KR20210055610A - 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 다수의 단위 무선 송신부를 이용하여 적용 대상 및 설계 환경 등에 따라 용이하게 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는, RF 신호를 발생하는 신호 발생기; 상기 RF 신호의 위상을 변환하는 위상 천이기; 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및 상기 RF 신호를 송출하는 안테나;가 일체로 결합되어 단일 모듈로 구현된 단위 무선 송신부;를 복수개 포함하여 구성되며, 요구 규격에 따라 상기 단위 무선 송신부의 개수 및 배치 구조를 조절하여 재구성 가능한 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치를 개시한다.

Description

재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치{RECONFIGURABLE MODULE TYPE WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS}

본 발명은 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 다수의 단위 무선 송신부를 이용하여 적용 대상 및 설계 환경 등에 따라 용이하게 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.

무선 전력 전송 기술은 전력 송신부와 전력 수신부 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술을 말한다. 보다 구체적인 무선 전력 전송 기술의 일 예로, 스마트폰이나 태블릿 등의 휴대 단말기에 무선으로 전력을 전송하여 충전하는 경우 등을 들 수 있다. 이와 같은 무선 전력 전송 기술은 휴대 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 지중 시설물, 건물, 휴대용 의료기기, 로봇, 드론, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 전망된다.

도 1은 종래 기술에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치와 상기 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치로 구성된다.

무선 전력 수신 장치는 무선 전력 신호와 다른 주파수 대역을 갖는 파일럿 신호를 무선 전력 송신 장치로 전송한다. 이때, 상기 파일럿 신호는 2.45GHz의 동작 주파수가 사용될 수 있다.

무선 전력 송신 장치는 파일럿 신호를 이용하여 전력 수신체의 위치를 검출하고, 상기 검출된 전력 수신체의 위치로 높은 파워를 갖는 무선전력 신호를 전송한다. 이때, 상기 무선전력 신호는 5.8GHz의 동작 주파수가 사용될 수 있다.

그런데, 종래의 무선 전력 전송 시스템에서 위상 배열 안테나를 이용하여 무선 전력 송신 장치를 구성하는 경우 안테나 개구면의 크기가 한 번 제작되면 영구적으로 고정되고, 적용 대상의 필요 전력 및 전송 거리 등의 설계 환경이 달라지면 효율이 변경되어 유연한 적용이 어렵다는 문제가 있다.

또한, 무선 전력 전송 시스템의 설계가 복잡하고 비용이 높아, 수 와트(w) 이하, 수 미터(m) 이내의 저전력 근거리 분야 활용 위해 전용 위상 배열 안테나 시스템을 개발 및 적용하기에는 비용이 매우 커 실용성이 떨어지는 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0041950호 (2019.04.23)

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 다수의 단위 무선 송신부를 이용하여 적용 대상 및 설계 환경 등에 따라 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치는, RF 신호를 발생하는 신호 발생기; 상기 RF 신호의 위상을 변환하는 위상 천이기; 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및 상기 RF 신호를 송출하는 안테나;가 일체로 결합되어 단일 모듈로 구현된 단위 무선 송신부;를 복수개 포함하여 구성되며, 요구 규격에 따라 상기 단위 무선 송신부의 개수 및 배치 구조를 조절하여 재구성 가능한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 단위 무선 송신부는, 상기 RF 신호를 복수의 신호로 분배하는 신호 분배기;를 더 포함하며, 상기 위상 천이기와 상기 전력 증폭기 및 상기 안테나를 복수개 구비할 수 있다.

또한, 상기 복수의 단위 무선 송신부의 동작을 제어하는 제어 모듈;을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어 모듈은, 상기 요구 규격과 상기 단위 무선 송신부의 개수 및 배치 구조를 고려하여, 상기 복수의 단위 무선 송신부의 동작을 제어할 수 있다.

또한, 상기 복수의 단위 무선 송신부는 각각 하나 이상의 단위 무선 송신부를 포함하는 복수의 RF 송신 모듈을 구성하고, 상기 제어 모듈은 상기 복수의 RF 송신 모듈을 각각 제어하는 복수의 제2 마스터 제어 모듈, 및 상기 복수의 제2 마스터 제어 모듈을 제어하는 제1 마스터 제어 모듈을 구비할 수 있다.

이때, 상기 각 단위 무선 송신부에는 슬레이브 제어부가 구비되며, 상기 제2 마스터 제어 모듈에서는 각 슬레이브 제어부로 제어 신호를 전송하여 각 단위 무선 송신부를 제어할 수 있다.

