KR20220090960A - 표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 중계 통신 시스템은 금속 구조물의 일측에 부착되며, RF 신호를 통해 수신된 데이터를 표면파 신호를 이용하여 상기 금속 구조물에 부착된 통신 단말로 전달하고, 상기 통신 단말로부터 표면파 신호를 통해 수신된 데이터를 RF 신호를 이용하여 외부의 사용자 단말에 송신하는 표면파 중계 장치, 그리고 상기 표면파 중계 장치와 동일한 금속 구조물에 부착되어 금속 표면을 통해 수신된 표면파 신호를 상기 통신 단말로 전달하는 표면파 발생 장치를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 진공 챔버, 컨테이너 내부, 송유관 등 무선통신이 불가능한 환경에서 통신을 가능하게 해주며, 무선 통신과 표면파 통신을 혼합하여 사용 가능하므로 다양한 디바이스와 연결이 가능하다.

Description

표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템{Surface wave relay communication system using surface wave relay apparatus}

본 발명은 표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 통신이 불가능한 차폐환경에서 통신이 가능하도록 표면파를 발생하여 외부의 사용자 단말로부터 수신된 데이터를 금속 구조물에 설치된 통신 단말에 전달하는 표면파 중계 통신 시스템에 관한 것이다.

현재 기술에서의 신호를 전달하는 기존의 방식은 유선 통신 방식과 무선(방사) 통신 방식을 포함한다.

먼저, 유선 통신 방식은 전송 효율이 좋고 데이터의 손실이 거의 없는 장점을 가진다. 다만, 유선 통신 방식은 전송 거리에 비례하는 길이의 케이블을 필요로 하며, 센서의 개수에 따라 케이블 또한 추가적으로 필요하게 된다. 따라서, 케이블을 지하에 매설하거나 수중을 통해 연결할 경우, 유선 방식은 설치 및 유지보수가 매우 어려운 단점이 있었다.

그리고 무선 통신 방식은 유선 방식에 비해 전송효율이 낮아 손실이 크게 발생되는 단점을 가지고 있으나, 전송 거리 또는 센서의 개수가 증가되어도 쉽게 설치 및 유지보수를 수행할 수 있는 장점을 지닌다.

다만, 무선 통신 방식은 전송 거리 중간에 장애물이 있거나 공기가 아닌 다른 매질이 있을 경우, 신호가 반사·굴절·흡수 등의 왜곡 현상이 일어나게 되어 신호의 손실이 급격하게 증가된다.

특히, 선박 내부, 컨테이너, 내부, 송유관 등은 금속으로 구성되므로 무선 통신이 불가능하다. 따라서, 극한 전파 환경에서도 데이터 통신을 수행할 수 있는 신기술을 필요로 한다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제 10-1114041호(2012.02.01. 공고)에 개시되어 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 통신이 불가능한 차폐환경에서 통신이 가능하도록 표면파를 발생하여 외부의 사용자 단말로부터 수신된 데이터를 금속 구조물에 설치된 통신 단말에 전달하는 표면파 중계 통신 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면 표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템에 있어서, 금속 구조물의 일측에 부착되며, RF 신호를 통해 수신된 데이터를 표면파 신호를 이용하여 상기 금속 구조물에 부착된 통신 단말로 전달하고, 상기 통신 단말로부터 표면파 신호를 통해 수신된 데이터를 RF 신호를 이용하여 외부의 사용자 단말에 송신하는 표면파 중계 장치, 그리고 상기 표면파 중계 장치와 동일한 금속 구조물에 부착되어 금속 표면을 통해 수신된 표면파 신호를 상기 통신 단말로 전달하는 표면파 발생 장치를 포함한다.

상기 통신 단말은 상기 표면파 발생 장치에 부착될 수 있다.

상기 표면파 중계장치는, 상기 RF 신호를 송신 또는 수신하는 안테나, 금속 표면에 부착되며, 인가된 신호에 따라 발생된 표면파를 이용하여 상기 표면파 발생 장치와의 통신을 수행하는 표면파 발생 모듈, 그리고 상기 안테나에 수신된 RF신호를 증폭시켜 표면파 발생부에 전달하고, 상기 표면파 발생부로부터 수신된 표면파 신호를 증폭시켜 안테나에 전달하는 듀플렉서를 포함할 수 있다.

상기 표면파 발생모듈 또는 상기 표면 발생 장치는, 전자기장을 형성하는 방사체, 상기 방사체의 상측에 위치하는 제1 유전체 기판, 상기 방사체의 하측에 위치하는 제2 유전체 기판, 그리고 상기 제2 유전체 기판의 하부에 위치하며, 상면에 기하학적 패턴이 증착된 발생 패턴 부재를 포함할 수 있다.

상기 표면파 발생 패턴 부재는, 트랩 모드에 따라 상기 방사체와 금속 표면 사이에 발생하는 공진을 통해 표면파를 발생시켜 금속 표면을 따라 양측으로 전파를 전달할 수 있다.

상기 표면파 발생부 및 상기 표면파 발생장치는, 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 발생된 공진을 이용하여 표면파를 발생시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 진공 챔버, 컨테이너 내부, 송유관 등 무선통신이 불가능한 환경에서 통신을 가능하게 해주며, 무선 통신과 표면파 통신을 혼합하여 사용 가능하므로 다양한 디바이스와 연결이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 표면파 발생 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 표면파 발생 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 통신 시스템을 이용한 중계 방법을 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 시스템에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 시스템은 표면파 중계 장치(100), 표면파 발생 장치(200) 통신 단말(300) 및 사용자 단말(400)을 포함한다.

먼저, 표면파 중계 장치(100)는 금속 구조물의 일측에 부착되며, RF 신호 및 표면파 신호를 이용하여 통신을 수행한다. 부연하자면, 표면파 중계 장치(100)는 RF 신호를 이용하여 외부에 위치하고 있는 사용자 단말(400)과 통신을 수행하고, 표면파 신호를 이용하여 동일한 금속 구조물에 부착된 통신 단말(300)과 통신을 수행한다.

표면파 발생 장치(200)는 금속 구조물의 일측에 부착되는 것으로, 표면파를 발생한다. 즉, 표면파 발생장치(200)는 특정한 주파수 대역에서 발생되는 공진을 이용하여 표면파를 발생시킨다. 그리고 표면파 발생장치(200)는 발생된 표면파를 이용하여 다른 표면파 발생장치(200)와 통신을 수행한다.

통신 단말(300)은 표면파 중계 장치(100) 및 표면파 발생 장치(200)와 동일한 금속 구조물에 위치하고 있는 것으로서, 표면파 발생 장치(200)의 일측에 부착되어 표면파 발생 장치(200)에서 발생된 표면파 신호를 이용하여 데이터를 송수신한다.

그리고 사용자 단말(400)은 금속 구조물에 설치된 것이 아닌 외부에 설치된 것으로서, RF 신호를 이용하여 통신을 수행한다.

통신 단말(300) 및 사용자 단말(400)은 통신을 수행하기 위한 단말을 나타내는 것으로서, 실질적으로 동일한 기능을 수행한다. 예를 들어, 스마트 폰, 스마트 패드, 각종 모바일 기기, 노트북, Iot 기기 등이 이에 해당될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에서는 엘리베이터, 금속챔버, 가스관, 선박 등 금속 밀폐공간의 위치 여부에 따라 통신 단말(300)과 사용자 단말(400)로 구별하여 설명한다.

이하에서는 도 2를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 장치(100)에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 장치(100)는 안테나(110), 표면파 발생 모듈(120) 및 듀플렉서(130)를 포함한다.

먼저 안테나(110)는 RF 신호를 송신 또는 수신한다.

부연하자면, 안테나(110)는 RF 신호를 이용하여 사용자 단말(400)로부터 송신된 데이터를 수신한다. 또한, 안테나(110)는 RF 신호를 이용하여 통신 단말(300)로부터 수신된 데이터를 사용자 단말(400)로 송신한다.

표면파 발생 모듈(120)은 특정 주파수 대역에서 공진을 발생하고, 발생된 공진을 이용하여 표면파를 발생시킨다. 부연하자면, 표면파 발생 모듈(120)은 금속면의 수직으로 전기장을 형성하고, 금속면의 수평으로 자기장을 형성한다. 이때, 표면파 발생 모듈(120)에 포함된 표면파 발생 패턴 부재의 상면에는 패턴이 증착되며, 증착된 패턴을 이용하여 금속 표면에 전파가 전달되게 한다.

그리고 듀플렉서(130)는 안테나(110)에 수신된 RF신호를 증폭시켜 표면파 발생 모듈(120)에 전달하고, 표면파 발생 모듈(120)로부터 수신된 표면파 신호를 증폭시켜 안테나에 전달한다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생 모듈(120)에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 표면파 발생 모듈을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 표면파 발생 부재를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생 모듈(120)은 제1 유전체 기판(121), 방사체(122), 제2 유전체 기판(123) 및 표면파 발생 패턴 부재(124)를 포함한다.

먼저, 제1 유전체 기판(121)은 사각형상의 기판으로 에폭시, 수지 등에 의해 형성된다. 제 1 유전체 기판(121)에는 수신회로 또는 발신회로 등이 형성되어 후술되는 방사체(122)와 전기적으로 연결된다.

한편, 제2 유전체 기판(123)은 제1 유전체 기판(121)과 마찬가지로 동일하게 형상 및 구조로 형성된다.

그 다음, 방사체(122)는 제1 유전체 기판(121)과 제2 유전체 기판(123)의 사이에 위치하는 것으로서, 안테나 방사를 일으킨다. 부연하자면, 방사체(122)는 외부로부터 신호를 인가 받으면 전자기장을 형성한다. 이때, 방사체(122)의 상측에는 제1 유전체 기판(121)을 위치시키고, 하측에는 제2 유전체 기판(123)을 위치시켜 공진기를 형성하며, 방사체(122)의 크기에 따라 공진 주파수 및 이득이 결정된다. 유전율이 높을수록 방사체(122)의 크기는 작아지고, 대역폭은 감소된다.

따라서, 방사체(122)의 크기는 주파수 대역과 제 1 유전체 기판(121), 2 유전체 기판(123)의 유전율에 따라 결정된다.

한편, 상기와 같이 제1 유전체 기판(121), 방사체(122) 및 제2 유전체 기판(123) 순으로 적층된 상태에서 외부의 신호를 인가 받으면, 방사체(122)에서 발생된 전자기파는 사방으로 방사된다.

따라서, 본 발명에서는 제2 유전체 기판(123)의 저면에 표면파 발생 패턴 부재(124)를 위치시켜 방사체(122)에서 발생된 전자기파를 포집한 다음, 포집된 전자기파를 금속 표면에 따라 양측으로 전달시킨다.

표면파 발생 패턴 부재(124)는 제2 유전체 기판(123)과 동일한 크기를 가지는 것으로 상면에 증착된 기하학적 패턴을 이용하여 전자기파를 양측으로 전달시킨다.

도 4에 도시된 바와 같이, 패턴은 사각의 테두리 내측에 파형과 같은 형상을 가지도록 형성되며, 표면파 발생 패턴 부재(124)의 상면에 규칙적으로 배열된다.

이때, 패턴은 금속의 전도체로서, 금속을 통과할 수 있는 에너지를 포집한 다음 해당되는 주파수 대역에서 공진이 발생되면 표면파를 발생시킨다.

따라서, 표면파 발생 패턴 부재(124)는 트랩 모드에 따라 방사체(122)와 금속 표면 사이에 발생하는 공진을 통해 표면파를 발생시켜 금속 표면을 따라 양측으로 전파를 전달한다. 부연하자면, 표면파 발생 패턴 부재(124)는 금속면의 수직으로 형성된 전기장에 따라 자기장을 금속 표면의 수평으로 형성시키고, 자기장을 이용하여 금속 표면에 따라 전파를 전달시킨다.

표면파 발생 패턴 부재(124)는 전파를 발생하는 방사량에 따라 복수개 적층 가능하며, 표면파 발생 패턴 부재(124)를 복수개 적층할 경우에는 표면파 발생 패턴 부재(124)와 다른 표면파 발생 패턴 부재(124) 사이에 유전체 기판을 삽입한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생 장치(200)는 표면파 중계 장치(100)에 포함된 표면파 발생 모듈(120)과 동일한 형상 및 구조로 형성된다. 즉, 표면파 발생 장치(200)는 제1 유전체, 방사체, 제2 유전체 및 표면파 발생 패턴 부재로 구성된다.

다만, 표면파 발생 모듈(120)은 표면파 중계 장치(100)와 일체화 또는 일측에 부착되어 사용되는 것이고, 표면파 중계 장치(100)는 단일 장치이되, 일측에 통신 단말(300)이 부착되어 통신을 수행한다.

즉, 표면파 발생 장치(200)는 표면파 발생 모듈(120)과 동일한 금속 구조물에 부착되어 각각 발생된 표면파를 이용하여 통신을 수행한다.

이하에서는 도 5는 이용하여 표면파 중계 통신 시스템을 이용한 중계 방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 통신 시스템을 이용한 중계 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면파 중계 장치(100)와 통신 단말(300)이 부착된 표면파 발생 장치(200)는 동일한 금속 구조물에 설치된다.

그 다음, 사용자 단말(400)가 금속 구조물에 설치된 통신 단말(300)을 향해 데이터를 송신하면, 표면파 중계 장치(100)의 안테나(110)는 RF 신호를 통해 전송된 데이터를 수신한다.

그 다음, 듀플렉서(120)는 RF 신호를 통해 수신된 데이터를 표면파 통신을 통해 전달되도록 한다. 그러면, 표면파 발생 모듈(130)는 표면파를 이용하여 해당되는 통신 단말(300)이 위치하는 방향으로 데이터를 송신한다.

해당되는 통신 단말(300)을 부착한 표면파 발생 장치(200)는 발생된 표면파를 이용하여 데이터를 수신하고, 수신된 데이터는 통신 단말(300)에 전달한다.

이때, 표면파 발생 모듈(130)과 표면파 발생 장치(200)에서 표면파를 발생시키는 방법을 살펴보면, 표면파 발생 모듈(130) 및 표면파 발생 장치(200)는 외부로부터 인가된 신호에 따라 전자기장을 형성한다. 그러면, 제1 유전체 기판, 방사체 및 제2 유전체 기판 사이에서 발생된 용량성 특성과, 표면파 발생 패턴 부재에서 발생된 유도성 특성을 이용하여 전파를 방사하게 된다. 부연하자면, 방사체를 통해 발생된 전자기장은 표면파 발생 패턴 부재를 향하여 전파를 전달한다. 그러면, 표면파 발생 패턴 부재는 패턴을 이용하여 금속을 통과할 수 있는 자성 에너지를 포집한 다음, 수평 방향으로 전자기장을 발생한다.

즉, 표면파 발생 패턴 부재는 상면에 형성된 복수의 패턴을 이용하여 전자기 표면(metasurface)을 형성하고, 형성된 전자기 표면에 높은 Q값을 이용하여 자성 에너지를 포집한다. 그 다음, 표면파 발생 패턴 부재는 포집된 자성에너지를 이용하여 방사체와 금속 표면 사이에 발생하는 공진을 표면파로 발생시킨다. 이때, 표면파 발생 모듈(130) 및 표면파 발생 장치(200)는 2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 공진되어 표면파를 발생시킨다.

상기와 같이, 표면파 중계 장치(100)는 RF 신호를 통해 수신된 데이터를 표면파 신호를 이용하여 표면파 발생 장치(200)에 전달하고, 표면파 발생 장치(200)는 전달받은 데이터를 부착된 통신 단말(300)에 전달한다.

반대로 통신 단말(300)이 외부로 사용자 단말(400)로 데이터를 전송하고자 할 경우에, 통신 단말(300)은 생성된 데이터를 표면파 발생 장치(200)에서 발생된 표면파를 이용하여 표면파 중계 장치(100)에 전달한다.

그러면, 표면파 중계 장치(100)의 듀플렉서(130)는 수신된 표면파 신호를 증폭시킨 다음, 표면파 신호에 포함된 데이터가 RF 신호를 이용하여 송신되도록 분기한다. 그러면, 안테나(110)는 통신 단말(300)로부터 전달받은 데이터를 RF 신호를 이용하여 해당되는 사용자 단말(400)에 송신한다.

이와 같이 본 발명에 따른 표면파 중계 통신 시스템은 진공 챔버, 컨테이너 내부, 송유관 등 무선통신이 불가능한 환경에서 통신을 가능하게 해주며, 무선 통신과 표면파 통신을 혼합하여 사용 가능하므로 다양한 디바이스와 연결이 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 표면파 중계 장치
110 : 안테나
120 : 표면파 발생 모듈
130 : 듀플렉서
200 : 표면파 발생 장치
300 : 통신 단말
400 : 사용자 단말

Claims (6)

1. 표면파 중계 장치를 이용한 표면파 중계 통신 시스템에 있어서,
   금속 구조물의 일측에 부착되며, RF 신호를 통해 수신된 데이터를 표면파 신호를 이용하여 상기 금속 구조물에 부착된 통신 단말로 전달하고, 상기 통신 단말로부터 표면파 신호를 통해 수신된 데이터를 RF 신호를 이용하여 외부의 사용자 단말에 송신하는 표면파 중계 장치, 그리고
   상기 표면파 중계 장치와 동일한 금속 구조물에 부착되어 금속 표면을 통해 수신된 표면파 신호를 상기 통신 단말로 전달하는 표면파 발생 장치를 포함하는 표면파 중계 통신 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 통신 단말은,
   상기 표면파 발생 장치에 부착되어 있는 표면파 중계 통신 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 표면파 중계장치는,
   상기 RF 신호를 송신 또는 수신하는 안테나,
   금속 표면에 부착되며, 인가된 신호에 따라 발생된 표면파를 이용하여 상기 표면파 발생 장치와의 통신을 수행하는 표면파 발생 모듈, 그리고
   상기 안테나에 수신된 RF신호를 증폭시켜 표면파 발생부에 전달하고, 상기 표면파 발생부로부터 수신된 표면파 신호를 증폭시켜 안테나에 전달하는 듀플렉서를 포함하는 표면파 중계 통신 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 표면파 발생모듈 또는 상기 표면 발생 장치는,
   전자기장을 형성하는 방사체,
   상기 방사체의 상측에 위치하는 제1 유전체 기판,
   상기 방사체의 하측에 위치하는 제2 유전체 기판, 그리고
   상기 제2 유전체 기판의 하부에 위치하며, 상면에 기하학적 패턴이 증착된 표면파 발생 패턴 부재를 포함하는 표면파 중계 통신 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 표면파 발생 패턴 부재는,
   트랩 모드에 따라 상기 방사체와 금속 표면 사이에 발생하는 공진을 통해 표면파를 발생시켜 금속 표면을 따라 양측으로 전파를 전달하는 표면파 중계 통신 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   상기 표면파 발생모듈 또는 상기 표면 발생 장치는,
   2.4GHz 내지 2.5GHz 대역에서 발생된 공진을 이용하여 표면파를 발생시키는 표면파 중계 통신 시스템.

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