한다. 이러한 방식은 송수신기가 충분히 멀리 떨어진 ㅇ원거리(far field) 영역에서는 단순한 계산으로 충분히 빔포밍 이득을 얻을 수 있다. 하지만 송수신기의 거리가 짧은 근거리(Near field) 영역에서 또한 다중 경로가 존재하는 실내환경에서는 이러한 방식으로 최대의 이득을 달성할 수 없다는 문제점이 존재한다. 또한 이러한 빔포밍 방식을 적용하려면 사용자기기의 위치를 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 기존 레이더 기술에 기반한 원거리 영역의 물체 위치 추정 방법은 많은 연구가 존재하나 근거리에서 사용자 기기의 위치를 추정하는 연구들은 낮은 정확도를 가지고 있다.
도 3은 사용자 기기의 위치를 추정하는 방법(300)에 대한 순서도의 예이다. 도 3은 하나의 개별 무선 전력 송신기(100 또는 200)에서 위치를 추정하는 방법이다. 도 3의 과정은 전술한 위치 추정기(140 또는 240)에서 수행할 수 있다.
사용자 기기는 비콘 신호를 전방향으로 방사한다. 전력 전송 송신기는 수신한 비콘 신호를 이용하여 개별 안테나 요소에서 위상차, 신호의 크기를 측정한다(310).
전력 전송 송신기는 사전에 커버리지까지 각도에 대해 각 안테나 요소에서 이론적인 위상값이 미리 저장할 수 있다. 이론적인 위상값에 대해서는 후술한다. 전력 전송 송신기는 복수의 안테나 요소에 대한 이론적인 위상값 중 측정된 위상값 사이의 차이가 가장 적은 이론적 위상값에 대등되는 각도를 선택한다(330). 전력 전송 송신기는 복수의 안테나 요소 중 적어도 두개 중 이론적인 위상값 중 측정된 위상값 사이의 차이가 가장 적은 이론적 위상값에 대등되는 각도를 선택할 수도 있다. 전력 전송 송신기는 해당 각도를 사용자 기기와 송신기 사이 각도로 추정한다. 한편 도 1이나 도 2의 전력 전송 송신기와 달리 사용자 기기 위치 추정을 위한 별도의 안테나를 사용할 수도 있다.
각도가 결정하면서 전력 전송 송신기는 사용자 기기까지 거리를 추정하여 최종 위치를 추정한다(340). 이때 수신 신호의 세기를 이용하여 거리를 추정한다. 수신기에서 방사된 비콘 신호는 거리에 따라 감쇠가 되므로 전력 전송 송신기는 신호의 세기를 측정하여 이론적인 감쇠 비율에 따라 예상 거리를 계산할 수 있다. 결국 전력 전송 송신기는 이와 같은 방법으로 사용자 기기의 위치(각도 및 거리) 추정이 가능하다.
도 4는 무선 전력 송신기의 안테나 요소와 사용자 기기의 거리를 나타내는 예이다. 도 4에서 십자 모양은 개별 안테나 요소(A1, A2, A3, ...,An)를 나타내고, 삼각형(X)은 사용자 기기를 의미한다. 도 4는 이론적인 안테나의 위상을 계산을 위한 각 안테나 요소에서 사용자 기기까지 거리차를 도시한다. 1번 안테나 요소(A1)와 사용자 기기(X) 사이 거리는 r이다. 1번 안테나 요소(A1)와 n번째 안테나 요소(An) 사이 거리차는 dn로 나타낸다. 따라서 자기 자신과의 거리차, d1의 값은 0이다. 이러한 안테나 요소 사이의 거리차는 사용자 기기의 각도에 따라 변하므로 사용자 기기의 각도에 따라 거리차 값을 계산할 수 있다. 계산된 거리차 값은 다시 위상차로 변환되어 각 각도에서 위상차 값을 송신기가 미리 가지고 있다면 추후 측정되는 위상차와 비교하여 최적의 각도를 도출할 수 있다. 송신기에 각도별 계산되는 위상차를 모두 저장하고 있다. 그 예 중 하나로 송신기가 -60도에서 60도까지 범위를 커버하고 1도 간격으로 값이 저장되어 있다고 할 수 있다. 이러한 경우 송신기의 각도 분해능은 1도이고 그 때 저장된 값의 예는 아래 표 1과 같다.