나아가, 상기 슬레이브 제어부에서는, 상기 신호 발생기, 상기 위상 천이기 및 상기 전력 증폭기로 제어 신호를 전송하여 제어할 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 따른 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일한 하드웨어 구조를 갖는 복수의 단위 무선 송신부들을 서로 인접 배치하여 다양한 적용 대상(전송거리, 필요전력, 정밀도) 및 설계 환경 등에 따라 용이하게 재구성 가능하다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 단위 무선 송신부를 대량 생산함으로써, 무선 전력 송신 장치의 생산성을 향상시킬 수 있고 그에 따라 제품 가격 감소 및 기술 저변을 확대할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 일반적인 무선 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치의 시제품을 예시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치의 적용 예를 설명하는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 다수의 단위 무선 송신부를 이용하여 적용 대상 및 설계 환경 등 무선 전력 전송 시스템의 요구 규격에 따라 용이하게 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치를 제안한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 일반적인 무선 전력 송신 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치(10)는 전원 모듈, 방열 모듈, 제어 모듈, 신호 생성기, 전력 분배기, 복수의 RF 처리부 및 위상 배열 안테나를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 RF 처리부는 위상 천이기, DA 컨버터 및 전력 증폭기를 포함할 수 있다.

이러한 무선 전력 송신 장치(10)는 하나의 신호 발생기에서 출력된 신호를 분기하여 안테나 채널 별로 위상 천이기 및 전력 증폭기를 거쳐서 위상 배열 안테나를 통해 방사하는 구조를 갖는다.

하지만, 위와 같은 일반적인 무선 전력 송신 장치에서, 위상 배열 안테나를 이용하여 무선 전력 송신 장치(10)를 구성하는 경우 안테나 개구면의 크기가 한 번 제작되면 영구적으로 고정되고, 적용 대상의 필요 전력 및 전송 거리 등의 설계 환경이 달라지면 효율이 변경되어 유연한 적용이 어렵다는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 단일 모듈 형태로 구현된 하나 이상의 단위 무선 송신부를 기반으로 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치를 제안한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3 에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)는, 제어 모듈(110), RF 송신 모듈(120), 전원 모듈(미도시) 및 방열 모듈(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 여러 모듈들 중 일부 모듈이 생략되거나 다른 모듈이 더 추가되어 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)를 구성할 수도 있다.

보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)는, RF 신호를 발생하는 신호 발생기(signal generator)(126); 상기 RF 신호의 위상을 변환하는 위상 천이기(phase shifter)(128a); 상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기(power amplifier)(128b) 및 상기 RF 신호를 송출하는 안테나(antenna)(129);가 일체로 결합되어 단일 모듈로 구현된 단위 무선 송신부(125);를 복수개 포함하여 구성되며, 요구 규격에 따라 상기 단위 무선 송신부(125)의 개수 및 배치 구조를 조절하여 재구성 가능한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 단위 무선 송신부(125)는, 상기 RF 신호를 복수의 신호로 분배하는 신호 분배기(splitter)(127);를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 신호 분배기에서 분배되는 신호에 맞추어 상기 위상 천이기(128a)와 상기 전력 증폭기(128b) 및 상기 안테나(129)를 복수개 구비할 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈(110)은 제1 서브 제어 모듈(111)과 제2 서브 제어 모듈(113)을 포함할 수 있다. 상기 제어 모듈(110)은 RF 송신 모듈(120)의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다.

또한, 상기 RF 송신 모듈(120)은 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 복수의 단위 무선 송신부(125)를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 단위 무선 송신부(125)는 서로 동일한 하드웨어 구조로 형성될 수 있다. 또한, 각각의 단위 무선 송신부(125)를 인접 배치하여 상위 모듈을 구현할 수도 있다.

가령, 도 4에 도시된 바와 같이, RF 송신 모듈(120)은 4 채널로 구성된 복수의 단위 무선 송신부(125)를 포함할 수 있다. 각각의 단위 무선 송신부(125)는 서로 동일한 하드웨어 구조를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 단위 무선 송신부(125)는 신호 발생기(126), 신호 분배기(127), 복수의 위상 천이기(128a), 복수의 전력 증폭기(128b) 및 위상 배열 안테나(129)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수의 위상 천이기(128a) 및 전력 증폭기(128b)의 개수는 상기 위상 배열 안테나(129)를 구성하는 복수의 안테나 소자들의 개수에 대응할 수 있다.

이때, 신호 발생기(126), 신호 분배기(127), 복수의 위상 천이기(128a), 복수의 전력 증폭기(128b) 및 위상 배열 안테나(129)가 일체로 결합되어 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현될 수 있으므로, 각각의 단위 무선 송신부(125)는 독립적으로 운용 가능하다.

따라서, 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 설계된 단위 무선 송신부들(125)의 물리적인 인접 배치를 통해 개구면이 확장된 능동 위상 배열 안테나를 용이하게 구현할 수 있다.

또한, 상기 신호 발생기(126)는 RF(Radio Frequency) 신호를 생성하여 신호 분배기(127)로 출력한다.

상기 신호 분배기(127)는 상기 RF 신호를 복수 개의 동일한 RF 신호로 분기하여 복수의 위상 천이기(128a)로 출력한다.

이에 따라, 각각의 위상 천이기(128a)는 위상 배열 안테나(129)를 구성하는 복수의 안테나 소자들의 빔 형성(beam forming)을 위한 위상을 조절한다.

또한, 각각의 전력 증폭기(128b)는 각각의 위상 천이기(128a)로부터 수신된 RF 신호를 증폭하여 각각의 안테나 소자로 출력한다. 각각의 안테나 소자는 상기 증폭된 RF 신호를 무선 전력 수신 장치의 방향으로 방사한다.

