KR20200064325A

KR20200064325A - 빔포밍 기반 에너지 하베스팅 센서

Info

Publication number: KR20200064325A
Application number: KR1020180150332A
Authority: KR
Inventors: 김진섭
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-08
Also published as: WO2020111477A1

Abstract

전력 소모를 최소화하면서 해상도가 높은 빔포밍을 구현할 수 있는 빔포밍 시스템/방법 및 이를 적용한 에너지 하베스팅 센서가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 시스템은 발진 신호를 입력받는 제1 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러; 일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 및 전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함한다.
이에 의해, 에너지 하베스팅 센서와 같은 저전력 디바이스에서 전력 소모를 최소화하면서 단순하고 정밀한 빔포밍을 구현할 수 있게 된다.

Description

빔포밍 기반 에너지 하베스팅 센서{Energy Harvesting Sensor based on Beam-forming}

본 발명은 에너지 하베스팅 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 빔포밍 기반으로 에너지를 하베스팅하여 필요한 전기 에너지를 충당하는 센서에 관한 것이다.

도 1은 종래의 빔포밍 블록의 구성도이다. 종래의 빔포밍 블록은, 도 1에 도시된 바와 같이, 위상 천이기(Phase Shifter)와 감쇄기(Attenuator)를 기반으로 빔포밍을 구현하여 전파의 방사 방향을 결정하였다.

위상천이기와 감쇄기는 능동소자로써 필연적으로 소모전력이 높을 수 밖에 없다는 점에서, 에너지 소모를 최소한으로 해야 하는 에너지 하베스팅 센서에 사용하기에는 매우 부적절하다.

이에 따라, 에너지 하베스팅 센서와 같은 저전력 디바이스에서 전력 소모를 최소화하면서 해상도가 높은 빔포밍을 구현할 수 있는 방안의 모색이 요원한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 전력 소모를 최소화하면서 해상도가 높은 빔포밍을 구현할 수 있는 빔포밍 시스템/방법 및 이를 적용한 에너지 하베스팅 센서를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 빔포밍 시스템은 발진 신호를 입력받는 제1 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러; 일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 및 전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함한다.

제어기는, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하여, 빔포밍 제어 신호의 위상을 조정할 수 있다.

제어기는, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하여, 빔포밍 제어 신호의 진폭을 더 조정할 수 있다.

빔포밍 제어 신호는, 에너지 하베스팅에 이용할 RF 신호의 수신을 위한 빔포밍을 제어하기 위한 신호일 수 있다.

제어기는, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하의 부하값이 빔포밍 방향에 따라 매핑되어 있는 테이블을 이용하여, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어할 수 있다.

제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하는, 디지털 가변 부하일 수 있다.

디지털 가변 부하는, binary-weighted 저항 어레이로 구성된 부하일 수 있다.

제1 커플러, 제2 커플러 및 제3 커플러는, 90° 하이브리드 커플러일 수 있다.

제1 커플러, 제2 커플러 및 제3 커플러는, Branch-Line 커플러일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 장치는 RF 신호를 수신하는 통신부; 및 통신부를 통해 수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터;를 포함하고, 통신부는, 발진 신호를 입력받는 제1 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러; 일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 센서는 RF 신호를 수신하는 통신부; 통신부를 통해 수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터; 및 에너지 하베스터로부터 에너지를 공급받아 동작하는 센서;를 포함하고, 통신부는, 발진 신호를 입력받는 제1 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러; 일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 에너지 하베스팅 센서는 수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터; 및 에너지 하베스터로부터 에너지를 공급받아 동작하는 센서;를 포함하고, 에너지 하베스터는, 발진 신호를 입력받는 제1 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러; 일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러; 일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 하베스팅 센서와 같은 저전력 디바이스에서 전력 소모를 최소화하면서 단순하고 정밀한 빔포밍을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 빔포밍 블록의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 센서에 적용 가능한 빔포밍 시스템의 블록도,
도 3은 가변 부하 제어 테이블의 설명에 제공되는 도면, 그리고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 센서의 블록도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 센서에 적용 가능한 빔포밍 시스템의 블록도이다.

본 발명의 실시예에 적용가능한 빔포밍 시스템은, 에너지 하베스팅 센서와 같은 저전력 디바이스에서 전력 소모를 최소화하면서 단순하고 정밀한 빔포밍을 가능하게 한다.

이와 같은 기능을 수행하는, 본 발명의 실시예에 적용가능한 빔포밍 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 커플러들(110, 120, 130), 전력 결합기(Power Combiner)(140) 및 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)을 포함하여 구성된다.

커플러들(110, 120, 130)은 90°하이브리드 브랜치 라인 커플러(90°Hybrid Branch Line coupler)로 구현할 수 있는데, 그 밖의 다른 종류의 커플러로 구현하는 것을 배제하지 않는다.

커플러-1(110)은 발진기로부터 단일 주파수 발진 신호를 입력받는다. 커플러-1(110)는 일 측의 한 포트가 발진기에 연결되어 있고 다른 포트는 기준 임피던스(Z0)에 연결되어 있으며, 타 측의 한 포트는 커플러-2(110)에 연결되어 있고 다른 포트는 커플러-3(130)에 연결되어 있다.

커플러-2(120)는 일 측의 한 포트가 커플러-1(110)에 연결되어 있고 다른 포트는 전력 결합기(140)에 연결되어 있으며, 타 측의 두 포트는 가변 부하-1(Z1)과 가변 부하-2(Z2)에 각각 연결되어 있다.

커플러-3(130)은 일 측의 한 포트가 커플러-1(110)에 연결되어 있고 다른 포트는 전력 결합기(140)에 연결되어 있으며, 타 측의 두 포트는 가변 부하-3(Z3)과 가변 부하-4(Z4)에 각각 연결되어 있다.

전력 결합기(140)는 일 측의 한 포트가 커플러-2(110)에 연결되어 있고 다른 포트는 커플러-3(130)에 연결되어 있으며, 타 측의 출력 포트를 통해 빔포밍 제어 신호가 출력된다.

전력 결합기(140)의 출력 포트를 통해 출력되는 빔포밍 제어 신호의 진폭과 위상은 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)에 의해 결정된다. 그리고, 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)은 제어기(미도시)에 의해 조정/제어된다.

따라서, 제어기에 의해 에너지 하베스팅에 이용할 RF 신호의 수신을 위한 빔포밍을 제어하기 위한 빔포밍 제어 신호기 조정/제어된다고 할 수 있다. 빔포밍 제어 신호의 조정/제어는 빔포밍 제어 신호의 진폭, 위상 또는 진폭과 위상 모두를 제어하는 양상으로 이루어질 수 있다.

한편, 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)는 고해상도의 임피던스를 구현하기 위하여 binary-weighted 저항 어레이로 구성된 디지털 가변 부하들로 구현하는 것이 가능하다.

제어기에 의한 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 부하 값들의 제어는, 빔포밍 방향에 따라 해당 부하값들이 각각 매핑되어 있는 테이블을 참조로 이루어진다.

이를 테면, 도 3에 도시된 진폭/위상 관계들을 갖는 빔포밍 제어 신호들을 생성하기 위한 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 부하 값들을 테이블화 하여 이용할 수 있다. 도 3에 제시된 진폭/위상 관계들은 각각의 빔포밍 방향들을 결정하게 된다.

여기서, 진폭/위상이 해상도는, 가변 부하들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 해상도에 따라 결정된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 센서의 블록도이다. 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 센서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 통신부(210), 에너지 하베스터(220) 및 센서(230)를 포함하여 구축된다.

통신부(210)는 RF 신호를 수신하여 에너지 하베스터(220)로 전달한다. 통신부(210)는 빔포밍을 수행하기 위해, 내부에 도 2에 제시된 빔포밍 시스템이 구현/포함되어 있다.

에너지 하베스터(220)는 통신부(210)를 통해 전달되는 RF 신호로부터 에너지를 수확하고, 수확한 에너지를 센서(230)에 공급하여 센서(230)가 동작할 수 있도록 한다.

센서(230)는 물리량을 측정하여 해당 데이터를 생성하는 소자이다. 본 발명의 실시예에서 센서(230)의 종류에 대한 제한은 없다. 센서(230)에 의해 생성된 데이터는 통신부(210)를 통해 외부 단말로 전송될 수 있다.

지금까지, 빔포밍 기반 에너지 하베스팅 센서 및 이에 적합한 타입의 빔포밍 시스템에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 시스템은, 능동 소자인 위상 천이기와 감쇄기를 배제하고 수동 소자인 커플러, 전력 결합기 및 가변 부하로 구성하여, 전력 소모를 최소화하였다.

빔포밍 기반 에너지 하베스팅 센서를 실시하는 경우는 물론 이를 위한 빔포밍 시스템만을 실시하는 경우도 본 발명의 범주에 포함될 수 있음은 물론이며, 이 경우에 본 발명의 기술적 사상이 적용된다 할 것이다.

나아가, 센서 기능이 없는 빔포밍 기반 에너지 하베스팅 장치를 구현함에 있어서도, 본 발명의 실시예들에서 제시한 빔포밍 시스템이 적용될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예들에서 제시한 빔포밍 시스템이 통신부가 아닌 에너지 하베스터에 적용되는 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110, 120, 130 : 커플러(Coupler)
140 : 전력 결합기(Power Combiner)
Z1, Z2, Z3, Z4 : 가변 부하

Claims

발진 신호를 입력받는 제1 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러;
일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기; 및
전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 1에 있어서,
제어기는,
제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하여, 빔포밍 제어 신호의 위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 2에 있어서,
제어기는,
제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하여, 빔포밍 제어 신호의 진폭을 더 조정하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 1에 있어서,
빔포밍 제어 신호는,
에너지 하베스팅에 이용할 RF 신호의 수신을 위한 빔포밍을 제어하기 위한 신호인 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 1에 있어서,
제어기는,
제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하의 부하값이 빔포밍 방향에 따라 매핑되어 있는 테이블을 이용하여, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 1에 있어서,
제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하는,
디지털 가변 부하인 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 6에 있어서,
디지털 가변 부하는,
binary-weighted 저항 어레이로 구성된 부하인 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 1에 있어서,
제1 커플러, 제2 커플러 및 제3 커플러는,
90° 하이브리드 커플러인 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
청구항 8에 있어서,
제1 커플러, 제2 커플러 및 제3 커플러는,
Branch-Line 커플러인 것을 특징으로 하는 빔포밍 시스템.
RF 신호를 수신하는 통신부; 및
통신부를 통해 수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터;를 포함하고,
통신부는,
발진 신호를 입력받는 제1 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러;
일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기;
전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 장치.
RF 신호를 수신하는 통신부;
통신부를 통해 수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터; 및
에너지 하베스터로부터 에너지를 공급받아 동작하는 센서;를 포함하고,
통신부는,
발진 신호를 입력받는 제1 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러;
일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기;
전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 센서.
수신된 RF 신호로 에너지 하베스팅을 수행하는 에너지 하베스터; 및
에너지 하베스터로부터 에너지를 공급받아 동작하는 센서;를 포함하고,
에너지 하베스터는,
발진 신호를 입력받는 제1 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제1 가변 부하와 제2 가변 부하에 연결되는 제2 커플러;
일 측이 제1 커플러와 전력 결합기에 연결되고, 타 측이 제3 가변 부하와 제4 가변 부하에 연결되는 제3 커플러;
일 측이 제2 커플러와 제3 커플러에 연결되고, 타 측으로 빔포밍 제어 신호가 출력되는 전력 결합기;
전력 결합기의 빔포밍 제어 신호를 조정하기 위해, 제1 가변 부하, 제2 가변 부하, 제3 가변 부하 및 제4 가변 부하를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 센서.