Figure 112018100578677-pat00001
시스템 구성에 따라 송신기의 각도 커버리는 -60° ~ 60°가 아닌 다른 범위를 가질 수 있다. 또한 각도 스텝, 즉 분해능 역시 1°가 아닌 더 큰 거나 작은 값을 가질 수도 있다. 또한 이론적인 위상차 값의 계산에 사용되는 변수는 거리 밖에 없으므로 송신기에서 등록이나 위치 보정 등 사용자 입장에서 초기 설정은 필요치 않다.
도 5 내지 도 8은 안테나에 대한 이론적인 위상값을 설명하는 예이다.
도 5는 무선 전력 송신기와 사용자 기기의 위치에 따른 각도를 나타내는 예이다. 도 5는 특정 상황에서 사용자 기가와 무선 전력 송신기의 각도를 구하는 예이다. 도 5는 실내를 가정하고, 한쪽 벽면 크기는 8m라 가정한다. 이 벽면에 안테나가 배치되어 있다. 도 5에서 좌측의 사각형 박스(굵은 실선 형태)가 안테나를 의미한다. 설명의 편의를 위해 도 5의 안테나는 배열 안테나라고 가정한다.
이때 1번 사용자 기기 X1가 (5m, 6m)에 위치한다면 위상배열 안테나의 기준선에서 21.8도에 위치하는 것이다. 2번 사용자 기기 X2가 (5m, 4m)에 위치한다면 0도에 위치하는 것이다. 3번 사용자 기기 X3가 (5m, 2m)에 위치하면 -21.8도에 위치한다고 가정할 수 있다. 배열 안테나 요소는 256개가 있다고 가정하고 사용하는 주파수는 5.8 GHz라 가정한다.
도 6은 사용자 기기가 21.8도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다. 도 7은 사용자 기기가 0도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다. 도 8은 사용자 기기가 -21.8도 위치하는 경우 각 안테나 요소에서의 이론적 위상값에 대한 예이다. 1번 사용자 기기 X1가 비콘 신호를 방사했다고 가정하고 벽면에 위치한 무선 전력 전송 송신기가 이 신호를 수신하였고 각 안테나 요소에서 위상값을 측정한 경우 도 6과 같은 위상 분포를 이론적으로 보일 것이다. 2번 사용자 기기 X2의 비콘 신호의 위상값을 측정한 경우 도 7과 같은 분포를 보인다. 3번 사용자 기기 X3의 비콘 신호의 위상값은 도 8과 같은 분포를 보인다. 이와 같은 값들은 이론적 값으로 개별 무선 전력 송신기 또는 무선 전력 송신 시스템의 중앙 제어기가 미리 저장하고 있을 수 있다. 이하 사용자 기기의 위치 추정은 개별 무선 전력 송신기 또는 무선 전력 송신 시스템의 중앙 제어기가 수행한다고 가정한다.
무선 전력 송신기 또는 중앙 제어기는 각 안테나에서 측정된 위상차
Figure 112018100578677-pat00002
와 사전 계산된 각도
Figure 112018100578677-pat00003
를 이용하여 최적의 각도
Figure 112018100578677-pat00004
를 찾을 수 있다. 이론적 위상값과 측정된 위상값의 오차가 가장 작은 각도가 사용자기기와 수신기가 이루는 각도
Figure 112018100578677-pat00005
로 선택된다. 이러한 과정을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112018100578677-pat00006
한편 복수의 무선 전력 송신기를 포함하는 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정할 수도 있다. 이 경우 무선 전력 송신 시스템은 각 무선 전력 송신기가 추정한 후보 위치를 이용하여 사용자 기기의 최종 위치를 결정할 수 있다. 도 9는 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정하는 방법(400)에 대한 순서도의 예이다. 사용자 기기 위치 추정은 무선 전력 송신 시스템의 중앙 제어기가 수행할 수 있다.
무선 전력 송신 시스템은 먼저 N개의 개별 무선 전력 송신기로부터 각각의 송신기가 추정한 N개의 위치를 수집한다(410). 개별 무선 전력 송신기가 추정한 위치를 후보 위치라고 한다.
무선 전력 송신 시스템은 복수의 후보 위치를 이용하여 일정한 클러스터링을 결정한다. 무선 전력 송신 시스템은 복수의 후보 위치 중 어느 하나의 위치를 임의로 선택한다. 무선 전력 송신 시스템은 임의로 선택한 후보 위치(기준 후보 위치)를 기준으로 기준 반경에 다른 후보 위치가 M개(기준값) 이상인지 확인한다(420). 만약 현재 선택한 기준 후보 위치 기준으로 다른 후보 위치가 M개 보다 적다면 해당 위치는 노이즈로 판단한다(430).
무선 전력 송신 시스템은 현재 후보 위치 기준으로 다른 후보 위치가 M개 이상이라면 현재 선택한 후보 위치를 클러스터에 포함시킨다(440). 이후 무선 전력 송신 시스템은 나머지 선택하지 않은 임의의 후보 위치를 기준 후보 위치로 선택하여(460) 클러스터링 과정을 반복한다. 무선 전력 송신 시스템은 전체 N개의 기준 후보 위치에 대한 클러스터링 과정을 수행하고 나서, 클러스터에 포함된 후보 위치의 평균값을 최종 위치로 추정할 수 있다(450).
도 10은 무선 전력 송신 시스템에서 사용자 기기 위치를 추정하는 예이다. 도 10은 클러스터링 과정에 대한 예이다. 도 10은 4개의 벽면에 각각 무선 전력 송신기가 배치된 예이다. 송신기의 개수는 하나의 예이다. 무선 전력 송신 시스템은 각 송신기로부터 4개의 후보 위치를 보고 받는다. 각 개별 송신기에서 추정된 사용자 기기의 위치는 화살표로 나타냈다. 무선 전력 송신 시스템은 4개의 추정 위치 중 임의의 위치에서 클러스터링을 수행한다. 도 10은 후보 위치 기준으로 일정한 거리 ε 내에 M 개 이상의 후보 위치가 있는지 판단하는 예이다. 이때 M은 N보다 작은 정수로 시스템 구성과 N에 따라 적절한 값으로 선택되어야 한다. 위와 같은 방법으로 모든 후보 위치를 방문하면서 클러스터(cluster 1)를 결정하고, 결정한 클러스터에 포함된 후보 위치 3개의 평균값을 사용자 기기의 최종 위치로 결정한다. 이러한 방법을 통해 위치 추정의 정확도를 높일 수 있다. 하나의 개별 송신기 LOS 경로에 방해물이 존재하는 등 여러가지 이유로 인해 위치 추정의 정확도가 상당히 나빠진 경우, 이러한 추정 위치는 노이즈로 취급되고 평균을 구하는 과정에서 제외 시키므로 그 정확도가 향상되는 것이다.
도 11은 무선 전력 송신 시스템(500)에 대한 예이다. 무선 전력 송신 시스템(500)은 복수의 무선 전력 송신기(520, 530) 및 중앙 제어기(510)를 포함한다. 도 11은 설명의 편의를 위해 두 개의 무선 전력 송신기(520 및 530)를 예로 도시하였다. 도 11은 무선 전력 송신 시스템(500)이 복수의 사용자 기기(5A, 5B 및 5C)에 대한 전력을 공급하는 예이다.
복수의 무선 전력 송신기(520, 530)는 전술한 제1 유형 무선 전력 송신기 또는 제2 유형 무선 전력 송신기일 수 있다. 복수의 무선 전력 송신기(520, 530)는 동일한 유형의 무선 전력 송신기이거나, 서로 다른 유형의 무선 전력 송신기일 수도 있다.
중앙 제어기(510)는 도 9 내지 도 10에서 설명한 바와 같이 복수의 후보 위치를 이용하여 클러스터링을하고, 사용자 기기 각각에 대한 최종 위치를 결정할 수 있다. 나아가 중앙 제어기(510)는 결정한 최종 위치를 각 무선 전력 송신기(520, 530)에 전송할 수 있다. 또는 중앙 제어기(510)는 결정한 최종 위치 기준으로 각 각 무선 전력 송신기(520, 530) 또는 무선 전력 송신기의 개별 안테나 요소에 대한 위상 변환값을 결정하여 전송할 도 있다.
무선 전력 송신 시스템(500)은 여러 무선 전력 송신기(520, 530)를 이용하여 위치가 추정된 사용자 기기에 개별 빔으로 전력을 전송할 수 있다. 추정 위치를 바탕으로 임의의 위치에 전력을 전송하는 방법은 다음과 같다. 여러 전력 송신기가 서로 다른 빔을 형성한 후 서로 협력하여 송신기의 개별 안테나 요소 별 전송경로에 따라 위상을 조정하여 사용자 기기의 렉테나에 모든 전력 신호를 집중시키는 방식이다.
