KR102316108B1 - 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 지능형 rf 융합 처리 장치 및 그 동작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원하는 지능형 RF 융합 처리 장치에 관한 것으로, 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 동작을 제어하고, 상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 디지털 신호들을 처리하는 디지털 신호처리 모듈; 상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 RF 신호들을 송/수신 처리하는 RF 신호처리 모듈; 및 상기 디지털 신호처리 모듈의 제어 명령에 따른 빔 패턴을 형성하여 상기 RF 신호들을 송/수신하는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 포함한다.
Description
본 발명은 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 기반으로 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
무선전력전송 기술은 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 사이에 전력을 무선으로 전송하는 기술을 말한다. 보다 구체적인 무선전력전송 기술의 일 예로, 스마트폰이나 태블릿 등의 휴대 단말기에 전력을 무선으로 전송하여 충전하는 경우를 들 수 있다. 이와 같은 무선전력전송 기술은 휴대 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 지중 시설물, 건물, 휴대용 의료기기, 드론, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 전망된다.
무선전력전송 기술은 크게 자기장을 이용한 근거리 무선전력전송방식과 마이크로파(microwave)를 이용한 원거리 무선전력전송방식으로 구분된다. 근거리 무선전력전송방식은 코일을 이용하는 자기유도방식과 공진회로를 이용하는 자기공진방식을 통해 무선전력을 전송하는 데, 송신장치와 수신장치 사이의 거리가 멀수록 전송 효율이 급격히 떨어진다. 이에 반해, 원거리 무선전력전송방식은 배열 안테나를 통해 전자기파를 방사하여 중/장거리 무선 전력 전송이 가능하다. 다만, 원거리 무선전력전송방식에서 중/장거리에 위치하는 수신장치로 무선전력을 집속시키기 위해서는, 수신장치의 위치를 정확하게 검출하는 기술과 상기 검출된 수신장치의 위치로 무선전력신호를 빔포밍(beamforming)하는 위상 배열 안테나 기술이 필요하다.
이 중 위상 배열 안테나 기술은 빠른 빔포밍 성능으로 인하여 군용, 공공 보안용, 자율주행차량용 레이더에 폭넓게 적용되고 있으며, 특히 4G/5G/6G 무선 통신의 핵심 기술인 Massive MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 안테나 기술에도 활용되고 있다.
도 1은 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 위상 배열 안테나 시스템(10)은 빔포밍 네트워크(Beam Forming Network, 11), 신호 분배기(12), 복수의 위상 천이기(Phase Shifter, 13), 복수의 전력 증폭기(Power Amplifier, 14), 복수의 안테나 소자들을 포함하는 송신 배열 안테나(11) 등을 포함한다.
그런데, 기존의 위상 배열 안테나 시스템(10)은 복잡한 빔포밍 네트워크(11)와 고가의 위상 천이기(13)가 대량으로 요구되므로 군용 및 고가 장비에만 한정적으로 사용될 수 밖에 없는 문제가 있다. 따라서, 고가의 위상 천이기를 사용하지 않으면서 한 개의 송수신기만 사용하는(single-chain) 저비용의 고성능 위상 배열 안테나를 구현할 필요가 있다. 또한, 이러한 위상 배열 안테나를 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기술 등을 지원하는 시스템에 적용할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 기반으로 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 인지하고, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 주변의 RF 수신장치로 무선전력신호를 빔포밍하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
또 다른 목적은, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 인지하고, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 주변의 RF 수신장치로 무선통신신호를 빔포밍하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 레이더 모드 및 SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 모드와 관련된 동작을 제어하고, 상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 디지털 신호들을 처리하는 디지털 신호처리 모듈; 상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 RF 신호들을 송/수신 처리하는 RF 신호처리 모듈; 및 상기 디지털 신호처리 모듈의 제어 명령에 따른 빔 패턴을 형성하여 상기 RF 신호들을 송/수신하는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 포함하는 지능형 RF 융합 처리 장치를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 디지털 신호처리 모듈은 SWIPT 제어부, 레이더 제어부 및 파형 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 디지털 신호처리 모듈은, 주변 이동 단말로부터 파일럿 신호를 수신한 경우, 레이더 모드로 진입하여 주변 환경을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 디지털 신호처리 모듈은, 레이더 모드 시, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 방사 패턴을 순차적으로 변경하면서 복수의 레이더 신호를 방사하고, 상기 복수의 레이더 신호에 대응하는 반사 신호들에 대해 레이더 이미지 프로세싱을 수행하여 주변 환경에 관한 영상 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 디지털 신호처리 모듈은, 주변 환경 탐지 완료 시, 지능형 RF 융합 처리 장치의 동작 모드를 레이더 모드에서 SWIPT 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 디지털 신호처리 모듈은, SWIPT 모드 시, 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔 패턴을 결정하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 디지털 신호처리 모듈은, 미리 결정된 시간 주기로 레이더 모드와 SWIPT 모드를 번갈아 가며 반복 수행하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 디지털 신호처리 모듈은, 주변 이동 단말이 일정 기간 동안 고정되어 있는 경우, SWIPT 모드에 좀 더 많은 시간을 할당하기 위해 기 설정된 모드 전환 주기를 변경하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 RF 신호처리 모듈은 믹서, 국부 발진기, 전력 증폭기, 서큘레이터, 듀플렉서 및 RF 전력 분배기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나는 비 공진 구조인 누설파 구조에 메타표면(metasurface) 기술을 결합한 누설파 안테나임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 저 비용, 광 대역, 고 효율의 빔 조향, 빔 포커싱 및 다중 분산 빔을 형성할 수 있는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 실시간으로 탐지할 수 있고, 상기 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위함 빔 패턴을 형성하여 주변의 이동 단말로 빔포밍할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 동작방법을 개략적으로 설명하는 순서도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 레이더 모드 동작을 설명하는 순서도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 SWIPT 모드 동작을 설명하는 순서도;
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 8 내지 도 10은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 지능형 RF 융합 처리 장치를 활용한 응용 시나리오들을 예시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 동작방법을 개략적으로 설명하는 순서도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 레이더 모드 동작을 설명하는 순서도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 SWIPT 모드 동작을 설명하는 순서도;
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 8 내지 도 10은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 지능형 RF 융합 처리 장치를 활용한 응용 시나리오들을 예시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 출원에서, "포함한다" 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.
