KR102612351B1 - 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102612351B1
KR102612351B1 KR1020160177429A KR20160177429A KR102612351B1 KR 102612351 B1 KR102612351 B1 KR 102612351B1 KR 1020160177429 A KR1020160177429 A KR 1020160177429A KR 20160177429 A KR20160177429 A KR 20160177429A KR 102612351 B1 KR102612351 B1 KR 102612351B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
module
phased array
energy
array antenna
signal
Prior art date
Application number
KR1020160177429A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170101102A (ko
Inventor
에이. 나라야난 아우띠
키스 앨런 알
Original Assignee
더 보잉 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 보잉 컴파니 filed Critical 더 보잉 컴파니
Publication of KR20170101102A publication Critical patent/KR20170101102A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102612351B1 publication Critical patent/KR102612351B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/001—Energy harvesting or scavenging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/27—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of receiving antennas, e.g. rectennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/23—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of transmitting antennas, e.g. directional array antennas or Yagi antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H02J7/025—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B40/00—Technologies aiming at improving the efficiency of home appliances, e.g. induction cooking or efficient technologies for refrigerators, freezers or dish washers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)이 공개된다. RFHS는 위상 배열 안테나, 파워 하베스팅 유닛, 및 제어기를 포함한다. 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지를 수신하고, 이에 반응하여 파워 신호를 생성하도록 구성된다. 파워 하베스팅 유닛은 위상 배열 안테나와 신호통신을 하며, 정류기 모듈, 스토리지 모듈, 및 파워 임계 모듈을 포함한다. 파워 하베스팅 유닛은 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호를 생성하도록 구성된다. 제어기는 위상 배열 안테나와 신호통신을 하며, 위상 배열 안테나의 안테나 빔을 조종할 수 있다.

Description

무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템{RADIO FREQUENCY ENERGY HARVESTING SYSTEM}
본 발명은 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
렉테나(rectenna)는 정류 안테나(rectifying antenna)이며, 이것은 렉테나에 부딪치는 주변 전자기 에너지를 DC(direct current) 전기로 변환하기 위해서 이용되는 안테나의 타입이다. 간단한 렉테나 엘리먼트(rectenna element)의 예는 다이폴 안테나 단자(dipole antenna terminal)들에 걸쳐 연결된 RF(radio frequency) 다이오드를 가진 다이폴 안테나를 포함한다. 동작의 예에 있어서, 다이폴 안테나는 다이폴 안테나에 부딪치는 주변 전자기 에너지를 수신한다. 이후, 주변 전자기 에너지는 다이폴 안테나상에서 AC 전류(alternating current)를 유도하고(induce), 이것은 RF 다이오드에 전달된다. 이후, RF 다이오드는 DC 전류를 생성하기 위하여 다이폴 안테나상에서 유도된 AC 전류를 정류한다. 이후, DC 전류는 RF 다이오드 단자들에 걸쳐 연결된 부하에 전력을 공급한다. 일반적으로, 렉테나를 위한 RF 다이오드의 예는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)인데, 왜냐하면 쇼트키 다이오드는 낮은 전압 강하 및 고속(high speed)의 전기적 특성을 가지며, 이는 AC 및 DC 전류들의 전도와 다이오드의 스위칭에 기인하는 낮은 파워 손실을 낳기 때문이다.
예를 들어, P-N 접합, PIN, 및 쇼트키 다이오드들과 같은 상업적으로 이용가능한 다이오드들 모두는, 0.30 내지 0.40 볼트보다 높은 턴-온 전압(turn-on voltage)들을 가진다. 유감스럽게도, 부딪치는(impinging) 주변 전자기 에너지가 다이오드를 턴-온하기에 충분히 높은 전압을 생성할 수 있는 전류를 유도하기에는 너무 낮은 저 잔류(low residual) 또는 초-저 잔류(ultra-low residual) RF 에너지인 환경에서, 이 턴-온 전압들은 렉테나에 의해 캡쳐되는 대부분의 에너지를 변환하기에는 너무 높다. 이러한 상황에서, 부딪치는 주변 전자기 에너지의 파워가 다이오드를 턴-온하기에 충분히 높은 전압을 생성하기에는 너무 낮으면, 캡쳐된(captured) 부딪치는 주변 전자기 에너지는 열로서 허비된다.
유감스럽게도, 이것은 허비되는 에너지(wasted energy)를 낳는데, 이것은 오늘날의 제로 근접(near-zero) 에너지 소모(NZero) 센서들에 전력을 공급하기 위해서 이용될 수 있었을 것이다. 현재, 다양한 무선 센서 네트워크들을 위한 다수의 NZero 센서들이 개발되었다. 이 NZero 센서들은 우주항공 비히클(aerospace vehicle)들, 건전성 모니터링 시스템들, 및 데이터 수집 시스템들을 위한 다양한 파라미터들을 모니터링한다. 게다가, 우주항공 비히클들의 예에서, 이 NZero 센서들은 접근가능하지 않거나 용이하게 접근가능하지 않은 우주항공 비히클의 영역들 내에 위치해 있을 수 있다. 게다가, 우주항공 비히클상에서 이 NZero 센서들의 위치 및 NZero 센서들의 총 수(이것은 수천 개일 수 있음)는, 항공기 또는 우주선일 수 있는, 우주항공 비히클을 따라 필요한 배선 경로들 및 전선들의 총 무게 양쪽 모두를 기초로 하여 NZero 센서를 물리적 전선들에 연결하기 위한 능력에 의해 제한될 수 있다. 그래서, 저 잔류 또는 초-저 잔류 RF 에너지 환경에서 작동할 수 있는 무선 고효율 RF 에너지 정류 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)이 공개된다. RFHS(Radio Frequency Energy Harvesting System)는 위상 배열 안테나(phased array antenna), 파워 하베스팅 유닛(PHU), 및 제어기를 포함한다. 위상 배열 안테나는 PHU(power harvesting unit) 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 한다. 제어기는 또한 PHU와 신호통신을 한다. 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지(ambient RF energy)를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호(input power signal)를 생성하도록 구성된다. PHU는 정류기 모듈 및 스토리지 모듈을 포함한다. 정류기 모듈은 위상 배열 안테나 및 스토리지 모듈과 신호통신을 한다. PHU는 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호(rectified power signal)를 생성하도록 구성된다. 제어기는 수신되는 주변 RF 에너지를 증가시키기 위하여 위상 배열 안테나의 안테나 빔(antenna beam)을 스티어링하도록 구성된다. 일반적으로, 안테나 빔을 스티어링함으로써, RFHS는 튜닝(tuning)을 위한 최소한의 에너지 이용과 함께 위상 배열 안테나의 이용을 가지고 채집 효율을 최대화하여 상이한 방향들로부터 이용가능한 주변 RF 에너지를 캡쳐하도록 구성된다.
동작의 예로서, RFHS는 주변 RF 에너지를 하베스팅하기 위한 방법을 수행한다. 본 방법은, 위상 배열 안테나를 가지고 주변 RF 에너지를 수신하는 단계, 주변 RF 에너지를 수신하는 것에 반응하여 위상 배열 안테나 어레이를 가지고 입력 파워 신호를 생성하는 단계, 정류기 모듈을 가지고 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호를 생성하는 단계, 및 스토리지 모듈에 정류 파워 신호를 저장해서, 상응하는 양의 저장된 전기 포텐셜 에너지를 스토리지 모듈 내에 생성하는 단계를 포함한다. 이후, 본 프로세스는, 파워 임계 모듈(power threshold module)을 가지고 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 더 큰지 여부를 판단하고, 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 크거나 미리 정해진 임계값과 같은 경우에, 저장된 정류 파워 신호를 센서에 전송한다.
적어도 두 개의 양자 터널 다이오드(quantum tunnel diode)들을 이용하는 RFHS의 구현의 다른 예가 추가적으로 공개된다. 이 예에서, RFHS는 위상 배열 안테나 및 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들을 포함하고, 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지를 수신하고 이에 반응해서 입력 파워 신호를 생성하도록 구성되고, 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들은 위상 배열 안테나와 신호통신을 한다. 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들은 입력 파워 신호를 수신하고 이에 반응해서 정류 파워 신호를 생성하도록 구성된다.
이하의 도면들 및 상세한 설명의 검토시 본 발명의 다른 디바이스, 장치, 시스템, 방법, 특징, 및 이점이 통상의 기술자에게 분명하거나 분명하게 될 것이다. 이러한 추가적인 시스템, 방법, 특징, 및 이점 모두는 본 설명의 범위 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 포함되고, 첨부된 청구항들에 의해 보호되는 것을 의도된다.
본 발명은 이하의 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들에서의 구성요소들은 반드시 비례에 맞는 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리들을 설명하는 데에 중점이 두어졌다. 도면들에서, 동일한 참조 번호는 상이한 도면들에 걸쳐서 상응하는 부분들을 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)의 구현의 예의 시스템 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 RFHS의 다른 구현의 예의 시스템 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 RFHS의 또 다른 구현의 예의 시스템 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 도 1 내지 3에서 도시된, 위상 배열 안테나의 구현의 예의 시스템 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른, 도 1에 도시된, 정류기 모듈의 시스템 블록도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 순방향 바이어스(forward bias)에서의 양자 터널 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램의 구현의 예의 개략적 도표이다.
도 6b는 본 발명에 따른 역방향 바이어스(reverse bias)에서의 양자 터널 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램의 구현의 예의 개략적 도표이다.
도 7은 본 발명에 따른 양자 터널 다이오드의 전류-전압 특성 도표의 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른, 도 6a, 6b, 및 7에 도시된, 예시적인 양자 터널 다이오드에 대한 턴-온 값들의 전류밀도 대 전압 특성 도표의 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라서 RFHS를 가지고 주변 RF 에너지를 하베스팅하기 위한 방법의 구현의 예의 흐름도이다.
고효율 위상 배열 RF 에너지 하베스팅 및 전달을 위한 무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)이 공개된다. RFHS는 위상 배열 안테나, 파워 하베스팅 유닛(PHU), 및 제어기를 포함한다. 위상 배열 안테나는 PHU 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 한다. 제어기는 또한 PHU와 신호통신을 한다. 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호를 생성하도록 구성된다. PHU는 정류기 모듈 및 스토리지 모듈을 포함한다. 정류기 모듈은 위상 배열 안테나 및 스토리지 모듈과 신호통신을 한다. PHU는 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호를 생성하도록 구성된다. 제어기는 수신되는 주변 RF 에너지를 증가시키기 위하여 위상 배열 안테나의 안테나 빔을 스티어링하도록(steer) 구성된다. 일반적으로, 안테나 빔을 스티어링함으로써, RFHS는 튜닝(tuning)을 위한 최소한의 에너지 이용과 함께 위상 배열 안테나의 이용을 가지고 채집 효율을 최대화하여 상이한 방향들로부터 이용가능한 주변 RF 에너지를 캡쳐하도록 구성된다.
적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들을 이용하는 RFHS의 구현의 다른 예가 추가적으로 공개된다. 이 예에서, RFHS는, 주변 RF 에너지를 수신하고 이에 반응하여 입력 파워 신호를 생성하도록 구성된 위상 배열 안테나 및 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들을 포함한다. 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들은 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호를 생성하도록 구성된다.
동작의 예로서, RFHS는 주변 RF 에너지를 하베스팅하기 위한 방법을 수행한다. 본 방법은, 위상 배열 안테나를 가지고 주변 RF 에너지를 수신하는 단계, 주변 RF 에너지를 수신하는 것에 반응하여 위상 배열 안테나 어레이를 가지고 입력 파워 신호를 생성하는 단계, 정류기 모듈을 가지고 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호를 생성하는 단계, 및 스토리지 모듈에 정류 파워 신호를 저장해서, 상응하는 양의 저장된 전기 포텐셜 에너지를 스토리지 모듈 내에 생성하는 단계를 포함한다. 이후, 본 프로세스는, 파워 임계 모듈을 가지고, 스토리지 모듈 내에 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 큰 지 여부를 판단하고, 스토리지 모듈 내에 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 크거나 같다면 저장된 정류 파워 신호를 센서에 전송한다.
도 1에서, 고효율 위상 배열 RF 에너지 하베스팅 및 전달을 위한 무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100)의 구현의 예의 시스템 블록도가 본 발명에 따라서 도시된다. RFHS(100)는 위상 배열 안테나(phased array antenna)(102), 파워 하베스팅 유닛(PHU)(104), 및 제어기(controller)(106)를 포함한다. 이 예에서, PHU(104)는 신호경로들(108 및 110)을 통해서 각각 위상 배열 안테나(102) 및 제어기(106) 양쪽 모두와 신호통신을 한다. 게다가, 제어기(106)는 또한 신호경로(112)를 통해서 위상 배열 안테나(102)와 신호통신을 한다.
위상 배열 안테나(102)는 복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들(도시되지 않음), 위상 쉬프터(phase shifter)들(도시되지 않음), 및 컴바이너 네트워크(combiner network)(도시되지 않음)를 포함하고, 이들은 위상 배열 안테나(102)의 복수의 안테나 엘리먼트들의 조합된 방사 패턴(combined radiation pattern)들로부터 안테나 빔(antenna beam)(114)을 형성하도록 구성된다. 이 예에서, 복수의 위상 쉬프터들의 각각의 개별적인 위상 쉬프터는 복수의 안테나 엘리먼트들의 상응하는 개별적인 안테나 엘리먼트와 신호통신을 한다. 복수의 위상 쉬프터들은, 복수의 위상 쉬프터들의 개별적인 위상 쉬프터들이 복수의 안테나 엘리먼트들의 상응하는 개별적인 안테나 엘리먼트들상으로 주입하는 상대적인 위상들을 기초로 한 방향(direction)(116)으로 위상 배열 안테나(102)의 안테나 빔을 겨냥(즉, 스티어링)하도록 구성된다. 위상 배열 안테나(102)는 위상 배열 안테나(102)의 표면에 부딪치는 주변 RF 에너지(118)를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호(120)를 생성하도록 구성되고, 입력 파워 신호(120)는 신호경로(108)를 통해서 PHU(104)에 전달된다. 일반적으로, 위상 배열 안테나(102)는 소정의 RF 주파수대(RF frequency bands)로 튜닝되는 미리 정해진 설계를 기초로 하여 주변 RF 에너지(118)를 수신하도록 설계된다.
이 예에서, 위상 배열 안테나(102)는 위상 배열 안테나(102)의 표면에 부딪치는 주변 RF 에너지(118)로부터 하베스팅되는 에너지의 양을 최대화하기 위하여 자율 탐색 모드(autonomous search mode)로 작동하도록 구성될 수 있다. 효율 최적화를 달성하기 위하여, 복수의 위상 쉬프터들의 각각의 위상 쉬프터는 전력 손실 없이 설정(setting)을 유지하는 저전력 위상 쉬프터일 수 있다. 단순화된 구현의 예로서, 위상 배열 안테나(102)는 총 9개의 안테나 엘리먼트들을 가진 3개의 안테나 엘리먼트 곱하기 3개의 안테나 엘리먼트 위상 배열 안테나일 수 있고, 각각의 안테나 엘리먼트는 PHU(104)와 신호통신을 하는 컴바이너 네트워크(도시되지 않음)에 연결된 위상 쉬프터(도시되지 않음) 및 방사 안테나(radiating antenna)(도시되지 않음)를 포함한다.
PHU(104)는 정류기 모듈(122) 및 스토리지 모듈(124)을 포함하고, 이들은 신호경로(126)를 통해서 신호통신을 한다. 동작시, PHU(104)는 입력 파워 신호(120)를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호(128)를 생성하도록 구성되고, 정류 파워 신호(128)는 신호경로(110)를 통해서 다른 장치들, 모듈, 회로들, 또는 구성요소들에 전달된다. 일반적으로 정류기 모듈(122)은, 예를 들어, 두 개의 쇼트키 다이오드들, 두 개의 터널 다이오드들, 또는 두 개의 양자 터널 다이오드들과 같은 적어도 두 개의 저전력 다이오드들의 조합이다. 이 예에서, 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들을 이용하는 것은 RFHS(100)로 하여금 초-저 레벨(ultra-low level) 주변 RF 에너지(118)를 수신해서 여전히 정류 파워 신호(128)를 생성하는 것을 가능하게 한다. 이 예에서, 초-저 레벨은 서브-밀리볼트(sub-millivolt) 영역 내에 존재하는데, 왜냐하면 양자 터널 다이오드들을 위한 턴-온 전압은 0.4 볼트에서부터 0.5 볼트까지의 턴-온 전압을 갖는 쇼트키 다이오드들과 달리 서브-밀리볼트 영역 내에 존재하기 때문이다.
동작시, 정류기 모듈(122)은 입력 파워 신호(120)를 수신하고, 이것을 정류해서 내부 정류 파워 신호(130)를 생성하고, 내부 정류 파워 신호(130)는 신호경로(126)를 통해서 스토리지 모듈(124)에 전달된다. 스토리지 모듈(124)은 저전력 충전가능 배터리 또는 커패시터일 수 있는데, 저전력 충전가능 배터리 또는 커패시터는 (정류기 모듈(122)에 의해서 생성된) 내부 정류 파워 신호(130)를 저장하고, 저장된 내부 정류 파워 신호(130)로부터 스토리지 모듈(124) 내에 저장된 에너지에 의해서 생성된 정류 파워 신호(128)를 출력하도록 구성된다.
제어기(106)는 신호경로(136)를 통해서 프로세서(132)와 신호통신을 하는 프로세서(132) 및 소프트웨어 모듈(134)을 포함한다. 프로세서(132)는 임의의 저전력 프로세서, DSP(digital signal processor), ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field-programmable gate array), 마이크로제어기, 또는 다른 유사한 장치일 수 있다. 동작시, 제어기(106)는 (신호경로(110)를 통해서) 정류 파워 신호(128)의 일부를 수신하고, 프로세서(132) 및 소프트웨어 모듈(134)을 포함하는 제어기(106)에 전력을 공급하기 위하여 정류 파워 신호(128)의 일부를 이용한다. 이후, 프로세서(132)는 위상 배열 안테나(102)의 안테나 빔(114)의 지향성 빔 스티어링(directional beam steering)(116)을 제어한다. 일반적으로, 프로세서(132)는 주변 RF 에너지(118)의 수신을 증가시키고, 바람직하게는 최대화 및/또는 최적화하는 방향(116)으로 안테나 빔(114)을 스티어링하도록 구성된다. 프로세서(132)는 위상 배열 안테나(102) 내의 개별적인 위상 쉬프터들의 위상 상태들을 제어함으로써 스티어링(steering)을 수행한다. 일반적으로, 프로세서(132)는, 주어진 방향(116)으로 위상 배열 안테나(102)를 제어하고 결과로 얻어지는 안테나 빔(114)을 스티어링하기 위해 필요한 동작들을 수행하기 위하여 소프트웨어 모듈(134)에 저장된 소프트웨어를 이용한다. 제어기(106)는 또한, 안테나 빔(114)의 방향(116)이 주변 RF 에너지(118)로부터 충분한 파워를 수신하고 있는지 여부를 판단하기 위하여 PHU(104)(내부 정류 파워 신호(130)를 통해 정류기 모듈(rectifier module)(122) 및/또는 정류 파워 신호(128)를 통해 스토리지 모듈(124))에 의해 생성되고 있는 파워의 양을 모니터링할 수 있다. 만일 충분한 파워를 수신하고 있지 않다면, 이후 제어기(106)는 이용가능한 주변 RF 에너지(118)를 더 잘 수신하기 위하여 안테나 빔(114)의 방향(116)을 쉬프트(shift)시키도록(즉, 스티어링하도록) 위상 배열 안테나(102) 내의 복수의 위상 쉬프터들의 위상들의 변경을 개시할(initiate) 수 있다.