도 12는 무선 전력 송신기의 개별 안테나 요소와 사용자 기기의 거리를 고려한 위상 변화값에 대한 예이다. 도 12에서 십자 모양은 개별 안테나 요소(A1, A2, A3, ...,An)를 나타내고, 삼각형(X)은 사용자 기기를 의미한다. 도 12는 전력 전송 방식을 나타낸다. 도 12에서
Figure 112018100578677-pat00007
은 n번째 개별 안테나 요소에서 사용자 기기까지의 거리를 나타낸다.
Figure 112018100578677-pat00008
은 n번째 안테나 요소에 인가된 위상 변화값이다. 제안 방안에서는 각 안테나 요소의 위상을 조정하여 모든 전력 신호가 동시에 도달하도록 하는데 이때 인가되는 위상 변화값은 각 안테나 요소와 사용자 기기 사이 거리에 따라 결정된다. 거리
Figure 112018100578677-pat00009
에 따라 결정되는
Figure 112018100578677-pat00010
의 값을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112018100578677-pat00011
위에서 설명한 위치를 추정하는 방법에 따라 사용자 기기와 각 개별 안테나 요소 사이 거리를 알 수 있고 또한 안테나 요소에 인가해야 할 위상값을 결정할 수 있다.
제안 방안에 따라 가로 10m, 세로 8m 사각형 모양의 방에 각 면에 송신기가 하나씩 배치된 상황에서 사용자 기기로 전력을 전송하는 환경을 시뮬레이션한 결과를 도 13 내지 도 16에 도시하였다.
도 13은 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 평면도의 예이다. 도 14는 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 측면도의 예이다. 도 13 및 도 14는 사용자 기기가 (5m, 4m)에 위치한 상황을 시뮬레이션한 결과이다.
도 15는 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 평면도의 다른 예이다. 도 16은 특정 지점으로 전력을 집중한 경우 전력량 시뮬레이션에 대한 측면도의 다른 예이다. 도 15 및 도 16은 사용자 기기가 (3m, 2m)에 위치한 상황을 시뮬레이션한 결과이다.
사각형 모양의 방에 해당 지점에 전력을 집중 시켜, 해당 방향으로 빔을 형성한 경우 해당 지점에서 높은 밀도로 전력을 수신할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.
시뮬레이션에서는 ITU 실내 경로 손실 모델(indoor path loss model)을 적용하였다. 이 모델의 거리에 따른 경로 손실은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112018100578677-pat00012
시뮬레이션은 전체 4개의 송신기에서 0 dBm을 전송하는 결과이다. 각 송신기에서 안테나는 256 x 4의 배치를 가지고 있다. 이 때 사용자 기기의 위치에 관계없이 -7.851 dBm을 수신하여 효율은 약 16%를 달성하였다.
또한, 상술한 바와 같은 무선 전력 송신 방법 및 사용자 기기 위치 추정 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
5A, 5B, 5C : 사용자 기기
100 : 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기
110 : 신호 생성기
120 : 증폭기
130, 130-1, 130-2, 130-N : 안테나 모듈
131 : 제1 안테나 요소
132 : 제2 안테나 요소
133 : 스위치
140 : 위치추정기
200 : 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기
210 : 신호 생성기
220 : 증폭기
230, 230-1, 230-2, 230-N : 안테나 모듈
231 : 주 안테나
232, 233 : 보조 안테나
235 : 위상 천이기
240 : 위치추정기
500 : 무선 전력 송신 시스템
510 : 중앙 제어기
520, 530 : 무선 전력 송신기

Claims (15)

  1. RF 신호를 생성하는 신호생성기;
    상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 안테나 모듈; 및
    상기 증폭된 RF 신호를 수신하는 대상인 사용자 기기로부터 수신되는 비콘 신호를 기준으로 상기 사용자 기기의 위치를 추정하는 위치추정기를 포함하되,
    상기 복수의 안테나 모듈 각각은 복수개의 안테나 요소 및 상기 증폭된 RF 신호를 상기 복수개의 안테나 요소 중 어느 하나로 전달하는 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 상기 증폭된 RF 신호를 수신하는 상기 사용자 기기의 위치에 따른 위상에 따라 안테나를 선택하고,
    상기 위치추정기는 상기 안테나 요소 중 적어도 두 개의 안테나 요소에서 이론적 위상값과 상기 비콘 신호로 측정된 위상값의 차이가 가장 적은 안테나 요소의 이론적 위상값에 대응되는 각도를 상기 무선 전력 송신기와 상기 사용자 기기 사이의 각도로 추정하고, 수신한 신호의 세기를 이용하여 상기 무선 전력 송신기와 상기 사용자 기기 사이의 거리를 추정하는 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 모듈 각각은 2n개의 안테나 요소로 신호를 각각 전달하는 2n개의 입력 포트를 포함하고, 상기 2n개의 입력 포트는 서로 다른 위상값을 지원하며, 상기 스위치가 상기 안테나 모듈에 대한 신호 위상을 선택하는 고집적 배열 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. RF 신호를 생성하는 신호생성기;
    상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기; 및
    상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 컴팩트 MIMO 안테나 모듈을 포함하되,
    상기 복수의 컴팩트 MIMO 안테나 모듈 각각은 주 안테나, 보조 안테나 및 상기 주 안테나에 상기 증폭된 RF 신호에 대한 위상을 변화시켜 전달하는 위상 천이기를 포함하고, 상기 보조 안테나의 리액턴스 값을 조절하여 상기 주 안테나와 상기 보조 안테나의 커플링으로 빔을 형성하는 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호생성기는 마그네트론 발진기(Magnetron oscillator)인 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 증폭기는 협대역 증폭기인 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 컴팩트 MIMO 안테나 모듈 각각에 대하여 이론적 위상값과 사용자 기기로부터 수신되는 비콘 신호로 측정된 위상값의 차이가 가장 적은 안테나 요소의 이론적 위상값에 대응되는 각도를 상기 무선 전력 송신기와 상기 사용자 기기 사이의 각도로 추정하고, 수신한 신호의 세기를 이용하여 상기 무선 전력 송신기와 상기 사용자 기기 사이의 거리를 추정하는 위치 추정기를 더 포함하는 컴팩트 MIMO 안테나를 이용하는 무선 전력 송신기.
  11. 사용자 기기의 비콘 신호로 사용자 기기의 후보 위치를 추정하고, 상기 사용자 기기에 RF 신호를 전송하는 복수의 무선 전력 송신기; 및
    상기 복수의 무선 전력 송신기가 각각 추정한 복수의 후보 위치를 이용하여 클러스터를 결정하고, 상기 클러스터에 포함된 위치의 평균 위치를 상기 사용자 기기의 최종 위치로 결정하고, 상기 최종 위치를 상기 복수의 무선 전력 송신기에 전달하는 중앙 제어기를 포함하되,
    상기 복수의 무선 전력 송신기는 상기 최종 위치를 기준으로 개별 안테나 요소에 대한 위상 변환값 제어하는 사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 무선 전력 송신기 각각은
    RF 신호를 생성하는 신호생성기;
    상기 RF 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭된 RF 신호를 송신하는 복수의 안테나 모듈; 및
    상기 증폭된 RF 신호를 수신하는 대상인 사용자 기기로부터 수신되는 비콘 신호를 기준으로 상기 후보 위치를 추정하는 위치추정기를 포함하되, 상기 복수의 안테나 모듈 각각은 2n개의 안테나 유닛 및 상기 증폭된 RF 신호를 상기 2n개의 안테나 유닛 중 어느 하나로 전달하는 스위치를 포함하되, 상기 스위치는 상기 증폭된 RF 신호를 수신하는 사용자 기기의 위치에 따른 위상에 따라 안테나를 선택하는 사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 안테나 모듈 각각은 2n개의 안테나 요소로 신호를 각각 전달하는 2n개의 입력 포트를 포함하고, 상기 2n개의 입력 포트는 서로 다른 위상값을 지원하며, 상기 스위치가 상기 안테나 모듈에 대한 신호 위상을 선택하는 사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 중앙 제어기는 상기 복수의 무선 전력 송신기가 추정한 복수의 후보 위치 중 어느 하나를 기준으로 기준 반경에 기준 개수 이상의 후보 위치가 존재하는지 여부에 따라 클러스터를 결정하는 사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 위상 변환값
    Figure 112018100578677-pat00013
    은
    Figure 112018100578677-pat00014
    으로 결정되고,
    Figure 112018100578677-pat00015
    은 상기 무선 전력 송신기의 n번째 안테나 요소와 상기 사용자 기기 사이의 거리인 사용자 위치 기반의 무선 전력 송신 시스템.
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