본 발명은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(Single-Chain Reconfigurable Meta Leaky Antenna)를 기반으로 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제안한다. 또한, 본 발명은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 인지하고, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 주변의 RF 수신장치로 무선전력신호를 빔포밍하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제안한다. 또한, 본 발명은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 인지하고, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 주변의 RF 수신장치로 무선통신신호를 빔포밍하는 지능형 RF 융합 처리 장치 및 그 동작방법을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 비 공진 구조인 누설파 구조에 메타표면(metasurface) 기술을 결합함으로써, 저 비용, 광 대역, 고 효율의 빔 조향, 빔 포커싱 및 다중 분산 빔을 형성할 수 있는 누설파 안테나(leaky wave antenna)이다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 하나의 안테나로 RF 신호를 송신하거나 수신하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 물리적 구조 및/또는 전기적 구조를 변경함으로써, 방사, 편광, 주파수 특성을 동적으로 재구성할 수 있는 안테나이다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 마이크로스트립(microstrip) 선로를 이용한 누설 안테나 구조로 구현되거나 혹은 도파관(waveguide)을 이용한 누설 안테나 구조로 구현될 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는, 도파관을 이용한 누설 안테나 구조로 구현된 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 예시하여 설명하도록 한다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 미리 결정된 형상을 갖는 도파관(waveguide, 110)과, 상기 도과판(110)의 일 면에 형성되는 메타물질층(metamaterial layer, 120)을 포함할 수 있다.
도파관(110)은 내부에 빈 공간을 갖도록 형성되며, 상기 내부의 빈 공간을 따라 마이크로파 신호 또는 RF 신호가 일정 방향으로 전파되도록 가이드하는 역할을 수행한다. 이때, 상기 도파관(110)은 단면이 사각형 모양으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
도파관 내부에는 차단 주파수 이상의 주파수에서 TE10모드로 전파하는 모드가 진행한다. 그러나 표면의 메타구조에서 필드가 조금씩 새어 나가므로, 도파관(110)으로 입력되는 RF 신호는 해당 도파관(110)의 입구로부터 멀어질수록 신호의 세기가 감쇠된다.
메타물질층(120)은 미리 결정된 패턴에 따라 배열되는 복수의 슬롯들(slots, 125)과, 상기 복수의 슬롯들(125)에 각각 연결되는 전자 소자들과, 메타물질(metamaterial) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전자 소자들로는 버랙터 다이오드, PIN 다이오드, 인덕터 소자, 커패시터 소자 등이 사용될 수 있으며, 반드시 이에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 메타물질로는 복합 좌우선회성(Composite Left and Right Handed, CRLH) 메타물질이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
메타물질층(120)에 형성된 각각의 슬롯(125)은 독립적인 개별 안테나 소자로 동작할 수 있다. 안테나 제어 모듈(미도시)을 통해 각각의 슬롯(125)에 연결된 전자 소자들을 제어함으로써, 각 슬롯(125)에 대응하는 안테나 소자의 특성을 재구성할 수 있다.
이와 같은 도파관 구조를 갖는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 복수의 슬롯들(125)의 동작을 독립적으로 제어함으로써, RF 신호의 사용 목적에 따른 다양한 빔 패턴(130)을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는, 고가의 위상 천이기(PS)를 구비할 필요 없이, 저 비용, 광 대역, 고 효율의 빔 조향, 빔 포커싱 및 다중 분산 빔을 형성하는 안테나를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 디지털 신호처리 모듈(210), RF 신호처리 모듈(220) 및 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)를 포함한다.
디지털 신호처리 모듈(210)은 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 동작, 예컨대 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 디지털 신호처리 모듈(210)은 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 디지털 신호들을 처리하는 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 기능은 무선전력전송과 무선통신을 동시에 이용하는 기능을 일컫는다.
디지털 신호처리 모듈(210)은 제어부(211), 파형 생성부(212), 제1 디지털 신호처리부(213), 제2 디지털 신호처리부(214), 제1 A/D 컨버터(215) 및 제2 A/D 컨버터(216)를 포함한다. 여기서, 상기 제어부(211)는 SWIPT 제어부(211a) 및 레이더 제어부(211b)를 포함할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 구성요소들은 디지털 신호처리 모듈을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 디지털 신호처리 모듈은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
SWIPT 제어부(211a)는 지능형 RF 융합 처리 장치(200)에서의 SWIPT 기능과 관련된 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 레이더 제어부(211b)는 지능형 RF 융합 처리 장치(200)에서의 레이더 기능과 관련된 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
파형 생성부(212)는, SWIPT 제어부(211a)의 제어 명령에 따라, 무선전력신호의 기저대역 신호와 무선통신신호의 기저대역 신호를 생성하는 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 무선전력신호의 기저대역 신호는 CW(Continuous Wave) 신호, 멀티 사인(Multi-sine) 신호 및 펄스(pulse) 신호 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무선통신신호의 기저대역 신호는 블루투스 신호, 와이파이 신호 및 3G/4G/5G 통신 신호 등을 포함할 수 있다.
파형 생성부(212)는, 레이더 제어부(211b)의 제어 명령에 따라, 레이더 신호의 기저대역 신호를 생성하는 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 레이더 신호의 기저대역 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호, SFCW(Step Frequency Continuous Wave) 신호 및 펄스(pulse) 신호 등을 포함할 수 있다.
제1 디지털 신호처리부(213)는 제1 A/D 컨버터(215)로부터 수신된 디지털 신호를 신호 처리하여 SWIPT 제어부(211a)로 제공하는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제1 디지털 신호처리부(213)는 주변의 이동 단말로부터 수신된 무선통신신호를 신호 처리하여 SWIPT 제어부(211a)로 제공할 수 있다.
제2 디지털 신호처리부(214)는 제2 A/D 컨버터(216)로부터 수신된 디지털 신호를 신호 처리하여 레이더 제어부(211b)로 제공하는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2 디지털 신호처리부(214)는 주변의 물체로부터 반사된 레이더 신호를 신호 처리하여 레이더 제어부(211b)로 제공할 수 있다.
제1 A/D 컨버터(215)는 RF 신호처리 모듈(220)로부터 수신된 제1 아날로그 신호를 제1 디지털 신호로 변환하여 제1 디지털 신호처리부(213)로 제공하는 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 제1 아날로그 신호는 이동 단말로부터 수신된 무선통신신호일 수 있다.
제2 A/D 컨버터(216)는 RF 신호처리 모듈(220)로부터 수신된 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환하여 제2 디지털 신호처리부(214)로 제공하는 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 제2 아날로그 신호는 주변의 물체로부터 반사된 레이더 신호일 수 있다.
RF 신호처리 모듈(220)은 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 동작, 예컨대 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 RF 신호들을 송/수신 처리하는 동작을 수행할 수 있다.
RF 신호처리 모듈(220)은 제1 및 제2 필터(221a, 221b), 국부 발진기(222), 제1 내지 제3 믹서(223a~223c), 제1 및 제2 저 잡음 증폭기(224a, 224b), 전력 증폭기(225), RF 전력 분배기(226), 제1 및 제2 스위치(227a, 227b), 듀플렉서(228) 및 서큘레이터(229)를 포함한다. 도 3에 도시된 구성요소들은 RF 신호처리 모듈을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 RF 신호처리 모듈은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
국부 발진기(Local Oscillator, LO, 222)는, 제어부(211)의 제어 명령에 따라, 미리 결정된 주파수를 생성하고, 상기 생성된 주파수를 믹서로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 국부 발진기(222)는 주파수 상향을 위한 고 주파수(high frequency)를 생성하여 송신 라인의 믹서로 제공할 수 있고, 주파수 하향을 위한 저 주파수(low frequency)를 생성하여 수신 라인의 믹서로 제공할 수 있다.
제2 믹서(223b)는 국부 발진기(222)로부터 수신된 주파수를 이용하여 파형 생성부(212)로부터 수신된 기저대역 신호의 주파수를 상향 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
전력 증폭기(Power Amplifier, PA, 225)는 제2 믹서(223b)로부터 수신된 RF 송신 신호를 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
RF 전력 분배기(226)는, 레이더 모드 시, 전력 증폭기(225)로부터 수신된 RF 송신 신호를 미리 결정된 비율로 배분하고, 상기 배분된 RF 송신 신호를 제1 스위치(227a)와 제3 믹서(223c)로 분배하는 역할을 수행할 수 있다. 한편, RF 전력 분배기(226)는, SWIPT 모드 시, 전력 증폭기(225)로부터 수신된 RF 송신 신호를 미리 결정된 비율로 배분하지 않고 해당 신호를 전부 제1 스위치(227a)로 전달할 수 있다.
제1 스위치(227a)는, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 동작 모드에 따라, 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제1 스위치(227a)는, 레이더 모드 시, 스위칭 동작을 수행하여 RF 송신 신호를 서큘레이터(229) 방향으로 제공할 수 있다. 한편, 제1 스위치(227a)는, SWIPT 모드 시, 스위칭 동작을 수행하여 RF 송신 신호를 듀플렉스(228) 방향으로 제공할 수 있다.
듀플렉스(duplex, 228)는 주파수 대역을 기준으로 RF 송신 신호와 RF 수신 신호를 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 듀플렉스(228)는 제1 스위치(227a)로부터 수신된 RF 송신 신호를 송신 라인, 즉 안테나(230) 방향으로 제공할 수 있다. 한편, 듀플렉스(228)는 안테나(230)로부터 수신된 RF 수신 신호를 수신 라인, 즉 제1 저 잡음 증폭기(224a) 방향으로 제공할 수 있다.
서큘레이터(circulator, 229)는 방향성을 기준으로 RF 송신 신호와 RF 수신 신호를 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 서큘레이터(229)는 제1 스위치(227a)로부터 수신된 RF 송신 신호를 송신 라인, 즉 안테나(230) 방향으로만 제공할 수 있다. 한편, 서큘레이터(229)는 안테나(230)로부터 수신된 RF 수신 신호를 수신 라인, 즉 제2 저 잡음 증폭기(224b) 방향으로만 제공할 수 있다.
제2 스위치(227b)는, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 동작 모드에 따라, 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제2 스위치(227b)는, 레이더 모드 시, 스위칭 동작을 수행하여 서큘레이터(229)와 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)를 전기적으로 연결할 수 있다. 한편, 제2 스위치(227b)는, SWIPT 모드 시, 스위칭 동작을 수행하여 듀플렉서(228)와 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)를 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 저 잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA, 224a)는 듀플렉서(228)로부터 수신된 RF 신호를 저 잡음 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 RF 신호는 이동 단말로부터 수신되는 무선통신신호일 수 있다.
제1 믹서(223a)는 국부 발진기(222)로부터 수신된 주파수를 기반으로 제1 저 잡음 증폭기(224a)로부터 수신된 RF 신호의 주파수를 하향 변환하여 저주파 신호를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 필터(221a)는 제1 믹서(223a)로부터 수신된 저주파 신호의 노이즈 성분을 필터링하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 필터(221a)는 이와 같이 필터링된 저주파 신호를 디지털 신호처리 모듈(210)의 제1 A/D 컨버터(215)로 제공할 수 있다.
제2 저 잡음 증폭기(224b)는 서큘레이터(229)로부터 수신된 RF 신호를 저 잡음 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 RF 신호는 주변의 물체로부터 반사되는 레이더 신호일 수 있다.
제3 믹서(223c)는 제2 저 잡음 증폭기(224b)로부터 수신된 RF 신호(즉, 반사 신호)와 RF 전력 분배기(226)로부터 수신한 기준 신호(reference signal)를 혼합하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 제3 믹서(223c)를 통해 두 신호가 혼합되면, 두 신호의 주파수 차에 해당되는 신호, 두 신호의 주파수 합에 해당되는 신호 등을 포함하여 다양한 신호들이 출력된다.
제2 필터(221b)는 제3 믹서(223c)에서 출력되는 신호들 중 원하지 않는 신호들(가령, 두 신호의 주파수 차에 해당되는 신호를 원할 경우, 주파수 합에 해당되는 신호, 주파수 배수에 해당되는 신호, 제한된 격리도에 의해 넘어오는 신호 등)을 필터링하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 제2 필터(221b)는 이와 같이 필터링된 신호를 디지털 신호처리 모듈(210)의 제2 A/D 컨버터(216)로 제공할 수 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)는 비 공진 구조인 누설파 구조에 메타표면(metasurface) 기술을 결합한 안테나이다. 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 마이크로스트립(microstrip) 선로를 이용한 누설 안테나 구조로 구현되거나 혹은 도파관(waveguide)을 이용한 누설 안테나 구조로 구현될 수 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)는 레이더 신호, 무선전력신호 및 무선통신신호 등과 같은 RF 신호를 송신하는 기능을 수행할 수 있다. 이와 동시에, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)는 레이더 반사 신호 및 무선통신신호 등과 같은 RF 신호를 수신하는 기능을 수행할 수 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)는, SWIPT 제어부(211a)의 제어 명령에 따라, 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔포밍 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(230)는, 레이더 제어부(211b)의 제어 명령에 따라, 레이더 신호를 산발적으로 방사하기 위한 빔포밍 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 제1 디지털 신호처리부(213) 및 제2 디지털 신호처리부(214)가 독립적으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 하나의 디지털 신호처리부로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 마찬가지로, 제1 A/D 컨버터(215) 및 제2 A/D 컨버터(216)가 독립적으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 하나의 A/D 컨버터로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 실시간으로 인지(탐지)할 수 있고, 상기 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔 패턴을 형성하여 주변의 이동 단말로 빔포밍할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 동작방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다. 이하에서 설명하는 동작방법은 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 디지털 신호처리 모듈(210)을 통해 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변의 이동 단말을 주기적으로 센싱하여 자신의 주변에 이동 단말이 존재하는지 여부를 확인할 수 있다(S410). 이때, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변의 이동 단말로부터 수신되는 파일럿 신호를 기반으로 해당 단말을 검출할 수 있다.
주변의 이동 단말로부터 파일럿 신호를 검출한 경우(S420), 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변 환경을 인지하기 위한 레이더 모드(radar mode)로 진입할 수 있다(S430). 한편, 다른 실시 예로, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변 이동 단말의 유무와 관계 없이, 미리 결정된 시간 주기로 레이더 모드를 진입할 수도 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 레이더 모드 시, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변의 환경을 실시간으로 인지할 수 있다(S440). 이때, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변에 존재하는 물체(또는 객체)의 종류, 위치, 이동 여부, 이동 방향 및 이동 속도 등을 검출할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 주변 환경에 대한 인지 완료 시, 자신의 동작 모드를 레이더 모드에서 SWIPT 모드로 전환할 수 있다(S450).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, SWIPT 모드 시, 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 최적의 빔 패턴을 생성할 수 있다. 즉, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변 환경을 고려하여 무선전력전송 및 무선통신에 가장 적합한 최적의 타겟 빔을 생성할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 최적의 빔 패턴을 갖는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 상기 무선전력신호 및 무선통신신호를 주변의 이동 단말로 빔포밍할 수 있다. 이때, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)에서 무선전력신호 및 무선통신신호를 전송하는 방식은 시 분할(Time Division) 방식과 주파수 분할(Frequency Division) 방식 모두 적용 가능하다. 또한, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 이동 단말의 명령에 따라 SWIPT 모드의 전송 방식을 선택할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 미리 결정된 시간 주기로 레이더 모드와 SWIPT 모드를 번갈아 가면서 반복적인 동작을 수행할 수 있다(S460).
한편, 레이더를 이용한 주변 환경 인지 결과, 하나 이상의 이동 단말이 특정 위치에 일정 기간 동안 고정되어 있는 경우(S470), 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 SWIPT 모드에 좀 더 많은 시간을 할당하기 위해 기 설정된 모드 전환 주기를 변경할 수 있다(S480).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 주변의 이동 단말이 자신의 통신 범위를 벗어날 때까지, 상술한 430 단계 내지 480 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다.
이하에서는, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)의 레이더 모드 동작 및 SWIPT 모드 동작에 대해 도면을 참조하여 좀 더 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 레이더 모드 동작을 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 특정 이벤트 발생 시, 주변의 환경을 인지하기 위한 레이더 모드로 진입할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 레이더 모드 진입 시, RF 신호처리 모듈의 스위치 제어를 통해 상기 레이더 모드에 해당하는 장치 구성을 설정할 수 있다(S505).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, RF 신호처리 모듈의 국부 발진기(Local Oscillator)를 통해 RF 신호(즉, 레이더 신호)의 동작 주파수를 설정할 수 있다(S510).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 주변 환경에 대한 광역 인지를 위해, 특정한 방향성 없이 주변의 모든 공간을 스캐닝할 수 있는 복수의 산발적 방사 패턴들(또는 무작위 방사 패턴들)을 미리 설정할 수 있다. 이때, 상기 복수의 산발적 방사 패턴들은 안테나 제어 모듈을 이용한 디지털 제어를 통해 설정될 수 있다. 또한, 상기 복수의 산발적 방사 패턴들에 대응하는 빔 패턴 정보는 룩업 테이블(look-up table) 형태로 메모리에 미리 저장될 수 있으며, 해당 정보는 추후 신호처리 과정에서 이용될 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 미리 설정된 복수의 산발적 방사 패턴들 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 방사 패턴을 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 방사 패턴으로 설정할 수 있다(S515).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 디지털 신호처리 모듈의 파형 생성부를 통해 레이더 신호의 기저대역 신호를 생성할 수 있다(S520). 여기서, 상기 레이더 신호의 기저대역 신호는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호, SFCW(Step Frequency Continuous Wave) 신호 및 펄스(pulse) 신호 등을 포함할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 파형 생성부를 통해 생성된 기저대역 신호의 주파수를 상향 변환하고, 상기 주파수 변환된 신호의 세기를 증폭하여 레이더 신호를 생성할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 이와 같이 생성된 레이더 신호를 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 통해 방사할 수 있다(S525). 이때, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 상술한 515 단계에서 선택된 방사 패턴을 갖는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 통해 레이더 신호를 전송할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 동일한 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 통해 주변에 분포한 물체로부터 반사되는 레이더 반사 신호를 수신할 수 있다(S530).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 저 잡음 증폭기를 이용하여 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나로부터 수신된 레이더 반사 신호의 세기를 저 잡음 증폭할 수 있다. 그리고, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 RF 수신 단에서 일정 크기로 증폭한 반사 신호와 RF 송신 단에서 추출한 기준 신호와의 비교를 통해 원하는 저주파 신호를 획득하고, 상기 획득된 저주파 신호를 메모리에 저장할 수 있다(S535).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 정확한 주변 환경 인지를 위해, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 방사 패턴들을 순차적으로 변경하면서 상술한 515 단계 내지 535 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다(S540). 이에 따라, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 복수의 산발적 방사 패턴들에 대응하는 복수의 저주파 신호들을 획득하여 저장할 수 있다.
이후, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 복수의 저주파 신호들에 대해 레이더 이미지 프로세싱(radar image processing)을 수행하여 주변 환경에 관한 영상 신호를 생성할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 레이더 신호의 동작 주파수를 미리 결정된 주파수로 변경하면서 상술한 510 단계 내지 545 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다(S550). 이는 레이더 신호의 동작 주파수를 변경하게 되면 동일한 환경에 대해 서로 다른 포인트 클라우드(point cloud) 분포를 획득할 수 있고, 이들의 상관도 분석을 통해 레이더 센싱 영역에 존재하는 물체들의 식별 및 위치 추정에 관한 정확도를 향상시키기 위함이다.
예를 들어, 3G/4G/5G/Wifi/GPS band에서의 영상 신호들을 획득하게 되면 스마트폰에 대한 포인트 클라우드가 뚜렷하게 발생하는 반면, 스마트폰에서 사용하지 않는 주파수를 이용해 영상 신호를 획득하게 되면 스마트폰에 대한 포인트 클라우드가 뚜렷하게 발생하지 않는다. 한편, 사람의 경우 전기적으로 큰 물체로 분류될 수 있기에, 다양한 주파수 대역에서 얻어지는 포인트 클라우드는 큰 변화가 없을 것으로 판단된다. 따라서, 이러한 포인트 클라우드의 상관도 분석을 통해, 영상 신호 자체가 해상도가 높지 않아도 사람과 스마트폰 사이의 분류가 가능해진다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 상술한 동작 주파수의 변경을 통해 다중 프레임의 영상 신호를 획득할 수 있다(S555). 즉, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 다중 대역에 대응하는 다중 프레임의 영상 신호를 획득할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 다중 프레임의 영상 신호를 분석하여 주변 환경을 정확하게 인지할 수 있다(S560). 예컨대, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 다중 프레임의 영상 신호를 분석하여 주변에 존재하는 물체의 종류, 위치, 이동 방향 및 이동 속도 등을 검출할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 동작 주파수의 변경을 통해 다중 프레임의 영상 신호를 획득하는 과정을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 해당 과정은 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 싱글 프레임의 영상 신호를 기초로 주변 환경을 인지하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 SWIPT 모드 동작을 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, 레이더를 이용한 주변 환경 인지 시, 자신의 동작 모드를 레이더 모드에서 SWIPT 모드로 전환할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, SWIPT 모드 진입 시, 주변 환경을 고려한 최적화 알고리즘을 이용하여 무선전력전송 및 무선통신에 가장 적합한 최적의 타겟 빔을 결정할 수 있다(S605).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, SWIPT 모드 진입 시, RF 신호처리 모듈의 스위치 제어를 통해 상기 SWIPT 모드에 해당하는 장치 구성을 설정할 수 있다(S610).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는, RF 신호처리 모듈의 국부 발진기(LO)를 이용하여 제1 및 제2 RF 신호의 송신 주파수 및 수신 주파수를 설정할 수 있다(S615). 여기서, 상기 제1 RF 신호는 무선전력신호일 수 있고, 상기 제2 RF 신호는 무선통신신호일 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 상술한 최적의 타겟 빔을 형성하기 위한 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 최적 방사 패턴을 설정할 수 있다(S620). 즉, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 에너지 집속 및 통신 속도 향상을 위한 최적의 방사 패턴을 설정할 수 있다. 이때, 인체 영향을 줄이고 전송 효율을 높이기 위해 도출된 빔은 반드시 고 이득 지향성 빔이 아닐 수 있다. 또한, 상기 최적의 방사 패턴은 안테나 제어 모듈을 이용한 디지털 제어를 통해 설정될 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 디지털 신호처리 모듈의 파형 생성부를 통해 제1 RF 신호의 제1 기저대역 신호와 제2 RF 신호의 제2 기저대역 신호를 생성할 수 있다(S625). 여기서, 상기 제1 기저대역 신호는 CW 신호, Multi-sine 신호 및 펄스 신호 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 기저대역 신호는 블루투스 신호, 와이파이 신호 및 3G/4G/5G 통신 신호 등을 포함할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 파형 생성부를 통해 생성된 제1 및 제2 기저대역 신호의 주파수를 상향 변환하고, 상기 주파수 변환된 신호들의 세기를 증폭하여 상기 제1 및 제2 기저대역 신호에 대응하는 제1 및 제2 RF 신호를 생성할 수 있다(S630).
