KR102495769B1 - 빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치 - Google Patents

빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치 Download PDF

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KR102495769B1 KR1020210092206A KR20210092206A KR102495769B1 KR 102495769 B1 KR102495769 B1 KR 102495769B1 KR 1020210092206 A KR1020210092206 A KR 1020210092206A KR 20210092206 A KR20210092206 A KR 20210092206A KR 102495769 B1 KR102495769 B1 KR 102495769B1
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Abstract

빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나 장치는 상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 메타표면 유닛셀 어레이의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나를 포함하는 빔 집속 제어 안테나; 및 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부를 포함한다.

Description

빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치{BEAM FOCUSING CONTROL ANTENNA APPARATUS AND METHOD, AND WIRELESS POWER TRANSFER USING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치와 관련된다.
투과 안테나는 패치 안테나 또는 혼 안테나와 같은 지향성 안테나의 방사 패턴을 수정할 수 있는 안테나 구조로 이루어질 수 있다. 상기 투과 안테나는 소스 안테나와 입사파의 파면을 조절할 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
상술한 투과 안테나는 입사파의 크기와 위상을 조절하여 빔 조향, 빔 집속 및 편파 제어 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
안테나 기술 분야에서, 안테나 빔의 지향 성능을 향상시키기 위해 다양한 기술이 모색되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1402489호 (2014. 05. 26.)
본 발명의 실시예들은 빔 집속 제어 성능이 향상된 빔 집속 제어 안테나 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 전력 송신장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 빔 집속 제어 안테나 장치는 상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 상기 메타표면 유닛셀 어레이의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나를 포함하는 빔 집속 제어 안테나; 및 빔 집속 위치에 따라 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부를 포함한다.
상기 복수의 소스 안테나는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 소스 안테나는 1차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
상기 빔 집속 제어 안테나는 상부에 상기 복수의 소스 안테나를 안착시키기 위한 베이스 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 메타표면 유닛셀 어레이의 상기 메타표면은 2차원 패시브(passive) 메타표면일 수 있다.
상기 빔 집속 처리부는, 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출할 수 있다.
상기 안테나 전체 파면 산출기준은 수학식 1 또는 수학식 2이고, 상기 수학식 1은,
Figure 112021081220921-pat00001
이며, 상기 수학식 2는,
Figure 112021081220921-pat00002
이고, 상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 빔 집속 제어방법은 메타표면 유닛셀 어레이의 메타표면의 투과 위상을 결정하는 단계; 빔 집속 위치를 결정하는 단계; 상기 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 기초로 빔 집속을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 빔 집속 제어방법은 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하는 단계에서, 상기 빔 집속 위치, 상기 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출할 수 있다.
상기 안테나 전체 파면 산출기준은 수학식 1 또는 수학식 2이고, 상기 수학식 1은,
Figure 112021081220921-pat00003
이며, 상기 수학식 2는,
Figure 112021081220921-pat00004
이고, 상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 무선 전력 송신장치는 충전 대상 단말기의 위치를 파악하기 위한 위치 측정기; 및 상기 위치 측정기로부터 수신한 상기 충전 대상 단말기의 위치를 빔 집속 위치로 설정하고, 설정된 상기 빔 집속 위치로 무선 전력을 전송하기 위한 빔 집속 제어 안테나 장치를 포함한다.
상기 빔 집속 제어 안테나 장치는, 상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 상기 메타표면 유닛셀 어레이의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나를 포함하는 빔 집속 제어 안테나; 및 빔 집속 위치에 따라 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 소스 안테나는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 소스 안테나는 1차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
상기 빔 집속 제어 안테나는 상부에 상기 복수의 소스 안테나를 안착시키는 베이스 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 메타표면 유닛셀 어레이의 상기 메타표면은 패시브(passive) 메타표면으로 이루어질 수 있다.
상기 빔 집속 처리부는, 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출할 수 있다.
