KR20200057593A - Wireless power transmit apparatus - Google Patents

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KR20200057593A
KR20200057593A KR1020190078861A KR20190078861A KR20200057593A KR 20200057593 A KR20200057593 A KR 20200057593A KR 1020190078861 A KR1020190078861 A KR 1020190078861A KR 20190078861 A KR20190078861 A KR 20190078861A KR 20200057593 A KR20200057593 A KR 20200057593A
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한국과학기술원
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is a wireless power transmission device which has high power transmission efficiency at low costs. The wireless power transmission device comprises: a reception antenna transmitting a beacon signal and receiving a power signal; a transmission array antenna in which a plurality of unit antennas transmitting the power signal are arranged; a plurality of phase shifters beam forming the power signal transmitted by each of the unit antennas; and a control unit calculating a phase of the power signal to be shifted by the phase shifter for each of the plurality of unit antennas. The phase shifter is one of bi-state to quad-state phase shifters.

Description

무선 전력 전송 장치{WIRELESS POWER TRANSMIT APPARATUS}Wireless power transmission device {WIRELESS POWER TRANSMIT APPARATUS}

본 기술은 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.The present technology relates to a wireless power transmission device.

휴대 전화, 태블릿 등을 비롯한 여러 전자기기들은 주로 유선 충전 방식으충전되나, 근래에는 휴대 전화를 중심으로 무선 충전 방식이 도입되고 있다. 무선 충전 방식에 있어서도 서로 가까운 거리에 위치한 두 개의 코일을 이용하는 자기 유도 방식의 무선 충전이 사용되는 추세이다.Various electronic devices, such as mobile phones and tablets, are mainly charged by a wired charging method, but in recent years, a wireless charging method has been introduced mainly on a mobile phone. In the wireless charging method, a magnetic induction type wireless charging using two coils located close to each other is also used.

한편, RF 신호를 이용하여 중거리 내에서 전력을 전송하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 마이크로파를 이용하는 전력 전송 시스템은 RF 신호를 안테나에서 방사하고, 수신 전자기기가 안테나를 통해 이를 수집하여 전력을 수신한다. 마이크로파 전력 전송 장치에서 전력 전송 효율을 증가시키기 위해서는 복수의 단위 안테나들을 포함하는 배열 안테나를 이용하거나 높은 이득을 가지는 안테나를 사용한다.Meanwhile, interest in technology for transmitting power within a medium distance using an RF signal is increasing. A power transmission system using microwaves emits RF signals from an antenna, and receiving electronics collects them through an antenna to receive power. In order to increase power transmission efficiency in a microwave power transmission apparatus, an array antenna including a plurality of unit antennas is used or an antenna having a high gain is used.

복수의 단위 안테나를 이용하는 방식은 빔 포밍(beam forming)을 수행하여 수신 전자기기의 위치를 향해 전력 신호를 전력을 전송하는 것이며, 높은 이득의 안테나를 이용하는 방식은 기계적으로 수신기의 위치에 맞게 송신 안테나의 방향을 조절한다. The method of using a plurality of unit antennas is to perform a beam forming (beam forming) to transmit power to the power signal toward the location of the receiving electronic device, and the method of using a high gain antenna mechanically fits the location of the receiver to the transmission antenna Adjust the direction of.

빔 조향 방식의 전력 전송 시스템에서, 송신기는 수신기로부터 받은 비콘(Beacon) 신호의 위상 정보로부터 수신기의 위치를 추정하고, 수신기를 향해 RF 신호인 전력 신호를 전송한다. 각각의 단위 안테나가 수집한 비콘 신호의 위상 정보가 수신기와 송신기까지의 거리에 따라 달라지므로, 비콘 신호를 통해 수신기의 위치를 추정할 수 있다. In the beam steering type power transmission system, the transmitter estimates the position of the receiver from the phase information of the beacon signal received from the receiver, and transmits a power signal that is an RF signal toward the receiver. Since the phase information of the beacon signal collected by each unit antenna varies according to the distance between the receiver and the transmitter, the position of the receiver can be estimated through the beacon signal.

무선 전력 전송 장치로 높은 전력 전송 효율을 얻기 위하여 상기한 바와 같이 역지향성(retrodirective) 방식을 사용하며, 역지향성 방식은 일반적인 빔 형성 방식으로는 제대로 빔이 형성되지 않는 프레넬 영역(Fresnel Region)에 수신기가 존재할 때에 효과적이다. In order to obtain high power transmission efficiency with a wireless power transmission apparatus, a retrodirective method is used as described above, and the reverse directivity method is used in a Fresnel region in which a beam is not properly formed using a general beam forming method. Effective when a receiver is present.

전력을 전송하기 위해 비콘 신호를 통해 추정된 수신부 방향으로 빔을 조향하여야 한다. 빔 조향을 위하여 배열 안테나에 포함된 각 단위 안테나 별로 높은 정밀도의 위상 천이기가 요청된다. 그러나, 높은 정밀도를 가지는 위상 천이기는 높은 구동 전력을 가지고, 손실되는 전력도 커서 이를 이용한 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율은 낮다. 나아가, 높은 정밀도를 가지는 위상 천이기는 고가이므로, 이를 포함하는 기존 전력 전송 시스템의 가격은 높다.In order to transmit power, the beam must be steered in the direction of the estimated receiver through the beacon signal. For beam steering, a high precision phase shifter is required for each unit antenna included in the array antenna. However, the phase shifter having high precision has high driving power and the power lost is also large, so the power transmission efficiency of the power transmission system using the same is low. Furthermore, since the phase shifter with high precision is expensive, the price of the existing power transmission system including it is high.

본 실시예는 상기한 종래 기술의 단점을 해소하기 위한 것이다. 본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하는 종래 기술에 비하여 낮은 가격으로 높은 전력 전송 효율을 가지는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.This embodiment is intended to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art. One of the problems to be solved by the present embodiment is to provide a wireless power transmission device having a high power transmission efficiency at a low price compared to the prior art.

본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는: 비콘(beacon) 신호를 송신하며, 전력 신호를 수신하는 수신 안테나와, 전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나와, 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter) 및 복수의 단위 안테나 별로 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부를 포함하며, 위상 천이기는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나이다.The wireless power transmission apparatus according to the present embodiment transmits a beacon signal, a receiving antenna receiving a power signal, a transmitting array antenna arranged with a plurality of unit antennas transmitting power signals, and unit antennas, respectively. It includes a plurality of phase shifters (beam shifting) for beam forming the power signal to be transmitted and a control unit for calculating a phase of the power signal to be shifted by a phase shifter for each of the plurality of unit antennas. bi-state to quad-state phase shifter.

본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는 높은 전력 전송 효율을 유지한 채로 경제적인 가격을 가진다는 장점이 있다.The wireless power transmission apparatus according to the present embodiment has an advantage of having an economical price while maintaining high power transmission efficiency.

도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 위상 천이기, 위상 검출기 및 제어부의 개요를 도시하며, 비콘 신호(beacon signal) 수신시 각 단위 안테나 별로 비콘 신호의 위상 차이를 검출하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 의한 제어부가 전력 신호의 위상을 결정하는 것을 설명하기 위한 개요도이다.
도 4(a), 4(b) 및 도 4(c)는 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치에 사용될 수 있는 위상 천이기를 예시한 도면이다.
도 5는 전력 신호를 송신할 때 위상 천이기, 위상 검출기 및 제어부의 개요를 도시한 도면이다.
도 6은 3 상태 위상 천이기의 레이아웃을 예시한 도면이다.
도 7은 역지향성 방법을 사용하지 않는 경우의 무선 전력 전송 장치(conventional)와 역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기, 2 상태(1 bit) 위상 천이기 및 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram showing an outline of a wireless power transmission apparatus 10 according to the present embodiment.
FIG. 2 schematically shows a phase shifter, a phase detector, and a control unit, and schematically shows a process of detecting a phase difference of a beacon signal for each unit antenna when a beacon signal is received.
3 is a schematic diagram for explaining that the control unit according to the present embodiment determines the phase of the power signal.
4 (a), 4 (b) and 4 (c) are diagrams illustrating a phase shifter that can be used in the wireless power transmission apparatus according to the present embodiment.
5 is a diagram illustrating an outline of a phase shifter, a phase detector, and a control unit when transmitting a power signal.
6 is a diagram illustrating the layout of a three-state phase shifter.
FIG. 7 shows a 64 state (6 bit) phase shift, 8 state (4 bit) phase shift, and 2 state (1) using a wireless power transmission device (conventional) and a reverse direction method when the reverse direction method is not used. bit) It is a diagram showing received power according to a distance of a wireless power transmission device using a phase shifter and a three-state phase shifter.

첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 살펴본다. 도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는: 전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나(600)와, 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter, 400) 및 복수의 단위 안테나 별로 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부(700)를 포함하며, 위상 천이기(400)는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나이다. 일 실시예에서, 무선 전력 전송 장치(10)는 비콘 신호(beacon signal)를 제공하며, 전송된 전력 신호(power signal)을 수신하는 수신부(RX)를 더 포함할 수 있다. An overview of the wireless power transmission apparatus 10 according to this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram showing an outline of a wireless power transmission apparatus 10 according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, the wireless power transmission apparatus according to the present embodiment includes: a beam array (beam) a transmission array antenna 600 in which a plurality of unit antennas for transmitting a power signal are arranged, and a power signal transmitted by the unit antennas, respectively. It includes a plurality of phase shifter (forming) (phase shifter 400) and a controller 700 for calculating the phase of the power signal to the phase shifter for each of the plurality of unit antennas, the phase shifter 400 has two states ( bi-state to quad-state phase shifter. In one embodiment, the wireless power transmission apparatus 10 provides a beacon signal, and may further include a receiver RX for receiving the transmitted power signal.

도 2는 위상 천이기(400), 위상 검출기(500) 및 제어부(700)의 개요를 도시하며, 비콘 신호(beacon signal) 수신시 각 단위 안테나 별로 비콘 신호의 위상 차이를 검출하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 수신부(RX)는 수신 안테나로 비콘 신호(beacon signal)을 전송한다. 각 단위 안테나는 비콘 신호(beacon signal)를 수신하고, 제1 전력 분배기(710)로 출력한다. 2 shows an overview of the phase shifter 400, the phase detector 500 and the control unit 700, and outlines the process of detecting the phase difference of the beacon signal for each unit antenna when receiving a beacon signal. It is a drawing shown. 1 and 2, the receiver RX transmits a beacon signal to a receiving antenna. Each unit antenna receives a beacon signal and outputs it to the first power divider 710.

제1 전력 분배기(710)는 비콘 신호(beacon signal)를 분할하여 양방향성 커플러(730)들에 제공한다. 양방향성 커플러(730)는 분할된 비콘 신호(beacon signal)를 위상 검출기(740)으로 출력한다. 말단에 배치된 단위 안테나가 수신한 비콘 신호(beacon signal)의 일부는 양방향성 커플러(730)에 의하여 50Ω 종단(50 Ω termination, 750)으로 제공될 수 있다. The first power divider 710 divides the beacon signal and provides it to the bidirectional couplers 730. The bidirectional coupler 730 outputs the divided beacon signal to the phase detector 740. A part of the beacon signal received by the unit antenna disposed at the end may be provided as a 50 Ω termination (750) by the bidirectional coupler 730.

예시된 실시예에서, 위상 검출기(740)는 어느 한 단위 안테나가 검출한 비콘 신호(푸른 점선)와 다른 단위 안테나가 검출한 비콘 신호(적색 점선)사이의 위상 차이를 검출하고, 검출된 위상차 정보(Δφ1, Δφ2) 를 제어부(700)에 제공한다. 예시된 실시예에서, 어느 한 위상 검출기(740)에 제공된 비콘 신호들은 서로 인접한 단위 안테나들이 검출한 비콘 신호들일 수 있다.In the illustrated embodiment, the phase detector 740 detects a phase difference between a beacon signal (blue dotted line) detected by one unit antenna and a beacon signal (red dotted line) detected by another unit antenna, and the detected phase difference information (Δφ 1 , Δφ 2 ) is provided to the control unit 700. In the illustrated embodiment, the beacon signals provided to one phase detector 740 may be beacon signals detected by unit antennas adjacent to each other.

도 3은 본 실시예에 의한 제어부(700)가 전력 신호의 위상을 결정하는 것을 설명하기 위한 개요도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 수신 안테나가 전송한 비콘 신호는 서로 다른 경로들(r1, r2, r3, r4, r5)을 거쳐 배열 안테나(600)에 포함된 단위 안테나에 도달한다. 3 is a schematic diagram for explaining that the control unit 700 according to the present embodiment determines the phase of the power signal. 1 to 3, the beacon signal transmitted by the reception antenna reaches a unit antenna included in the array antenna 600 through different paths r1, r2, r3, r4, and r5.

비콘 신호가 서로 다른 경로들(r1, r2, r3, r4, r5)을 거치며, 각 경로는 서로 다른 길이를 가지므로 단위 안테나가 수신한 비콘 신호는 서로 다른 위상을 가진다. 도 3(a)에서 횡 방향으로 연장된 막대 그래프는 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상을 도식적으로 표현한 것으로, 짧은 경로(r3)를 거쳐 도달한 신호의 위상은 작게, 비교적 긴 경로(r1, r5)를 거쳐 도달한 신호의 위상은 크게 표시하였다. 제어부(700)는 위상 검출기(500)가 출력한 위상차 정보로부터 각 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각을 연산한다. Since the beacon signal passes through different paths r1, r2, r3, r4, and r5, each path has a different length, so the beacon signals received by the unit antennas have different phases. The bar graph extended in the horizontal direction in FIG. 3 (a) schematically represents the phase of the beacon signal received by the unit antenna, and the phase of the signal reached via the short path r3 is small and the relatively long path r1, The phase of the signal reached via r5) was largely displayed. The controller 700 calculates the phase angle of the beacon signal received by each unit antenna from the phase difference information output by the phase detector 500.

도 3(b)는 제어부가 각 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각으로부터 각 단위 안테나가 전송하는 위상 천이기(400)가 천이할 위상각을 결정하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3(b)를 참조하면, 위상 천이기(400)의 위상 해상도(phase resolution)를 정수배 한 값들 중에서 단위 안테나가 비콘 신호를 수신한 위상각과의 합이 360°의 정수배에 가장 인접한 값을 위상 천이기(400)가 천이할 위상값으로 결정한다. FIG. 3 (b) is a diagram schematically showing a process in which the control unit determines a phase angle to be shifted by the phase shifter 400 transmitted by each unit antenna from the phase angle of the beacon signal received by each unit antenna. Referring to FIG. 3 (b), among the values obtained by multiplying the phase resolution of the phase shifter 400 by an integer multiple, the sum of the phase angles at which the unit antenna receives the beacon signal is the closest to the integer multiple of 360 °. The shifter 400 determines the phase value to be shifted.

단위 안테나 각각이 위상 천이 과정을 거치지 않은 전력 신호를 송신하면 경로의 길이차에 의한 위상차가 발생하므로 수신부(RX)가 위치한 곳에서 전력 신호들 사이의 상쇠 간섭에 의하여 전송 효율이 감소할 수 있다. 따라서, 제어부(700)는 단위 안테나들이 전송하는 전력 신호가 수신부(RX)의 위치에서 보강 간섭이 일어날 수 있도록 단위 안테나 별로 전송할 전력 신호의 위상각을 천이하는 위상 천이기(500)의 위상각을 결정한다.When each unit antenna transmits a power signal that has not undergone a phase shift process, a phase difference occurs due to a length difference of a path, so transmission efficiency may be reduced due to interference between power signals in a location where the receiver RX is located. Accordingly, the control unit 700 changes the phase angle of the phase shifter 500 to shift the phase angle of the power signal to be transmitted for each unit antenna so that the power signals transmitted by the unit antennas may generate constructive interference at the position of the receiver RX. Decide.

전력 신호가 단위 안테나로부터 수신 안테나(RX)에 도달하는 경로는 비콘 신호(beacon signal)가 단위 안테나에 도달한 경로와 방향만 달리하는 동일한 경로이다. 따라서, 각 단위 안테나가 전송하는 전력 신호는 수신측(RX) 안테나에 도달할 때 해당 단위 안테나가 수신한 비콘 신호(beacon signal)의 위상과 동일하다. The path through which the power signal reaches the receiving antenna RX from the unit antenna is the same path that differs only in the direction from the path where the beacon signal reaches the unit antenna. Accordingly, the power signal transmitted by each unit antenna is the same as the phase of the beacon signal received by the unit antenna when it reaches the receiver (RX) antenna.

도 3(b)로 예시된 것과 같이 위상 천이기의 해상도를 정수배한 값 들 중에서 해당 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 위상각의 합이 360도의 정수배에 가장 가까운 값을 선택하면 수신부(RX)에서의 전력 신호는 보강 간섭이 일어나 전력 효율이 감소하지 않는다. 일 실시예로, 제어부(700)는 상기 단위 안테나가 상기 비콘 신호를 수신한 위상값의 켤레(-

Figure pat00001
)를 취하고, 이를 위상 해상도(
Figure pat00002
)로 나누어 반올림을 취한 몫과 가장 가까운 정수를 위상 해상도에 곱하여 위상 천이기의 위상각을 얻으며, 이는 아래의 수학식 1과 같이 연산할 수 있다. When the sum of the phase angles of the beacon signals received by the corresponding unit antenna is selected from among values multiplied by the resolution of the phase shifter as illustrated in FIG. 3 (b), the receiver RX selects a value closest to the integer multiple of 360 degrees. The power signal of does not decrease power efficiency due to constructive interference. In one embodiment, the control unit 700 is a pair of phase values that the unit antenna receives the beacon signal (-
Figure pat00001
), And the phase resolution (
Figure pat00002
Divide by) to obtain the phase angle of the phase shifter by multiplying the rounded quotient and the nearest integer to the phase resolution, which can be calculated as shown in Equation 1 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

[]: 가우스 함수, { }: 반올림[]: Gaussian function, {}: rounded

종래 기술에 의한 무선 전력 전송 장치는 높은 위상 해상도를 가지는 위상 천이기를 사용하였으나, 위상 천이기가 천이할 수 있는 위상의 해상도가 높아질수록 위상 천이기를 구동하는데 필요한 전력이 크고, 구동과정에서의 전력 손실도 크며, 가격이 높다. 그러나, 본 실시예의 위상 천이기는 저해상도의 위상 천이기를 사용함에도 불구하고 비교적 낮은 전력 손실을 가지며 가격적 이점도 제공된다.The wireless power transmission apparatus according to the prior art uses a phase shifter having a high phase resolution, but the higher the resolution of the phase that the phase shifter can shift, the greater the power required to drive the phase shifter and the power loss in the driving process. It is large and the price is high. However, the phase shifter of this embodiment has a relatively low power loss and provides a cost advantage despite the use of a low-resolution phase shifter.

일 실시예에서, 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치는 도 4(a)로 예시된 것과 같이 90°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+90°, 기준 위상+180°, 기준 위상+270°로 위상을 천이할 수 있는 4 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 전력 전송 장치는 도 4(b)로 예시된 것과 같이120°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+120°, 기준 위상+240°로 위상을 천이할 수 있는 3 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 무선 전력 전송 장치는 도 4(c)로 예시된 것과 같이 180°의 위상 해상도를 가져, 기준위상, 기준 위상+180°로 위상을 천이할 수 있는 2 상태 위상 천이기를 사용할 수 있다.In one embodiment, the wireless power transmission apparatus according to the present embodiment has a phase resolution of 90 ° as illustrated in FIG. 4 (a), a reference phase, a reference phase + 90 °, a reference phase + 180 °, a reference phase A four-state phase shifter that can shift phase to + 270 ° can be used. In another embodiment, the wireless power transmission device has a phase resolution of 120 ° as illustrated in FIG. 4 (b), so that the phase can be shifted to a reference phase, a reference phase + 120 °, and a reference phase + 240 ° 3 State phase shifters can be used. In another embodiment, the wireless power transmission device has a phase resolution of 180 ° as illustrated in FIG. 4 (c), and uses a two-state phase shifter capable of shifting the phase to the reference phase and the reference phase + 180 °. Can be.

도 4(a) 내지 도 4(c)에서 사용되는 스위치는 반도체 RF 스위치일 수 있다. 일 예로, 반도체 RF 스위치는 신호 경로를 분기할 수 있는 반도체 기반 스위치로, PIN 다이오드 또는 트랜지스터를 이용한 RF 스위치 중 어느 하나일 수 있다. RF 스위치는 신호 경로를 변경할 수 있으며 RF 스위치가 선택하는 신호 경로는 각각 길이 딜레이가 달라 신호의 위상이 변화된다. 반도체 RF 스위치는 도 4(a)로 도시된 것과 같이 SP4T(single pole 4 throw)스위치거나, 도 4(b)로 도시된 것과 같이 SP3T(single pole 3 throw)스위치 또는 도 4(c)로 도시된 것과 같이 SPDT(single pole double throw) 스위치일 수 있다. The switches used in FIGS. 4 (a) to 4 (c) may be semiconductor RF switches. For example, the semiconductor RF switch is a semiconductor-based switch capable of branching a signal path, and may be any one of a PIN diode or an RF switch using a transistor. The RF switch can change the signal path, and the signal path selected by the RF switch has a different length delay, so that the phase of the signal is changed. The semiconductor RF switch is shown as a single pole 4 throw (SP4T) switch as shown in Fig. 4 (a), or as a single pole 3 throw (SP3T) switch as shown in Fig. 4 (b) or as shown in Fig. 4 (c) It can be a single pole double throw (SPDT) switch.

도 5는 전력 신호를 송신할 때 위상 천이기(400), 위상 검출기(500) 및 제어부(700)의 개요를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 발진기(100)은 전력 전송을 위한 RF(radio frequency) 신호인 전력 신호를 발생하고, 전력 증폭기(200)는 이를 대신호로 증폭하여 전력 분배기(300)에 제공한다. 전력 분배기(300)는 전력 증폭기(200)가 증폭한 전력 신호를 안테나 별로 분배하여 제공한다. 5 is a diagram showing an outline of the phase shifter 400, the phase detector 500, and the control unit 700 when transmitting a power signal. 1 and 5, the oscillator 100 generates a power signal that is a radio frequency (RF) signal for power transmission, and the power amplifier 200 amplifies it as a large signal and provides it to the power distributor 300. . The power divider 300 distributes and provides power signals amplified by the power amplifier 200 for each antenna.

제어부(700)는 위에서 설명된 것과 같이 분배된 신호의 위상을 결정하여 위상 천이기(400)를 제어한다. 위상 천이기(400)에 의하여 위상 천이된 전력 신호는 제2 전력 분배기(720)에 의하여 분배되고, 분배된 전력 신호는 양방향성 커플러(730)에 각각 제공된다. 제1 전력 분배기(710)는 양방항성 커플러(730)가 출력한 전력 신호를 병합하여 단위 안테나에 제공한다. 각 단위 안테나는 각 위상 천이기(700)가 천이한 위상으로 방사된다. The control unit 700 controls the phase shifter 400 by determining the phase of the distributed signal as described above. The power signals phase-shifted by the phase shifter 400 are distributed by the second power divider 720, and the distributed power signals are provided to the bidirectional couplers 730, respectively. The first power divider 710 merges the power signals output from the bidirectional coupler 730 and provides them to the unit antenna. Each unit antenna is radiated in a phase shifted by each phase shifter 700.

종래 기술에서는 3 dB 하이브리드 커플러를 사용하여 젼력 신호를 분리하였으며, 이로 인해 송신 시 전력이 절반으로 분리되어 송신 전력이 손실되었다. 본 실시예는 양방향성 커플러 회로를 이용하므로 송신 시 송신 전력의 손실을 감소시킬 수 있으며, 스위칭 회로가 필요 없이 인접한 안테나 간 비콘 신호를 위상 검출 회로에 입력시킬 수 있다는 장점이 제공된다.In the prior art, a 3 dB hybrid coupler was used to separate the power signal, which caused the power to be split in half and lost transmission power. Since this embodiment uses a bidirectional coupler circuit, it is possible to reduce transmission power loss during transmission, and provides an advantage that a beacon signal between adjacent antennas can be input to a phase detection circuit without the need for a switching circuit.

실험예Experimental Example

이하에서는 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치의 실험예를 설명한다. 위상 천이기는 도 6으로 예시된 3 상태 위상 천이기(도 4(b) 참조)를 사용하였다. 아래의 표 1은 실험 결과를 도시한 표이다. Hereinafter, an experimental example of the wireless power transmission apparatus according to the present embodiment will be described. The phase shifter used a three-state phase shifter illustrated in FIG. 6 (see FIG. 4 (b)). Table 1 below is a table showing the experimental results.

Type of phase shifterType of phase shifter Phase resolution (deg.)Phase resolution (deg.) Phase shifter loss (dB)Phase shifter loss (dB) Algorithm error (dB)Algorithm error (dB)
*Tx=32x32, Rx=1x1* Tx = 32x32, Rx = 1x1
idealideal 0.10.1 00 00 4-bit4-bit 22.522.5 6~96 ~ 9 -0.06-0.06 3 states3 states 120120 2.8~3.22.8 ~ 3.2 -2.3-2.3

표 1로 예시된 것과 같이 64 상태 위상 천이기를 사용하면 위상 천이기의 위상 해상도는 22.5도로 해상도 특성이 양호하다. 그러나, 위상 천이기의 손실은 6 ~ 9 dB에 달하며, 알고리즘 에러에 의한 손실을 도합하면 대략 6.06 ~ 9.06 dB에 이른다. 이에 반하여 저가의 3 상태 위상 천이기의 위상 해상도는 120도로 64 상태 위상 천이기의 위상 해상도에 비하여 20% 정도에 불과하나, 위상 천이기에서 발생하는 손실은 2.8 ~ 3.2 dB에 불과하며, 알고리즘 에러에 의한 손실을 도합하면 대략 5.1 ~ 5.6 dB에 불과한 것을 확인할 수 있다.As illustrated in Table 1, when a 64-state phase shifter is used, the phase shifter has a good resolution characteristic of 22.5 degrees. However, the phase shifter losses range from 6 to 9 dB, and the sum of losses due to algorithm errors amounts to approximately 6.06 to 9.06 dB. On the other hand, the phase resolution of a low-cost three-state phase shifter is only 120% and 20% of the phase resolution of a 64-state phase shifter, but the loss occurring in the phase shifter is only 2.8 to 3.2 dB, and an algorithm error It can be seen that the sum of the losses due to is only about 5.1 to 5.6 dB.

도 7은 역지향성 방법을 사용하지 않는 경우의 무선 전력 전송 장치(conventional)와 역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기, 2 상태(1 bit) 위상 천이기 및 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치의 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 역지향성 방법을 사용하지 않는 무선 전력 전송 장치는 송신부와 수신부 사이의 거리에 무관하게 가장 낮게 전력을 수신하는 것을 알 수 있다. FIG. 7 shows a 64 state (6 bit) phase shift, 8 state (4 bit) phase shift, and 2 state (1) using a wireless power transmission device (conventional) and a reverse direction method when the reverse direction method is not used. bit) It is a diagram showing received power according to a distance of a wireless power transmission device using a phase shifter and a three-state phase shifter. Referring to FIG. 7, it can be seen that the wireless power transmission apparatus that does not use the reverse-direction method receives the lowest power regardless of the distance between the transmitter and the receiver.

역지향성 방법을 사용하는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기는 수신 전력값이 서로 유사하여 겹쳐져 표시되었으며, 비교 대상들 중에서 가장 높은 수신 전력 성능을 가진다. The 64 state (6 bit) phase shifter and the 8 state (4 bit) phase shifter using the reverse-direction method are displayed by overlapping the received power values, and have the highest received power performance among comparison targets.

이에 반하여 3 상태 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치는 1m 이내 거리에서 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기를 사용하는 무선 전력 전송 장치에 비하여 2.5dBm 가량 낮은 수신 전력 특성 차이만을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따라 3 상태 위상 천이기는 64 상태(6 bit) 위상 천이기, 8 상태(4 bit) 위상 천이기에 비하여 가격 대비 성능이 양호하다는 장점이 제공된다.In contrast, a wireless power transmission device using a three-state phase shifter receives about 2.5 dBm lower than a wireless power transmission device using a 64-state (6 bit) phase shifter and an 8-state (4 bit) phase shifter within a distance of 1 m. It can be seen that there is only a difference in power characteristics. Therefore, according to the present embodiment, the three-state phase shifter is provided with the advantage of good price / performance compared to the 64-state (6 bit) phase shifter and the 8-state (4 bit) phase shifter.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.In order to help the understanding of the present invention, it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, but this is an embodiment for the implementation, it is only an example, and those skilled in the art, various modifications and equivalents therefrom It will be understood that other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

100: 발진기 200: 전력 증폭기
300: 전력 분배기 400: 위상 천이기
500: 위상 검출기 600: 송신 안테나
700: 제어부 750: 50옴 종단
710: 제1 전력 분배기 720: 제2 전력 분배기
730: 양방향성 커플러 740: 위상 비교기
100: oscillator 200: power amplifier
300: power divider 400: phase shift
500: phase detector 600: transmit antenna
700: control unit 750: 50 ohm termination
710: first power divider 720: second power divider
730: bidirectional coupler 740: phase comparator

Claims (10)

무선 전력 전송 장치는:
전력 신호를 송신하는 복수의 단위 안테나들이 배열된 송신 배열 안테나;
상기 단위 안테나들이 각각 송신하는 전력 신호를 빔 포밍(beam forming)하는 복수의 위상 천이기(phase shifter); 및
상기 복수의 단위 안테나 별로 상기 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상을 연산하는 제어부를 포함하며,
상기 위상 천이기는 두 상태(bi-state) 내지 네 상태(quad-state) 위상 천이기 중 어느 하나인 무선 전력 전송 장치.
The wireless power transmission device is:
A transmission array antenna in which a plurality of unit antennas transmitting power signals are arranged;
A plurality of phase shifters for beam forming the power signals transmitted by the unit antennas, respectively; And
For each of the plurality of unit antennas includes a control unit for calculating the phase of the power signal to the phase shifter,
The phase shifter is a bi-state (qua-state) to a four-state (quad-state) phase shifter any one of the wireless power transmission device.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상 또는 기준 위상 +180°천이하여 출력하는 두 상태 위상 천이기(bi-state phase shifter)인 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The phase shifter,
A wireless power transmission device that is a bi-state phase shifter that outputs a phase of an input signal by shifting a reference phase or a reference phase + 180 °.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상, 기준 위상 +120° 및 기준 위상 +240°중 어느 하나로 지연하여 출력하는 세 상태 위상 천이기(tri-state phase shiter)인 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The phase shifter,
A wireless power transmission device that is a tri-state phase shifter that delays and outputs the phase of an input signal to one of a reference phase, a reference phase + 120 °, and a reference phase + 240 °.
제1항에 있어서,
상기 위상 천이기는,
입력 신호의 위상을 기준 위상, 기준 위상 + 90°, 기준 위상 + 180° 및 기준 위상 + 270°중 어느 하나로 천이하여 출력하는 네 상태 위상 천이기(quad-state phase shifter)무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The phase shifter,
Four-phase phase shifter (quad-state phase shifter) wireless power transmission device that outputs by shifting the phase of the input signal to any one of a reference phase, a reference phase + 90 °, a reference phase + 180 ° and a reference phase + 270 °.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 위상 천이기의 해상도를 정수배 한 값들 중에서 상기 단위 안테나가 상기 비콘 신호를 수신한 위상값과의 합이 360°의 정수배에 가장 인접한 값을 상기 위상 천이기가 천이할 전력 신호의 위상값으로 결정하는 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The control unit,
Among the values obtained by multiplying the resolution of the phase shifter, the unit antenna determines the value closest to the integer multiple of 360 °, which is the sum of the phase values received by the unit antenna, as the phase value of the power signal to which the phase shifter shifts. Wireless power transmission device.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 단위 안테나가 상기 비콘 신호를 수신한 위상값의 켤레를 위상 해상도로 나누어 반올림을 취한 몫에 가까운 정수값을 위상 해상도에 곱한 값을 위상 천이기의 위상각으로 결정하는 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The control unit,
A wireless power transmission apparatus for determining, by a phase angle of a phase shifter, a value obtained by multiplying a phase resolution by an integer value close to a quotient obtained by dividing a pair of phase values received by the unit antenna by the phase resolution.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
복수의 단위 위상 검출 회로를 포함하는 위상 검출 회로부를 포함하며, 상기 단위 위상 검출 회로는:
상기 단위 안테나가 수신한 비콘 신호의 전력을 분할하는제1 전력 분배기와,
서로 단위 안테나들이 수신하여 분할된 비콘 신호들 사이의 위상 차이를 검출하여 상기 제어부에 제공하는 위상 비교기 및
상기 제1 전력 분배기가 분할한 비콘 신호를 상기 위상 비교기에 제공하는 양방향성 커플러(bi-directional coupler)를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The wireless power transmission device,
A phase detection circuit unit including a plurality of unit phase detection circuits, the unit phase detection circuit comprising:
A first power divider for dividing the power of the beacon signal received by the unit antenna,
A phase comparator that receives the unit antennas and detects a phase difference between beacon signals that are divided and provides the control unit to the controller.
And a bi-directional coupler that provides a beacon signal divided by the first power divider to the phase comparator.
제7항에 있어서,
상기 단위 위상 검출 회로는,
상기 위상 천이기가 제공한 전력 신호를 분할하는 제2 전력 분배기를 더 포함하며,
상기 양방향성 커플러는 상기 제2 전력 분배기가 분할한 전력 신호를 상기 제1 전력 분배기로 제공하고,
상기 제1 전력 분배기는 제공된 전력 신호를 병합하여 상기 단위 안테나로 제공하는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 7,
The unit phase detection circuit,
Further comprising a second power divider for dividing the power signal provided by the phase shifter,
The bidirectional coupler provides a power signal divided by the second power divider to the first power divider,
The first power divider is a wireless power transmission device that merges the provided power signals and provides them to the unit antenna.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
미리 정해진 주파수로 전력 신호를 생성하는 발진기와,
상기 발진기가 생성한 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The wireless power transmission device,
An oscillator generating a power signal at a predetermined frequency,
And a power amplifier for amplifying the power of the signal generated by the oscillator.
제1항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치는,
비콘(beacon) 신호를 송신하며, 상기 전력 신호를 수신하는 수신 안테나를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
According to claim 1,
The wireless power transmission device,
A beacon (beacon) signal, the wireless power transmission device further comprises a receiving antenna for receiving the power signal.
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