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 SWIPT 모드의 무선 전송 방식이 시 분할(Time Division) 방식인지 아니면 주파수 분할(Frequency Division) 방식인지 여부를 확인할 수 있다(S635).
상기 635 단계의 확인 결과, SWIPT 모드의 무선 전송 방식이 시 분할 방식인 경우, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 제1 및 제2 RF 신호를 시간 분할하여 동시에 전송할 수 있다(S640). 즉, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 제1 시 구간에 제1 RF 신호를 전송하고, 제2 시 구간에 제2 RF 신호를 전송할 수 있다. 이러한 시 분할 방식을 무선 전송 방식으로 이용하는 경우, 제1 RF 신호를 전송하기 위한 제1 방사 패턴은 제2 RF 신호를 전송하기 위한 제2 방사 패턴과 서로 다르게 설정될 수 있다.
한편, 상기 635 단계의 확인 결과, SWIPT 모드의 무선 전송 방식이 주파수 분할 방식인 경우, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 제1 및 제2 RF 신호를 주파수 분할하여 동시에 전송할 수 있다(S645). 즉, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 제1 주파수 대역을 이용하여 제1 RF 신호를 전송하고, 상기 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역을 이용하여 제2 RF 신호를 전송할 수 있다. 이러한 주파수 분할 방식을 무선 전송 방식으로 이용하는 경우, 제1 RF 신호를 전송하기 위한 제1 방사 패턴은 제2 RF 신호를 전송하기 위한 제2 방사 패턴과 서로 동일하게 설정될 수 있다.
이후, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 주변의 이동 단말로부터 무선통신신호를 수신하는지를 확인할 수 있다(S650).
상기 650 단계의 확인 결과, 주변의 이동 단말로부터 무선통신신호를 수신한 경우, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 통해 수신된 무선통신신호를 저주파 신호로 변환하고, 상기 변환된 저주파 신호를 데이터 처리할 수 있다(S655).
한편, 상기 650 단계의 확인 결과, 주변의 이동 단말로부터 무선통신신호를 수신하지 않은 경우, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 660 단계로 이동할 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 미리 결정된 시간 동안 SWIPT 모드로 동작한 후 레이더 모드로 전환할 수 있다(S660). 한편, 레이더를 이용한 주변 환경 인지 결과, 주변의 이동 단말이 특정 위치에 일정 기간 동안 고정되어 있는 경우, 지능형 RF 융합 처리 장치(200)는 좀 더 오랜 시간 동안 SWIPT 모드를 유지할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 방법은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변의 환경을 실시간으로 탐지할 수 있고, 상기 주변의 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔 패턴을 형성하여 주변의 이동 단말로 빔포밍할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(300)는 디지털 신호처리 모듈(310), 제1 RF 신호처리 모듈(320), 제2 RF 신호처리 모듈(330) 및 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)를 포함한다.
지능형 RF 융합 처리 장치(300)는, 상술한 도 3의 지능형 RF 융합 처리 장치(200)와 달리, 두 개의 독립적인 송신 라인 즉, 레이더 신호를 전송하는 제1 송신 라인과 SWIPT 신호를 전송하는 제2 송신 라인을 구비할 수 있다.
디지털 신호처리 모듈(310)은 지능형 RF 융합 처리 장치(300)의 동작, 예컨대 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 디지털 신호처리 모듈(310)은 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 디지털 신호들을 처리하는 동작을 수행할 수 있다.
디지털 신호처리 모듈(310)은 SWIPT 제어부(311a), 레이더 제어부(311b), 파형 생성부(312), 제1 디지털 신호처리부(313), 제2 디지털 신호처리부(314), 제1 A/D 컨버터(315) 및 제2 A/D 컨버터(316)를 포함한다. 상기 디지털 신호처리 모듈(310)의 구성요소들은 상술한 도 3의 디지털 신호처리 모듈(210)의 구성요소들과 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제1 RF 신호처리 모듈(320)은 지능형 RF 융합 처리 장치(300)의 SWIPT 모드와 관련된 RF 신호를 송/수신 처리하는 동작을 수행할 수 있다.
제1 RF 신호처리 모듈(320)은 제1 믹서(321), 국부 발진기(322), 전력 증폭기(323), 듀플렉서(324), 저 잡음 증폭기(325), 제2 믹서(326) 및 필터(327)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 구성요소들은 제1 RF 신호처리 모듈을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 제1 RF 신호처리 모듈은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
국부 발진기(322)는, 제어부(311)의 제어 명령에 따라, 미리 결정된 주파수를 생성하고, 상기 생성된 주파수를 믹서로 제공하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 믹서(321)는 국부 발진기(322)로부터 수신된 주파수를 이용하여 파형 생성부(312)로부터 수신된 제1 및 제2 기저대역 신호의 주파수를 상향 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 제1 기저대역 신호는 무선전력신호일 수 있고, 상기 제2 기저대역 신호는 무선통신신호일 수 있다.
전력 증폭기(323)는 제1 믹서(321)로부터 수신된 제1 RF 송신 신호 및 제2 RF 송신 신호를 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
듀플렉스(324)는 주파수 대역을 기준으로 RF 송신 신호와 RF 수신 신호를 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 듀플렉스(324)는 전력 증폭기(323)로부터 수신된 제1 및 제2 RF 송신 신호를 송신 라인, 즉 안테나(340) 방향으로 제공할 수 있다. 한편, 듀플렉스(324)는 안테나(340)로부터 수신된 RF 수신 신호를 수신 라인, 즉 저 잡음 증폭기(325) 방향으로 제공할 수 있다.
저 잡음 증폭기(325)는 듀플렉서(324)로부터 수신된 RF 신호를 저 잡음 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 RF 신호는 이동 단말로부터 수신되는 무선통신신호일 수 있다.
제2 믹서(326)는 국부 발진기(322)로부터 수신된 주파수를 기반으로 저 잡음 증폭기(325)로부터 수신된 RF 신호의 주파수를 하향 변환하여 저주파 신호를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.
필터(327)는 제2 믹서(326)로부터 수신된 저주파 신호의 노이즈 성분을 필터링하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 필터(221a)는 이와 같이 필터링된 저주파 신호를 디지털 신호처리 모듈(310)의 제1 A/D 컨버터(315)로 제공할 수 있다.
제2 RF 신호처리 모듈(330)은 지능형 RF 융합 처리 장치(300)의 레이더 모드와 관련된 RF 신호를 송/수신 처리하는 동작을 수행할 수 있다.
제2 RF 신호처리 모듈(330)은 제1 믹서(331), 국부 발진기(332), RF 전력 분배기(333), 전력 증폭기(334), 서큘레이터(335), 저 잡음 증폭기(336), 제2 믹서(337) 및 필터(338)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 구성요소들은 제2 RF 신호처리 모듈을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 제2 RF 신호처리 모듈은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
국부 발진기(332)는, 제어부(311)의 제어 명령에 따라, 미리 결정된 주파수를 생성하고, 상기 생성된 주파수를 믹서로 제공하는 기능을 수행할 수 있다.
제1 믹서(331)는 국부 발진기(332)로부터 수신된 주파수를 이용하여 파형 생성부(312)로부터 수신된 기저대역 신호의 주파수를 상향 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
RF 전력 분배기(333)는, 레이더 모드 시, 제1 믹서(331)로부터 수신된 RF 송신 신호를 미리 결정된 비율로 배분하고, 상기 배분된 RF 송신 신호를 전력 증폭기(334)와 제2 믹서(337)로 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 전력 증폭기(334)는 RF 전력 분배기(333)로부터 수신된 RF 송신 신호를 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
서큘레이터(335)는 방향성을 기준으로 RF 송신 신호와 RF 수신 신호를 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 서큘레이터(335)는 전력 증폭기(334)로부터 수신된 RF 송신 신호를 송신 라인, 즉 안테나(340) 방향으로 제공할 수 있다. 한편, 서큘레이터(335)는 안테나(340)로부터 수신된 RF 수신 신호를 수신 라인, 즉 저 잡음 증폭기(336) 방향으로 제공할 수 있다.
저 잡음 증폭기(336)는 서큘레이터(335)로부터 수신된 RF 신호를 저 잡음 증폭하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 RF 신호는 주변의 물체로부터 반사되는 레이더 신호일 수 있다.
제2 믹서(337)는 저 잡음 증폭기(336)로부터 수신된 RF 신호(즉, 반사 신호)와 RF 전력 분배기(333)로부터 추출한 기준 신호(reference signal)를 혼합하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 제2 믹서(337)를 통해 두 신호가 혼합되면, 두 신호의 주파수 차에 해당되는 신호, 두 신호의 주파수 합에 해당되는 신호 등을 포함하여 다양한 신호들이 출력된다.
필터(338)는 제2 믹서(337)에서 출력되는 신호들 중 원하지 않는 신호들(가령, 두 신호의 주파수 차에 해당되는 신호를 원할 경우, 주파수 합에 해당되는 신호, 주파수 배수에 해당되는 신호, 제한된 격리도에 의해 넘어오는 신호 등)을 필터링하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 필터(338)는 이와 같이 필터링된 신호를 디지털 신호처리 모듈(310)의 제2 A/D 컨버터(316)로 제공할 수 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)는 비 공진 구조인 누설파 구조에 메타표면(metasurface) 기술을 결합한 안테나이다. 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(100)는 마이크로스트립(microstrip) 선로를 이용한 누설 안테나 구조로 구현되거나 혹은 도파관(waveguide)을 이용한 누설 안테나 구조로 구현될 수 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)는 일부 안테나 소자들을 레이더용 안테나로 설정할 수 있고, 나머지 안테나 소자들을 SWIPT용 안테나로 설정할 수 있다. 가령, 도 7에 도시된 바와 같이, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)의 네 모서리 부분에 설치된 안테나 소자들을 레이더용 안테나로 설정할 수 있고, 나머지 안테나 소자들을 SWIPT용 안테나로 설정할 수 있다.