상기 충전 대상 단말기는, 휴대폰, 노트북 및 PDA를 포함하는 모바일 장치, 청소기를 비롯한 가전, 시계 및 이어폰을 비롯한 무선 전력 수신 기능을 포함하는 장치 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 복수의 소스 안테나를 적용하여 빔 집속 제어 안테나를 설계함에 따라, 빔 집속 제어 성능이 향상될 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 빔 집속 제어 안테나를 구현할 때 복수의 소스 안테나를 포함시키고, 이들 각각의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 때문에, 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상을 조절하는 것에 비해 위상을 조절하는데 요구되는 위상 천이기의 개수가 줄어 비용면에서 절감될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 빔 집속 기술을 통해 충전 대상 단말기로 전송되는 무선 전력을 제어하기 때문에 무선 전력 충전 성능을 향상시킬 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나 장치의 일 예를 설명하기 위한 블록도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 일 예를 설명하기 위한 도면
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 다른 예를 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 유닛셀 어레이의 메타표면을 설명하기 위한 예시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면의 유닛셀 구조를 설명하기 위한 예시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 유닛셀의 이상적인 투과특성을 설명하기 위한 도면
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 파면 개념 및 이의 대한 실험 결과를 설명하기 위한 예시도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 유무에 따른 정규화된 전력 밀도를 비교한 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 위치별 어레이 소스 안테나의 위상을 나타내는 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 방법을 설명하기 위한 예시도
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 종방향 및 횡방향의 정규화된 전력 밀도를 비교한 그래프
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신장치를 설명하기 위한 블록도
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경을 예시하여 설명하기 위한 블록도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나 장치의 일 예를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 일 예를 설명하기 위한 도면이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 빔 집속 제어 안테나(100)는 빔 집속 제어 안테나(110) 및 빔 집속 처리부(130)를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 빔 집속 제어 안테나(110)는 베이스 기판(111a), 복수의 소스 안테나(111b) 및 메타표면 유닛셀 어레이(113)를 포함할 수 있다. 이때, 도 2a 및 도 2b에서 개시하는 소스 안테나(111b)의 개수는 일 예로, 이에 한정되지 않고, 운용자의 필요에 따라 조정할 수 있음은 당연하다 할 것이다.
베이스 기판(111a)은 상부에 복수의 소스 안테나(111b)를 안착시키기 위한 구성일 수 있다.
복수의 소스 안테나(111b)는 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 구성일 수 있다. 이때, 복수의 소스 안테나(111b) 각각은 기 설정된 주파수 대역의 전자기파를 방출하도록 마련될 수 있다. 복수의 소스 안테나(111b)로부터 방출된 전자기파는 메타표면 유닛셀 어레이(113)로 전달되고, 메타표면 유닛셀 어레이(113)를 투과하면서 메타표면의 투과 위상에 따라 크기 및 방향 등이 변경되어 진행될 수 있다. 복수의 소스 안테나(111b)는 베이스 기판(111a)의 상부면에 안착되고, 베이스 기판(111a)의 하부면에는 접지(ground)가 형성될 수 있다.
빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나(111b) 각각의 입력 위상이 결정될 수 있으며, 이에 대한 상세 설명은 후술하기로 한다.
도 2a를 참고하면, 복수의 소스 안테나(111b)는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
한편, 도 2b를 참고하면, 복수의 소스 안테나(111b)는 1차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 메타표면을 설명하기 위한 예시도이다.
도시하는 바와 같이, 메타표면 유닛셀 어레이(113)는 상부에 메타표면이 형성된 구성일 수 있다.
상기 메타표면은 2차원 패시브(passive) 메타표면일 수 있다. 이때, 패시브 메타표면은 구조가 가변적이지 않은 고정된 표면을 의미할 수 있다. 본 실시예에서는 빔 집속 시 메타표면의 투과 위상이 아닌 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 빔 집속 위치에 따라 결정(조절)하기 때문에, 메타표면을 패시브 메타표면으로 구현할 수 있는 것이다.
도 3을 참고하면, 메타표면 유닛셀 어레이(113) 내 각각의 메타표면 유닛셀(113-1, 113-2, ??)은 마이크로 스트립 패치 어레이나 메타물질, 주파수 선택표면 등을 기초로 설계될 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참고하면, 메타표면 유닛셀 어레이(113)는 12 x 12 원형 패치 어레이 유닛셀로 구성된 메타표면이 상부면에 형성될 수 있다. 이때, 메타표면의 형태는 원형에 한정되지 않고, 운용자의 필요에 따라 다양한 형태로 적용될 수 있음은 당연하다 할 것이다. 메타표면 유닛셀(113-1, 113-2, ...)의 구조는 도 4와 같을 수 있다. 각각의 메타표면 유닛셀(113-1, 113-2, ...)에는 메타표면(113-1b)이 원형 패치 형태로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면의 유닛셀 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
예를 들어, 메타표면 유닛셀(113-1)은 4개의 유전체(113-1a)와 상기 각 유전체(113-1a)의 표면에 형성되는 원형 패치 형태의 메타표면(113-1b)으로 구성될 수 있다. 도 4에서 도시하는 바와 같이, 메타표면 유닛셀(113-1)은 적층형의 유전체(113-1a) 및 메타표면(113-1b)으로 이루어질 수 있다. 도시하는 바와 같이, 메타표면(113-1b)은 원형 패치 형태일 수 있고, 이에 한정되지 않는다. 이때, 메타표면(113-1b)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 유전체(113-1a)는 기판이고, 메타표면(113-1b)은 컨덕터(conductor)일 수 있다. 메타표면의 투과 위상은 메타표면(113-1b)인 원형 패치의 반지름(a)으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참고하면, a는 변수, 메타표면 유닛셀(113-1)의 너비는 20mm(0.38λ0)일 수 있다. 또한, 메타표면 유닛셀(113-1) 내 각 유전체(113-1a)의 높이는 3.2mm이고, 유전율은 2.2일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
메타표면 유닛셀(113-1)의 이상적인 투과특성은 도 5와 같을 수 있다. 도 5에서 도시하는 바와 같이, a가 1 mm에서 10 mm일때, 투과도는 1이고, 투과 위상의 변화폭은 약 360도 이상일 수 있다. 이때, 원형 패치의 반지름은 1 mm에서 10 mm로 한정되지 않고, 운용자의 필요에 따른 빔 집속 제어 안테나(110)의 설계에 따라 변경될 수 있음은 당연하다 할 것이다. 즉, 메타표면 유닛셀(113-1)은 투과도가 1이고 투과 위상의 변화폭이 약 360도 이상인 경우의 투과특성이 이상적일 수 있는 것이다.
빔 집속 처리부(130)는 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 구성일 수 있다.
이때, 빔 집속 처리부(130)는 복수의 소스 안테나(111b)가 도 2b와 같이 1열의 1차원 형태로 구현되는 경우, 종방향 또는 횡방향의 2차원 빔 집속을 제어하고, 복수의 소스 안테나(111b)가 도 2a와 같이 2차원 형태로 구현되는 경우, 3차원 빔 집속을 제어할 수 있다.