동작시, 제어기(106)는 수신되는 주변 RF 에너지(118)의 양을 증가시킴으로써 PHU(104)에 의해 생성되는 파워의 양을 증가시키기 위하여, PHU(104)에 의해 생성되는 파워를 모니터링하고 위상 배열 안테나(102)의 안테나 빔(114)의 방향(116)을 스티어링하는 프로세스를 지속적으로 수행할 수 있다 - 즉, 제어기(106)는 위상 배열 안테나(102)에 의해 캡쳐되는 파워를 최대화하기 위하여 주변 RF 에너지(118)를 생성하는 방사 소스(radiating source)(도시되지 않음)를 향한 방향(116)으로 안테나 빔(114)을 스티어링할 수 있다. 제어기(106)는 PHU(104)에 의해 생성되는 파워를 모니터링하기 위하여 파워 임계 모듈(도시되지 않음)을 이용할 수 있다. 이 예에서, 스토리지 모듈(134)은 프로세서(132)를 위한 임의의 필요한 소프트웨어 코드를 저장하도록 구성된 저전력 스토리지 및/또는 메모리 유닛일 수 있다.
동작의 예에 있어서, RFHS(100)는 신호경로(110)를 통해서 PHU(104)와 신호통신을 하는 하나 이상의 센서들(138)에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있다. 이 센서들(138)은 우주항공 비히클들, 건전성 모니터링 시스템들, 및 데이터 수집 시스템들을 위한 다양한 파라미터들을 모니터링하도록 구성된 제로 근접 에너지 소모(NZero) 센서들일 수 있다. PHU(104)는 신호경로(110)를 통해서 정류 파워 신호(128)의 일부를 센서들(138)에 전송함으로써 센서들(138)에 전력을 공급한다. 센서들(138)은, 그들 주변환경에서의 이벤트들 또는 변화들을 검출하고 이후 상응하는 센서 출력 신호(140)를 제공하는 하나 이상의 장치들(통상적으로 트랜스듀서)이다. 이 예에서, 센서들(138)은 신호경로(144)릍 통해서 송신기(transmitter)(142)와 신호통신을 할 수 있고, 송신기(142)는 신호경로들(110 및 148)을 통해서 각각 PHU(104) 및 세컨더리 안테나(secondary antenna)(146) 양쪽 모두와 신호통신을 할 수 있다. 센서들(138)은 (신호경로(144)를 통해서) 센서 출력 신호(140)를 송신기(142)에 전달하고, 이후 송신기(142)는 세컨더리 안테나(146)를 통해서 센서 출력 신호(142)를 전송되는 센서 출력 신호(transmitted sensor output signal)(150)로서 전송한다. 전송되는 센서 출력 신호(150)는 센서들(138)로부터의 센서 출력 신호(들)(140)를 모니터링하도록 구성된 원격 모니터링 시스템(도시되지 않음)에 전송될 수 있다. 이 예에서, 송신기(142)는 신호경로(110)를 통해서 정류 파워 신호(128)의 일부를 수신함으로써 전력을 공급받는다. 센서들(138) 및 송신기(142)는 선택적으로(optionally) RFHS(100)의 일부일 수 있다.
RFHS(100)의 또는 RFHS(100)와 연관된 회로들, 구성요소들, 모듈들, 및/또는 장치들은 서로 신호통신을 하는 것으로 기술되며, 여기서 신호통신(signal communication)은 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치로 하여금 다른 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치에 신호 및/또는 정보를 전달하는 것 및/또는 다른 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치로부터 신호 및/또는 정보를 수신하는 것을 가능하게 하는 회로들, 구성요소들, 모듈들, 및/또는 장치들 간의 임의의 타입의 통신 및/또는 연결을 지칭한다. 통신 및/또는 연결은, 무선 또는 유선 신호경로들을 포함하고 하나의 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치로부터 다른 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치에 신호 및/또는 정보를 전달하는 것을 가능하게 하는 회로들, 구성요소들, 모듈들, 및/또는 장치들 간의 임의의 신호경로를 따라서 존재할 수 있다. 신호경로들은, 예를 들어, 도전성 와이어, 전자기 도파관, 케이블, 부착된 및/또는 전자기적 또는 기계적으로 커플링된 단자들, 반도전성(semi-conductive) 또는 유전성(dielectric) 재료들 또는 장치들, 또는 다른 유사한 물리적 연결들 또는 커플링들과 같이 물리적일 수 있다. 추가적으로, 신호경로들은 디지털 구성요소들을 통한 정보 경로들 또는 자유공간(전자기적 전파의 경우에)과 같이 비-물리적(non-physical)일 수 있으며, 여기서 통신 정보는 직접적인 전자기적 연결을 통해서 지나가지 않으면서 디지털 포맷들을 변화시켜 하나의 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치로부터 다른 회로, 구성요소, 모듈, 및/또는 장치로 전달된다.
도 2에서, RFHS(200)의 다른 구현의 예의 시스템 블록도가 본 발명에 따라서 도시된다. 도 1에 도시된 RFHS(100)의 예와 유사하게, 이 예에서, RFHS(200)는 또한 위상 배열 안테나(102), PHU(202), 및 제어기(106)를 포함한다. 하지만, 도 1에 도시된 PHU(104)와 달리, 이 예에서, PHU(202)는 정류기 모듈(122), 스토리지(124), 및 파워 임계 모듈(204)을 포함한다. 이 예에서, 파워 임계 모듈(204)은 신호경로(206)를 통해서 스토리지 모듈(124)과 신호통신을 한다. 추가적으로, 파워 임계 모듈(204)은 또한 신호경로(208)를 통해서 프로세서(132), 센서들(138), 및 송신기(142)와 신호통신을 한다. 일반적으로, RFHS(200)는, 이 예에서 파워 임계 모듈(204)이 PHU(202)로 하여금 정류 파워 신호(128)를 출력하도록 허용하기 전에 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 에너지의 양을 모니터링하도록 구성되어 있다는 점을 제외하고는 도 1에 도시된 RFHS(100)와 동일한 방식으로 동작한다. 동작의 예에 있어서, 파워 임계 모듈(204)은, 예를 들어, 스토리지 모듈(124)에 의해 생성된 정류 파워 신호(128)의 전압 크기를 미리 정해진 전압 임계값과 비교함으로써 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 에너지의 양을 지속적으로 모니터링할 수 있다. 미리 정해진 전압 임계값의 예는 3.6 볼트일 수 있다. 만일 정류 파워 신호(128)의 전압 크기가 미리 정해진 전압 임계보다 더 크다면, 파워 임계 모듈은 프로세서(132), 센서들(138), 및 송신기(142)에 전력을 공급하기 위하여 정류 파워 신호(128)를 신호경로(208)에 전달한다. 대신, 만일 정류 파워 신호(128)의 전압 크기가 미리 정해진 전압 임계보다 작거나 미리 정해진 전압 임계와 같다면, 파워 임계 모듈(204)은 스토리지 모듈(124)의 정류 파워 신호(128)가 PHU(202)에 의해 출력되는 것을 허용하지 않는다. 이러한 방식으로, 파워 임계 모듈(204)은 스토리지 모듈(124)이 PHU(202)에 대해 외부에 있는 장치들에 전력을 공급하기 위해 방전되도록 허용되기 전에 스토리지 모듈(124)이 적절한 에너지 레벨까지 충전되는 것을 가능하게 한다. 일단 스토리지 모듈(124)이 미리 정해진 전압 임계에 비례하는 저장된 에너지의 미리 정해진 레벨에 도달하면, 파워 임계 모듈(204)은 정류 파워 신호(128)를 통해서 스토리지 모듈(124)이 방전되는 것을 허용한다.
스토리지 모듈(124)은 정류기 모듈(122)로부터의 내부 정류 파워 신호(130)에 의해 생성된 에너지의 저장을 가능하게 한다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해된다. 그래서, 만일 위상 배열 안테나(102)가 미리 정해진 전압 임계보다 더 큰 전압 크기를 갖는 정류 파워 신호(128)를 생성하기에 충분하게 스토리지 모듈(124)을 충전할 충분한 주변 RF 에너지(118)를 지속적으로 수신하고 있는 중이라면, 파워 임계 모듈(204)은 연속적인 정류 파워 신호(128)를 신호경로(208)에 전달할 것이다. 이 예에서, 내부 정류 파워 신호(130)의 파워 레벨이 스토리지 모듈(124)을 충분하게 충전할 수 있는 레벨 아래로 떨어지는 경우에 파워 임계 모듈(204)은 연속적인 정류 파워 신호(128)를 신호경로(208)에 전달하는 것을 중단할 것이다.