한편, 다른 실시 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)의 앞 단에 스위치를 설치하여, 해당 스위치의 제어를 통해 레이더 모드와 SWIPT 모드를 선택할 수도 있다.
단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)는, SWIPT 제어부(211a)의 제어 명령에 따라, 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 전송하기 위한 빔 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나(340)는, 레이더 제어부(211b)의 제어 명령에 따라, 레이더 신호를 산발적으로 방사하기 위한 빔 패턴을 형성할 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 레이더 센서로 활용하여 주변 환경을 실시간으로 인지하고, 상기 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔 패턴을 형성하여 주변의 이동 단말로 빔포밍할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 RF 융합 처리 장치를 활용한 응용 시나리오들을 예시하는 도면이다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 기반으로 레이더, 무선전력전송 및 무선통신 기능을 통합 지원하는 장치로서, 실내의 특정 위치(가령, 천정)에 고정되어 설치될 수 있다.
지능형 RF 융합 처리 장치(810)는, 레이더 모드 시, 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 통해 다중 분산 빔을 순차적으로 형성하여 방사할 수 있다. 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 주변의 물체로부터 반사된 신호들에 대해 레이더 이미지 프로세싱을 수행하여 영상 신호를 획득할 수 있다. 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 상기 획득된 영상 신호를 분석하여 주변 환경을 인지(또는 탐지)할 수 있다.
이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 이용하여 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송할 수 있다. 가령, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 사람(830)이 존재하지 않으면서 이동 단말(820)이 위치하는 지점으로 빔 패턴을 형성하여 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송할 수 있다.
한편, 이외에도, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 스마트 디바이스들(840, 850)과의 무선 통신을 통해 다양한 정보를 획득할 수 있고, 상기 획득된 다양한 정보를 가공 및 융합하여 이동 단말(820)로 제공할 수 있다.
또한, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 주변 환경 인지에 기반한 마이크로 도플러 바이탈 센싱을 수행하여 실내에 존재하는 사람들(830)의 건강 상태나 위험 상태 등을 파악할 수 있다.
또한, 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 이동 단말들의 사용 환경을 검출하고, 상기 검출된 사용 환경에 따라 데이터 전송을 최적화할 수 있다. 가령, 지능형 RF 융합 처리 장치(810)는 적절한 빔 패턴을 설정하여 메신저 서비스를 이용하는 이동 단말에 대해서는 상대적으로 적은 데이터를 전송하고, 동영상 서비스를 이용하는 이동 단말에 대해서는 상대적으로 많은 데이터를 전송할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
200: 지능형 RF 융합 처리 장치
210: 디지털 신호처리 모듈
220: RF 신호처리 모듈
230: 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나
210: 디지털 신호처리 모듈
220: RF 신호처리 모듈
230: 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나
Claims (10)
- 레이더 모드 및 SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 모드와 관련된 동작을 제어하고, 상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 디지털 신호들을 처리하는 디지털 신호처리 모듈;
상기 레이더 모드 및 SWIPT 모드와 관련된 RF 신호들을 송/수신 처리하는 RF 신호처리 모듈; 및
상기 디지털 신호처리 모듈의 제어 명령에 따른 빔 패턴을 형성하여 상기 RF 신호들을 송/수신하는 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나를 포함하고,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 미리 결정된 이벤트 발생 시, 상기 레이더 모드로 진입하여 주변 환경을 탐지하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은 SWIPT 제어부, 레이더 제어부 및 파형 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미리 결정된 이벤트는, 주변 이동 단말로부터 파일럿 신호를 수신하는 이벤트임을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 상기 레이더 모드 시, 상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나의 방사 패턴을 순차적으로 변경하면서 복수의 레이더 신호를 방사하고, 상기 복수의 레이더 신호에 대응하는 반사 신호들에 대해 레이더 이미지 프로세싱을 수행하여 주변 환경에 관한 영상 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 상기 주변 환경 탐지 완료 시, 상기 지능형 RF 융합 처리 장치의 동작 모드를 상기 레이더 모드에서 상기 SWIPT 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제5항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 상기 SWIPT 모드 시, 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 상기 주변 환경을 고려한 최적의 무선전력신호 및 무선통신신호를 동시에 전송하기 위한 빔 패턴을 결정하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 미리 결정된 시간 주기로 상기 레이더 모드와 상기 SWIPT 모드를 번갈아 가며 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 디지털 신호처리 모듈은, 상기 주변 이동 단말이 일정 기간 동안 고정되어 있는 경우, 상기 SWIPT 모드에 좀 더 많은 시간을 할당하기 위해 기 설정된 모드 전환 주기를 변경하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 RF 신호처리 모듈은, 믹서, 국부 발진기, 전력 증폭기, 서큘레이터, 듀플렉서 및 RF 전력 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나는, 비 공진 구조인 누설파 구조에 메타표면(metasurface) 기술을 결합한 누설파 안테나(leaky wave antenna)임을 특징으로 하는 지능형 RF 융합 처리 장치.
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| KR1020200064284A KR102316108B1 (ko) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 지능형 rf 융합 처리 장치 및 그 동작방법 |
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| KR1020200064284A KR102316108B1 (ko) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | 단일 체인 재구성 메타 누설 안테나 기반의 지능형 rf 융합 처리 장치 및 그 동작방법 |
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