상기 빔 집속 처리부(130)는 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 산출할 수 있다. 이때, 안테나 전체 파면 산출기준은 빔 집속 위치가 2차원인 경우에는 수학식 1일 수 있고, 빔 집속 위치가 3차원인 경우에는 수학식 2일 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021081220921-pat00005
상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표일 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021081220921-pat00006
상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표일 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 안테나의 파면 개념 및 이의 대한 실험 결과를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에서 개시하는 빔 집속 제어 안테나(110)의 전체 파면은 개념적으로 도 6과 같이 소스 안테나의 파면(source wave-front)과 메타표면의 투과 위상(metasurface transmission phase)의 합으로 도출할 수 있다. 도 6의 P는 빔 집속 위치를 나타내는 것일 수 있고, 포물선(S)은 빔 집속 제어 안테나의 전체 파면(transmitarray wave-front)을 나타내는 것일 수 있다. 도 7은 도 6의 빔 집속 제어 안테나 파면 개념을 기초하여 수행한 실험의 결과를 나타내는 것으로서, 111b는 소스 안테나, 113은 메타표면 유닛셀 어레이, P는 빔 집속 위치를 나타내는 것일 수 있다. 도 7에서 도시하는 바와 같이, 빔 집속 제어 안테나(110)에 1차원 형태의 복수의 소스 안테나(111b)를 적용한 경우, 종방향 및 횡방향의 2차원 빔 집속 제어가 가능하다고 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면 유무에 따른 정규화된 전력 밀도를 비교한 그래프이다.
도 2b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예의 실행 가능성을 검증하기 위해, 빔 집속 제어 안테나(110)에서, 8개의 마이크로 스트립 패치 안테나가 복수의 소스 안테나(111b)로 이용되었고, 5.8 GHz에서 각 소스 안테나(111b)의 간격(D)은 26 mm, 소스 안테나(111b)와 메타표면 유닛셀 어레이(113) 간의 거리(H)는 50 mm로 약 1 파장이 될 수 있다. 이러한 조건에서 실험한 결과, 도 8과 같이, 메타표면 유무에 따른 정규화된 전력밀도 비교치를 획득할 수 있다. 도시하는 바와 같이, 메타표면이 형성되어 있는 메타표면 유닛셀 어레이(113)를 적용한 경우, 메타표면이 미형성된 메타표면 유닛셀 어레이(미도시)를 적용한 경우에 비해 전력밀도 결과가 약 35 % 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 위치별 복수의 소스 안테나의 입력 위상(1st antenna phase, 2nd antenna phase, ...)을 나타내는 도면이다. 도 9에서 빔 집속 위치(focal point)를 (c, d)라고 하였을 때, 포물선의 공식은 상술한 수학식 1과 같을 수 있다. 도시하지 않았지만, 빔 집속 위치가 (c, d, e)와 같이 3차원인 경우, 포물선의 공식은 상술한 수학식 2와 같을 수 있다.
즉, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 원하는 빔 집속 위치(도 6의 P)가 결정되면, 그에 따른 포물선의 형태(도 6의 S)를 결정하는데, 그 형태가 안테나의 전체 파면이 될 수 있는 것이다. 도 6을 참고하면, 안테나의 전체 파면은 소스 안테나(111b)의 위상(도 6의 소스 안테나의 파면(source wave-front))과 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 메타표면의 투과 위상(metasurface transmission phase)의 합으로 산출될 수 있다. 이때, 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 투과 위상은 사전에 인지하고 있기 때문에, 빔 집속 처리부(130)가 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 결정할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명의 실시예에서 빔 집속 처리부(130)는 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 투과 위상을 사전에 임의로 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 4와 같이, 메타표면 유닛셀(113-1)의 메타표면(113-1b)이 적층형의 원형 패치인 경우, 원형 패치의 반지름(a)에 따라서 메타표면의 투과 계수와 투과 위상이 결정될 수 있다.
본 실시예에서는, 임의적으로 도 3과 같은 메타표면 유닛셀 어레이(113)를 설계하여 도 6과 같이 메타표면의 투과 위상을 결정할 수 있다. 한편, 빔 집속 처리부(130)는 메타표면의 투과 위상과 소스 안테나의 위상의 합을 통해 포물선 형상인 안테나의 전체 파면(transmitarray)을 결정할 수 있는 원리를 통해 빔 집속 위치에 대응되는 안테나 전체 파면(포물선)을 결정할 수 있다. 빔 집속 처리부(130)는 복수의 소스 안테나(111b) 각각의 입력 위상을 안테나의 전체 파면으로부터 메타표면의 투과 위상을 감산하여 도출할 수 있다.
일반적으로, 메타표면을 이용하여 빔 집속을 수행할 때, 소스 안테나가 1개이기 때문에, 메타표면의 투과 위상을 조절해야 한다. 이때, 메타표면이 2차원으로 복수의 메타표면 유닛셀로 어레이를 구성하고 있기 때문에, 각각에 대한 투과 위상을 개별 조절해야 한다. 메타표면 유닛셀 각각에 대한 투과 위상을 조절하기 위해서는 메타표면의 유닛셀 개수에 대응되는 M x N의 위상 천이기가 구비되어야 한다. 이때, M과 N은 메타표면의 유닛셀 어레이에서, 메타표면 유닛셀의 가로 개수 및 세로 개수를 의미할 수 있다.
본 실시예의 십자 구조를 비롯한 2차원 형태의 복수의 소스 안테나를 적용하는 경우, 메타표면의 유닛셀 어레이는 고정된 상태를 유지하고 2차원 형태의 복수의 소스 안테나 각각의 위상만 조절하면, 3차원 빔 집속 제어가 가능할 수 있다. 이때, 소스 안테나의 위상을 조절하기 위한 위상 천이기의 개수는 복수의 소스 안테나의 개수에 대응되는 (M-f)+(N-g)일 수 있다. 이때, M과 N은 메타표면의 유닛셀 어레이에서, 메타표면 유닛셀의 가로 개수 및 세로 개수를 의미할 수 있다. 상기 f와 g는 f > 0, g > 0일 수 있다. 본 실시예에서 적용되는 메타표면의 유닛셀 개수와 소스 안테나의 개수는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 소스 안테나의 개수가 메타표면의 유닛셀의 개수 보다 적을 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 실시예는 메타표면 유닛셀 각각의 투과 위상을 조절하는 것에 비해 적은 개수의 위상 천이기가 요구되는 것이다.
상술한 기재로부터 본 실시예에서는 빔 집속 위치에 따라 빔 집속 제어 안테나(100)의 메타표면 유닛셀 어레이 및 복수의 소스 안테나를 설계할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 종방향 및 횡방향의 정규화된 전력 밀도를 비교한 그래프이다.
도 10 내지 도 12에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 의한 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이(113) 및 복수의 소스 안테나(111b)를 적용한 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 종방향 및 횡방향의 빔 집속 제어가 잘 이루어짐을 확인할 수 있다. 이때, 도 10의 (0, 40)mm, (0, 60)mm, (0, 80)mm, (10, 60)mm, (20, 60)mm, (40, 60)mm은 빔 집속 위치를 나타내는 것으로서, 도 2b와 같은 1차원 형태의 소스 안테나를 적용하는 경우, 종방향 및 횡방향의 2차원 빔 집속 제어 상태를 나타내는 것일 수 있다. 이러한 원리로, 본 실시예는 도 2a의 2차원 형태의 소스 안테나를 적용하는 경우, 3차원 빔 집속 제어 역시 가능함은 당연하다 할 것이다.
도 11은 각각 빔 집속 위치가 (0, 40)mm, (0, 60)mm, (0, 80)mm 일 때의 전력 밀도를 나타내는 것일 수 있고, 도 12는 (10, 60)mm, (20, 60)mm, (40, 60)mm 일 때의 전력 밀도를 나타내는 것일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 집속 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 13에 도시된 방법은 예를 들어, 전술한 빔 집속 제어 안테나 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 도시된 흐름도에서는 상기 방법을 복수 개의 단계로 나누어 기재하였으나, 적어도 일부의 단계들은 순서를 바꾸어 수행되거나, 다른 단계와 결합되어 함께 수행되거나, 생략되거나, 세부 단계들로 나뉘어 수행되거나, 또는 도시되지 않은 하나 이상의 단계가 부가되어 수행될 수 있다.
101 단계에서, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 메타표면의 투과 위상을 결정할 수 있다. 이때, 메타표면의 투과 위상은 운용자의 필요에 따라 임의로 결정될 수 있다.
103 단계에서, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 빔 집속 위치를 결정할 수 있다. 이때, 빔 집속 위치는 운용자의 필요에 따라 임의로 결정될 수 있다.
105 단계에서, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 산출할 수 있다.
이때, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 산출할 수 있다. 상기 안테나 전체 파면 산출기준은 빔 집속 위치가 2차원인 경우 상술한 수학식 1일 수 있고, 빔 집속 위치가 3차원인 경우 상술한 수학식 2일 수 있다.
구체적으로, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 임의적으로 도 3과 같은 메타표면 유닛셀 어레이(113)를 설계하여 도 6과 같이 메타표면의 투과 위상을 결정할 수 있다. 또한, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 메타표면의 투과 위상과 소스 안테나의 위상의 합을 통해 포물선 형상인 안테나의 전체 파면(transmitarray)을 결정할 수 있는 원리를 통해 빔 집속 위치에 대응되는 안테나 전체 파면(포물선)을 결정할 수 있다. 또한, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 복수의 소스 안테나(111b) 각각의 입력 위상을 안테나의 전체 파면으로부터 메타표면의 투과 위상을 감산하여 도출할 수 있다.
107 단계에서, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 산출된 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 기초로 빔 집속을 제어할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신장치를 설명하기 위한 블록도이다.
이하에서 개시하는 빔 집속 제어 안테나 장치(220)는 도 1 내지 도 12를 기초하여 설명한 빔 집속 제어 안테나 장치(100)와 동일한 구성으로서, 중복되는 설명에 대해서는 간략히 개시하기로 한다.
도 14를 참고하면, 무선 전력 송신장치(200)는 위치 측정기(210) 및 빔 집속 제어 안테나 장치(220)를 포함할 수 있다.
위치 측정기(210)는 충전 대상 단말기(300)의 위치를 파악하기 위한 구성일 수 있다. 이때, 위치 측정기(210)는 초음파 센서 및 GPS(global positioning system) 센서를 비롯하여 충전 대상 단말기(300)의 위치를 파악할 수 있는 모든 센서를 포함할 수 있다. 이때, 위치 측정기(210)는 적용되는 센서의 종류에 따라 충전 대상 단말기(300)와의 정보 송수신을 수행하는 것 역시 가능하다 할 것이다. 이를 위해, 무선 전력 송신장치(200)와 충전 대상 단말기(300) 간의 무선 통신을 수행함은 당연하다 할 것이다.
상기 충전 대상 단말기(300)는, 휴대폰, 노트북 및 PDA를 포함하는 모바일 장치, 청소기를 비롯한 가전, 시계 및 이어폰을 비롯한 무선 전력 수신 기능을 포함하는 장치 중 어느 하나일 수 있다.
빔 집속 제어 안테나 장치(220)는 위치 측정기(210)로부터 수신한 충전 대상 단말기(300)의 위치를 빔 집속 위치로 설정하고, 설정된 빔 집속 위치로 무선 전력을 전송하기 위한 구성일 수 있다.
구체적으로, 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참고하면, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)는 상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이(113) 및 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나(111b)를 포함하는 빔 집속 제어 안테나(110) 및 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나(111b)의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부(130)를 포함할 수 있다.
한편, 복수의 소스 안테나(111b)는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다. 다른 한편, 복수의 소스 안테나(111b)는 1차원 형태를 이루도록 배열될 수 있다.
빔 집속 제어 안테나(110)는 상부에 복수의 소스 안테나를 안착시키는 베이스 기판(111a)을 더 포함할 수 있다.
상술한 메타표면 유닛셀 어레이(113)의 메타표면은 패시브(passive) 메타표면으로 이루어질 수 있다. 이때, 패시브 메타표면은 구조가 가변적이지 않은 고정된 표면을 의미할 수 있다.
빔 집속 처리부(130)는 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 빔 집속 제어 안테나 장치(100)와 충전 대상 단말기(300)가 서로 통신 가능 범위 내에 위치하는 경우를 가정하여, 충전 대상 단말기(300)의 위치에 관계없이 충전 대상 단말기(300)로의 빔 집속 제어를 통해 전력을 전송하여 충전 성능을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 무선 충전 시, 충전 대상 단말기(300)의 이동성을 더욱 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 15는 예시적인 실시예들에서 사용되기에 적합한 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경(10)을 예시하여 설명하기 위한 블록도이다. 도시된 실시예에 서, 각 컴포넌트들은 이하에 기술된 것 이외에 상이한 기능 및 능력을 가질 수 있고, 이하에 기술된 것 이외에도 추가적인 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도시된 컴퓨팅 환경(10)은 컴퓨팅 장치(12)를 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 장치(12)는 빔 집속 제어 안테나 장치(100) 또는 무선 전력 송신장치(200)일 수 있다.
컴퓨팅 장치(12)는 적어도 하나의 프로세서(14), 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16) 및 통신 버스(18)를 포함한다. 프로세서(14)는 컴퓨팅 장치(12)로 하여금 앞서 언급된 예시적인 실시예에 따라 동작하도록 할 수 있다. 예컨대, 프로세서(14)는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행할 수 있다. 상기 하나 이상의 프로그램들은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 상기 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(14)에 의해 실행되는 경우 컴퓨팅 장치(12)로 하여금 예시적인 실시예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)에 저장된 프로그램(20)은 프로세서(14)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 컴퓨팅 장치(12)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
통신 버스(18)는 프로세서(14), 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(16)를 포함하여 컴퓨팅 장치(12)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.
컴퓨팅 장치(12)는 또한 하나 이상의 입출력 장치(24)를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(22) 및 하나 이상의 네트워크 통신 인터페이스(26)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(22) 및 네트워크 통신 인터페이스(26)는 통신 버스(18)에 연결된다. 입출력 장치(24)는 입출력 인터페이스(22)를 통해 컴퓨팅 장치(12)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다. 예시적인 입출력 장치(24)는 포인팅 장치(마우스 또는 트랙패드 등), 키보드, 터치 입력 장치(터치패드 또는 터치스크린 등), 음성 또는 소리 입력 장치, 다양한 종류의 센서 장치 및/또는 촬영 장치와 같은 입력 장치, 및/또는 디스플레이 장치, 프린터, 스피커 및/또는 네트워크 카드와 같은 출력 장치를 포함할 수 있다. 예시적인 입출력 장치(24)는 컴퓨팅 장치(12)를 구성하는 일 컴포넌트로서 컴퓨팅 장치(12)의 내부에 포함될 수도 있고, 컴퓨팅 장치(12)와는 구별되는 별개의 장치로 컴퓨팅 장치(12)와 연결될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 컴퓨팅 환경
12: 컴퓨팅 장치
14: 프로세서
16: 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
18: 통신 버스
20: 프로그램
22: 입출력 인터페이스
24: 입출력 장치
26: 네트워크 통신 인터페이스
100, 220: 빔 집속 제어 안테나 장치
110: 빔 집속 제어 안테나
111a: 베이스 기판
111b: 복수의 소스 안테나
113: 메타표면 유닛셀 어레이
130: 빔 집속 처리부
200: 무선 전력 전송장치
210: 위치 측정기
300: 충전 대상 단말기

Claims (18)

  1. 상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 상기 메타표면 유닛셀 어레이의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나를 포함하는 빔 집속 제어 안테나; 및
    빔 집속 위치에 따라 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부를 포함하며,
    상기 빔 집속 처리부는, 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하며,
    상기 안테나 전체 파면 산출기준은 상기 빔 집속 위치가 2차원인 경우에는 수학식 1이고, 상기 빔 집속 위치가 3차원인 경우에는 수학식 2이며,
    상기 수학식 1은,
    Figure 112023006412619-pat00027
    이며,
    상기 수학식 2는,
    Figure 112023006412619-pat00028
    이고,
    상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표인 빔 집속 제어 안테나 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 소스 안테나는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열된 빔 집속 제어 안테나 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 소스 안테나는 1차원 형태를 이루도록 배열된 빔 집속 제어 안테나 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 집속 제어 안테나는 상부에 상기 복수의 소스 안테나를 안착시키기 위한 베이스 기판을 더 포함하는 빔 집속 제어 안테나 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메타표면 유닛셀 어레이의 상기 메타표면은 2차원 패시브(passive) 메타표면인 빔 집속 제어 안테나 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 메타표면 유닛셀 어레이의 메타표면의 투과 위상을 결정하는 단계;
    빔 집속 위치를 결정하는 단계;
    상기 빔 집속 위치에 따라 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 기초로 빔 집속을 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하는 단계에서,
    상기 빔 집속 위치, 상기 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하며,
    상기 안테나 전체 파면 산출기준은 상기 빔 집속 위치가 2차원인 경우에는 수학식 1이고, 상기 빔 집속 위치가 3차원인 경우에는 수학식 2이며,
    상기 수학식 1은,
    Figure 112023006412619-pat00009
    이며,
    상기 수학식 2는,
    Figure 112023006412619-pat00010
    이고,
    상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표인 빔 집속 제어방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 충전 대상 단말기의 위치를 파악하기 위한 위치 측정기; 및
    상기 위치 측정기로부터 수신한 상기 충전 대상 단말기의 위치를 빔 집속 위치로 설정하고, 설정된 상기 빔 집속 위치로 무선 전력을 전송하기 위한 빔 집속 제어 안테나 장치를 포함하며,
    상기 빔 집속 제어 안테나 장치는,
    상부에 메타표면이 형성된 메타표면 유닛셀 어레이 및 상기 메타표면 유닛셀 어레이의 하부면으로부터 기 설정된 거리만큼 이격되게 형성되되, 기 설정된 배열로 형성된 복수의 소스 안테나를 포함하는 빔 집속 제어 안테나; 및
    빔 집속 위치에 따라 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 결정하여 빔 집속을 제어하기 위한 빔 집속 처리부를 포함하며,
    상기 빔 집속 처리부는, 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하며,
    상기 안테나 전체 파면 산출기준은 상기 빔 집속 위치가 2차원인 경우에는 수학식 1이고, 상기 빔 집속 위치가 3차원인 경우에는 수학식 2이며,
    상기 수학식 1은,
    Figure 112023006412619-pat00029
    이며,
    상기 수학식 2는,
    Figure 112023006412619-pat00030
    이고,
    상기 c는 상기 빔 집속 위치의 x좌표, d는 상기 빔 집속 위치의 y좌표, 상기 e는 상기 빔 집속 위치의 z좌표인 무선 전력 송신장치.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 소스 안테나는 십자 형태를 비롯하여 2차원 형태를 이루도록 배열된 무선 전력 송신장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 소스 안테나는 1차원 형태를 이루도록 배열된 무선 전력 송신장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔 집속 제어 안테나는 상부에 상기 복수의 소스 안테나를 안착시키는 베이스 기판을 더 포함하는 무선 전력 송신장치.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 메타표면 유닛셀 어레이의 상기 메타표면은 패시브(passive) 메타표면으로 이루어진 무선 전력 송신장치.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔 집속 처리부는, 빔 집속 위치, 메타표면의 투과 위상 및 안테나 전체 파면 산출기준을 기초로 상기 복수의 소스 안테나의 입력 위상을 산출하는 무선 전력 송신장치.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 충전 대상 단말기는, 휴대폰, 노트북 및 PDA를 포함하는 모바일 장치, 청소기를 비롯한 가전, 시계 및 이어폰을 비롯한 무선 전력 수신 기능을 포함하는 장치 중 어느 하나인 무선 전력 송신장치.
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