대안적인 구현으로서, 파워 임계 모듈(204)은 제어기(106)의 일부일 수 있다. 이러한 대안적인 예에서, 프로세서(132)는, 예를 들어, (스토리지 모듈(124)에 의해 생성된) 정류 파워 신호(128)의 전압 크기를 미리 정해진 전압 임계값과 비교함으로써 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 에너지의 양을 지속적으로 모니터링하도록 구성된다. 이 예에서, PHU(202)는 프로세서(132)에 의해 제어되는 스위치(도시되지 않음)를 포함할 수 있고, 만일 스토리지 모듈(124)에 의해 생성되는 정류 파워 신호(128)의 전압 크기가 미리 정해진 전압 임계값보다 더 크다고 프로세서(132)가 판단한다면, 스위치는 정류 파워 신호(128)의 신호경로(208)로의 통행을 허용하도록 구성된다. 이 예에서, 센서들(138) 및 송신기(142)는 선택적으로 RFHS(200)의 일부일 수 있다.
도 3에서, RFHS(300)의 또 다른 구현의 예의 시스템 블록도가 본 발명에 따라서 도시된다. 도 1 및 2에서 도시된 예들과는 달리, 도 3에서, RFHS(300)는 양방향성 위상 배열 안테나(302) 및 듀플렉서(duplexer)(304)를 포함한다. 게다가, RFHS(300)는 트랜시버(transceiver)(306)와 함께 동작하도록 구성된다. 도 2에 도시된 RFHS(200)와 유사하게, RFHS(300)는 또한 PHU(202) 및 제어기(106)를 포함하고, PHU(202)는 정류기 모듈(122), 스토리지 모듈(124), 및 파워 임계 모듈(204)을 포함하고, 제어기(106)는 프로세서(132) 및 소프트웨어 모듈(134)을 포함한다.
듀플렉서(304)는 신호경로들(308, 310, 및 312)을 통해서 위상 배열 안테나(302), 정류기 모듈(122), 및 트랜시버(306)와 신호통신을 한다. 이 예에서, 듀플렉서(304)는 단일한 경로(즉, 위상 배열 안테나(302)를 가진 신호경로(308))를 통해서 양방향(duplex) 통신을 가능하게 하는 전자 장치이다. 레이더 및 무선 통신 시스템들에 있어서, 듀플렉서(304)는 PHU(202)를 트랜시버(306)로부터 격리시키면서 양자 모두가 위상 배열 안테나(302)를 공통 안테나(common antenna)로서 공유하는 것을 가능하게 한다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해된다. 공통 타입의 듀플렉서들은, 예를 들어, 송수신 스위치(transmit-receive switch), 써큘레이터(circulator), 직교모드 트랜스듀서(orthomode transducer), 또는 주파수 도메인 필터(frequency domain filter)를 포함한다.
이 예에서, 도 1 및 2에 도시된 예들과 달리, 송신기(142) 대신에 트랜시버(308)가 도시된다. 트랜시버(308)는 공통 회로 또는 단일 하우징을 공유하는 결합된(combined) 송신기 및 수신기 양자 모두를 포함하는 장치이다. 도 2에 도시된 예와 유사하게, 트랜시버(308)는 신호경로(208)를 통해서 파워 임계 모듈(204)과 신호통신을 한다. 트랜시버(308)는 신호경로들(312, 208, 144, 318, 320, 및 322)을 통해서 각각 듀플렉서(304), 파워 임계 모듈(204), 센서들(138), 제어기(106), 옵션인(optional) 송신기 임계 모듈(transmitter threshold module)(314), 및 옵션인 외부 큐 임계 모듈(external queue threshold module)(316)과 신호통신을 한다.
RFHS(300)는 또한 신호경로들(208, 324, 및 326)을 통해서 각각 옵션인 임계 모듈(314) 및 외부 큐 임계 모듈(316)과 신호통신을 하고, 신호경로(208)는 파워 임계 모듈(204)과 신호통신을 하고, 신호경로들(324 및 326)은 제어기(106)와 신호통신을 한다. 이 예에서, 옵션인 임계 모듈(314)은 트랜시버(306)가 안테나 빔(114)을 통해서 전송되는 센서 출력 신호(328)로서 센서 출력 신호(140)를 전달하는 것을 허용하기 전에 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 에너지의 양을 모니터링하도록 구성된 파워 임계 모듈(204)과 유사한 장치일 수 있고, 센서 출력 신호(140)는 센서들(138)로부터 센서 출력 신호(들)(140)를 모니터링하도록 구성된 원격 모니터링 시스템(도시되지 않음)으로의 전송을 위한 위상 배열 안테나(302)에 전달된다. 이 예에서, 위상 배열 안테나(302)는 수신되는 주변 RF 에너지(118)가 아닌 다른 주파수대에서 전송되는 센서 출력 신호(328)의 전송을 가능하게 하기 위해서 두 개 이상의 상이한 주파수대들에서 작동하도록 구성될(즉, 튜닝될) 수 있다. 추가적으로, 위상 배열 안테나(302)는 원격 모니터링 시스템(도시되지 않음)으로부터 외부 큐 신호(330)를 수신하기 위하여 제3 주파수대를 수신하도록 구성될 수 있다.
옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)은 일종의 임계 보유 장치(threshold hold device)를 포함할 수 있다는 점에서 파워 임계 모듈(204) 및 옵션인 송신기 임계 모듈(314)과 유사한 장치일 수 있다. 이 예에서, 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)은 수신된 외부 큐 신호(received external queue signal)(332)가 트랜시버(306)에 의해서 수신되었는지 여부를 판단하기 위하여 트랜시버(306)를 모니터링하도록 구성된다. 만일 수신된 외부 큐 신호(332)를 트랜시버(306)가 수신하였다고 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)이 판단하면, 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)은 원격 모니터링 시스템(도시되지 않음)으로부터 큐 신호(queue signal)가 보내졌다고 제어기(106)에게 알릴 수 있고, 이후 제어기(106)는 그에 맞춰 RFHS(300)를 제어하도록 작동할 수 있다. 트랜시버(306)는 또한 외부 큐 신호(330)를 수신하도록 구성된 옵션인 제2 안테나(334)와 (신호경로(336)를 통해서) 신호통신을 할 수 있다. 옵션인 제2 안테나(334)는 위상 배열 안테나(302)가 외부 큐 신호(330)에 상응하는 주파수대를 수신하도록 구성되지 않은 경우에 이용될 수 있다. 이 예에서, 옵션인 제2 안테나(334)는 외부 큐 신호(330)를 수신해서 수신된 외부 큐 신호를 트랜시버(336)에 전달하도록 튜닝된 단순한 저전력 수동 안테나(low power passive antenna)일 수 있다.
동작의 예에 있어서, RFHS(300)는 위상 배열 안테나(302)를 가지고 주변 RF 에너지(118)를 수신하고, 이것은 입력 파워 신호(120)를 낳는다. 이후, 정류기 모듈(122)은 스토리지 모듈(124)을 충전하기 위해서 RFHS(300)에 의해 이용되는 내부 정류 파워 신호(130)를 생성하기 위하여 입력 파워 신호(120)를 정류한다. 이후, 파워 임계 모듈(204)은 스토리지 모듈(124) 내의 충전된 에너지의 양을 모니터링하고, 제어기(106), 센서들(130), 트랜시버(306), 옵션인 임계 모듈(314), 및 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)에 전력을 공급하기 위해서 스토리지 모듈(124) 내에 충분한 저장된 에너지가 존재하는지 여부를 판단한다. 만일 스토리지 모듈(124) 내에 충분한 저장된 에너지가 존재한다면, 파워 임계 모듈(204)은 스토리지 모듈(124)로 하여금 신호경로(208)를 통해서 정류 파워 신호(128)를 가지고 제어기(106), 센서들(130), 트랜시버(306), 옵션인 임계 모듈(314), 및 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)에 파워를 공급하는 것을 허용한다. 일단 센서들(138)이 정류 파워 신호(128)에 의해 파워업되면(powered up), 센서들(138)은 신호경로(144)를 통해서 하나 이상의 센서 신호들(140)로서 트랜시버(306)에 전달될 수 있는 주변환경 데이터를 측정하는 것을 시작할 수 있다. 일단 센서 신호들(140)이 트랜시버(306)에 의해 수신되면, 트랜시버(306)는 전송되는 센서 출력 신호(328)로서 센서 출력 신호(140)를 전송할 수 있고, 전송되는 센서 출력 신호(328)는 위상 배열 안테나(302)에 의해서 원격 모니터링 시스템에 전달 및 전송된다. 대안적으로, 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)이 존재한다면, 트랜시버(306)가 우선 (신호경로(312)를 통해서 위상 배열 안테나(302)로부터) 수신되는 외부 큐 신호(332) 또는 (신호경로(336)를 통해서 옵션인 세컨더리 안테나(334)로부터) 외부 큐 신호(330)를 수신할 때까지, 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)은 트랜시버(306)가 수신된 센서 출력 신호(140)를 전송하는 것을 방지할 수 있다. 이 예에서, 트랜시버(306)에 의해 수행되는 실제 전송을 제한함으로써, 제어기(106)는 스토리지 모듈(124)상에서의 파워 인출(power draw)을, 원격 모니터링 시스템(도시되지 않음)이 외부 큐 신호(330)를 통해서 센서(138) 정보를 실제로 요청하고 있는 상황들에 한정할 수 있기 때문에, 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316)은 RHFS(300)의 에너지 효율을 관리하기 위하여 제어기(106)에 의해 이용될 수 있다. 유사하게 관련된 파워 최적화 이유들로 인하여, 옵션인 송신기 임계 모듈(314)은, 트랜시버(306)가 센서 출력 신호(140)를 전송하고 있는 중일 때, 트랜시버(306)에 적절하게 전력을 공급하기 위하여 스토리지 모듈(124) 내에 충분한 파워가 있다는 것을 보장하는 다른 미리 정해진 임계값 근처에 수신된 정류 파워 신호(128)가 있는 상황들까지 트랜시버(306)가 센서 출력 신호(140)를 전송하는 것을 방지할 수 있다. 옵션인 송신기 임계 모듈(314), 옵션인 외부 큐 임계 모듈(316), 또는 양쪽 모두는 선택적으로 제어기(106)의 일부일 수 있다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해된다.
도 4를 참조하면, 위상 배열 안테나(400)의 구현의 예의 시스템 블록도가 본 발명에 따라서 도시된다. 위상 배열 안테나(400)는 복수의 안테나 엘리먼트들(402), 복수의 위상 쉬프터들(404), 및 컴바이너 네트워크(406)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 상응하는 신호경로들(420, 422, 및 424)을 통해서 각각 서로 신호통신을 하는 3개의 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412) 및 3개의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)이 도시된다. 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)은 신호경로들(426, 428, 및 430)을 통해서 각각 컴바이너 네트워크(406)와 신호통신을 한다. 컴바이너 네트워크(406)는 신호경로(432)를 통해서 정류기 모듈(122) 또는 듀플렉서(304)와 신호통신을 한다. 이 예에서, 신호경로(432)는 (도 2에서 도시된 바와 같이) 듀플렉서(304)가 존재하지 않으면 신호경로(108)와 같고, 도 3에서 도시된 바와 같이 듀플렉서(304)가 존재하면 신호경로(308)와 같다.
컴바이너 네트워크(406)는 복수의 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)에 의해 수신된 (주변 RF 에너지(118)와 같은) 신호를 결합하는 (예를 들어, 업체 공급 네트워크(corporate feed network)와 같은) 전력 분배 네트워크이다. 동작의 예에 있어서, 위상 배열 안테나(400)에 의해 수신되는 주변 RF 에너지(118)의 양은 위상 배열 안테나(400)의 방사 패턴에 의하여 형성된 안테나 빔(118)에 의해 결정된다. 위상 배열 안테나(400)의 (안테나 빔(114)에 상응하는) 방사 패턴은 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)의 수, 위상 배열 안테나(400)의 앞면(front surface)(434)에서의 이들 각각의 물리적 배치(positioning), 개별적인 인접한 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412) 간의 물리적 간격(spacing)(도시되지 않음), 개별적인 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)의 개별적인 위상값들, 및 각각의 복수의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)까지의 복수의 신호경로들(426, 428, 및 430)에 대한 컴바이너 네트워크(406)를 통한 상이한 내부 신호경로들의 설정된 전력 분배의 결과이다. 일반적으로, 컴바이너 네트워크(406)는 복수의 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)에 걸쳐 파워 진폭 테이퍼(power amplitude taper)를 유입할 수 있고, 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)의 여기 진폭(excitation amplitude)은 위상 배열 안테나(400)의 중심선(center-line)(436)으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 일반적으로 감소한다. 게다가, 안테나 빔(114)을 생성하는 방사 패턴은 복수의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)의 각각의 위상 쉬프트 값들에 의해 결정되는 안테나 빔(114)의 방향(116)을 가진다. 예로서, 제어기(106)는 복수의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)의 값들을 변경시키기 때문에, 결과로 얻어지는 방사 패턴은 안테나 빔이 3차원 공간에서 방향(116)으로 스티어링되도록 변한다.
이 예에서, 도시의 간편함을 위해, 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412) 및 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)의 3개의 세트들만이 1차원적으로 동일하게 이격된 선형 방식으로 도시된다는 점이 주목된다. 위상 배열 안테나(400)는 위상 배열 안테나(400)의 원하는 방사 패턴을 기초로 하여 위상 배열 안테나(400)의 앞면(434)을 따라서 동일하게 또는 동일하지 않게 이격된 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)의 1차원, 2차원, 또는 3차원 배열을 포함할 수 있다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해된다. 그래서, 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)의 수는, 위상 배열 안테나(400) 및 RFHS(100, 200, 또는 300)의 파워 핸들링 능력, RFHS(100, 200, 또는 300)의 사이즈, 및 상대적으로 좁은 빔-폭의 메인 빔(relatively narrow beam-width main beam)(438) 및 상대적으로 낮은 사이드로브(relatively low sidelobe)들(440)을 포함하는 안테나 빔(114)을 낳는 원하는 방사 패턴을 고려해서, 주변 RF 에너지(118)의 원하는 양을 적절하게 수신하기 위하여 2개만큼 적게 또는 원하는 만큼 많이(즉, 3개보다 많이) 존재할 수 있다. 이후, 제어기(106)는 소스에 의해서 생성된 주변 RF 에너지(118)로부터 캡쳐된 파워를 최대화하기 위하여 방사 소스(도시되지 않음)를 향하는 방향(116)으로 안테나 빔(114)을 스티어링한다.
만약 위상 배열 안테나(400)가 양방향 장치이면, 컴바이너 네트워크(406)는 또한 (예를 들어, 전송되는 센서 출력 신호(328)와 같이) 전송될 신호를 수신하고, 전송되는 센서 출력 신호(328)를 복수의 성분 파워 신호들(442, 444, 및 446)로 나누도록 구성되고, 복수의 성분 파워 신호들(442, 444, 및 446)은 복수의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)에 전달되고, 이후 복수의 성분 파워 신호들(442, 444, 및 446)은 위상 쉬프트되어(phase shifted) 복수의 위상 쉬프트된 성분 파워 신호(phase shifted component power signal)(448, 450, 및 452)로 되고, 복수의 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)에 전달된다. 전달된 복수의 위상 쉬프트된 성분 파워 신호(448, 450, 및 452)는 안테나 빔(114)을 생성하는 방사 패턴을 형성하고, 여기서 다시 언급하자면 안테나 빔(114)의 방향(116)은 복수의 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)의 각각의 위상 쉬프트 값들에 의해서 결정된다.
위상 쉬프터들(412, 414, 및 416)은 수신되는 주변 RF 에너지 신호(118) 또는 전송되는 센서 출력 신호(328)의 제어가능한 위상 쉬프트(즉, 전송 위상각)를 제공하는 RF, 마이크로파, 또는 밀리미터파 네트워크 구성요소들일 수 있다. 이 예에서, 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)은 모든 위상 상태들에서 낮은 삽입 손실 및 동일한 진폭(또는 손실)을 갖는 가역 위상 쉬프터(reciprocal phase shifter)들일 수 있다. 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)은 전기적으로, 자기적으로, 또는 기계적으로 제어될 수 있다. 게다가, 위상 쉬프터들(414, 416, 및 418)은 아날로그 또는 디지털 위상 쉬프터들일 수 있다. 아날로그 위상 쉬프터들은 전압 신호에 의해 제어되는 연속적인 가변 위상을 제공할 수 있고, 전압 또는 바륨 스트론튬 티탄산염(barium strontium titanate)과 같은 비선형 유전체 또는 이트륨 철 가닛(yttrium iron garnet)과 같은 강유전성 물질(ferro-electric material)을 가지고 커패시턴스를 변경하는 버랙터(varactor) 다이오드들을 이용해서 구현될 수 있다. 기계적으로 제어되는 위상 쉬프터들은 트롬본 선로(trombone line)와 같은 연장된 전송 선로들을 이용할 수 있다. 이 예에서, 제어기(106)는 신호경로(112)를 통해서 위상 쉬프터(414, 416, 및 418)를 제어하도록 구성된다. 안테나 엘리먼트들(408, 410, 및 412)은, 예를 들어, 다이폴 안테나 엘리먼트들 또는 패치 안테나들일 수 있다.
위상 배열 안테나(400)가 실제로 복수의 위상 배열 안테나들(도시되지 않음)로 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 위상 배열 안테나(400)는 안테나 엘리먼트들, 위상 쉬프터들, 및 컴바이너 네트워크들의 복수의 세트들을 포함할 수 있다는 것이 또한 통상의 기술자에 의해 이해된다. 이 예에서, 결합된 위상 배열 안테나(400) 내의 각각의 위상 배열 안테나(현재 도시됨)는 상이한 주파수대의 주변 RF 에너지(118)를 수신하도록 튜닝될 수 있다.
도 5를 참조하면, 정류기 모듈(500)의 시스템 블록도가 본 발명에 따라서 도시된다. 이 예에서, 정류기 모듈(500)은 신호경로(126)를 통해서 스토리지 모듈(124)과 신호통신을 하고, 신호경로(502)를 통해서 위상 배열 안테나(102) 또는 듀플렉서(304)와 신호통신을 한다. 여기서, 신호경로(502)는 (만일 듀플렉서(304)가 존재하지 않는다면) 신호경로(108)에 상응하고, 만일 듀플렉서(304)가 존재한다면 신호경로(310)에 상응한다.
이 예에서, 정류된 모듈(500)은 적어도 두 개의 다이오드들(504 및 506)을 포함한다. RFHS(100, 200, 또는 300)에 부딪치는 주변 RF 에너지(118)에 상응하는 수신된 입력 파워 신호(120)의 미리 정해진 파워 레벨들을 기초로 하여, 다이오드들(504 및 506) 각각은, 예를 들어, 두 개의 쇼트키 다이오드들, 두 개의 터널 다이오드들, 또는 두 개의 양자 터널 다이오드들일 수 있다. 이러한 예를 위해서, 두 개의 양자 터널 다이오드들(504 및 506)을 이용함으로써, RFHS(100, 200, 또는 300)가 -24 dBm의 초-저 레벨 주변 RF 에너지(118)를 수신하고 이에 반응하여 내부 정류 파워 신호(130)를 생성할 수 있기 때문에, 두 개의 다이오드들(504 및 506)은 두 개의 양자 터널 다이오드들(504 및 506)인 것으로 도시된다. 게다가, 이 예에서, 제1 양자 터널 다이오드(504)는 순방향 바이어싱된 것으로 도시되고, 제2 양자 터널 다이오드(506)는 역방향 바이어싱된 것으로 도시된다.
양자 터널 다이오드들(504 및 506)은 제로 근접 턴-온 전압(near zero turn-on voltage)을 갖는 제로 근접 바이어스 밀리미터파(near zero bias millimeter wave) Sb-HBD(Sb-heterostructure-based backward diode)들이고, 제로 근접 턴-온 전압은 수신된 입력 파워 신호(120)가 대략 마이크로-와트(micro-watt), 나노-와트(nano-watt), 나노-와트(nano-watt), 및 피코-와트(pico-watt)인 초-저 RF 파워 신호인 경우에서조차도 양자 터널 다이오드들(504 및 506)이 수신된 입력 파워 신호(120)를 정류하는 것을 가능하게 한다. 이후, 결과로 얻어지는 내부 정류 파워 신호(130)가 캡쳐되고, 스토리지 모듈(124)에 저장된다. 이 예에서, Sb-HBD들은 이하의 문헌들에서 기술된 바와 같이 거의-격자정합된(nearly-lattice matched) III-V 반도체들의 InAs/AlSb/GaSb 패밀리의 에피텍셜층들을 기초로 하여 InAs/AlSb/GaSb 나노구조(nanostructure)에서의 양자 터널링(quantum tunneling)을 기초로 한다: "Sb-Heterostructure Interband Backward Diodes," by J. N. Schulman & D. H. Chow, IEEE Electron Device Letters, Vol. 21, No. 7, July 2000; "Quantum Tunneling Sb-Heterostructure Millimeter-Wave Diodes," by J. N. Schulman, E. T. Croke, D. H. Chow, H. L. Dunlap, K. S. Holabrid, M. A. Morgan, & S. Weinreb, IEEE Electron Device Meeting, 2001, IEDM '01, pp 35.1.1-35.1.3, December 2001; and "High-Performance Antimonide-Based Heterostructure Backward Diodes for Millimeter-Wave Detection," by J. N. Schulman, S. Thomas, III, D. H. Chow, Y. K. Boegeman, & K. S. Holabird, IEEE Electron Device Letters, Vol. 23, No. 10, pp 585-587, October 2002.
일반적으로, 이종접합(heterojunction)들은 밴드-배치(band-alignment)에 따라서 3개의 타입으로 분류된다(스트래들링(straddling) 또는 타입-I 이종접합, 스테거드(staggered) 또는 타입-II 이종접합, 및 브로큰-갭(broken-gap) 또는 타입-III 이종접합). Sb-HBD 다이오드들은 에너지(전자 볼트(eV) 단위)(604) 대 위치(position)(나노미터(nanometer) 단위)(606)로 측정되는 바와 같은 전형적인 Sb-HBD의 물질 구조에 상응하는 에너지 밴드 다이어그램들(600 및 602)의 개략적 도표들인, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같은 3개의 가능한 밴드-배치들 모두를 망라한다. 이 예에서, 에너지 밴드 다이어그램들(600 및 602)의 왼쪽편은 Sb-HBD상의 n-InAs 물질층(608)의 위치를 나타내고, 에너지 밴드 다이어그램들(600 및 602)의 오른쪽편은 Sb-HBD상의 p-GaAlSb 물질층(610)의 위치를 나타낸다. 게다가, 에너지 밴드 다이어그램들(600 및 602)의 중간 부분은 Sb-HBD상의 AlSb 물질층(612)의 위치를 나타낸다. 이 예에서, 에너지 밴드 다이어그램들(600)은 제1 페르미 에너지 레벨(Fermi energy level)(EF)(616)을 갖는 순방향 바이어스(614)에서의 제1 양자 터널 다이오드(504)를 나타내고, 에너지 밴드 다이어그램들(600)은 제2 EF(620)를 갖는 역방향 바이어스(618)에서의 제2 양자 터널 다이오드(506)를 나타낸다. 이 예들에서, 접합들은 제로 근접 턴-온 전압을 제공하기 위하여 밴드 오프셋(band offset) 및 높지 않은 도핑의 물질층으로부터 유래된다.
도 7을 참조하면, Sb-HBD의 전류-전압 특성 도표(700)의 그래프가 본 발명에 따라서 도시된다. 그래프는 전류를 나타내는 수직축(702) 및 전압을 나타내는 수평축(704)을 포함한다. 도표(700)의 왼쪽편(706)은 Sb-HBD의 순방향 바이어스를 나타내고, 도표(700)의 오른쪽편(708)은 Sb-HBD의 역방향 바이어스를 나타낸다. 도표(700)의 왼쪽편 역방향 바이어스(706)는 Sb-HBD의 전형적인 브레이크-다운 전압 영역을 나타내고, 오른쪽편(708)은 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)의 효과들을 포함하는 순방향 바이어스 전류-전압 특성을 나타낸다. 이러한 효과들은 도표(700)의 섹션(710)에 도시되고, 여기서 순방향 전압의 증가는 순방향 전류의 감소를 낳는다. 이 섹션(710)은 일반적으로 Sb-HBD의 음의 저항 영역(negative resistance area)(710)으로서 알려져 있다. 일단 순방향 전압이 이 음의 저항 영역(710)을 넘어서 증가되면, 순방향 전류는 인가된 순방향 전압의 증가에 상응하는 증가를 다시 시작한다. Sb-HBD의 음의 저항 효과는 보통의 터널 다이오드들(에사키(Esaki) 다이오드들이라고도 알려져 있음)에서의 동일한 효과와 유사하다.
도 8을 참조하면, (도 6a, 6b, 및 7에서 설명되고 도시된) 예시적인 양자 터널 다이오드에 대한 턴-온 값들의 전류밀도(800)(kA/㎠ 단위) 대 전압(802)(밀리볼트(millivolt) 단위) 특성 도표(800)의 그래프가 본 발명에 따라서 도시된다. 도표(804)는 양자 터널 다이오드의 턴-온이 전압(802)의 서브-밀리볼트값들에서 일어나고 전류밀도는 제1 피크값에서 피크라는 것을 도시한다. 이하의 표는 몇몇 예시적인 피크(peak) 전압값들 및 상응하는 밸리(valley) 전압값들을 도시한다. 본 발명에 따라 공개되는 양자 터널 다이오드에 비하여, 종래의 쇼트키 다이오드들은 턴-온 전압 레벨들 또는 약 0.4 볼트 내지 0.5 볼트를 가진다고 이해된다. 이 예에서, 도표(plot)들(806, 808, 810, 812, 및 814)은 Sb-기반 헤테로구조 인터밴드 역 다이오드(Sb-based heterostructure interband backward diode)들(즉, 양자 터널 다이오드들)의 예들이고, 도표(818)는 Ge 다이오드의 예이다.
도 9에서는, 본 발명에 따라서 RFHS(100, 200, 또는 300)를 가지고 주변 RF 에너지(118)를 하베스팅하기 위한 방법의 구현의 예의 흐름도(900)가 도시된다. 방법은 단계 904에서 위상 배열 안테나(102, 302, 또는 400)를 가지고 주변 RF 에너지를 수신함으로써 시작된다(902). 단계 906에서, 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지(118)를 수신하는 것에 반응하여 입력 파워 신호를 생성하고, 이것을 정류기 모듈(122)에 전달한다. 이후, 정류 모듈(122)은 단계 908에서 입력 파워 신호를 정류해서 내부 정류 파워 신호(130)를 생성하고, 내부 정류 파워 신호(130)를 스토리지 모듈(124)에 전달한다. 이후, 스토리지 모듈(124)은, 단계 910에서, 스토리지 모듈에 내부 정류 파워 신호(130)를 저장해서, 상응하는 양의 저장된 전기 포텐셜 에너지를 스토리지 모듈(124) 내에 생성한다. 이후, 파워 임계 모듈(204)은, 결정 단계 912에서, 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 큰지 여부를 판단한다. 만일 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지가 미리 정해진 임계값보다 적다면, 본 프로세스는 단계 904로 돌아가고, RFHS(100, 200, 또는 300)는 주변 RF 에너지(118)를 수신해서 스토리지 모듈(124)을 충전하길 계속하고, 본 프로세스는 단계 904와 단계 912 사이를 반복한다. 대신, 만일 스토리지 모듈(124) 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지가 미리 정해진 임계값과 같거나 미리 정해진 임계값보다 크다면, 본 프로세스는 단계 914로 진행하고, 여기서 PHU(202)는 정류 파워 신호(128)를 다른 장치들에 전송한다. 이후, 본 프로세스는 종료된다(916).
게다가, 본 발명은 이하의 항목(clause)들에 따른 예들을 포함한다.
항목 1. 무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100, 200, 300)으로서, RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)은: 위상 배열 안테나(102, 302, 400); 상기 위상 배열 안테나와 신호통신(signal communication)을 하는 파워 하베스팅 유닛(PHU)(104, 202); 및 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 제어기(106);를 포함하고, 상기 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지(118)를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호(input power signal)(120)를 생성하도록 구성되고, 상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은, 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 정류기 모듈(122, 502), 및 상기 정류기 모듈과 신호통신을 하는 스토리지 모듈(124)을 포함하고, 상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은 상기 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호(rectified power signal)(128)를 생성하도록 구성되고, 상기 제어기는 수신되는 주변 RF 에너지를 증가시키기 위하여 상기 위상 배열 안테나의 안테나 빔(antenna beam)(114)을 스티어링하도록(steer) 구성되는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 2. 항목 1에 있어서, 상기 제어기는 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 프로세서(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 3. 항목 2에 있어서, 상기 제어기는 소프트웨어 모듈(134)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 4. 항목 3에 있어서, 상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은 상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 파워 임계 모듈(power threshold module)(204)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 5. 항목 3에 있어서, 상기 위상 배열 안테나는: 복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들(408, 410, 412); 복수의 위상 쉬프터(phase shifter)들(414, 416, 418); 및 컴바이너 네트워크(combiner network)(406);를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 컴바이너 네트워크 및 상기 복수의 위상 쉬프터들과 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 6. 항목 5에 있어서, 상기 정류기 모듈은 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드(quantum tunnel diode)들(504, 506)을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 7. 항목 5에 있어서, 상기 제어기와 신호통신을 하는 센서(138); 제2 안테나(148, 334); 및 상기 센서, 제2 안테나, 및 상기 제어기와 신호통신을 하는 송신기(transmitter)(142, 306);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 8. 항목 7에 있어서, 상기 송신기 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(transmitter threshold module)(314); 및 외부 큐 임계 모듈(external queue threshold module)(316);을 더 포함하고, 상기 송신기는 트랜시버(transceiver)이고, 상기 외부 큐 임계 모듈은 상기 제어기 및 상기 트랜시버와 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 9. 항목 5에 있어서, 상기 제어기와 신호통신을 하는 센서(138); 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 듀플렉서(duplexer)(304); 상기 센서, 듀플렉서, 및 상기 제어기와 신호통신을 하는 송신기(142, 306);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 10. 항목 9에 있어서, 상기 송신기 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(314)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 11. 항목 10에 있어서, 외부 큐 임계 모듈(316)을 더 포함하고, 상기 송신기는 트랜시버이고, 상기 외부 큐 임계 모듈은 상기 제어기 및 트랜시버와 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 12. 항목 1에 있어서, 상기 스토리지 모듈은 배터리 또는 커패시터인 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 13. 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100, 200, 300)으로서, 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)은: 위상 배열 안테나(102, 302, 400); 및 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들(504, 506)을 포함하고, 상기 위상 배열 안테나는 주변 무선 주파수(RF) 에너지(118)를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호(120)를 생성하도록 구성되고, 상기 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들은 상기 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호(128)를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 14. 항목 13에 있어서, 상기 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들과 신호통신을 하는 스토리지 모듈(124); 상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 파워 임계 모듈(204); 및 상기 파워 임계 모듈 및 안테나 어레이와 신호통신을 하는 제어기(106)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
항목 15. RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100, 200, 300)을 가지고 주변 무선 주파수(RF) 에너지(118)를 하베스팅하기 위한 방법으로서, 상기 방법은: 위상 배열 안테나(102, 302, 400)를 가지고 주변 RF 에너지를 수신하는 단계; 상기 주변 RF 에너지를 수신하는 것에 반응하여 상기 위상 배열 안테나를 가지고 입력 파워 신호(120)를 생성하는 단계; 정류기 모듈(122, 502)을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호(128)를 생성하는 단계; 스토리지 모듈(124)에 상기 정류 파워 신호를 저장해서, 상기 정류기 모듈과 신호통신을 하는 상기 스토리지 모듈 내에 상응하는 양의 저장된 전기 포텐셜 에너지를 생성하는 단계; 및 저장된 정류 파워 신호(128)를 상기 스토리지 모듈로부터 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 16. 항목 15에 있어서, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양을 기초로 하여, 상기 위상 배열 안테나 및 파워 임계 모듈과 신호통신을 하는, 제어기(106)를 가지고 스티어링될 상기 위상 배열 안테나의 안테나 빔(114)을 결정하는 것; 및 상기 제어기를 가지고 상기 안테나 빔을 스티어링하는 것;을 더 포함하고, 상기 안테나 빔을 스티어링하는 것이 상기 위상 배열 안테나로 하여금 더 많은 양의 주변 RF 에너지를 수신하게 하는 경우에, 상기 제어기는 상기 위상 배열 안테나가 스티어링되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 17. 항목 16에 있어서, 정류기 모듈을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호를 생성하는 것은 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들(504, 506)을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 18. 항목 17에 있어서, 스토리지 모듈에 상기 정류 파워 신호를 저장하는 것은 배터리 또는 커패시터에 상기 정류 파워 신호를 저장하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 19. 항목 18에 있어서, 송신기(142, 306)를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 20. 항목 19에 있어서, 상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 파워 임계 모듈(204)을 가지고, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 제1 미리 정해진 임계값보다 더 큰지 여부를 판단하는 것, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 더 크거나 미리 정해진 임계값과 같은 경우에, 저장된 정류 파워 신호(128)를 센서(138)에 전송하는 것, 상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(314)을 가지고, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 제2 미리 정해진 임계값보다 더 큰지 여부를 판단하는 것을 더 포함하고, 상기 송신기를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는 것은, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 상기 제2 미리 정해진 임계값보다 더 큰 경우에 상기 송신기를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
구현들의 다양한 관점들 또는 세부사항들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 이는 한정적(exhaustive)이지 않으며, 청구된 발명을 본 명세서에서 공개된 엄밀한 형태로 제한하지 않는다. 게다가, 상술한 설명은 실례의 목적만을 위한 것이며, 한정의 목적을 위한 것이 아니다. 변형들 및 변경들은 상술한 설명에 비추어 가능하거나, 본 발명의 실시로부터 얻어질 수 있다. 청구항들 및 그 등가물들이 본 발명의 범위를 획정한다.

Claims (11)

  1. 무선 주파수(RF) 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100, 200, 300)으로서, RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)은:
    위상 배열 안테나(102, 302, 400);
    상기 위상 배열 안테나와 신호통신(signal communication)을 하는 파워 하베스팅 유닛(PHU)(104, 202); 및
    상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 제어기(106);
    를 포함하고,
    상기 위상 배열 안테나는 주변 RF 에너지(118)를 수신하고, 이에 반응하여 입력 파워 신호(input power signal)(120)를 생성하도록 구성되고,
    상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은,
    상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 정류기 모듈(122, 502), 및
    상기 정류기 모듈과 신호통신을 하는 스토리지 모듈(124)
    을 포함하고,
    상기 스토리지 모듈은 배터리 또는 커패시터이고,
    상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은 상기 입력 파워 신호를 수신하고, 이에 반응하여 정류 파워 신호(rectified power signal)(128)를 생성하도록 구성되고,
    상기 제어기는 수신되는 주변 RF 에너지를 증가시키기 위하여 상기 위상 배열 안테나의 안테나 빔(antenna beam)(114)을 스티어링하도록(steer) 구성되고,
    상기 정류기 모듈은 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드(quantum tunnel diode)들(504, 506)을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 프로세서(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는 소프트웨어 모듈(134)을 더 포함함; 및
    상기 파워 하베스팅 유닛(PHU)은 상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 파워 임계 모듈(power threshold module)(204)을 더 포함함;
    중의 적어도 하나를 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는:
    복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들(408, 410, 412);
    복수의 위상 쉬프터(phase shifter)들(414, 416, 418); 및
    컴바이너 네트워크(combiner network)(406);
    를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 컴바이너 네트워크 및 상기 복수의 위상 쉬프터들과 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)은:
    상기 제어기와 신호통신을 하는 센서(138);
    제2 안테나(148, 334);
    상기 센서, 제2 안테나, 및 상기 제어기와 신호통신을 하는 송신기(transmitter)(142, 306);
    상기 송신기 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(transmitter threshold module)(314); 및
    외부 큐 임계 모듈(external queue threshold module)(316);
    을 더 포함하고,
    상기 송신기는 트랜시버(transceiver)이고, 상기 외부 큐 임계 모듈은 상기 제어기 및 상기 트랜시버와 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기와 신호통신을 하는 센서(138);
    상기 위상 배열 안테나와 신호통신을 하는 듀플렉서(duplexer)(304);
    상기 센서, 듀플렉서, 및 상기 제어기와 신호통신을 하는 송신기(142, 306);
    상기 송신기 및 제어기 양쪽 모두와 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(314); 및
    외부 큐 임계 모듈(316);
    을 더 포함하고,
    상기 송신기는 트랜시버이고, 상기 외부 큐 임계 모듈은 상기 제어기 및 트랜시버와 신호통신을 하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS).
  7. RF 에너지 하베스팅 시스템(RFHS)(100, 200, 300)을 가지고 주변 무선 주파수(RF) 에너지(118)를 하베스팅하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    위상 배열 안테나(102, 302, 400)를 가지고 주변 RF 에너지를 수신하는 단계;
    상기 주변 RF 에너지를 수신하는 것에 반응하여 상기 위상 배열 안테나를 가지고 입력 파워 신호(120)를 생성하는 단계;
    정류기 모듈(122, 502)을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호(128)를 생성하는 단계;
    스토리지 모듈(124)에 상기 정류 파워 신호를 저장해서, 상기 정류기 모듈과 신호통신을 하는 상기 스토리지 모듈 내에 상응하는 양의 저장된 전기 포텐셜 에너지를 생성하는 단계; 및
    저장된 정류 파워 신호(128)를 상기 스토리지 모듈로부터 전송하는 단계;
    를 포함하고,
    스토리지 모듈에 상기 정류 파워 신호를 저장하는 단계는 배터리 또는 커패시터에 상기 정류 파워 신호를 저장하는 단계를 포함하고,
    정류기 모듈을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류해서 정류 파워 신호를 생성하는 단계는 적어도 두 개의 양자 터널 다이오드들(504, 506)을 가지고 상기 입력 파워 신호를 정류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양을 기초로 하여, 상기 위상 배열 안테나 및 파워 임계 모듈과 신호통신을 하는, 제어기(106)를 가지고 스티어링될 상기 위상 배열 안테나의 안테나 빔(114)을 결정하는 것; 및
    상기 제어기를 가지고 상기 안테나 빔을 스티어링하는 것;
    을 더 포함하고,
    상기 안테나 빔을 스티어링하는 것이 상기 위상 배열 안테나로 하여금 더 많은 양의 주변 RF 에너지를 수신하게 하는 경우에, 상기 제어기는 상기 위상 배열 안테나가 스티어링되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    송신기(142, 306)를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 파워 임계 모듈(204)을 가지고, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 제1 미리 정해진 임계값보다 더 큰지 여부를 판단하는 단계,
    상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 미리 정해진 임계값보다 더 크거나 미리 정해진 임계값과 같은 경우에, 저장된 정류 파워 신호(128)를 센서(138)에 전송하는 단계,
    상기 스토리지 모듈과 신호통신을 하는 송신기 임계 모듈(314)을 가지고, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 제2 미리 정해진 임계값보다 더 큰지 여부를 판단하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 송신기를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는 단계는, 상기 스토리지 모듈 내의 저장된 전기 포텐셜 에너지의 양이 상기 제2 미리 정해진 임계값보다 더 큰 경우에 상기 송신기를 가지고 센서로부터의 센서 데이터를 전송하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020160177429A 2016-02-26 2016-12-23 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템 KR102612351B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/055,286 2016-02-26
US15/055,286 US9929587B2 (en) 2016-02-26 2016-02-26 Radio frequency energy harvesting system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170101102A KR20170101102A (ko) 2017-09-05
KR102612351B1 true KR102612351B1 (ko) 2023-12-08

Family

ID=58054032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160177429A KR102612351B1 (ko) 2016-02-26 2016-12-23 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9929587B2 (ko)
EP (1) EP3211754B1 (ko)
JP (1) JP2017153352A (ko)
KR (1) KR102612351B1 (ko)
CN (1) CN107134860A (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11202001045WA (en) * 2017-08-07 2020-03-30 Agency Science Tech & Res A circularly polarized antenna for radio frequency energy harvesting
JP6868580B2 (ja) * 2018-02-19 2021-05-12 ミネベアミツミ株式会社 電子機器
US11245290B2 (en) * 2018-04-24 2022-02-08 Lg Electronics Inc. Apparatus and method for performing transmission and reception of wireless power
CN108983851A (zh) * 2018-07-30 2018-12-11 佛山市顺德区中山大学研究院 一种无线能量传输的wifi温湿度监控系统
CN108988509A (zh) * 2018-08-30 2018-12-11 沈阳航空航天大学 环境射频能量收集管理与无线环境参数采集装置及方法
US11038262B2 (en) * 2019-01-15 2021-06-15 Wiliot, LTD. Multi-band energy harvesting system
CN110112937B (zh) * 2019-04-03 2020-11-03 东南大学 适用于微波毫米波无线能量传输应用的开关晶体管整流器
EP3916956A1 (en) * 2020-05-31 2021-12-01 Université catholique de Louvain Energy harvesting system
IL282599B (en) * 2021-04-22 2022-02-01 Wi Charge Ltd Wireless power transmission system
EP4311772A1 (en) * 2022-07-29 2024-01-31 B/E Aerospace, Inc. Power control architecture
US20240124151A1 (en) * 2022-10-18 2024-04-18 Astronics Advanced Electronic Systems Corp. Distributed Wireless Power Distribution System

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110021160A1 (en) * 2009-07-24 2011-01-27 Stichting Imec Nederland Rf transmitter device and method for operating the same
US20110080135A1 (en) * 2008-01-31 2011-04-07 Todd Allen Bland Solar Powered Charging Of An Electronic Device
US20150311461A1 (en) 2012-10-19 2015-10-29 Georgia Tech Research Corporation Multilayer coatings formed on aligned arrays of carbon nanotubes
US20160036125A1 (en) * 2013-03-13 2016-02-04 The Regents Of The University Of California Self-Steering Antenna Arrays

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3227060B2 (ja) * 1994-07-18 2001-11-12 アルプス電気株式会社 移動体搭載アンテナの追尾制御方法
JP2006025069A (ja) * 2004-07-07 2006-01-26 Hitachi Ltd 機器制御装置及び電気機器
US7307589B1 (en) 2005-12-29 2007-12-11 Hrl Laboratories, Llc Large-scale adaptive surface sensor arrays
CN102067318B (zh) * 2008-05-27 2014-07-16 诺特戴姆杜拉大学 用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的方法和装置
WO2010138795A1 (en) * 2009-05-28 2010-12-02 The Ohio State University Miniature phase-corrected antennas for high resolution focal plane thz imaging arrays
US8879995B2 (en) * 2009-12-23 2014-11-04 Viconics Electronics Inc. Wireless power transmission using phased array antennae
WO2012171205A1 (zh) * 2011-06-16 2012-12-20 华为技术有限公司 相控阵天线对准方法和装置以及相控阵天线
JPWO2014061490A1 (ja) * 2012-10-18 2016-09-05 日本電気株式会社 無線電力整流器及び無線電力伝送システム
JP6052885B2 (ja) * 2013-04-22 2016-12-27 日本電信電話株式会社 センサデータ送信装置およびセンサデータ送信方法
JP5837551B2 (ja) * 2013-11-27 2015-12-24 加賀電子株式会社 センサシステム
WO2015119250A1 (ja) * 2014-02-10 2015-08-13 三菱電機株式会社 アンテナ装置、アンテナシステム、マイクロ波電力利用システム及び電力利用方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110080135A1 (en) * 2008-01-31 2011-04-07 Todd Allen Bland Solar Powered Charging Of An Electronic Device
US20110021160A1 (en) * 2009-07-24 2011-01-27 Stichting Imec Nederland Rf transmitter device and method for operating the same
US20150311461A1 (en) 2012-10-19 2015-10-29 Georgia Tech Research Corporation Multilayer coatings formed on aligned arrays of carbon nanotubes
US20160036125A1 (en) * 2013-03-13 2016-02-04 The Regents Of The University Of California Self-Steering Antenna Arrays

Also Published As

Publication number Publication date
US9929587B2 (en) 2018-03-27
CN107134860A (zh) 2017-09-05
JP2017153352A (ja) 2017-08-31
EP3211754A1 (en) 2017-08-30
KR20170101102A (ko) 2017-09-05
US20170250559A1 (en) 2017-08-31
EP3211754B1 (en) 2020-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102612351B1 (ko) 무선 주파수 에너지 하베스팅 시스템
Shinohara Trends in wireless power transfer: WPT technology for energy harvesting, mllimeter-wave/THz rectennas, MIMO-WPT, and advances in near-field WPT applications
Cansiz et al. Efficiency in RF energy harvesting systems: A comprehensive review
Valenta et al. Harvesting wireless power: Survey of energy-harvester conversion efficiency in far-field, wireless power transfer systems
Shinohara Rectennas for microwave power transmission
US9787105B2 (en) Apparatus and method for high efficiency variable power transmission
US9773610B2 (en) Antenna arrangement for wireless powering
Ali et al. Design and development of harvester rectenna at GSM band for battery charging applications
Almohaimeed et al. Efficient rectenna with wide dynamic input power range for 900 MHz wireless power transfer applications
Georgiadis Energy harvesting for autonomous wireless sensors and RFID's
Saxena et al. Rectenna Circuit at 6.13 GHz to operate the sensors devices
US8552911B2 (en) Automatic electronically tuned electrically small transmitting antenna system
Nariman et al. A compact millimeter-wave energy transmission system for wireless applications
Yoshida et al. Experimental Demonstration of Coexistence of Microwave Wireless Communication and Power Transfer Technologies for Battery‐Free Sensor Network Systems
Sennouni et al. High sensitive and efficient circular polarized rectenna design for RF energy harvesting at 5.8 GHz
Sennouni et al. Efficient rectenna design incorporating new circularly polarized antenna array for wireless power transmission at 2.45 GHz
Kim et al. X-band printed rectenna design and experiment for wirelss power transfer
Al-Mumen et al. Design and characterization of an radio frequency reused energy system for nano-devices
Ahn Wireless power transmission with rough beamforming method
Lakhal et al. Wireless power transmission technologies and applications
Saxena et al. Efficient rectenna circuit for wireless power transmission
CN111431295A (zh) 一种无线能量传输装置及系统
Ishii et al. Wireless power transmission scheme employing phase control for WSN
Kang et al. Corporate feed with dual segment circular polarized array rectenna for low power RF energy harvesting
Park et al. Effective wireless low‐power transmission using a phased array antenna

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant