KR20210104778A - 무선 전력 전달 어레이들에 대한 동적 포커싱 및 추적 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전달 어레이들을 포커싱하기 위한 무선 전력 전송 시스템들 및 방법들이 개시된다. 일 실시예는 프로세싱 시스템을 포함하는 무선 전력 생성 유닛(GU)을 포함하며, 무선 전력 생성 유닛(GU)은, 복수의 상이한 기저 마스크(basis mask)들 각각을 사용하여 복수의 스윕(sweep)들을 수행하기 위해 제어 신호들을 제어 회로부에 송신하고; RU에 의해 이루어지는 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함하는 메시지를 RU로부터 수신하고; 그리고 RU로부터의 수신된 메시지에 기초하여 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호를 송신함으로써, RF 전원들을 포커싱하도록 구성된다. 또한, 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함한다.
Description
본 출원은 "무선 전력 전달 어레이들에 대한 동적 포커싱 및 추적"이라는 명칭으로 2018년 12월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/781,514호를 우선권으로 주장하며, 그 개시내용은 전체가 인용으로 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 무선 전력 전달(wireless power transfer)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 빔포밍 및 포커싱을 사용하는 비-근접 무선 전력 전송(non-proximity wireless power transmission)에 관한 것이다.
RF(radio frequency) 및 밀리미터파(mm-wave) 빔포밍 및 포커싱의 사용을 통한 일정 거리에서의 비-근접 무선 전력 전송은 수많은 새로운 애플리케이션들을 활성화 및/또는 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 사물 인터넷(IoT) 디바이스들 및 센서들의 확산은, 이들에 무선으로 전력을 전달하고 그러한 디바이스들의 설치 동안 추가 배선에 대한 필요성을 제거함으로써, 상당히 가속화될 수 있다. 이러한 디바이스들의 실제 사용의 또 다른 예는, 스마트 폰들 및 태블릿들과 같은 휴대용 개인 디바이스들의 지속적 무선 충전이며, 이는, 그들의 유용성을 크게 향상시킬 수 있으며, (예를 들어, 배터리에서와 같이) 장기적으로 그러한 디바이스들이 전달해야 하는 에너지 양에 대한 수요를 감소시킬 수 있다. 위에서 설명된 디바이스들 외에, 무선 마우스 또는 키보드로부터 서모스탯(thermostat)들, 보안 센서들 및 카메라들에 이르는 범위의 다른 많은 소형 디바이스들이 무선 전력 전달의 혜택(이들을 플러그에 꽂거나 이들의 배터리들을 교체할 필요가 없을 수 있음)을 받을 수 있다.
엘리먼트들의 어레이를 사용하여 무선 전력 전달을 수행하는 경우, 전송된 신호들의 위상들이 디바이스에 구조상으로 추가될 때 효율이 가장 높다. 전송기 엘리먼트들의 위상들을 결정하기 위해 제안된 한 가지 접근방식은, 충전될 장치가 파일럿 신호를 전송하게 하는 것이다. 각각의 전송기는 수신된 파일럿 신호의 위상을 기록하고 해당 공액 위상(conjugated phase)을 계산할 수 있으며, 이는 이후 RF 신호를 전송하는 데 사용할 수 있다. 이 접근방식을 구현하기 위해, 충전중인 디바이스는, 전송기에 의해 무선 전력을 전송하는 데 사용되는 주파수와 매칭되는 주파수인 파일럿 신호를 생성하도록 회로부를 구현해야 한다. 전송기는 또한, 전송 안테나 엘리먼트 당 적어도 하나의 수신기를 가져야하므로, 시스템의 복잡성이 더욱 가중된다. 이에 따라, 그러한 시스템들은 전송기뿐만 아니라 수신기 둘 다에서 비교적 높은 복잡성을 수반한다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템들 및 방법들은, 무선 전원들의 어레이 내의 엘리먼트들의 그룹들에 위상 및/또는 진폭 스윕(sweep)들을 적용함으로써 무선 전력 전달들을 수행한다. 충전 디바이스에서 최대 전력을 발생시키는 무선 전원들의 위상들 및/또는 진폭들의 조합이 존재할 수 있지만, 이러한 조합(즉, 정해진 위치 및 배향에 대한 최적화)을 찾는 것은 일반적으로 난제시되는 업무이다.
무선 전력 전달을 위한 정해진 위치에 최대 전력을 전달하는 위상 세팅(phase setting)들을 찾기 위해 여러 접근방식들이 사용될 수 있다. 하나의 접근방식은, 각각의 엘리먼트의 위상 세팅들을 개별적으로 스윕하는 것이며, 동시에 다른 엘리먼트들은 일정한 위상으로 유지된다. 이 접근방식에서는, 충전 디바이스에 의해 수신된 전력이 모니터링되고 가장 높은 수신 전력을 갖는 위상 세팅의 인덱스가 기록된다. 그런 다음, 이 충전 디바이스는 각각의 스윕 또는 미리결정된 수의 스윕들 후에 피드백을 전송할 수 있다. 이 피드백에 기초하여, 엘리먼트들의 위상 세팅들이 가장 큰 전력을 생성한 스윕된 엘리먼트들의 위상들로 조정될 수 있으며, 프로세스는 나머지 엘리먼트들의 스윕을 계속한다. 위상이 스윕됨에 따른 전력 동요들은 하나의 엘리먼트와 나머지 엘리먼트들 간의 간섭으로 인한 것일 수 있기 때문에, 이 접근방식은, 특히 큰 어레이가 수반되는 경우, 충전 디바이스에서 수신 전력에 작은 변동들을 초래할 수 있다. 실제로, 잡음과 간섭으로 인해, 검출된 신호에서의 에러는 상당히 클 수 있으며 수신 전력 측정들의 동적 범위 및 정확도에 있어 상당한 감소를 초래할 수 있다. 또한, 위상의 미세 조정은, 잡음과 간섭에 의해 거의 완전히 마스킹되어 에러들을 초래할 수 있는, 수신 디바이스의 전력에서의 훨씬 더 작은 변화들로 인해 더욱 방해받게 될 수 있다. 이러한 접근방식들의 또 다른 난제는, 실제로, 위상들이 개별적이고 독립적으로 최적화된 경우더라도, 엘리먼트들 간의 커플링(때때로, 위상 풀링(phase pulling) 또는 단순히 풀링으로 지칭된)이 바람직하지 않은 프로젝션(projection)들 및 결함들을 생성할 수 있다는 것이다. 또한, 엘리먼트들의 위상을 한 번에 하나씩 변경하는 접근방식은 더 큰 어레이에 대해 제대로 잘 스케일링되지 않는다. 이를 예시하기 위해, 각각의 엘리먼트의 위상이 8-비트(1 바이트) 워드로 결정되는 100개의 엘리먼트들을 갖는 어레이를 고려한다. 이러한 시스템에서 가능한 위상 조합들의 수는 다음과 같다:
이렇게 하는 것은 가능한 모든 조합들을 서치하게 하지만, 불가능하다. 초당 100만 개의 조합을 시도하는 레이트더라도, 이는 3×10226 년, 즉 우주 예상 수명의 3×10216 배가 걸릴 것이다. 따라서, 최적의 전력 전달을 위한 적절한 위상 조합을 찾기 위한 보다 효율적인 접근방식들이 필요하다.
본 발명의 다수의 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템들은, 적응적이며 동적인, 효율적인 위상 상태를 식별하기 위한 프로세스를 사용한다. 다수의 실시예들에서, 이 프로세스는, 최적의 전력 전달 세팅들을 식별하기 위한 연속적인 반복들 동안 엘리먼트들의 어레이 내의 엘리먼트들의 그룹들에 위상 및/또는 전력 스윕들을 적용하는 방식을 결정하기 위해 한 세트의 기저 마스크(basis mask)들을 활용한다. 이런 식으로, 어레이의 엘리먼트들에 대한 위상 (및 진폭) 세팅들이 최대 수신 전력으로 조정될 수 있다. 위상 및/또는 진폭 스윕들이 적용될 때, 수신 전력의 측정들은 충전 디바이스에 의해 수행되며 무선 전원에 주기적인 보고들을 송신하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템들은, 더 높은 동적 범위 및 다층 적응적 특성들로 인해 잡음이 많고 간섭이 발생하기 쉬운 환경들에서 신뢰성있게 동작한다. 이들은 또한, 실내 및 다른 지상 애플리케이션들에서 두드러질 수 있는 다중 경로 환경들에 매우 적합할 수 있다. 또한, 적응적으로 동작하는 그의 옵션으로 인해, 수렴 시간은 상당히 짧아지면서 RU에서 훨씬 더 높은 수신 전력들을 생성할 수 있다. 환경 및 시스템 비이상성들(nonidealities)(이를테면, 커플링 및 풀링)에 대한 접근방식의 견고성과 신뢰성은 또한, 정의된 최적화 기저 마스크들에서의 개별 핵심 값(core value)들의 융합(blending)으로 인해 더 높을 수 있다. 개시된 발명은, 함께 작동할 수 있고 특정 순서없이 아래에서 논의되는 여러 양상들을 갖는다.
일 실시예는, 무선 전력 생성 유닛(GU: generating unit)을 포함하며, 무선 전력 생성 유닛(GU)은, 복수의 RF 전원들 ―RF 전원들은 동기화되고 각각의 RF 전원은 적어도 하나의 안테나 엘리먼트를 포함함―; 적어도 RF 전원들의 위상들을 조정하도록 구성된 제어 회로부; 제어 회로부를 통해, 적어도 RF 전원들의 위상을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 프로세싱 시스템; 및 적어도 하나의 복구 유닛(RU: recovery unit)으로부터 메시지들을 수신하도록 구성된 수신기를 포함한다. 또한, 프로세싱 시스템은, 복수의 상이한 기저 마스크들 각각을 사용하여 복수의 스윕들을 수행하기 위해 제어 신호들을 제어 회로부에 송신하고; 수신기를 통해 RU로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하고 ―적어도 하나의 메시지 각각은, 복수의 스윕들 중 적어도 하나 동안 RU에 의해 이루어지는 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함―; RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호들을 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써, RF 전원들을 포커싱하도록 구성된다. 또한, 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함한다.
추가 실시예에서, RF 전원들 중 적어도 하나의 제어 회로부는 또한, RF 전원의 진폭을 조정하도록 구성되고; 그리고 스윕은 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 진폭 스텝 증분들로 진폭 스윕 범위에 걸쳐 진폭 스윕을 수행하는 것을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 복수의 RF 전원들의 제어 회로부는 또한, RF 전원들의 분극(polarization)을 조정하도록 구성되고; 그리고 스윕은 RF 전원들의 각각의 분극에 대해 위상 스윕을 수행하는 것을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 각각의 위상 스윕은 위상 스윕 동안 기저 마스크에서 식별된 제2 그룹의 RF 전원들의 위상 오프셋을 유지하는 것을 더 포함하고, 제2 그룹의 RF 전원들은 제1 그룹으로부터의 RF 전원들 중 어느 것도 포함하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 각각의 위상 스윕은 기저 마스크에서 식별된 제2 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 네거티브 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 반대 위상 스윕을 동시에 수행하는 것을 더 포함하고, 제2 그룹의 RF 전원들은 제1 그룹으로부터의 RF 전원들 중 어느 것도 포함하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 프로세싱 시스템은 추가로, RF 전원들을 사용하여 동기화 펄스를 생성하기 위해 제어 신호들을 제어 회로부에 송신함으로써 적어도 하나의 위상 스윕을 시작하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 복수의 상이한 기저 마스크들로부터의 기저 마스크들의 크기는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
다시 추가 실시예에서, 위상 스윕 범위는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
다시 다른 실시예에서, 복수의 위상 스윕들 동안: 기저 마스크들의 크기는 증가하고; 그리고 위상 스윕 범위의 크기는 감소한다.
추가의 부가 실시예에서, 위상 스텝 증분은 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
또 다른 추가 실시예에서, 위상 스윕 범위는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
또 다른 실시예에서, 위상 스텝 증분은 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
다시 또 추가 실시예에서, 복수의 상이한 기저 마스크들은 직교하는 한 세트의 기저 마스크들을 포함한다.
다시 또 다른 실시예에서, 복수의 상이한 기저 마스크들은 거의 직교하는 한 세트의 기저 마스크들을 포함한다.
또 추가의 부가 실시예에서, 적어도 하나의 메시지는 복수의 메시지를 포함하고, 이는 상이한 수들의 스윕들 동안 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고들을 포함한다.
또 다른 부가 실시예에서, 프로세싱 시스템은 추가로: RU에서의 수신 전력의 감소를 지시하는 메시지를 수신기를 통해 RU로부터 수신하고; RF 전원들의 포커스에 기초하여 위치를 결정하고; 결정된 위치에 근접한 위치들의 시퀀스에 있는 RF 전원들을 포커싱하는 것을 포함하는 포커싱 시퀀스를 수행하기 위해, RF 전원들의 위상들을 조정하기 위해 제어 신호들을 제어 회로부에 송신하고; 수신기를 통해 RU로부터 적어도 하나의 새로운 메시지를 수신하고 ―적어도 하나의 메시지 각각은 포커싱 시퀀스의 적어도 일부 동안 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함―; 그리고 RU로부터 수신된 적어도 하나의 새로운 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 RF 전원들의 포커스를 업데이트하기 위해 제어 신호들을 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써, 안내된 서치를 수행하도록 구성된다.
다시 다른 추가 실시예에서, RU에서의 수신 전력의 감소를 지시하는, RU로부터의 메시지는 또한, 관성 측정 유닛을 사용하여 이루어진 적어도 하나의 측정에 기초한 추적 데이터를 포함하고; 그리고 안내된 서치 동안 RF 전원들이 포커싱되는 결정된 위치에 근접한 위치들의 시퀀스는 추적 데이터에 기초하여 적어도 부분적으로 선택된다.
다시 또 다른 실시예에서, RU는 코히어런트 수신기(coherent receiver)를 포함하고 진폭 및 위상 정보를 측정하도록 구성되며; 그리고 프로세싱 시스템은, RU에 의해 측정된 진폭 및 위상 정보를 포함하는 적어도 하나의 메시지를 수신기를 통해 수신하고; 그리고 RU에 의해 측정된 진폭 및 위상 정보를 포함하는 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 적어도 RF 전원들의 위상들을 업데이트하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는, 무선 전력 생성 유닛(GU)을 포함하며, 무선 전력 생성 유닛(GU)은, 복수의 RF 전원들 ―RF 전원들은 동기화되고 각각의 RF 전원은 적어도 하나의 안테나 엘리먼트를 포함함―; 적어도 RF 전원들의 위상들을 조정하도록 구성된 제어 회로부; 제어 회로부를 통해, 적어도 RF 전원들의 위상을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 프로세싱 시스템; 및 적어도 하나의 복구 유닛(RU)으로부터 메시지들을 수신하도록 구성된 수신기를 포함한다. 또한, 프로세싱 시스템은, 복수의 상이한 기저 마스크들 각각을 사용하여 복수의 스윕들을 수행하기 위해 제어 신호들을 제어 회로부에 송신하고; 수신기를 통해 RU로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하고 ―적어도 하나의 메시지 각각은, 복수의 스윕들 중 적어도 하나 동안 RU에 의해 이루어지는 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함―; 그리고 RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호들을 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써, RF 전원들을 포커싱하도록 구성된다. 또한, 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함한다. 추가로, 복수의 상이한 기저 마스크들로부터의 기저 마스크들의 크기는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되고, 위상 스윕 범위는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되고, 그리고 위상 스텝 증분은 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경된다.
무선 전력 전달을 수행하기 위한 본 발명의 방법의 실시예는, 복수의 상이한 기저 마스크들 각각을 사용하여 RF 전원들의 복수의 스윕들을 수행하기 위해 제어 신호들을 복수의 RF 전원들을 포함하는 무선 전력 생성 유닛(GU)의 제어 회로부에 송신하는 단계; GU의 수신기를 통해 복구 유닛(RU)로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하는 단계 ―적어도 하나의 메시지 각각은 복수의 스윕들 중 적어도 하나 스윕 동안 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함―; 및RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호들을 GU의 제어 회로부에 송신하는 단계를 포함한다. 또한, 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 시스템에 대한 일반적인 아키텍처를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 단일 기준 신호로부터 독립적으로 제어된 위상들을 갖는 다수의 RF 출력들을 생성하기 위해 GU 내에서 활용될 수 있는 하드웨어 제어기를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 기저 마스크들을 사용하여 위상 스윕들을 수행함으로써 특정 RU에 무선 전력 전달을 포커싱할 수 있는 방식을 개념적으로 예시한다.
도 4는 실시예에 따라 적어도 하나의 RU에 의해 보고된 수신 전력의 측정들에 기초하여 안테나 어레이의 엘리먼트들에 대한 위상 오프셋들을 결정하는 포커싱 프로세스를 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전달 동안 GU와 RU 간의 통신을 예시하는 통신 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코히어런트 수신기를 통합한 RU를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 기저 마스크들을 생성하기 위해 기저 함수들이 활용될 수 있는 방식의 간단한 예를 개념적으로 예시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 바이너리 마스크의 적용을 개념적으로 예시한다.
도 9는 4×4 어레이에 대한 완전 및 직교 마스크 세트를 예시한다.
도 10은 5×7 어레이에 대한 마스크 세트를 예시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 GU 어레이의 세그먼트화를 예시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 프로세스를 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 의사코드(pseudocode)이다.
도 13a-도 13c는 도 12에 도시된 의사코드와 유사한 방식으로 구현되는 무선 전달 프로세스와 종래의 무선 전력 전달 프로세스들을 비교하는, 측정들을 포함한 차트들이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 단일 기준 신호로부터 독립적으로 제어된 위상들을 갖는 다수의 RF 출력들을 생성하기 위해 GU 내에서 활용될 수 있는 하드웨어 제어기를 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 기저 마스크들을 사용하여 위상 스윕들을 수행함으로써 특정 RU에 무선 전력 전달을 포커싱할 수 있는 방식을 개념적으로 예시한다.
도 4는 실시예에 따라 적어도 하나의 RU에 의해 보고된 수신 전력의 측정들에 기초하여 안테나 어레이의 엘리먼트들에 대한 위상 오프셋들을 결정하는 포커싱 프로세스를 예시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전달 동안 GU와 RU 간의 통신을 예시하는 통신 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코히어런트 수신기를 통합한 RU를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 기저 마스크들을 생성하기 위해 기저 함수들이 활용될 수 있는 방식의 간단한 예를 개념적으로 예시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 바이너리 마스크의 적용을 개념적으로 예시한다.
도 9는 4×4 어레이에 대한 완전 및 직교 마스크 세트를 예시한다.
도 10은 5×7 어레이에 대한 마스크 세트를 예시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 GU 어레이의 세그먼트화를 예시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 프로세스를 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 의사코드(pseudocode)이다.
도 13a-도 13c는 도 12에 도시된 의사코드와 유사한 방식으로 구현되는 무선 전달 프로세스와 종래의 무선 전력 전달 프로세스들을 비교하는, 측정들을 포함한 차트들이다.
이제 도면을 참조로, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 무선 전력 전달 어레이들을 포커싱하기 위한 무선 전력 전달 시스템들 및 방법들이 예시된다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템들은, (이로 제한되는 것은 아니지만) 프로세싱 능력, 하드웨어 인터페이스들 및/또는 통신 능력들과 같은 다양한 다른 기능들 외에도, 다수의 동기화된 RF 전원들(RF 소스들) 및 안테나들을 포함할 수 있는 하나 이상의 무선 전력 생성 유닛(GU)들을 포함한다. 많은 실시예들에서, 각각의 GU는, 하나 이상의 복구 유닛(들)(RU)이 존재하는 공간에서의 특정 위치 또는 다수의 위치들에서 보강 간섭(constructive interference)을 허용하도록, 각각의 전송된 RF 소스의 위상을 조정할 수 있는 회로부를 포함한다. 특정 실시예들에서, GU는 또한, 각각의 전송된 RF 소스의 진폭을 조정할 수 있다. GU가 RF 소스들의 위상에 추가하여 진폭을 조정할 수 있는 실시예들에서, GU는 다수의 빔을 생성하여, GU가 GU의 시야(field of vie) 내의 상이한 위치들에 있는 다수의 RU들에 전력을 동시에 전달할 수 있게 된다. 여러 실시예들에서, 복구 유닛(RU)은 전력 복구 안테나(렉테나(rectenna)) 또는 렉테나 어레이를 포함하고 그리고 또한, 다른 능력들 중에서, 추가 측정, 프로세싱 및/또는 통신 능력들을 포함할 수 있다.
전력 전송을 효율적으로 수행하기 위해, 본 발명의 많은 실시예들에 따른 GU는 상이한 방향들 및 배향들로 전력을 전송 및 전달할 수 있고 그리고 또한, 방향 및 배향을 신속하고 효과적으로 변경할 수 있다. 주어진 RU 위치 및 배향에 대한 에너지 집중(energy concentration)을 최대화하는, GU에 대한 RF 전원들의 위상들의 조합이 존재한다. 무선 전력 전달 시스템의 중요한 성능 파라미터는 포커싱 시간일 수 있는데, 즉 RU가 처음에 전력을 요청할 때, RU(또는 GU)의 위치가 변할 때, 그리고/또는 다른 시스템 파라미터들이 변할 때, 전력 전달 세팅에 관한 결정을 찾을 수 있는 속도일 수 있다. 프로세싱 시간이 충분히 짧으면, 실시간 RU 추적이 달성될 수 있고, 시스템은, 시스템이 실시간 RU 추적을 효과적으로 수행하고 RU로의 전력 전달이 결코 중단되지 않는 충분히 빠른 레이트로 한 세트의 효율적인 전력 전달 세팅을 동적으로 재계산한다.
여러 실시예들에서, 전력 전달 세팅을 결정하기 위한 프로세스는 GU의 안테나 어레이 내의 엘리먼트들의 그룹들에 위상 및/또는 진폭 스윕들을 적용하고, 그리고 스윕들이 적용된 엘리먼트들에 대한 위상 및/또는 진폭을 선택하기 위해 수신 전력에 관한, 하나 이상의 RU들로부터의 주기적 피드백을 활용한다. 안테나 어레이의 엘리먼트들의 그룹들에 위상 및/또는 진폭 스윕들을 적용함으로써, 스윕 동안 RU에서 수신 전력의 동적 범위에서의 더 큰 변동이 관찰될 수 있다. 이에 따라, 관찰된 변동들은 시스템 내의 잡음을 크게 초과할 수 있어, 무선 전력 전달의 효율성을 극대화를 산출하는 위상 및/또는 진폭 세팅들의 조합을 보다 정확하게 식별하게 한다. 스윕들이 적용되는 엘리먼트들의 연속적 그룹들이 적절하게 선택되면, 한 번에 하나의 엘리먼트의 세팅들을 수정함으로써 달성될 수 있는 것보다 더 신속하게 그리고 더 신뢰성 있게 효율적인 전력 전달 세팅 세트가 식별될 수 있다. 다수의 RU들이 존재하고 GU가 진폭 및 위상을 스윕할 수 있는 경우, GU는 위에서 설명된 방식으로 스윕들을 사용하여 각각의 RU에서 수신 전력을 최대화하는 진폭 및 위상 세팅들을 개별적으로 결정할 수 있다. 각각의 RU에 대해 개별적으로 결정된 진폭 및 위상 상태들의 결과적인 복소수 합(complex sum)은, 두 RU들 모두에 포커싱된 무선 전력을 동시에 전달하는 데 활용될 수 있다.
무선 전력 전달의 맥락에서, 다양한 여러 전력 전달 세팅들이 효율적인 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 효율적인 전력 전달 세팅들은, 사실상 최적인(즉, RU에서 최고 레벨의 전력 전달 효율성/최대 수신 전력 달성) 전력 전달 세팅들일 수 있다. 여러 실시예들에서, 효율적인 전력 전달 세팅들은, 특정 시간 기간 및/또는 계산량(amount of computation) 내에서 식별될 수 있는 가장 효율적인 전력 전달 세팅들인 전력 전달 세팅들이다. 다수의 실시예들에서, 효율적인 전력 전달 세팅들은 무선 전력 전달 최대화 프로세스 동안 식별된 포커싱 기준을 만족하는 제1 전력 전달 세팅들일 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전달 최대화 프로세스에 의해 선택된 전력 전달 세팅들이 반드시 전역적 최적(global optimum)(즉, 가능한 모든 전력 전달 세팅들 중 최상)이 아라는 것을 인식해야 한다. 정반대로, 무선 전력 전달 최대화 프로세스에 의해 선택된 전력 전달 세팅들은 일반적으로 차선책이다. 따라서, 본원에서 최대화 및/또는 최적인 것으로서의 전력 전달 세팅들에 대한 참조가 반드시 전역적 최적 전력 전달 세팅들을 지칭하는 것이 아니라, 무선 전력 전달을 수행하도록 안테나 어레이를 구성하는 데 적합한, 무선 전력 전달 프로세스에 의해 설정된 기준을 충족하는 임의의 전력 전달 세팅들을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 실제, 무선 전력 전달 프로세스는 사실상, 안테나 어레이 내의 엘리먼트들의 그룹들에 대한 위상 및/또는 진폭 스윕들의 적용을 통해, 다수의 잠재적 전력 전달 세팅들을 최적인 것으로 식별할 수 있으며, GU는 정해진 애플리케이션의 요구조건들에 가장 적합한 특정 전력 전달 세팅들을 결정할 수 있다.
다수의 실시예들에서, 위상 및/또는 진폭 스윕들이 GU의 안테나 어레이 내의 엘리먼트들의 그룹들에 적용되는 방식은 일련의 기저 마스크들에 기초하여 결정된다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 기저 마스크들은, 무선 전력 전달 최대화 프로세스가 GU의 모든 가능한 전력 전달 세팅들을 탐색할 수 있게 할 수 있다(즉, 기저 마스크들은 GU의 전력 전달 세팅들에 대한 완전 기저(complete basis)를 형성한다). 여러 실시예들에서, 기저 마스크들은 오직, GU의 모든 가능한 전력 전달 세팅들 서브세트의 효율적인 탐색만 가능하게 한다(즉, 기저 마스크들은 GU의 전력 전달 세팅들에 대한 불완전 기저(incomplete basis)를 형성한다). 불완전 기저를 형성하는 기저 마스크들의 사용은, GU에 대한 가능한 모든 전력 전달 세팅들의 서브세트 내에서만 서치함으로써 높은 신뢰도로 전역적 최적 또는 근-최적(near-optimal) 전력 전달 세팅들이 신속하게 획득될 수 있음을 이전 정보가 보장할 수 있는 상황들에서 유리할 수 있다. 많은 실시예들에서, 기저 마스크들은, (일부 애플리케이션들에서) 무선 전력 전달 최대화 프로세스의 구현을 단순화할 수 있는 직교 또는 거의 직교 기저를 형성한다.
기저 마스크 세트들은 GU의 안테나 어레이의 전체 크기에 적용할 필요가 없다. 다수의 실시예들에서, 어레이는 더 작은 세그먼트들로 분할되며, 각각의 세그먼트 내에서, 적절한 기저 마스크들의 세트는 위상 스윕들이 특정 위상 시프터들에 적용되는 방식을 결정한다. 여러 실시예들에서, 세그먼트들의 크기, 각각의 세그먼트에 적용되는 기저 마스크 세트들, 위상 스윕들의 위상 스윕 범위들 및 위상 스텝들의 수(또는 위상 스텝 증분)는, 교정 루프의 상이한 전체 반복들 내에서 모두 다를 수 있다.
다수의 실시예들에서, 전체 포커싱 프로세스는, GU의 안테나 어레이의 각각의 세그먼트에 대해 한 세트의 마스크들을 사용하여 위상 및/또는 진폭 스윕들을 수행하는 프로세스의 한번 또는 다수의 반복들을 수반한다. 반복들 동안, GU는, 하나 이상의 RU들로부터, 수신 전력의 측정들에 기초하여 보고들을 주기적으로 수신할 수 있다. 그런 다음, 이러한 보고들이 GU에 의해 사용되어, 측정들이 이루어진 기간 동안 발생한 스윕들의 대상이었던 엘리먼트들의 위상 세팅들이 업데이트될 수 있다. 각각의 통신 간격 내에서 보고되는 스윕들 수는 통신 실행 길이(CRL: communication run length)로 지칭될 수 있다. CRL의 길이는 통상적으로, 시스템 내에서 예상되는 통신 대기시간에 의존한다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 스윕들이 수행되는 방식은, 스윕들이 독립적으로 수행되어 더 긴 CRL들을 허용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 루프는 랜덤한 초기 상태에서 시작하거나, 이전에 평가된 전력 전달 세팅들을 사용하거나, 또는 RU의 추정된 또는 보고된 위치에 해당하는 전력 전달 세팅들을 시작점으로 사용하여, 특정 효율성 기준을 충족하는 전력 전달 세팅들에 대한 더 빠른 수렴을 획득할 수 있다(예를 들어, RU에서의 수신 전력 최대화). 각각의 반복에서, 위상 및/또는 진폭 스윕 범위, 위상 및/또는 진폭 스텝 증분 및 세그먼트 크기들이 변경될 수 있다. 더 큰 위상 및/또는 진폭 스텝 증분들은 더 적은 수의 수신 전력 측정들이 RU에서 캡처되도록 하여, 동작 속도를 높이고 복잡성을 낮출 수 있다. 위상 및/또는 진폭 스윕 범위를 감소시키는 것은, GU의 안테나 어레이 내의 특정 엘리먼트들에 적용되는 위상 및/또는 진폭 오프셋들을 정제(refine)할 수 있다. 많은 실시예들에서, 위상 및/또는 진폭 스윕 범위의 감소들은 최적화의 나중 스테이지들에서 발생할 수 있으며, 여기서 무선 전력 전달 최대화 프로세스는 전력 전달 세팅들의 미세 조정을 효과적으로 수행한다. 많은 실시예들에서, 상대적으로 더 큰 위상 및/또는 진폭 스윕 범위와 함께 초기 반복들에서 더 작은 세그먼트 크기들이 사용될 수 있다. 서로에 대한 엘리먼트들의 위상 및/또는 진폭의 큰 변화들로 인해, RU에서의 수신 전력의 큰 변화가 관찰될 수 있으며, 동적 범위가 클수록 각각의 스텝에서 더 적은 수의 엘리먼트들이 변경되게 한다(예를 들어, 더 작은 세그먼트 크기들). 다수의 실시예들에서, 메인 루프가 진행되고 개략적(coarse) 위상 및/또는 진폭 조정이 더 미세한 조정 (예를 들어, 더 작은 위상 및/또는 진폭 스윕 범위들)으로 전환됨에 따라, RU에서의 수신 전력의 동적 범위의 변동이 더 작아질 수 있고, 더 많은 수의 엘리먼트들이 더 작은 PSR에도 불구하고 더 많은 양의 수신 전력을 생성할 수 있기 때문에 더 큰 세그먼트화들(잠재적으로 최대 어레이 크기까지)이 활용될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 포커싱 프로세스가 구성되는 특정 방식은 주로, 특정 무선 전력 전달 시스템들의 요구조건들에 의존한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 선택하기 위한 무선 전력 전달 시스템 및 프로세스가 아래에서 추가로 논의된다.
무선 전력 전달 시스템
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템들 및 방법들은 다수의 RF 전원들을 포함하는 다양한 무선 전력 전달 아키텍처들 중 임의의 것을 활용할 수 있다. 이에 따라, 본원에 설명된 시스템들 및 방법들은 임의의 특정 무선 전력 전달 아키텍처로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 정반대로, 무선 전력 전달을 위해 본원에 설명된 방법들은 위상 및/또는 진폭 제어를 활용하여 다수의 RF 전원들로부터의 RF 전력의 포커싱을 수행하는 임의의 무선 전력 전달 시스템에 적응할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 시스템에 대한 일반적인 아키텍처가 도 1에 개념적으로 예시된다. 무선 전력 전달 시스템(100)은 전력을 적어도 하나의 RU(104)에 전송하는 적어도 하나의 GU(102)를 포함한다. GU(102)는 안테나 어레이(106)를 포함한다. 안테나 어레이(106)의 각각의 엘리먼트에 의해 전송되는 RF 신호의 위상 및/또는 진폭은 하드웨어 제어기(108)에 의해 제어될 수 있다. 여러 실시예들에서, 하드웨어 제어기는 각각의 엘리먼트에 의해 전송되는 RF 신호들의 위상을 개별적으로 제어하는 것으로 제한된다.
본 발명의 실시예에 따라 단일 기준 신호로부터 독립적으로 제어된 위상들을 갖는 다수의 RF 출력들을 생성하기 위해 GU 내에서 활용될 수 있는 하드웨어 제어기가 도 2에 예시된다. 하드웨어 제어기(200)는, (이로 제한되는 것은 아니지만) 추가 위상 제어기를 갖는 위상 고정 루프(PLL: phased-locked loop)와 같은 상이한 위상 제어 메커니즘들을 사용하여 엘리먼트들 각각의 위상 세팅을 독립적으로 제어할 수 있다. 그러한 PLL은 또한, 클록 곱셈을 수행할 수 있고 클록 곱셈기 유닛(CMU: clock multiplier unit)(202)으로 지칭될 수 있다. 위상 시프트를 위해 CMU(202)가 사용되는 경우, 각각의 CMU는 디지털 스텝들을 통해 하나의 전송 엘리먼트의 위상을 독립적으로 제어할 수 있다. 각각의 CMU는, 기준 클럭 신호를 입력으로 수신하고 기준 클럭 신호의 곱셈 버전(즉, 기준 신호의 배수인 주파수를 갖는 신호)에 위상 시프트를 적용한다. 예시된 실시예에서, CMU들(202)은 2.5GHz CLK_in 신호를 수신하고 위상 시프트된 10GHz 신호를 출력한다. 고속 위상 제어 회로(204)를 사용하여 추가의 위상 제어가 적용될 수 있다. 고속 위상 제어 회로(204)는 데이터 신호를 전송된 무선 전력 신호로 변조하는 데 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 위상 시프트 키잉 또는 직교 위상 시프트 키잉 변조 방식과 같은 변조 방식이 활용될 수 있다. 여러 실시예들에서, (이로 제한되는 것은 아니지만) 직교 진폭 변조를 포함하는 더 복잡한 변조 방식들의 사용을 허용할 수 있는 고속 진폭 제어 회로가 또한 제공될 수 있다. 그런 다음, 별도의 전력 증폭기(206)가 안테나 어레이의 엘리먼트들 각각에 RF 신호들을 출력한다.
예시된 실시예에서, 하드웨어 제어기(200)는 전력 증폭기들의 출력 전력의 측정을 가능하게 하는 추가의 하드웨어를 포함한다. 구체적으로, 멀티플렉서(208)는 아날로그-디지털 변환기(210)가 전력 증폭기들 각각으로부터 센서 출력 신호를 측정하는 것을 가능하게 한다. 디지털화된 출력이 GU의 프로세싱 시스템에 제공되어, 안테나 어레이의 개별 엘리먼트들에 의해 전달되는 출력 전력을 모니터링하는 것을 가능하게 할 수 있다.
개별 엘리먼트들의 위상들을 변경하는 것 외에도, 제어 메커니즘은 또한, 개별 엘리먼트들의 진폭들을 독립적으로 또는 위상 세팅들과 함께 변경할 수 있다. GU 엘리먼트들의 진폭을 변경하는 것은, 복구를 위해 RU가 이용할있는 전체 에너지의 추가적 개선 및 전력 유출(spill over)의 추가적 최소화를 허용할 수 있다. 본원에서 논의된 방법들 및 절차들은 일반적으로, 주로 한 맥락에서 또는 다른 맥락에서 논의된 경우라도, 위상 및 진폭 둘 다를 제어하는 데 적용할 수 있다.
다시 도 1에 예시된 GU(102)를 참조하면, GU의 기능들은 CPU 및 메모리 시스템, DSP(Digital Signal Process), GPU(Graphics Processing Unit), 마이크로제어기, FPGA(Field Programmable Gate Array) 및/또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)를 사용하여 구현될 수 있는 프로세싱 시스템(110)에 의해 조정된다. 많은 실시예들에서, 프로세싱 시스템(110)은, GU(102)와 적어도 하나의 RU(104) 및/또는 추가의 GU들 간의 통신을 조정하는, 메모리 (미도시)에 저장된 소프트웨어에 의해 구성되는 애플리케이션 프로세서이다. 여러 실시예들에서, 소프트웨어는 또한, 적어도 하나의 RU(104)에 의해 이루어진 전력에 대한 요청들이 주어지면, 안테나 어레이(102)에 대한 적절한 전력 전달 세팅들을 결정하기 위한 프로세스를 수행하도록 프로세싱 시스템(110)을 구성할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 프로세싱 시스템들은 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적합한 임의의 프로세스들을 수행하도록 구성될 수 있다.
GU(102)는 또한 무선 통신 유닛(112)을 포함한다. 많은 실시예들에서, 무선 통신 유닛은, IEEE 802.11 프로토콜군에 명시된 WIFI 표준들 중 임의의 것을 사용하여 통신하는 능력을 포함하지만 이에 제한되지 않는 무선 통신 능력을 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 무선 통신 유닛은 또한, IEEE 802.15 프로토콜군에 지정된 것들을 포함하는 블루투스 무선 통신 프로토콜 중 임의의 것을 추가로 또는 대안적으로 구현할 수 있다. 쉽게 인식되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 GU들(102)은, 다양한 유선 및/또는 무선 통신 프로토콜들 중 임의의 것을 사용하여 통신을 가능하게 하는 하드웨어를 포함할 수 있다. 무선 통신 유닛(112)이 별도의 컴포넌트로 도시되어 있지만, 특정 실시예들에서, 프로세싱 시스템(110) 및 무선 통신 유닛(112)은 단일 시스템 온 칩(single system on chip)으로 구현될 수 있다.
다시 RU(104)를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 RU들은, (이로 제한되는 것은 아니지만) RF 에너지를 수집하고 이를 DC 전력으로 변환하기 위해 하나 이상의 리테나들과 같은, 다양한 전력 복구 수단을 활용할 수 있다. 예시된 실시예에서, RU(104)는 렉테나 어레이(114)를 포함한다. 전력 검출기(116)는 렉테나 어레이(114)를 모니터링하고 수신 전력 측정들을 프로세싱 시스템(118)에 제공할 수 있다. 여러 실시예들에서, 프로세싱 시스템(118)은 앞서 설명된 다양한 프로세싱 시스템 구성들(110) 중 임의의 것을 사용하여 구현된다. RU(104)는 또한, 위에서 설명된 GU들에서 활용될 수 있는 무선 통신 유닛들(112)과 관련하여 위에서 설명된 컴포넌트들 중 임의의 것을 사용하여 구현될 수 있는 무선 통신 유닛(120)을 포함한다.
특정 무선 전력 전달 시스템들은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명되었지만, 제어가능한 위상 및/또는 전력을 갖는 다수의 무선 전원들을 활용하는 다양한 무선 전력 전달 시스템들 중 임의의 것이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 활용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템에서 다수의 무선 전원들을 포커싱하기 위한 프로세스들이 아래에서 추가로 논의된다.
무선 전력 전달 포커싱
GU와 RU 간의 무선 전력 전달의 효율성을 최대화하기 위해, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템들은 포커싱 프로세스를 거칠 수 있다. 여러 실시예들에서, 포커싱 프로세스는 무선 전원들의 어레이에서 엘리먼트들의 그룹들의 위상 및/또는 진폭을 조정하는 것 및 RU에서 수신된 전력을 측정하는 것을 수반한다. RU는 GU에 대한 각각의 조절들로부터 유발되는, 수신 전력에 관한 피드백을 제공할 수 있으며, 이는, 피드백을 기초로 추가 조절들을 수행하고 그리고 원하는 레벨의 무선 전력 전달 효율성이 달성될 때까지, 계속 반복될 수 있다.
많은 실시예들에서, 포커싱 프로세스는, 엘리먼트들에 대한 효율적인 위상 상태를 결정하기 위해 조정된 방식으로 엘리먼트들의 그룹들의 위상을 동시에 수정하는 GU를 수반한다. 엘리먼트들의 그룹들에 대해 위상 스윕들을 수행함으로써, 포커싱 프로세스는, 단일 엘리먼트의 위상을 수정하고 그리고/또는 고정된 포지티브 또는 네거티브 위상 섭동들을 모든 엘리먼트들에 무작위로 적용함으로써 관찰될 수 있는 것보다 RU에서의 수신 전력에 훨씬 더 큰 변화를 생성할 수 있다. 이런 식으로, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은 종래의 프로세스들보다 잡음에 더 강건한 경향이 있다. 위상 스윕들에 응답하여 하나 이상의 RU들에서의 수신 전력의 변화를 분석함으로써, 효율적인 무선 전력 전달을 달성하는 특정 위상 상태 또는 위상 상태들에 관한 결정이 이루어질 수 있다.
여러 실시예들에서, 다수의 위상 스윕들은, 위상 스윕들 각각 동안 상이한 그룹들의 엘리먼트들을 사용하여 수행된다. 위상 스윕이 적용되는 엘리먼트들의 그룹은 안테나 엘리먼트 어레이의 세그먼트 또는 세그먼트로 지칭될 수 있다. 각각의 세그먼트 내에서, 기저 마스크는, 그룹 내의 특정 엘리먼트에 적용되는 위상 스윕의 특성을 결정하는 데 활용될 수 있다. 여러 실시예들에서, 기저 마스크는, 위상 스윕이 위상 스윕 범위(PSR)에 걸쳐 포지티브 위상 스텝 증분 또는 네거티브 위상 스텝 증분을 수반하는지 여부를 결정한다. 다수의 실시예들에서, 기저 마스크들은 위상 스윕이 특정 엘리먼트에 적용되는지 여부를 결정한다. 많은 실시예들에서, 기저 마스크는, (이로 제한되는 것은 아니지만) 위상 스텝 증분이 위상 시프터(예를 들어, 몇 가지 추가의 가능성들을 들면, 부호있는 정수들, 실수들 또는 복소수들)에 적용되는 방식을 수정하는 데 활용될 수 있는 값을 포함하는 임의의 값을 포함할 수 있다.
GU가 본 발명의 실시예에 따라 기저 마스크들을 사용하여 위상 스윕들을 수행함으로써 특정 RU에 대해 무선 전력 전달을 포커싱할 수 있는 방식이 도 3에 개념적으로 예시된다. 예시된 실시예에서, GU(300)는 무선 전력을 RU(302)에 전달한다. 센서의 출력은 교정 신호의 역할을 할 수 있다. 예시된 실시예에서, RU에서 측정된 수신 전력은 포커싱 프로세스가 수행될 수 있도록 주기적으로 GU에 통신될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 기저 마스크(304)는 RU(302)에서의 수신 전력(306)의 변화들을 초래하는 GU(300) 안테나 어레이의 엘리먼트들의 상이한 그룹들의 위상 스윕들을 수행하기 위해 활용될 수 있다. 상이한 기저 마스크들을 사용하여 프로세스를 반복함으로써, 위상 상태들의 솔루션 공간이 탐색되어, GU와 RU 간의 무선 전력 전달을 위한 효율적인 및/또는 최적의 위상 상태가 식별될 수 있다. 위의 논의는 위상 스윕들을 참조하지만, 스윕들이 진폭과 위상 둘 다의 스윕을 수반할 수 있다는 것이 쉽게 인식되어야 한다. 또한, 안테나 엘리먼트들이 상이한 분극들을 사용하여 전송하도록 구성될 수 있는 경우, 스윕들은, 제1 분극을 사용하여 진폭 및 위상 스윕을 수행한 다음 안테나 엘리먼트들의 분극들을 조정하고 동일한 진폭 및 위상 스윕을 다시 수행하는 것을 또한 수반할 수 있다.
아래에서 자세히 논의되는 바와 같이, 포커싱 프로세스 내에서 활용되는 기저 마스크들(마스크들)의 선택은, 포커싱 프로세스가 무선 전력 전달을 수행하기 위한 최적의 위상 상태 및/또는 최적의 위상 상태가 식별될 수 있는 속도를 식별할 수 있는 정도를 결정할 수 있다. 필요한 것은 아니지만, 직교 또는 준-직교 마스크들의 사용은, 각각의 위상 스윕 후에, GU 위상 세팅들을 업데이트할 필요없이 독립적으로 그리고 순차적으로 다수의 마스크들에 대한 최적의 위상들의 평가를 조장할 수 있다. 이는, RU로부터 다시 GU로의 통신들에 대한 대기시간 또는 속도 제한들이 있는 경우 특히 유용할 수 있다. 이는, 통신들에 대한 대기시간 또는 속도 제한들이 있는 경우 특히 유용할 수 있다. 직교 및 준-직교 마스크들은, 위상 스윕들이 독립적으로 수행되게 할 수 있고, 미리정의된 수의 마스크들이 위상 스윕을 거친 후에 집계 결과가 얻어지게 할 수 있다. 다수의 실시예들에서, RU로부터의 2개의 통신들 사이에서 수행되는 위상 스윕들의 수는 CRL(위상 스윕들의 수로 측정됨)을 결정한다. CRL은 기본 상한 없이 1만큼 낮을 수 있다. 기저의 품질은 실질적으로 최적의 CRL을 결정할 수 있으며, (예를 들어, 커플링 및/또는 풀링으로 인한) 시스템의 비이상성은 사용되는 최대 CRL에 대한 실질적인 제한들을 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, CRL은, RU로부터의 2개의 통신들 사이에서 스윕된 마스크들의 수 및/또는 RU로부터의 2개의 통신들 사이에서 스윕된 세그먼트들의 수를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다수의 상이한 방식 중 임의의 방식으로 정의될 수 있다.
많은 실시예들에서, 포커싱 프로세스는, 상이한 세그먼트 크기들, 세그먼트 형상들, 기저 마스크들, 위상 스텝 증분들 및/또는 위상 범위들을 사용하여 안테나 어레이의 상이한 세그먼트들에 대해 위상의 스윕들 또는 위상 및 진폭 둘 다의 스윕들을 수행하는 프로세스를 반복함으로써, 효율적인 무선 전력 전달을 가능하게 하는 전력 전달 세팅들을 식별할 수 있다. 포커싱 프로세스 동안 활용되는 세그먼트 크기들, 기저 마스크들, 위상 스텝 증분 크기 및/또는 위상 범위들은, 수신 전력을 최적화하는 전력 전달 세팅들을 신속하게 식별하도록 설계될 수 있다. 일반적으로, 큰 위상 스텝 증분들은 수신 전력에서의 상당한 변화를 초래한다. 또한, 세그먼트의 크기를 증가시키는 것은 또한, 수신 전력에 대한 위상 스텝 증분의 영향을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 다수의 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은 비교적 더 작은 세그먼트 크기들 및 더 큰 위상 스텝 증분들로 시작된다. 포커싱 프로세스가 진행됨에 따라, 위상 스텝 증분들은 위상 상태의 정제를 제공하기 위해 감소될 수 있다. 잡음의 존재시 이러한 더 작은 위상 스텝 증분들의 효과를 관찰하기 위해, 위상 스텝 증분들이 감소됨에 따라 세그먼트들의 크기가 증가될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 포커싱 프로세스 동안 위상 스윕들을 수행할 때 활용되는 세그먼트 형상 및/또는 크기를 선택하고, 마스크들을 생성하고 그리고/또는 위상 스텝 증분 크기 및/또는 위상 범위들을 결정하기 위한 프로세스들이 아래에서 추가로 논의된다.
다수의 실시예들에서, RU는 GU와 RU 사이에서 정보를 송신하기 위해 (예를 들어, 블루투스에 의해) 통신 채널을 설정한다. 그러나, GU와 RU 사이에 통신 채널을 설정하는 것이, RU가 RU의 시야 내에 있다는 것을 지시하는 것은 아니다. RU가 GU로부터 무선 전력을 요청하는 경우, GU는 무선 전력 전달을 개시할 수 있다. RU가 임계 레벨의 전력을 달성할 수 없다면, RU는 이를 GU에 통신할 것이고, RU가 GU의 시야 내에 있지 않다는 결정을 내릴 수 있다. 여러 실시예들에서, GU와 RU 사이에 장애물이 존재하는지 여부가 불확실한 동안, 안전한 동작을 제공하기 위해 FU의 안테나 어레이의 엘리먼트들에 대한 더 낮은 전력 세팅을 사용하여 초기 무선 전력 포커싱이 수행될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 초기 무선 전력 포커싱은 동일한 결과를 달성하기 위해 엘리먼트들의 작은 서브세트로 수행된다. RU가 GU의 시야 내에 있고 방해물이 없다는 결정이 되면, GU는, 효율성을 높이기 위해 그의 전력 전달 세팅들을 조정하는 포커싱 프로세스를 수행함으로써 RU와의 무선 전력 전달을 진행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 적어도 하나의 RU에 의해 보고된 수신 전력의 측정들에 기초하여 안테나 어레이의 엘리먼트들에 대한 위상 오프셋들을 결정하는 포커싱 프로세스가 도 4에 예시된다. 포커싱 프로세스(400)는, 안테나 어레이의 엘리먼트들에 대한 초기 위상 상태를 선택하고 그리고 초기 위상 상태에 기초하여 적어도 하나의 RU를 사용하는 수신 전력을 측정함으로써, 초기화된다. 또한, 초기 세그먼트 크기 및 형상, 초기 위상 스윕 범위(PSR), 초기 위상 스텝 증분 또는 위상 스텝들의 수(NPS) 및 통신 실행 길이(CRL: communication run length)의 길이가 선택된다(402). 선택된 세그먼트에 적절한 한 세트의 마스크들이 또한 획득될 수 있고(404), 제1 마스크가 선택된다(406). 다수의 실시예들에서, 마스크들이 미리생성되고 메모리로부터 검색된다. 여러 실시예들에서, 마스크들은 세그먼트 크기 및 형상에 기초하여 생성된다.
선택된 마스크를 사용하여 GU 어레이의 엘리먼트들에 대해 한 세트의 위상 스윕들이 수행될 수 있다. 여러 실시예들에서, 위상 스윕들은 어레이의 상이한 세그먼트들에 대해 개별적으로 수행된다. 제1 세그먼트가 초기 위상 스텝 증분에 기초하여 선택된다(408). 마스크, 위상 스윕 범위 및 위상 스텝 증분에 기초하여 결정되는 방식으로 세그먼트의 엘리먼트들에 대해 위상 스윕이 수행된다(410).
예시된 실시예에서, 위상 스윕은 선택된 마스크에 따라 세그먼트 내의 엘리먼트들의 위상들에 위상 스텝 증분들을 적용하는 것(412)을 수반한다. 선택된 마스크에 따라 세그먼트 내의 엘리먼트들의 위상들을 증분시키는 프로세스는, 선택된 위상 스윕 범위의 위상 스윕이 완료되었다는 결정(414)이 이루어질 때까지 계속된다. 위상 스윕이 완료되면, 프로세스는 이전 위상 스윕들 동안 수신 전력에 관한 정보를 제공하는 RU로부터 보고가 수신되었는지 여부를 결정한다(416). 다수의 실시예들에서, RU는 위상 스윕 동안 사용된 상이한 전력 전달 세팅들 각각에 대해 수신 전력의 보고를 제공한다. 여러 실시예들에서, RU는 가장 높은 수신 전력을 산출한 각각의 스윕에서의 전력 전달 세팅을 간단히 식별한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, RU에 의해 GU에 보고되는 특정 정보는 주로, 정해진 애플리케이션의 요구조건들에 좌우된다.
GU가 RU로부터 보고를 수신하면, GU는 보고된 수신 전력 정보를 사용하여 이전에 스윕되었던 엘리먼트에 대한 위상 세팅들을 업데이트한다(418). 그런 다음, 프로세스는, 안테나 어레이의 모든 세그먼트들에서 선택된 마스크에 따라 위상 스윕이 수행되었다는 결정(420)이 이루어질 때까지 새로운 세그먼트들을 선택한다. 이 시점에서, 프로세스는 추가의 마스크들을 선택하고, 추가의 마스크들이 없다고 결정(422)될 때까지, 선택된 마스크에 따라 각각의 세그먼트에 대해 위상 스윕들을 수행하는 프로세스를 반복한다.
초기 세트의 마스크들에서의 각각의 마스크가 사용되었을 때, 프로세스는 새로운 세그먼트 크기 및 형상, 새로운 위상 스윕 범위 및 새로운 위상 증분 스텝을 선택(402)하는 또 다른 반복을 수행할 수 있다. 새로운 세트의 마스크들이 새로운 세그먼트 크기 및 형상에 기초하여 획득되고(404) 위상 스윕들이 새로운 세트의 마스크들에 따라 그리고 새로운 위상 스윕 범위 및 위상 증분 스텝에 기초하여 새로운 세그먼트들에 대해 수행될 수 있다. 위에서 주목된 바와 같이, 본 발명의 많은 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은 더 작은 위상 증분 스텝들 및 더 큰 세그먼트들을 활용함으로써 진행하는 경향이 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 포커싱 프로세스 동안 세그먼트 크기들이 선택되는 특정 방식, 활용되는 특정 마스크들, 및/또는 위상 스윕 범위들 및/또는 위상 스텝 증분들이 연속적인 반복들 동안 수정되는 방식은 주로, 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 의존한다. 위상 스윕들은, 포커싱 프로세스가 완료되었다는 결정(424)이 이루어질 때까지 계속된다. 이 시점에서, GU는 포커싱 프로세스에 의해 생성된 전력 전달 세팅들을 사용하여 구성(426)될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, GU 및 RU는 서로에 대해 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 많은 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은, RU로부터의 수신 전력의 보고들을 계속 모니터링하고, 수신 전력의 떨어짐(drop)이 관찰될 때(GU와 RU 사이의 상대적 이동을 지시할 가능성이 있음) 위상 스윕들의 반복들을 재개하는 것을 계속할 수 있다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 도 4에 예시된 프로세스는 상이한 방식들로 중첩(nested)될 수 있는 일련의 중첩 반복 루프들을 포함한다. 예를 들어, 다수의 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은 그 다음 세그먼트로 이동하기 전에 완전 세트의 마스크들을 사용하여 각각의 세그먼트에 위상 스윕들을 적용한다. 실제로, 도 4를 참조하여 위에서 설명된 포커싱 프로세스들의 단계들의 순서는 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 또한, (이로 제한되는 것은 아니지만) “어레이들의 동적 볼륨 재포커싱”이란 명칭으로 2018년 11월 21일자로 출원된 미국 가출원번호 제62/770,660호 및 “어레이들의 동적 볼륨 재포커싱”이란 명칭으로 2019년 11월 21일자로 출원된 미국 특허출원 번호 제16/691,598호에 논의된 것들(이 출원들의 개시내용들은 전체가 인용에 의해 본원에 포함됨)과 같은 RU의 3D 공간에서의 위치에 기초하여 전력 전송 세팅들을 예측하기 위한 프로세스 프로세스는, 도 4와 관련하여 위에서 설명된 프로세스들과 유사하며 그리고 초기 전력 전달 세팅들이 최적에 가까울 가능성이 있다는 사실을 수용하도록 구성된 포커싱 프로세스의 후속 적용과 함께 그리고/또는 즉시 사용될 전력 전달 세팅들(예를 들어, 위상 상태)을 빠르게 계산하는 데 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, RU의 추정된 위치에 기초하여 전력 전달 세팅들의 초기 추정치를 선택하는 GU는, 작은 PSR들 및 위상 스텝 증분들을 활용함으로써 미세 조정을 강조하는 포커스 프로세스를 수행할 수 있다. 이에 따라, 이러한 프로세스들은, 위상 세팅들의 미세 조정으로 동적 범위의 증가된 변동을 달성하기 위해, 위상 스윕들 동안 전체 어레이를 포함하는 대형 세그먼트들 및/또는 세그먼트 크기들을 선택할 가능성이 있다.
다수의 실시예들에서, 도 4를 참조하여 위에서 설명된 임의의 프로세스와 유사한 포커싱 프로세스가 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 시스템을 초기에 포커싱하기 위해 수행될 수 있다. 전력이 적어도 하나의 RU에 전달될 때, 적어도 하나의 RU는 수신 전력을 모니터링할 수 있다. 수신 전력의 감소가 관찰되는 경우(예를 들어, 임계치 미만), 무선 전력 전달 시스템은 재포커싱 프로세스를 개시할 수 있다.
쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 포커싱 프로세스 동안 엘리먼트들에 대해 결정된 진폭 및/또는 위상들은 3D 공간의 특정 포인트 또는 영역(또는 다수의 빔들이 형성되는 경우 다수의 포인트들)에 해당한다. 특정 RU에서의 수신 전력의 감소는 RU 및/또는 GU 중 하나 또는 둘 다의 이동의 결과일 가능성이 있다. 이에 따라, 포커싱 프로세스 동안 결정된 진폭 및/또는 위상들과 연관된 3D 위치에 관한 지식은, 포커싱 프로세스 동안 식별된 위치에 근접한 3D 공간의 위치들에 대응하는 진폭 및/또는 위상 상태들의 서치를 수반하는 안내된 재포커싱 프로세스를 수행하는 데 활용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 위치 기반 서치들(예를 들어, B+-트리들)을 용이하게 할 수 있는 방식으로 구조화되거나 인덱싱된 룩업 테이블들 및 데이터 구조들이 활용되어, 포커싱 프로세스 동안 식별된 위치에 근접한, 3D 공간의 위치들을 특정 진폭 및/또는 위상 상태들로 매핑할 수 있다. 특정 실시예들에서, 안내된 서치는 RU의 가장 최근 위치 이외에 RF 전원들의 어레이의 온도를 고려하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 룩업 테이블들 및/또는 인덱스들은 3D 위치 및 온도 둘 다에 기초한 특정 진폭 및/또는 위상 상태들에 대한 해당 인덱스를 활용할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 다양한 데이터 구조들 및/또는 인자들 중 임의의 것이, RU의 가장 최근 위치 이외에, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게, 안내된 재포커싱 프로세스를 수행할 때 고려될 수 있다.
GU의 안테나 어레이는 식별된 진폭 및/또는 위상 상태들을 통해 시퀀싱하도록 제어될 수 있으며, GU가 시퀀스를 통해 진행됨에 따라 RU에서 수신 전력 측정들이 이루어질 수 있다. 여러 실시예들에서, RU로부터 수신된 보고는 가장 높은 수신 전력을 초래한 진폭 및/또는 위상 상태를 식별할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 재포커싱 프로세스는 (예를 들어, 수신 전력이 임계치를 초과한다고 가정하여) 전력을 최대화하는 진폭 및/또는 위상 상태를 간단히 활용할 수 있다. 특정 실시예들에서, 안내된 재포커싱 프로세스는, (이로 제한되는 것은 아니지만) 경사 하강 프로세스(gradient descent process)와 같은, 진폭, 위상 및/또는 분극 상태들의 가능한 모든 조합들에 대한 포괄적인 스윕들을 수행할 필요없이 수신 전력을 최대화하고 그리고 추가의 프로세스를 수행하여 진폭 및/또는 위상 상태를 정제하도록 수신 전력을 최대화하는 진폭 및/또는 위상 상태에 관한 정보를 활용할 수 있다.
RU에서의 수신 전력의 감소를 검출한 후 무선 전력 전달 시스템을 재포커싱하기 위한 특정 프로세스들이 위에서 설명되었지만, RU의 가장 최근에 관찰된 공간 위치의 지식에 기초하여 그리고/또는 (이로 제한되는 것은 아니지만) 관성 측정 유닛들, 가속도계들, SLAM(simultaneous location and mapping) 모듈들 및/또는 위치 및/또는 움직임을 추정할 수 있는 임의의 다른 센서 시스템을 포함하는 센서들로부터 RU의 모션에 관해 수집된 추가의 정보를 활용하여, (이로 제한되는 것은 아니지만) 포커싱 프로세스를 반복하는 프로세스들, 포커싱 프로세스를 수행하기 위해 불완전 베이스들을 활용하는 프로세스들, 포커싱 프로세스를 수행하기 위해 한 세트의 베이스들의 불완전 서치를 활용하는 프로세스들, 및/또는 진폭 및/또는 위상 공간의 서치를 수행하기 위해 다양한 기법들 중 임의의 기법을 활용하는 프로세스들을 포함하는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 무선 전력 전달 시스템을 재포커싱하기 위해, 다양한 프로세스들 중 임의의 프로세스가 활용될 수 있다.
특정 포커싱 프로세스들이 도 4와 관련하여 위에 설명되었지만, (이로 제한되는 것은 아니지만) 위에서 서술된 반복들을 상이한 순서들로 수행하고 그리고/또는 프로세스의 상이한 스테이지들에서 RU들로부터 보고들을 수신하는 프로세스들, 단일 세트의 마스크들을 사용하는 프로세스들, 어레이를 세그먼트들로 분할하지 않는 프로세스들, 포커싱 프로세스 동안 세그먼트 크기를 변경하지 않는 프로세스들 및/또는 교정 동안 위상 스윕 범위를 변경하지 않는 프로세스들을 포함하는 무선 전력 전달을 포커싱하기 위한 다양한 프로세스들 중 임의의 프로세스가 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 정해진 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 활용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들이 활용될 수 있는 특정 방식에 대한 추가의 문맥을 제공하기 위해, 포커싱 프로세스 동안 GU와 RU 간의 통신이, 기저 마스크들의 생성 및 교정에 대한 더 상세한 논의를 제공하기 전에, 아래에서 논의된다.
포커싱 프로세스들 동안의 통신
GU와 RU 간의 시간 동기화는, 이것이, GU에 의해 사용되는 전력 전달 세팅들이 RU에 대한 수신 전력 상태에 해당하는 것을 연관시키는 기능에 영향을 미칠 수 있으므로, 전력 전달 시스템의 전체 성능에서 중요한 역할을 할 수 있다. 이는 CRL이 길 때 더 중요해질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 동기화를 달성하기 위해 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 여러 실시예들에서, GU는 스윕들의 시퀀스 및/또는 스윕의 시작을 지시하기 위해 SYNC 펄스를 생성할 수 있다. 이러한 SYNC 펄스는, 위상 세팅들의 시퀀스의 시작을 시그널링하기 위해서 RU에 대한 전력 레벨을 일시적으로 떨어뜨리기 위해 전력 증폭기들의 전력을 사이클링하는 것과 같은 상이한 수단에 의해 생성될 수 있다. 이러한 펄스들을 생성하는 다른 예시적인 방식은 GU에 대한 위상 세팅을 변경하는 것이다. 예를 들어, 한 그룹의 위상이 다른 절반에 대해 시프트되는 체크형 교번 기저(예를 들어, 도 9 및 도 10의 오른쪽 하단 기저 함수들)는, GU 세팅이 이전에 RU 위치에서 적절한 전력량을 생산했을 때 더 낮은 전력 세팅을 생성했을 것이다. 다른 유형들의 SYNC 신호 생성은 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 상이한 시나리오들(예를 들어, 근거리/원거리, 고전력/저전력,..)에 사용될 수 있다. 일반적으로, SYNC 메커니즘 및 신호 유형은 상이한 반복들 동안 또는 심지어 반복들 내에서도 상이할 수 있다.
실시간 추적 시스템을 달성하기 위해, 최적화 프로세스에서 임의의 추가의 오버헤드는 이상적으로는 최소화되어야 한다. SYNC 시퀀스들 및 연관된 타임슬롯들을 사용하는 것에 대한 예시적인 대안은 특정 타임스탬프를 활용하는 것이다. 이 접근방식에서, GU와 RU 둘 다는 최적화 (또는 각각의 반복) 전에 SYNC 펄스에 의해 동기화되는 독립적인 시간 키퍼(keeper)들을 보유한다. 다수의 실시예들에서, 최적화 동안의 모든 이벤트들(예를 들어, 반복, 위상 세팅들, ADC 샘플링들,...)은 사후 프로세싱(post processing)을 위해 타임스탬프되고 기록된다. SYNC 펄스들은, GU, RU 또는 이 둘다에 의해, 원하는 레벨의 동기화를 유지하기 위해 주기적으로 전송될 수 있다. GPS 기반 타이밍 동기화는 또한, 타이밍 동기화를 달성하기 위한 또 다른 예시적인 대안으로 활용될 수 있다. GU와 RU 간의 동기화를 달성하기 위한 다양한 프로세스들이 위에서 설명되었지만, 스윕들 동안 GU에 의해 활용되는 전력 전달 세팅들과 RU에서의 수신 전력의 보고들을 조화시키기 위한 임의의 메커니즘이 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 활용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전달 동안 GU와 RU 간의 통신이 도 5에 도시된 통신 다이어그램에 도시된다. 무선 전력 전달 세션(500) 동안, GU와의 무선 연결을 이미 구축한 RU는, 무선 전력이 필요하다는 것을 결정하고 무선 전력에 대한 요청을 GU에 전송한다. GU는 초기 전력 전달 세팅을 결정(502)한 다음 무선 전력 전달을 시작한다. 예시된 실시예에서, 포커싱 프로세스가 수행되고, GU는 위에서 설명된 다양한 프로세스들 중 하나와 유사한 방식으로 SYNC 펄스를 전송하기 위해 자신의 안테나 어레이를 사용함으로써 하나 이상의 스윕들의 시작을 시그널링한다. RU는 SYNC 펄스를 검출하고 스윕이 수행될 때 수신 전력의 측정들을 기록할 수 있다. 기록된 측정들이 프로세싱(504)되고, RU에 의해 GU로 전송되는 보고가 생성된다. 여러 실시예들에서, RU는 가장 높은 수신 전력이 측정되었던 스윕들 동안 타임 슬롯을 보고한다. 다수의 실시예들에서, RU는 각각의 스윕에서 가장 높은 수신 전력이 측정되었던 타임 슬롯을 보고한다. 특정 실시예들에서, RU는 하나 이상의 스윕들 동안 기록되었던 수신 전력 측정들을 보고한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, RU에 의해 보고되는 특정 정보는 주로 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 좌우된다.
GU가 RU로부터 보고를 수신하면, GU는 자신의 전력 전달 세팅들에 대한 업데이트(506)를 수행하고 추가의 스윕을 진행할 수 있으며, 이의 시작은 SYNC 펄스로 표시된다. RU는 스윕 동안 측정들을 계속 수행하고 GU로 전송되는 두 번째 보고를 생성한다(508). 전력 전송 세팅들을 업데이트하고, 스윕들을 수행하고, 수신 전력을 기록하고 그리고 보고들을 제공하는 프로세스는, 원하는 세트의 전력 전달 세팅들이 최대화될 때까지 계속된다. 특정 시나리오들에서, 원하는 전력 전달 세팅들은 RU에서의 최대 수신 전력을 산출하는 전력 전달 세팅들이다. 다수의 실시예들에서, 원하는 전력 전달 세팅들을 결정할 때 다양한 요인들 중 임의의 것이 고려될 수 있다.
메시지의 특정 교환들이 도 5를 참조로 위에서 설명되었지만, 다양한 시퀀스들의 통신들 중 임의의 것이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 GU와 RU 사이에서 정보를 교환하고 동기화를 획득하기 위해 활용된다. 도 5와 관련하여 설명된 프로세스는, 제1 무선 통신 양식(modality)을 사용하여 전송된 디지털 데이터의 교환과 활용된 안테나 어레이를 사용하는 SYNC 펄스들의 전달의 조합을 활용하지만, 무선 전달 시스템들은 GU와 RU 사이에서 데이터를 전송하기 위해 안테나 어레이에 의해 전송된 펄스들의 사용과 RU로부터 GU로 데이터를 전송하기 위해 RU에 의한 데이터의 후방산란에만 의존할 수 있고, 그리고/또는 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게, 하나 이상의 GU들과 하나 이상의 RU들 사이에서 정보를 교환하고 그리고/또는 동기화를 달성하기 위해 추가의 또는 대안적 통신 양식들을 활용할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 RU는 수신 전력 측정들에 대한 추가의 또는 대안적 정보를 제공할 수 있다. 여러 실시예들에서, RU는 (이로 제한되는 것은 아니지만) 렉테나 어레이의 개별 렉테나들에서 수신된 위상 및/또는 전력을 포함하는 측정들 획득할 수 있으며, 이러한 측정들 및/또는 이러한 측정들로부터 도출된 정보를 제공하여 GU가 적절한 전력 전달 세팅들을 결정하는 데 도움을 줄 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 렉테나 어레이의 개별 렉테나 엘리먼트들에서 수신된 신호들의 특징들에 관한 정보를 제공하는 RU들이 아래에서 추가로 논의된다.
RU 피드백
많은 실시예들에서, RU들은, RU가 무선 전력을 요청하는 GU의 동작 주파수로 조정된 코히어런트 RF 수신기를 통합한다. 일부 실시예들에서, 수신기는 동일한 안테나를 사용하여 RU 전력 복구를 수행하고 수신된 RF 신호의 진폭 및 위상을 측정한다. 다른 실시예들에서, RU는 전력 복구를 수행하고 수신된 RF 빔의 진폭 및 위상을 측정하기 위해 별도의 전용 안테나들을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 코히어런트 수신기를 통합한 RU가 도 6에 도시된다. 예시된 실시예에서, RU는 가변 이득 증폭기에 신호를 제공하는 안테나 엘리먼트를 포함한다. 그런 다음, 아날로그-디지털 변환기들에 의해 샘플링된 동위상 및 직교 성분들을 획득하기 위해, 증폭된 신호가 전송된 전력 신호의 캐리어와 동일한 주파수 신호를 갖는 국부 발진기(local oscillator) 신호를 사용하여 혼합된다. 그런 다음, 디지털화된 샘플들이 수신된 신호의 진폭과 위상을 결정할 수 있는 디지털 신호 프로세서에 제공된다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이후, 진폭 및 위상 정보는 GU로 피드백되고 그리고/또는 GU의 안테나 어레이 내의 특정 엘리먼트들에 적용할 주파수 오프셋들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
예시된 실시예에서, 각각의 k번째 측정에서, 수신된 신호 진폭(Ak) 및 위상(
)은 다음과 같이 기재될 수 있다:
여기서 an 및 αn은, 각각, GU의 엘리먼트 n으로부터 수신된 RF 신호의 진폭 및 위상이고, θ는 엘리먼트들의 위상을 변경하는 데 사용되는 위상 스텝이고 Mkn은 사용된 마스크의 k, n 엘리먼트이다. 각각의 엘리먼트로부터 RU로 수신되는 전력이 동일하고 θ = π를 사용한다고 가정하면, 식은 다음과 같이 단순화된다:
또는 이의 행렬 등치는 다음과 같다:
M이 가역 행렬(이는 풀 랭크(full rank))라는 점을 감안할 때, a는 다음과 같이 간단히 계산될 수 있다:
따라서, RU에서 각각의 GU 엘리먼트의 RF 위상(αn)이 계산될 수 있다. 최대 전력을 수신하기 위해, 모든 GU 엘리먼트들은 수신기에서 모두 동일한 위상(공칭으로 0)을 생성하도록 수정되어야 한다. 이는 GU의 대응하는 엘리먼트로부터 an을 차감함으로써 간단히 수행될 수 있다. 위에서 설명된 예에서, N개의 측정들만이 수행되었다. 여러 실시예들에서, 더 큰 행렬(M)을 갖는 더 많은 수의 측정들이 활용된다. 다수의 실시예들에서, 상이한 θ 값들이 활용된다. 또한, an의 추정치를 획득하기 위한 최소 제곱 또는 임의의 다른 선형 해결 방법이 활용된다. 이에 따라, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션의 요구조건들에 적절하게 활용하기 위한 전력 전달 세팅들을 결정하기 위해 GU에 의해 활용될 수 있는 피드백 정보를 제공하기 위해 다양한 기법들 중 임의의 기법이 활용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
특정 무선 전력 전달 시스템들이 도 4-12를 참조로 위에서 설명되었지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 전달 시스템은, 무선 전력 전달 시스템의 구성에 활용될 수 있는 임의의 컴포넌트들 및/또는 제조 프로세스들을 사용하여 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은, 무선 전력 전달 시스템 내의 GU(들) 및/또는 RU(들) 내에서 특정 아키텍처가 이용되는지 여부와 관계없이, 무선 전력 전달 시스템들의 엘리먼트들에 대한 전력 전달 세팅들을 확인하는 데 활용될 수 있다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이 본 발명의 특정 실시예들에 따라 기저 마스크들을 생성하기 위한 무선 전력 전달 시스템들 및 기법들을 사용하기 위한 전력 전달 세팅들을 결정하기 위해 활용될 수 있는 특정 포커싱 프로세스들이 활용될 수 있다.
기저 마스크들을 사용한 포커싱 프로세스들
다시 도 4를 참조로, (이로 제한되는 것은 아니지만) 위에서 설명된 OPA TX 및 OPA RX 시스템들 중 임의의 것을 포함하는 OPA에서 위상 상태 교정 정보를 결정하기 위한 상위 레벨 프로세스(400)가 제공된다. 본 발명의 많은 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들의 주요 특징은 위상 시프터들의 그룹들의 조정된 위상 스윕들을 수행하는 것이다. 기저 마스크들은 포커싱 프로세스 동안 상이한 스테이지들에서 개별 위상 시프터들에 적용되는 위상 스윕들을 결정하는 데 활용할 수 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 기저 마스크의 특징들은, 포커싱 프로세스가 최적 또는 원하는 위상 상태 및/또는 이러한 위상 상태가 포커싱 프로세스에 의해 식별될 수 있는 속도를 식별할 가능성을 결정할 수 있다.
기저 마스크들
N-엘리먼트 어레이의 위상 및 진폭 세팅들은, GU 세팅들의 벡터 공간에 대한 복합 N-차원 기저로 간주될 수 있다. 위상들만이 변경된 경우, 벡터 공간은 실벡터 공간이며, GU 세팅들의 모든 잠재적 위상 상태들에 해당한다. GPU 세팅들의 위상 상태 공간의 벡터 공간은 상이한 세트들의 기저 함수들을 사용하여 스팬(span)될 수 있다. 본 발명의 많은 실시예들은, 불완전 세트의 기저 함수들(즉, 전체 위상 상태 공간을 스팬하지 않는 한 세트의 기저 함수들)을 활용한다. 그러나, 특정 애플리케이션들에서, GU 세팅들의 전체 위상 상태 공간의 평가를 가능하게 하는 상호 독립적 기저 함수들이 활용된다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 한 세트의 기저 함수들을 사용하여 기저 마스크들이 생성될 수 있다. 이어지는 논의의 대부분은 규칙적인 2차원 엘리먼트 배열을 통합하는 GU 세팅들에 대한 기저 마스크 생성에 관한 것이지만, 기저 마스크들이 무선 전력 전달 프로세스 동안 생성되고 (이로 제한되는 것은 아니지만) 1차원 어레이 및 희소 어레이를 포함하는 N 엘리먼트의 임의의 배열에 적용될 수 있음을 인식하는 것이 중요하다.
기저 함수들이 기저 마스크들을 생성하기 위해 활용될 수 있는 방식의 간단한 예가 도 7에 개념적으로 제공된다. 3개의 독립적 기저 마스크들 
이 예시된다. 예시적인 기저 b는 직교하지 않는다는 것이 주목된다. 이 맥락에서, 직교성은 2개의 마스크들의 내적이 0인 것으로 정의된다. 마스크들 a 및 b의 내적은 다음과 같이 정의된다:
이 예에서 엘리먼트들은 -1과 1이다. 위에서 언급된 바와 같이, 마스크들은 -1과 1의 엘리먼트들로 제한되는 것이 아니라, 특정 애플리케이션의 요구조건들에 적합한 임의의 값을 포함할 수 있다.
특정 GU의 위상 상태 공간을 스팬하기 위해 직교 기저(orthogonal basis)를 사용하는 것에 대한 추가의 이점들이 있다. 3개의 직교 마스크들의 예가 또한 도 7에 도시되며, 여기서 2차원 기저 함수들 
는 직교이다. 위상 상태 공간의 차원성은 N이며, 이는 공간을 완전히 스팬하는 데 N개의 기저 벡터들이 필요하다는 것을 의미한다. 불완전 기저를 사용하는 것이 가능하고 본 개시내용에서 확실히 배제되지 않았지만, 최적화 파라미터들의 전체 벡터 공간을 스팬하는 완전 기저에 대한 이점들이 있다. 불완전 기저로 인해 차선의(suboptimal) 에너지 포커싱이 발생되어, 무선 전력 전달이 감소될 수 있다. 이는, 설계 공간의 일부들이 탐색되지 않은 채로 유지될 수 있기 때문이다. 다양한 기저 함수들이 가능하지만, 최적화 시나리오에 따라 종종 상이한 기저 함수들이 선호된다. 예를 들어, 큰 동적 범위는, 위상 스윕 동안 다수의 엘리먼트 위상들의 위상을 변경하는 한 세트의 기저 함수들을 선택함으로써 (예를 들어, RU가 GU로부터 멀리 있는 경우, 바람직하지 않은 배향을 갖는 경우 또는 흡수체에 의해 부분적으로 차단되는 경우) 생성될 수 있다. 이에 대한 상한은 엘리먼트들의 절반에 대한 위상을 나머지 절반에 대해 변화시키는 것이며, 이는 위상 스윕에 대한 최대 동적 범위를 생성한다. 여러 엘리먼트 동요들로 인한 이러한 큰 변화들은, GU의 엘리먼트들에 대해 선호되는 위상 세팅들의 평가에 유용한 큰 동적 범위를 제공할 수 있다.
기저 마스크들의 사용에 대한 하나의 예시적인 실시예는, 2차원 기저 마스크들 각각에 대한 다른 엘리먼트들(예를 들어, 청색)에 대한 하나의 그룹의 엘리먼트들(도 3에서 적색으로 표시됨)의 위상을 스윕하는 것을 수반한다. 많은 실시예들에서, 위상 시프트는 차등적으로(한 그룹이 다른 그룹의 반대 방향으로 이동) (+ 1 또는 -1의 엘리먼트를 갖는 마스크, 부호가 있는 마스크들로 지칭될 수 있음), 또는 일방적 방식으로 수행될 수 있으며, 여기서 다른 그룹은 움직이지 않고 오직 하나의 그룹의 위상들만이 스윕된다(0 또는 1의 엘리먼들을 갖는 마스크, 이후 바이너리 마스크들로 지칭됨). 바이너리 마스크의 적용은 도 8에 개념적으로 예시된다.
직교 기저 마스크들
위에서 언급된 바와 같이, 실질적으로 직교 마스크들을 사용하는 것에 대한 특정 이점들이 있다. 이러한 장점들 중 하나는, 다른 마스크들을 사용하는 위상 스윕들에 비해 제1 마스크를 사용한 위상 스윕들의 최적화 프로젝션이 더 작다는 것이다(이론적으로 완전 직교 기저의 경우 0). 또한, 직교 기저 마스크들의 사용은, 각각의 엘리먼트의 위상 세팅으로의 빈번한 업데이트들의 필요없이, 최적의 교정 위상 상태의 식별이 일괄적으로 수행되는 것을 가능하게 할 수 있고, 이는 OPA와 OPA 제어기 간의 통신 업데이트들의 수를 크게 감소시킬 수 있다.
완전 마스크 세트들의 생성
완전 마스크 세트를 사용하는 것은, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 프로세스가 최적화 공간에서 맹점(blind spot)들 없이 타겟 최적화 포인트에 더 가까워지는 것을 가능하게 할 수 있다. 하나의 그러한 예시적인 완전 그리고 직교 마스크 세트가 4×4 어레이에 대해 도 9에 도시된다. 엘리먼트들의 랜덤한 선택이 동시에 위상 스윕된다 하더라도, 시스템은 그러한 접근방식에서 불완전하기 쉬울 수 있고, 이는 특정 상태들 또는 이들의 조합들이 누락되어, 종종 (실질적으로) 차선의 성능을 초래할 수 있다는 것을 의미하다. 본 발명의 많은 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들이 임의의 특정 애플리케이션들에 대해 불완전 또는 비-직교 마스크들을 사용한다는 것이 강조되어야 한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 무선 전력 전달 프로세스에서 활용되는 마스크 세트들의 특정 특징들은 주로 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 의존한다.
도 9의 예시적인 마스크-세트는 2개의 하다마드(Hadamard) 행렬들을 사용하여 생성될 수 있다. 일반적으로, M×N의 완전 직교 기저 마스크 세트는 M×M 및 N×N 크기의 하다마드 행렬을 사용하여 생성될 수 있다. 직교 기저 마스크 세트는 분석적으로 또는 컴퓨터들에 의해 구성될 수 있다. 크기가 4×4인 2차원 마스크 세트를 생성하는 데 사용되는 하다마드 행렬들은 1일 수 있으며, M = N = 4이기 때문에 동일할 수 있다. (행들이 재정렬된) 하다마드 행렬은 다음과 같다:
개별 마스크들은 M×M 행렬의 열을 N×N 행렬의 행으로 행렬 곱하여 M×N 크기의 마스크를 생성함으로써 생성된다.
유사 직교(Quasi-Orthogonal) 마스크들의 생성
사용된 두 행렬들은 크기가 같을 필요가 없거나, 실제로, 완전 직교하지 않는다. 이에 대한 예는 5×7 크기의 마스크에 대해 도 10에 도시된다. 이 예에서, 준-직교 기저(quasi-orthogonal basis)로 지칭될 수 있는 것이 활용된다. 이는, 의사-하다마드 행렬들로 지칭될 수 있는 것을 사용하여 생성될 수 있다. B.B T 곱이 N×M.I에 가깝다면 기저 B는 직교에 가깝고, 여기서 I는 단위 행렬(identity matrix)이다. 즉, B.B T 곱의 비대각선 엘리먼트들은 대각선보다 훨씬 작아야 한다. 준-직교 마스크 세트들은, 몇 가지 가능성들을 예로 들면, 1과 -1, 또는 0과 1(XOR 연산 사용) 또는 부호있는 정수들, 실수들, 복소수들을 포함하는 임의의 다른 세트들의 값들의 엘리먼트들로 구현될 수 있다. 또한, 진폭 세팅들은, 각각의 설정에 대해 정의된 범위 내의 각각의 모든 복소수가 고유한 위상 및 진폭 세팅을 표현하도록, 허수로 표현될 수 있다.
직교 또는 준-직교 마스크들을 사용하는 것은, 활성 마스크 하에 활성 라디에이터들의 각각의 위상 스윕 후에, GU 위상 세팅들을 업데이트할 필요없이 독립적으로 그리고 순차적으로 다수의 마스크들에 대한 최적의 위상들의 평가를 조장할 수 있다. 이는, 통신들에 대한 대기시간 또는 속도 제한들이 있는 경우 특히 유용할 수 있다. 직교 및 준-직교 마스크들은, 위상 스윕들이 독립적으로 수행되게 할 수 있고, 미리정의된 수의 마스크들이 위상 스윕을 거친 후에 집계 결과가 얻어지게 허용한다. 위에서 논의한 바와 같이, 최상 전력 판독치(즉, CRL)의 RU로부터의 통신들 간에 스윕된 마스크들의 수는 기본 상한없이 1만큼 낮을 수 있다. 기저의 품질은 실질적으로 최적의 CRL을 결정할 수 있으며, (예를 들어, 커플링 또는 풀링으로 인한) 시스템의 비이상성은 사용되는 최대 CRL에 대한 실질적인 제한들을 제공할 수 있다.
마스크들을 생성하기 위한 추가의 방법들
본 발명의 다수의 실시예들에서, (이로 제한되는 것은 아니지만) 그람-슈미트(Gram-Schmidt) 또는 변형된 그람-슈미트 직교화 프로세스(프로젝션들에 기초함)와 같은 적합한 직교 또는 정규직교(orthonormal) 세트들 또는 마스크들을 생성하기 위해 다양한 대안적 방법들이 활용된다. 이러한 프로세스들은 가능한 전력 전달 세팅들의 공간을 완전히 스팬하는 세트로 시작하며, 정규직교 기저를 계산한다. (반사들에 기초하는) 하우스홀더 변환(Householder transformation) 사용 또는 기븐스 회전(Givens rotation)들과 같은 다른 가능한 방법들이 또한 활용될 수 있다.
특정 실시예들에서, GU에서 RU로의 빔의 특정 물리적 동작들 또는 이동들에 대응하는 상이하게 위치된 엘리먼트들에 대해 상이한 양들의 위상 시프트들을 사용하는 것이 유익할 수 있다. 여러 실시예들에서, 마스크 세트는 x- 및 y- 방향들로 어레이에 걸친 위상 시프트들의 선형 구배들을 갖는 포커싱 프로세스를 위해 선택된다. 물리적으로, 이들은, 이러한 방향들을 따라 빔을 조정하는 것과 대응할 수 있으며 그리고 예를 들어, 포커싱 프로세스가 예를 들어, 모든 마스크 세트들을 통독(run through)하지 않는 경우(예를 들어, 이러한 방향들을 따른 작은 RU 이동들에 대해 작은 수정들이 이루어져야 하는 경우) 유용할 수 있다. 크기가 4×4인 어레이의 경우, 다음이 초기 기저 벡터들(그람-슈미트 프로세스 하에 이를 보존하는 직교도 있을 수 있음)로 선택될 수 있으며, 나머지 기저 벡터들에 대해, 시작 마스크들이 다음과 같도록, 상이한 개별 안테나들이 선택된다:
이 예에서, 그람-슈미트 직교화를 사용하는 결과적인 마스크 세트는 (거의) 직교 마스크들을 산출할 것이다.
상이한 애플리케이션들은 사용된 마스크 세트들과 상이한 특성들을 요구할 수 있고, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 포커싱 프로세스들은 상이한 애플리케이션들 또는 상이한 동작 조건들에 적합한 특정 마스크 세트를 획득할 수 있다.
위의 절차가 또한 진폭 세팅들에 적용되어, 허수 성분들이 독립적인 실수 성분들로서 처리되는 직교 세트를 생성할 수 있다. 진폭 세팅들의 경우, 불완전 세트들을 사용하는 것은 실제로 위상 세팅들에 대한 세트와 비교하여 더 유용하며, 그 이유는 진폭 기준에 대한 지식이 통상적으로 존재하고, 이는 문제를 실제 애플리케이션들에 유용한 케이스들로 제한하여, 서치 공간을 제한할 수 있기 때문이다. 예로서, 다음의 시작 마스크 세트가 있는 2×2 어레이의 경우:
그람-슈미트 직교화는
을 직교 마스크 세트로서 산출할 것이다.
마스크 세트를 생성하기 위한 다양한 프로세스가 위에서 설명되었지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 특정 애플리케이션들의 특정 요구조건들에 적합한 포커싱 프로세스에 사용하기 위한 마스크 세트들을 생성하기 위해 임의의 다양한 여러 기술들이 활용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 다수의 상이한 포커싱 프로세스들에 따라 마스크들을 사용하여 스윕들이 수행될 수 있는 방식은 아래에서 추가로 논의된다.
기저 마스크들을 사용한 위상 스윕들의 수행
위에서 논의된 바와 같이, 기저 마스크들 각각은, (도 3 및 도 8에서와 같이) 위상 스윕이 적용되어 RU에서의 수신 전력 변화를 유발하는 상이한 엘리먼트 세트들을 정의한다. 각각의 경우, RU는, 위상이 CRL에 걸쳐 스윕될 때 수신 전력을 모니터링하고, 수신 전력을 GU에 통신한다. 그런 다음, GU는 특정 위상 세팅들에서 수신 전력에 관한 정보를 사용하여, 진행중인 무선 전력 전달 동안 엘리먼트들의 위상을 구성할 수 있다. 여러 실시예들에서, 각각의 마스크 내의 엘리먼트들의 위상은 포커싱 프로세스의 상이한 전체 반복들 내에서 임의의 수의 스텝들 및 상이한 총 위상 스윕 범위(PSR)에 걸쳐 스윕될 수 있다. 평가되는 위상 스텝들의 수(NPS)는 상한없이 2만큼 낮을 수 있다. 더 적은 수의 위상 스텝들(즉, 큰 위상 스텝 증분들)은, 더 적은 수의 교정 신호 측정들을 생성하여 평가할 수 있고, 이는 더 높은 동작 속도가 더 낮은 감지 복잡성을 산출할 수 있다. PSR이 작을수록, 탐색되는 특정 광학 엘리먼트의 위상 스윕 범위의 서브섹션이 생성될 수 있다. 많은 실시예들에서, PSR의 감소는 최적화의 후반 스테이지들에서 발생할 수 있으며, 여기서 포커싱 프로세스는 (그의 자동화 동작을 통해) 위상 세팅들의 미세 조정을 효과적으로 수행한다.
마스크 세트들이 GU 어레이의 전체 크기에 적용될 필요는 없다. 다수의 실시예들에서, 어레이는 더 작은 세그먼트들로 분할되고, 여기서 각각의 세그먼트 내에서, 적절한 마스크 세트(반드시 그런 것은 아니지만, 가능하게는 직교 또는 준-직교)는 위상 스윕들이 어레이의 특정 엘리먼트들에 적용되는 방식을 결정한다. 각각의 세그먼트와 연관된 마스크들의 크기와 수는 전체 GU에 대한 최적의 위상 상태를 식별하는 데 이상적으로 필요한 마스크들의 수보다 작다. 예를 들어, 크기가 Ms×Ns인 세그먼트들은, 세그먼트 당 Ms×Ns 마스크들을 사용하여 위상 스윕될 수 있다. 이는, 임의의 정해진 시간에 더 적은 수의 엘리먼트 위상 스윕을 초래하고 그리고 포커싱 프로세스 동안 스윕할 더 적은 수의 마스크들을 초래할 것이다. 이런 식으로, 스윕들이 더 빠르게 수행될 수 있지만, 잠재적 비용으로, 위상 변동 동적 범위가 낮아질 수 있다. 이러한 트레이드-오프는 상이한 세그먼트화 파라미터들을 사용함으로써 본 발명의 실시예에 따른 포커싱 프로세스의 반복들(또는 재귀들)에 걸쳐 탐색되고 활용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 GU 어레이의 세그먼트화는 도 11에 개념적으로 예시된다. 예시된 실시예에서, 4×6의 세그먼트화가 더 큰 16×12 어레이 내에서 적용되고, 총 24 개의 마스크들이 각각의 세그먼트에 적용된다. 상세히 논의되는 바와 같이, 다양한 세그먼트 크기들 중 임의의 것이 선택될 수 있고, 많은 실시예들에서, 세그먼트 크기들은 무선 전력 전달 프로세스 동안 위상 스텝 증분들의 변동들과 조합하여 변할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 전달 프로세스들은 임의의 특정 세그먼트 구성들로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 각각의 세그먼트 내의 각각의 마스크에 대한 최적 위상 세팅은 
로 표시된다. 이는 i번째 세그먼트 마스크 M(i) 하에, RU에서 가장 큰 신호를 생성한 제어 코드(예를 들어, CMU)에 대응한다. 마스크 n에서 시작하여 CRL에 걸쳐 더 많은 마스크들을 통과하는 1보다 큰 CRL의 경우, 동일한 수의 
값들이 존재할 것이다. 하나의 통신 실행 길이가 끝날 때, 이러한 개별 값들이 RU에 의해 GU로 다시 통신되면, 새로운 위상과 연관된 새로운 제어 코드 세팅은 하기의 것을 사용하여 계산될 수 있다:
여기서, 행렬(P)은 개별 위상 시프터들(예를 들어, 각각의 어레이 엘리먼트와 연관된 CMU들)에 대한 위상 시프터 코드의 유닛들로 위상 시프트의 로컬 주기를 캡처하고 mod 연산은 완전 360° 또는 2π 위상 시프트를 위한 것이다.
여러 실시예들에서, 전체 무선 전력 전달 프로세스는 GPU 어레이의 각각의 세그먼트에 대해 한 세트의 마스크들을 사용하여 위상 스윕들을 수행하는 프로세스의 한번 또는 다수의 반복들을 수반한다. 루프는 랜덤한 초기 상태에서 시작하거나, 이전에 평가된 위상 세팅들을 시작점으로 사용하여 최적의 위상 세팅로 더 빠른 수렴을 제공할 수 있다. 각각의 반복에서, 위상 스윕 범위(PSR), 위상 스텝들 수(NPS), 세그먼트화 크기들(Ms×Ns) 및 통신 실행 길이(CRL)가 변경될 수 있다. 많은 실시예들에서, 상대적으로 더 큰 PSR와 함께 초기 반복들에서 더 작은 세그먼트 크기들이 사용될 수 있다. 이는 서로에 대한 엘리먼트들의 위상의 큰 변화로 인해 RU에서 수신되는 무선 전력의 수신 전력의 큰 변화 관찰되고, 더 큰 동적 범위는 더 적은 수의 엘리먼트이 각각의 스텝(더 작은 세그먼트 크기들)에서 변경되게 허용한다. 다수의 실시예들에서, 메인 루프가 진행되고 개략적 위상 조정이 더 미세한 조정(더 작은 PSR)으로 전환됨에 따라, 더 많은 수의 엘리먼트들이 더 작은 PSR에도 불구하고 교정 신호에서 더 큰 전력을 생성할 수 있기 때문에, 진폭의 변동이 더 작아지고 더 큰 세그먼트화(잠재적으로 최대 어레이 크기까지)가 활용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 프로세스를 구현하는 데 사용될 수 있는 의사코드의 예가 도 12에 제공된다. 이 알고리즘의 약간 수정된 버전이 진폭 세팅들에 대해 독립적으로 적용될 수 있다(또는 적용되지 않을 수 있다). 이 경우, 마지막에서의 모드(mod) 동작은 생략될 수 있으며, 대신 진폭 세팅들이 최대 결과 값으로 다시 정규화될 수 있다. 또한, 위상에 대한 임의의 참조(예를 들어, 위상 스윕 범위)는 진폭(예를 들어, 진폭 스윕 범위)으로 일반화될 수 있다.
도 12에 도시된 의사코드와 유사한 방식으로 구현된 무선 전력 전달 프로세스는, 도 13a-도 13c에 도시된 측정들에 의해 입증된 바와 같이, GU 어레이의 개별 엘리먼트들의 위상을 수정하는 것보다 실질적으로 우수한 것으로 나타날 수 있다. 도 13a는, 개별 엘리먼트들의 위상이 개별 엘리먼트 당 36개의 위상 스텝들 및 8개 엘리먼트들의 전체 스윕들 당 하나의 통신을 갖는 10×12 GU 어레이에서 개별적으로 수정될 때 RU에서 생성된 전압을 도시한다. 도 13b는, 10×12 GU의 개별 엘리먼트들의 위상들이 도 13a에 도시된 제1 라운드의 위상 수정들의 마지막에 최종 위상 세팅들이었던 위상 세팅들로 초기 상태에서 시작하여 개별적으로 수정될 때 RU에서 생성된 전압을 도시한다. 대조적으로, 도 13c는, 그 엘리먼트들의 위상이 증가하는 세그먼트화(최소 1×1 및 최대 10×12), NPS = 2, 그리고 1.8517의 NDF(narrow down factor)에서 PSR의 점진적 스케일링으로 수정됨에 따라, 10×12 GU 어레이에 대해 도 12에 도시된 의사코드와 유사한 방식으로 구현된 무선 전력 전달 프로세스를 도시한다. RU에서 수신된 전력은 전압 제곱이라는 점이 주목되어야 한다. 따라서, 도 13c에 도시된 데이터를 캡처하는 동안 수행된 프로세스는 도 13a 및 도 13b에 도시된 프로세스를 사용하여 수신된 것보다 8.4 배 더 많은 전력의 무선 전달을 초래한다.
특정 무선 전력 전달 프로세스 및 반복들의 시퀀스들이 위에서 설명되어 있지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 시스템의 잡음 플로어를 초과하는 수신 전력 신호의 변동들을 달성하기 위해, 조정된 방식으로 엘리먼트들의 그룹에 위상 스윕들을 적용하는 다양한 무선 전력 전달 프로세스들 중 임의의 것이 특정 애플리케이션들의 요구조건들에 적절하게 활용될 수 있다. 더욱이, 본원에서 설명된 최적화 프로세스들이 무선 전력 전달의 맥락에서 논의되었지만, RF 신호의 효율적인 포커싱이 유익할 수 있는 감지 및 통신들과 같은 다른 애플리케이션들에서 유사한 프로세스들이 활용될 수 있다.
본 발명이 어떤 특정 양상들에서 설명되었지만, 많은 추가의 수정들 및 변동들이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은, 본 발명의 범위와 정신을 벗어남 없이, (이로 제한되는 것은 아니지만) 경사 하강 프로세스들을 포함할 수 있는 안내된 서치들을 사용하여 재포커싱을 수행하는 포커싱 프로세스와 같이 본원에 설명된 것 이외의 구현에서의 다양한 변경들을 포함하여 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 측면들에서 제한되지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
Claims (20)
- 무선 전력 전달 시스템으로서,
무선 전력 생성 유닛(GU: generating unit)을 포함하며, 상기 무선 전력 생성 유닛은,
복수의 RF 전원들 ―상기 RF 전원들은 동기화되고 각각의 RF 전원은 적어도 하나의 안테나 엘리먼트를 포함함―;
적어도 상기 RF 전원들의 위상들을 조정하도록 구성된 제어 회로부;
상기 제어 회로부를 통해 적어도 상기 RF 전원들의 위상을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 프로세싱 시스템; 및
적어도 하나의 복구 유닛(RU: recovery unit)으로부터 메시지들을 수신하도록 구성된 수신기
를 포함하며,
상기 프로세싱 시스템은,
복수의 상이한 기저 마스크(basis mask)들 각각을 사용하여 복수의 스윕(sweep)들을 수행하기 위해 제어 신호들을 상기 제어 회로부에 송신하고 ― 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 상기 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함함―;
상기 수신기를 통해 RU로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하고 ― 상기 적어도 하나의 메시지 각각은 복수의 스윕들 중 적어도 하나 동안 상기 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함―; 그리고
상기 RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호들을 상기 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써,
상기 RF 전원들을 포커싱하도록 구성되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 RF 전원들 중 적어도 하나의 전원의 제어 회로부는 상기 RF 전원의 진폭을 조정하도록 더 구성되며; 그리고
상기 스윕은 상기 기저 마스크에서 식별된 상기 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 진폭 스텝 증분들로 진폭 스윕 범위에 걸쳐 진폭 스윕을 수행하는 것을 더 포함하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 RF 전원들의 제어 회로부는 상기 RF 전원들의 분극(polarization)을 조정하도록 더 구성되며; 그리고
상기 스윕은 상기 RF 전원들의 각각의 분극에 대해 상기 위상 스윕을 수행하는 것을 더 포함하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
각각의 위상 스윕은 상기 위상 스윕 동안 상기 기저 마스크에서 식별된 제2 그룹의 RF 전원들의 위상 오프셋을 유지하는 것을 더 포함하며,
상기 제2 그룹의 RF 전원들은 상기 제1 그룹으로부터의 RF 전원들 중 어느 것도 포함하지 않는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
각각의 위상 스윕은 상기 기저 마스크에서 식별된 상기 제2 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 네거티브 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 반대 위상 스윕을 동시에 수행하는 것을 더 포함하며,
상기 제2 그룹의 RF 전원들은 상기 제1 그룹으로부터의 RF 전원들 중 어느 것도 포함하지 않는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세싱 시스템은 상기 RF 전원들을 사용하여 동기화 펄스를 생성하기 위해 제어 신호들을 상기 제어 회로부에 송신함으로써 적어도 하나의 위상 스윕을 시작하도록 더 구성되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 상이한 기저 마스크들로부터의 상기 기저 마스크들의 크기는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 위상 스윕 범위는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제8항에 있어서,
복수의 위상 스윕들의 과정에서,
상기 기저 마스크들의 크기는 증가하고; 그리고
상기 위상 스윕 범위의 크기는 감소하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 위상 스텝 증분은, 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 위상 스윕 범위는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 위상 스텝 증분은, 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 상이한 기저 마스크들은 직교하는 한 세트의 기저 마스크들을 포함하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 상이한 기저 마스크들은 거의 직교하는 한 세트의 기저 마스크들을 포함하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 메시지는 복수의 메시지를 포함하고, 상기 적어도 하나의 메시지는 상이한 수들의 스윕들 동안 상기 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고들을 포함하는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 프로세싱 시스템은,
상기 RU에서의 수신 전력의 감소를 지시하는 메시지를, 상기 수신기를 통해 상기 RU로부터 수신하고;
상기 RF 전원들의 포커스에 기초하여 위치를 결정하고;
상기 결정된 위치에 근접한 위치들의 시퀀스에 있는 상기 RF 전원들을 포커싱하는 것을 포함하는 포커싱 시퀀스를 수행하기 위해, 상기 RF 전원들의 위상들을 조정하기 위해 제어 신호들을 상기 제어 회로부에 송신하고,
상기 수신기를 통해 상기 RU로부터 적어도 하나의 새로운 메시지를 수신하고 ― 상기 적어도 하나의 메시지 각각은 상기 포커싱 시퀀스의 적어도 일부 동안 상기 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함 ―,
상기 RU로부터 수신된 적어도 하나의 새로운 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 RF 전원들의 포커스를 업데이트하기 위해 제어 신호들을 상기 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써,
안내된 서치를 수행하도록
더 구성되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 RU에서 수신된 전력의 감소를 지시하는 상기 RU로부터의 메시지는 관성 측정 유닛을 사용하여 이루어진 적어도 하나의 측정에 기초한 추적 데이터를 더 포함하며; 그리고
상기 안내된 서치 동안 상기 RF 전원들이 포커싱되는 결정된 위치에 근접한 위치들의 시퀀스는 상기 추적 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 선택되는, 무선 전력 전달 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 RU는 코히어런트 수신기(coherent receiver)를 포함하며 진폭 및 위상 정보를 측정하도록 구성되고,
상기 프로세싱 시스템은,
상기 RU에 의해 측정된 진폭 및 위상 정보를 포함하는 적어도 하나의 메시지를 상기 수신기를 통해 수신하고; 그리고
상기 RU에 의해 측정된 진폭 및 위상 정보를 포함하는 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 적어도 상기 RF 전원들의 위상들을 업데이트하도록
구성되는, 무선 전력 전달 시스템. - 무선 전력 전달 시스템으로서,
무선 전력 생성 유닛(GU)을 포함하며, 상기 무선 전력 생성 유닛은,
복수의 RF 전원들 ― 상기 RF 전원들은 동기화되고 각각의 RF 전원은 적어도 하나의 안테나 엘리먼트를 포함함 ―;
적어도 상기 RF 전원들의 위상들을 조정하도록 구성된 제어 회로부;
상기 제어 회로부를 통해 적어도 상기 RF 전원들의 위상을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 프로세싱 시스템; 및
적어도 하나의 복구 유닛(RU)으로부터 메시지들을 수신하도록 구성된 수신기
를 포함하며,
상기 프로세싱 시스템은,
복수의 상이한 기저 마스크들 각각을 사용하여 복수의 스윕들을 수행하기 위해 제어 신호들을 상기 제어 회로부에 송신하고 ― 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 상기 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함함 ―;
상기 수신기를 통해 RU로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하고 ― 상기 적어도 하나의 메시지 각각은 상기 복수의 스윕들 중 적어도 하나 동안 상기 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함 ―; 그리고
상기 RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 RF 전원들을 포커싱하기 위해 제어 신호들을 상기 복수의 RF 전원들의 제어 회로부에 송신함으로써,
상기 RF 전원들을 포커싱하도록 구성되며,
상기 복수의 상이한 기저 마스크들로부터의 기저 마스크들의 크기는 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되고,
상기 위상 스윕 범위는 상기 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되고,
상기 위상 스텝 증분은 상기 복수의 위상 스윕들 중 적어도 일부 위상 스윕들 사이에서 변경되는, 무선 전력 전달 시스템. - 무선 전력 전달을 수행하는 방법으로서,
복수의 상이한 기저 마스크들 각각을 사용하여 RF 전원들의 복수의 스윕들을 수행하기 위해, 복수의 RF 전원들을 포함하는 무선 전력 생성 유닛(GU)의 제어 회로부에 제어 신호를 송신하는 단계 ― 각각의 스윕은, 기저 마스크에서 식별된 제1 그룹의 RF 전원들에 대해 복수의 위상 스텝 증분들로 위상 스윕 범위에 걸쳐 위상 스윕을 수행하는 것을 포함하며, 상기 제1 그룹의 RF 전원들은 복수의 RF 전원들을 포함함 ―;
상기 GU의 수신기를 통해 복구 유닛(RU)으로부터 적어도 하나의 메시지를 수신하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 메시지 각각은 상기 복수의 스윕들 중 적어도 하나 동안 상기 RU에 의해 이루어진 수신 전력 측정들에 기초한 보고를 포함함 ―; 및
상기 RU로부터 수신된 적어도 하나의 메시지에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 RF 전원들을 포커싱하기 위해, 제어 신호들을 상기 GU의 제어 회로부에 송신하는 단계
를 포함하는, 무선 전력 전달을 수행하는 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |