KR102287068B1 - 무선 통신 시스템에서 메타평면을 이용한 전력 전송 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 메타평면을 이용한 전력 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 N개의 셀로 구성된 메타평면(meta surface)을 포함하는 무선 통신 시스템에서 전원 공급 장치가 상기 메타평면을 통해 타겟 장치로 전력을 전송하는 단계, 상기 메타평면이 상기 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널을 추정하는 단계, 상기 메타평면이 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하는 단계 및 상기 메타평면이 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키는 단계를 포함하고, 상기 특성행렬은 상기 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 대한 정보와 상기 무선 통신 시스템의 바이어스값에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 전력 전송 방법을 제공한다.

Description

무선 통신 시스템에서 메타평면을 이용한 전력 전송 방법{A METHOD FOR TRANSMITTING A POWER BY USING A META SURFACE IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 메타평면을 이용해 전력을 전송하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 10년 동안 무선 및 모바일 기기의 수가 증가함에 따라, 이러한 기기들에 대한 충전이 중요한 문제가 되어, 현재 많은 관심을 끌고 있다. 머지않아 더 많은 수의 IoT장치들이 개발 및 상용화 될 것이고 IoT 기기들에 대한 충분한 전원공급이 큰 이슈가 되고 있다. 설치비용 및 유지 관리 측면에 있어 유선전원 또는 배터리 교체방식의 효율성은 현저히 떨어지며 이에 대한 해결책으로 무선전력전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선 전력전송 분야에 있어서도 특히 마이크로파 전력전송 기술은 원거리에 위치한 전자 장비에 무선으로 전력을 전송할 수 있어 앞서 언급한 IoT 기기들의 충전에 좀 더 적합한 기술로 각광받고 있다.
마이크로파 전력전송 기술의 가장 큰 도전 과제는 전송되는 전자기파를 어떻게 작은 수신점에 집중시키는가에 있다. 최근 디지털 비트코딩을 이용한 메타평면의 개발 및 활용이 빔 포커싱, 멀티빔 또는 산란 등을 수행할 수 있는 기법으로 떠오르고 있다.
본 발명에서는 1비트 디지털 신호만으로 동작제어가 가능한 메타평면으로 구성된 배열을 활용하여 원하는 타겟 장치로 빔을 형성할 수 있는 무선전력전송 기법 및 시스템을 제안한다.
본 발명은 N개의 셀로 구성된 메타평면(meta surface)을 포함하는 무선 통신 시스템에서, 전원 공급 장치가 상기 메타평면을 통해 타겟 장치로 전력을 전송하는 단계, 상기 메타평면이 상기 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널을 추정하는 단계, 상기 메타평면이 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하는 단계 및 상기 메타평면이 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키는 단계를 포함하고, 상기 특성행렬은 상기 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 대한 정보와 상기 무선 통신 시스템의 바이어스값에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 방법을 제안한다.
일 실시예에 따르면, 상기 특성행렬의 첫 번째 행부터 N 번째 행까지의 각 행은 상기 메타평면의 패턴에 대응되고, 상기 메타평면의 패턴은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 턴 온 여부에 기반하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 특성행렬을 구성하는 각 행과 각 열은 서로 직교(orthogonal) 관계에 있으며, 상기 특성행렬은 제1 값과 제2 값만으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 바이어스값은 상기 메타평면을 구성하는 모든 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킴으로써 상기 타겟 장치에서 수신한 전력에 기반하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 각 셀의 위상을 조정하는 단계는 상기 추정된 채널을 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널값인 제1 채널값과 상기 바이어스값에 대한 채널값인 제2 채널값으로 구분하는 단계, 상기 제1 채널값으로부터 상기 메타평면을 구성하는 제1 셀과 상기 타겟 장치간의 채널값인 제3 채널값을 추출하는 단계, 상기 제3 채널값의 켤레(conjugate) 위상인 제1 켤레 위상과 상기 제2 채널값의 켤레 위상인 제2 켤레 위상을 결정하는 단계, 상기 제1 켤레 위상과 상기 제2 켤레 위상의 차이에 기반하여 상기 제1 셀에 대한 필요 위상 조정값을 결정하는 단계 및 상기 필요 위상 조정값에 기반하여 상기 제1 셀을 턴 온 또는 턴 오프시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무선 통신 시스템은 GHz 단위 주파수 대역의 전자기파 전송을 지원하며, 상기 전원 공급 장치 및 상기 타겟 장치는 빔포밍을 수행할 수 있다.
본 발명은 전력을 전송하는 전원 공급 장치, 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 수신하는 타겟 장치 및 N개의 셀로 구성되고, 상기 전원 공급 장치로부터 수신된 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키며, 상기 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 상기 타겟 장치 사이의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하며, 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키는 메타평면(meta surface)을 포함하고, 상기 특성행렬은 상기 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 대한 정보와 상기 무선 통신 시스템의 바이어스값에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 특성행렬의 첫 번째 행부터 N 번째 행까지의 각 행은 상기 메타평면의 패턴에 대응되고, 상기 메타평면의 패턴은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 턴 온 여부에 기반하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 특성행렬을 구성하는 각 행과 각 열은 서로 직교(orthogonal) 관계에 있으며, 상기 특성행렬은 제1 값과 제2 값만으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 바이어스값은 상기 메타평면을 구성하는 모든 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킴으로써 상기 타겟 장치에서 수신한 전력에 기반하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메타평면은 상기 추정된 채널을 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널값인 제1 채널값과 상기 바이어스값에 대한 채널값인 제2 채널값으로 구분하고, 상기 제1 채널값으로부터 상기 메타평면을 구성하는 제1 셀과 상기 타겟 장치간의 채널값인 제3 채널값을 추출하며, 상기 제3 채널값의 켤레(conjugate) 위상인 제1 켤레 위상과 상기 제2 채널값의 켤레 위상인 제2 켤레 위상을 결정하고, 상기 제1 켤레 위상과 상기 제2 켤레 위상의 차이에 기반하여 상기 제1 셀에 대한 필요 위상 조정값을 결정하며, 상기 필요 위상 조정값에 기반하여 상기 제1 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무선 통신 시스템은 GHz 단위 주파수 대역의 전자기파 전송을 지원하며, 상기 전원 공급 장치 및 상기 타겟 장치는 빔포밍을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 메타평면은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정하기 위한 위상 조정부를 포함하고, 상기 메타평면은 동일한 사이즈의 단위셀들로 구성되고, 각 단위셀의 길이는 상기 메타평면에 의해 반사되는 전자기파의 파장의 1/4 미만이며, 상기 각 단위셀은 프랙탈(fractal) 구조를 가질 수 있다.
본 발명에서 개시하고 잇는 일 실시예에 따르면, 종래 기술에 따른 위상 안테나 배열 비해 저렴하고 전력 손실이 적은 메타평면으로 빔 조향 또는 빔포커싱을 통해 전력전송을 할 수 있다. 뿐만 아니라 위상 변환기, 감쇠기, 증폭기, 다수의 안테나 배열과 같이 많은 구성요소 및 고비용이 요구되는 종래의 위상 안테나 배열과는 달리 본 발명에 따른 1비트 메타평면 배열은 각 단위 셀에 연결된 PIN 다이오드를 켜거나 끔으로써 빔 포커싱이 가능할 수 있다.
또한 본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따를 경우, 메타평면을 구성하는 각 단위셀의 위상 제어를 통해 동적으로 타겟 장치에 대한 최적의 적응형 빔을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 이용한 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 위상 조정 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 구성하는 위상 조정부의 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 구성하는 단위셀을 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 빔조향 성능을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 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 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 이용한 전력 전송 시스템의 개념도이다.
일 실시예에 따르면 전력 전송 시스템은 전력 공급 장치, 메타평면, 타겟 장치를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 메타평면은 전력 공급 장치로부터 전자기파(EM Source)를 수신할 수 있으며, 메타평면을 제어보드(control board)를 통해 메타평면의 위상을 조정하여 전력 공급 장치로부터 수신한 전자기파를 반사할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 메타평면은 위상 조정을 통해 전력 공급 장치로부터 수신한 전자기파를 타겟 장치(receiver)로 전송할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, GHz 단위 주파수 대역이 이용되는 차세대 통신 시스템에서는 전파의 직진성이 강해져 전파 전송 거리가 짧아질 수 있다. 즉, 전력 공급 장치에서 타겟 장치로 직접적으로 전력 전송이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이 같은 문제점을 해결하기 위해 전력 공급 장치와 타겟 장치 사이에 메타평면을 배치하여 전력 전송을 중계함으로써 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 방법의 흐름도이다. 일 실시예에 따르면 도 2에서 도시하고 있는 전력 전송 방법은 도 1에서 도시하고 있는 전력 전송 시스템을 구성하는 장치에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, S210 단계에서, 전원 공급 장치가 메타평면을 통해 타겟 장치로 전력을 전송할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 메타평면은 동일한 사이즈를 가지는 N개의 단위셀로 구성될 수 있다. 보다 자세한 메타평면의 구조에 대해서는 도 5a 및 도 5b에 대한 설명으로 후술한다.
일 실시예에 따르면, S220 단계에서, 메타평면이 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 메타평면과 타겟 장치 사이의 채널을 추정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 메타평면이 N2개(N*N)의 단위셀을 포함한다면, 타겟 장치에서 수신되는 수신 전력은 아래 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019127666811-pat00001
상기 수학식 1에서 y는 타겟 장치에서 수신되는 수신 전력이고, g는 가우시안 노이즈이며, c는 무선 통신 시스템의 바이어스값이고, hi는 i번째 단위 셀과 타겟 장치 사이의 채널이며 xi는 i번째 단위셀이다.
일 실시예에 따르면, 상기 바이어스값은 메타평면에 의해 제어되는 값이 아니며, 전력 공급 장치와 타겟 장치의 특성에 의해 결정되는 전력 전송 시스템의 고유값일 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 바이어스값은 메타평면을 구성하는 모든 셀을 턴 온 또는 턴 오프시키는 경우 상기 타겟 장치에서 수신되는 전력에 기반하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 (N+1)*(N+1) 크기를 가지는 특성행렬은 N2개의 단위셀에 대한 활성화 패턴에 대한 정보와 상기 바이어스값에 대한 정보를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 특성행렬에서 첫 번째 행부터 N번째 행까지와 첫 번째 열부터 N 번째 열까지의 성분(entry)은 단위 셀의 활성화 패턴에 기반하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 셀이 턴 온 된 경우, 상기 제1 단위 셀에 대응되는 특성행렬의 성분은 +1일 수 있으며, 제2 단위 셀이 턴 오프 되는 경우, 상기 제2 단위 셀에 대응되는 특성행렬의 성분은 -1일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 특성행렬에서 N+1 번째 형과 N+1 번째 열은 상기 바이어스값을 결정하기 위한 성분일 수 있다. 결론적으로 앞서 살펴본 N2개의 단위셀을 포함하는 메타평면의 특성행렬은 아래 수학식 2와 같을 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019127666811-pat00002
상기 수학식 2에서 y는 타겟 장치에서 수신되는 수신 전력이고, g는 가우시안 노이즈이며, h는 단위 셀과 타겟 장치 사이의 채널이고, 성분 b를 포함하는 행렬이 특성행렬이다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 특성행렬에서 첫 번째 행(b1,1, b1,2, ..., b1,N 2 +1)부터 N 번째 행(bN,1, bN,2, ..., bN,N 2 +1)까지의 각 행은 메타평면의 활성화 패턴에 대응될 수 있다. 즉, 앞서 살펴본 바와 같이 b1,1 성분에 대응되는 메타평면의 단위셀이 턴 온 인 경우, b1,1성분은 1이 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수학식 2에서 hN 2 +1은 바이어스값에 대한 채널값일 수 있으며, 상기 바이어스값은 상기 특성행렬의 N+1 번째 행과 N+1 번째 열의 성분에 기반하여 결정될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 특성행렬을 구성하는 각 행과 각 열은 서로 직교(orthogonal) 관계에 있을 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이 본 발명은 1비트 디지털 신호에 따른 메타평면 제어방법을 개시하고자 하는 바, 본 발명에 따른 특성행렬의 성분은 두 종류의 값만을 가질 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 메타평면의 반사계수 위상은 턴 온에 따른 0°값과 턴 오프에 따른 180°값만을 가질 수 있으므로 특성행렬도 반사계수 위상 0°값에 대응되는 제1 값(앞선 예를 인용하면 1)과 반사계수 위상 180°값에 대응되는 제2 값(앞선 예를 인용하면 -1)만을 가질 수 있다.
이해를 돕기 위해 42의 단위셀을 가지는 메타평면을 가정하고, 상기 단위셀에 대한 활성화 패턴이 다음 수학식 3과 같은 경우, 상기 메타평면의 특성행렬은 다음 수학식 4와 같을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019127666811-pat00003
[수학식 4]
Figure 112019127666811-pat00004
여기서 B는 특성행렬을 의미하며, 특성행렬 B는 대칭적이고 가역적인 행렬일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수학식 2에서 가우시안 노이즈를 0으로 가정하면 단위 셀과 타겟 장치 사이의 채널은 아래 수학식 5와 같이 추정할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019127666811-pat00005
상기 수학식 5에서 y는 타겟 장치에서 수신되는 수신 전력이고, h는 단위 셀과 타겟 장치 사이의 채널이며, b를 포함하는 행렬은 특성행렬이다.
일 실시예에 따르면, S230 단계에서 상기 메타평면이 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 메타평면은 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프시킴으로써 각 셀의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정할 수 있다. 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하는 보다 구체적인 방법은 도 3에 대한 설명을 통해 후술한다.
일 실시예에 따르면, S240 단계에서 상기 메타평면이 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시킬 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 타겟 장치에 의해 수신되는 전력에 기반하여 메타평면을 제어함으로써 전력 전송 시스템의 전력 효율을 능동적으로 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 위상 조정 방법에 대한 흐름도이다. 일 실시예에 따르면 도 2에서 도시하고 있는 전력 전송 방법은 도 1에서 도시하고 있는 전력 전송 시스템을 구성하는 장치에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, S310 단계에서 메타평면은 S220 단계를 통해 추정된 채널을 메타평면과 타겟 장치 사이의 채널값인 제1 채널값과 바이어스값에 대한 채널값인 제2 채널값으로 구분할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, S220 단계를 통해 추청된 채널 h는
Figure 112019127666811-pat00006
로 표현될 수 있으며, 채널 h는 복소수로써 크기와 위상을 가지는 값일 수 있다. 한편, 상기 제1 채널값 hM은
Figure 112019127666811-pat00007
로 표현될 수 있으며, 상기 제2 채널값 hc는
Figure 112019127666811-pat00008
로 표현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, S320 단계에서 상기 제1 채널값으로부터 상기 메타평면을 구성하는 제1 셀과 상기 타겟 장치간의 채널값인 제3 채널값을 추출할 수 있다. 앞선 예를 인용하면 제1 채널값(hM)에서 제1 셀에 대응하는 채널값인 h1을 제3 채널값으로 추출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, S330 단계에서 상기 제3 채널값의 켤레(conjugate) 위상인 제1 켤레 위상과 상기 제2 채널값의 켤레 위상인 제2 켤레 위상을 결정할 수 있다. 앞선 예를 인용하여, 제3 채널값이 h1이고 제2 채널값이 hc인 경우, ∠h1 *가 제1 켤레 위상이 될 수 있으며, ∠hc *이 제2 켤레 위상이 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, S340 단계에서 상기 제1 켤레 위상과 상기 제2 켤레 위상의 차이에 기반하여 상기 제1 셀에 대한 필요 위상 조정값을 결정할 수 있다. 앞선 예를 인용하면 필요 위상 조정값은 다음 수학식 6에 기반하여 결정될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112019127666811-pat00009
여기서
Figure 112019127666811-pat00010
은 필요 위상 조정값이며, ∠h1 *은 제1 켤레 위상이고, ∠hc *는 제2 켤레 위상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, S350 단계에서 상기 필요 위상 조정값에 기반하여 상기 제1 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 본 발명은 1비트 디지털 코딩 메타평면 단위 셀을 이용하므로 다음 수학식 7의 조건에 따라 단위 셀의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112019127666811-pat00011
여기서
Figure 112019127666811-pat00012
은 반사계수 위상이며,
Figure 112019127666811-pat00013
은 필요 위상 조정값일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각 단위 셀에서
Figure 112019127666811-pat00014
의 위상으로 방사된 전자기파는 본 발명에서 기술하고 있는 과정을 통해 상호 위상 차를 제거할 수 있으며, 이에 따라 타겟 장치를 향한 원하는 방향으로 전력을 집중함으로써 무선 통신 시스템의 전력 전송 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 구성하는 위상 조정부의 블록도이다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 메타평면은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정하기 위한 위상 조정부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 메타표면이 총 256개(16*16)의 단위 셀을 포함하는 경우, 위상 조정부는 각 단위 셀의 위상 제어를 위해 256개의 출력 핀을 독립적으로 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 위상 조정부의 배선 복잡성을 줄이고 각 행에 대한 데이터를 독립적으로 입력하기 위해 2개의 8비트 시프트 레지스터(SR1, SR2)가 사용될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 데이터는 DFF(D-flipflop)에 저장되고, 디코더인 DEC1과 DEC2는 2~8개의 라인 디코더를 활성화할 수 있다. 따라서 위상 조정부는 도 4에서 도시하고 있는 구조를 통해 원하는 행을 선택하면 데이터를 원하는 행에 독립적으로 로드할 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 위상 조정부는 메타평면 배열로 구성된 모든 셀의 온/오프 상태를 원하는 상태로 제어할 수 있으며, 입력 데이터는 LabVIEW 프로그램에 의해 제어되는 DAQ를 통해 전달될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 구성하는 단위셀을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 개시하고 있는 메타평면은 1비트 디지털 코딩이 적용된 메타평면이므로 메타평면의 반사계수 위상은 0° 또는 180°가 될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 필요에 따라 반사계수 위상이 조정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 단위 셀에 구성된 PIN 다이오드를 통해 메타평면의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 메타평면은 동일한 사이즈의 단위 셀들로 구성될 수 있으며, 각 단위 셀의 길이(w)는 상기 메타평면에 의해 반사되는 전자기파 파장의 1/4 미만일 수 있고, 각 단위 셀은 프랙탈(fractal) 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 메타평면을 구성하는 단위 셀은 a의 길이를 가지는 정사각형(세그먼트)에 오프셋 o를 가지는 4개의 점에 동일한 a의 길이를 가지는 정사각형(세그먼트)을 배치하고, 반복하여 각 4개의 정사각형을 첫 번째 반복의 전체 구조로 교환함으로써 디자인 될 수 있다. 도 5a에서 개시하고 있는 프랙탈 구조에서 하나의 가장 자리 길이인 Ln은 다음 수학식 8과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019127666811-pat00015
여기서 an은 n번 반복된 정사각형의 길이로써,
Figure 112019127666811-pat00016
로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단위 셀 설계시 가장자리의 길이와 반복 횟수를 먼저 결정해야 한다. 다양한 실시예에 따르면, 단위 셀 가장자리의 길이는 전력 전송에 이용되는 전자기파 파장 길이의 절반 정도가 될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타평면을 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로 도 5b는 도 5a에서 도시한 단위 셀을 256개(16*16) 포함하는 메타평면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 빔조향 성능을 나타낸 그래프이다. 본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따르면, 메타평면에 의해 반사되는 빔이 형성하는 각도가 반사하고자 하는 각도와 유사한 것을 확인할 수 있다. 즉 도 6의 그래프를 통해 메타평면을 제어함으로써 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 사용자가 희망하는 방향으로 조향할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 나타낸 그래프이다. 도 7의 그래프를 통해 본 발명에 따른 전력 전송 시스템 구조에 의한 전력 효율이 종래 기술에 따른 전력 전송 시스템 구조에 의한 전력 효율보다 높은 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. N개의 셀로 구성된 메타평면(meta surface)을 포함하는 무선 통신 시스템의 전력 전송 방법에 있어서,
    전원 공급 장치가 상기 메타평면을 통해 타겟 장치로 전력을 전송하는 단계;
    상기 메타평면이 상기 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널을 추정하는 단계;
    상기 메타평면이 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하는 단계; 및
    상기 메타평면이 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키는 단계를 포함하고,
    상기 특성행렬은 상기 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 대한 정보와 상기 무선 통신 시스템의 바이어스값에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특성행렬의 첫 번째 행부터 N 번째 행까지의 각 행은 상기 메타평면의 패턴에 대응되고, 상기 메타평면의 패턴은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 턴 온 여부에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특성행렬을 구성하는 각 행과 각 열은 서로 직교(orthogonal) 관계에 있으며, 상기 특성행렬은 제1 값과 제2 값만으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스값은 상기 메타평면을 구성하는 모든 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킴으로써 상기 타겟 장치에서 수신한 전력에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 셀의 위상을 조정하는 단계는,
    상기 추정된 채널을 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널값인 제1 채널값과 상기 바이어스값에 대한 채널값인 제2 채널값으로 구분하는 단계;
    상기 제1 채널값으로부터 상기 메타평면을 구성하는 제1 셀과 상기 타겟 장치간의 채널값인 제3 채널값을 추출하는 단계;
    상기 제3 채널값의 켤레(conjugate) 위상인 제1 켤레 위상과 상기 제2 채널값의 켤레 위상인 제2 켤레 위상을 결정하는 단계;
    상기 제1 켤레 위상과 상기 제2 켤레 위상의 차이에 기반하여 상기 제1 셀에 대한 필요 위상 조정값을 결정하는 단계; 및
    상기 필요 위상 조정값에 기반하여 상기 제1 셀을 턴 온 또는 턴 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 GHz 단위 주파수 대역의 전자기파 전송을 지원하며, 상기 전원 공급 장치 및 상기 타겟 장치는 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템의 전력 전송 방법.
  7. 전력 전송을 위한 무선 통신 시스템에 있어서,
    전력을 전송하는 전원 공급 장치;
    상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 수신하는 타겟 장치; 및
    N개의 셀로 구성되고, 상기 전원 공급 장치로부터 수신된 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키며, 상기 타겟 장치에 의해 수신되는 수신 전력과 (N+1)*(N+1)의 크기를 가지는 특성행렬에 기반하여 상기 타겟 장치 사이의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 기반하여 각 셀의 위상을 조정하며, 위상이 조정된 각 셀을 이용해 상기 전원 공급 장치로부터 전송되는 전력을 상기 타겟 장치로 반사시키는 메타평면(meta surface)을 포함하고,
    상기 특성행렬은 상기 각 셀의 턴 온 또는 턴 오프 여부에 대한 정보와 상기 무선 통신 시스템의 바이어스값에 대한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 특성행렬의 첫 번째 행부터 N 번째 행까지의 각 행은 상기 메타평면의 패턴에 대응되고, 상기 메타평면의 패턴은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 턴 온 여부에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 특성행렬을 구성하는 각 행과 각 열은 서로 직교(orthogonal) 관계에 있으며, 상기 특성행렬은 제1 값과 제2 값만으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스값은 상기 메타평면을 구성하는 모든 셀을 턴 온 또는 턴 오프시킴으로써 상기 타겟 장치에서 수신한 전력에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 메타평면은 상기 추정된 채널을 상기 메타평면과 상기 타겟 장치 사이의 채널값인 제1 채널값과 상기 바이어스값에 대한 채널값인 제2 채널값으로 구분하고, 상기 제1 채널값으로부터 상기 메타평면을 구성하는 제1 셀과 상기 타겟 장치간의 채널값인 제3 채널값을 추출하며, 상기 제3 채널값의 켤레(conjugate) 위상인 제1 켤레 위상과 상기 제2 채널값의 켤레 위상인 제2 켤레 위상을 결정하고, 상기 제1 켤레 위상과 상기 제2 켤레 위상의 차이에 기반하여 상기 제1 셀에 대한 필요 위상 조정값을 결정하며, 상기 필요 위상 조정값에 기반하여 상기 제1 셀을 턴 온 또는 턴 오프시키는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 GHz 단위 주파수 대역의 전자기파 전송을 지원하며, 상기 전원 공급 장치 및 상기 타겟 장치는 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 메타평면은 상기 메타평면을 구성하는 각 셀의 반사계수 위상을 0° 또는 180°로 조정하기 위한 위상 조정부를 포함하고,
    상기 메타평면은 동일한 사이즈의 단위셀들로 구성되고, 각 단위셀의 길이는 상기 메타평면에 의해 반사되는 전자기파의 파장의 1/4 미만이며, 상기 각 단위셀은 프랙탈(fractal) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는,
    무선 통신 시스템.
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