또한, 상기 제어 모듈(110)은, 상기 요구 규격과 상기 단위 무선 송신부(125)의 개수 및 배치 구조를 고려하여, 상기 복수의 단위 무선 송신부(125)의 동작을 제어하여, 상기 무선 전력 송신 장치(100)가 상기 요구 규격에 맞추어 동작하도록 제어할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 복수의 단위 무선 송신부(125)는 각각 하나 이상의 단위 무선 송신부(125)를 포함하는 복수의 RF 송신 모듈(120)을 구성하고, 이때 상기 제어 모듈(110)은 상기 복수의 RF 송신 모듈(120)을 각각 제어하는 복수의 제2 마스터 제어 모듈(113) 및 상기 복수의 제2 마스터 제어 모듈(113)을 제어하는 제1 마스터 제어 모듈(111)을 구비하여 구성될 수 있다.

이에 따라, 상기 각 단위 무선 송신부(125)에는 슬레이브 제어부(121)가 구비될 수 있으며, 이때 상기 제2 마스터 제어 모듈(113)에서는 각 슬레이브 제어부(121)로 제어 신호를 전송하여 각 단위 무선 송신부(125)를 제어할 수 있게 된다.

또한, 상기 슬레이브 제어부(121)에서는, 상기 신호 발생기(126), 상기 위상 천이기(128a) 및 상기 전력 증폭기(128b)로 제어 신호를 전송하여 상기 요구 규격에 따른 제어를 수행하게 된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)는 요구 규격에 따라 동일한 하드웨어 구조를 갖는 복수의 단위 무선 송신부(125)의 개수 및 배치 구조를 조절하여 줌으로써, 다양한 적용 대상(전송거리, 필요전력, 정밀도) 및 설계 환경 등에 따라 용이하게 무선 전력 송신 장치(100)를 재구성하는 것이 가능하다. 즉, 적용 대상 및 설계 환경 등에 따라 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 설계된 단위 무선 송신부(125)들의 수량 및 배치 구조를 적응적으로 가변 적용하여 요구 규격에 맞추어 재구성 가능한 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)를 구현할 수 있다.

가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 댁 내에 설치된 전자 기기들을 무선 충전하기 위한 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 공중을 비행하는 드론을 무선 충전하기 위한 모듈형 무선 전력 송신 장치(100)를 구현할 수도 있다.

또한, 본 발명은 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 설계된 단위 무선 송신부(125)를 이용함으로써, 에너지 전송 효율의 최적화를 위해 별도의 하드웨어 수정 없이 무선 전력 송신 장치(100)의 설계를 변경할 수 있다.

또한, 본 발명은 단일 모듈 또는 서브 모듈 형태로 구현된 단위 무선 송신부(125)를 대량 생산함으로써, 무선 전력 송신 장치(100)의 생산성을 향상시킬 수 있고 그에 따라 제품 가격 감소 및 기술 저변을 확대할 수 있다.

한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 모듈형 무선전력 송신장치 110: 제어 모듈
111: 제1 마스터 제어 모듈 113: 제2 마스터 제어 모듈
120: RF 송신 모듈 121: 슬레이브 제어부
125: 단위 무선 송신부 126: 신호발생기
127: 신호 분배기 128: RF 블록
128a: 위상 천이기 128b: 전력 증폭기
129: 안테나

Claims (7)

1. RF 신호를 발생하는 신호 발생기;
   상기 RF 신호의 위상을 변환하는 위상 천이기;
   상기 RF 신호를 증폭하는 전력 증폭기; 및
   상기 RF 신호를 송출하는 안테나;가 일체로 결합되어 단일 모듈로 구현된 단위 무선 송신부;를 복수개 포함하여 구성되며,
   요구 규격에 따라 상기 단위 무선 송신부의 개수 및 배치 구조를 조절하여 재구성 가능한 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위 무선 송신부는,
   상기 RF 신호를 복수의 신호로 분배하는 신호 분배기;를 더 포함하며,
   상기 위상 천이기와 상기 전력 증폭기 및 상기 안테나를 복수개 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 단위 무선 송신부의 동작을 제어하는 제어 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 모듈은,
   상기 요구 규격과 상기 단위 무선 송신부의 개수 및 배치 구조를 고려하여,
   상기 복수의 단위 무선 송신부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 단위 무선 송신부는 각각 하나 이상의 단위 무선 송신부를 포함하는 복수의 RF 송신 모듈을 구성하고,
   상기 제어 모듈은 상기 복수의 RF 송신 모듈을 각각 제어하는 복수의 제2 마스터 제어 모듈, 및
   상기 복수의 제2 마스터 제어 모듈을 제어하는 제1 마스터 제어 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 각 단위 무선 송신부에는 슬레이브 제어부가 구비되며,
   상기 제2 마스터 제어 모듈에서는 각 슬레이브 제어부로 제어 신호를 전송하여 각 단위 무선 송신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 슬레이브 제어부에서는,
   상기 신호 발생기, 상기 위상 천이기 및 상기 전력 증폭기로 제어 신호를 전송하여 제어하는 것을 특징으로 하는 모듈형 무선 전력 송신 장치.

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