WO2017222133A1 - 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템 Download PDF

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WO2017222133A1
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transmitter
surface wave
wave antenna
antenna
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변영재
오루간티사이키란
허상현
박우진
서석태
이본영
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울산과학기술원
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    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system and a communication system, and more particularly, to a wireless power transmission system and a communication system using a hybrid type antenna combined with a surface wave antenna and a monopole antenna.
  • a cable connecting each cabin and a cabin may be buried, and wired communication may be performed using the buried cable.
  • a hole may be formed in a metal wall of the cabin and a cable may be buried through the formed hole.
  • An object of the present invention is to provide a wireless power transmission system and a communication system capable of establishing a wireless communication environment between workers in a metal shielded space and transmitting wireless power to a load located at a remote location.
  • Wireless power transmission system and communication system is installed on the metal wall is connected in parallel with the first surface wave antenna and the first surface wave antenna for transmitting and receiving surface electromagnetic waves flowing along the surface of the metal wall
  • the apparatus may further include a repeater for relaying the transmitter and the receiver, wherein the repeater may include a third surface wave antenna for transmitting and receiving surface electromagnetic waves flowing along the surface of the metal wall and a third surface wave antenna connected in parallel with the third surface wave antenna. It may include three monopole antennas.
  • the surface electromagnetic waves may cause total reflection at ridges and depressions formed in the metal wall at regular intervals and flow along the surface of the metal wall.
  • the first and second surface wave antennas may have a rectangular wave shape as a thin waveguide, and a plurality of perforated rectangular rectangular holes are formed therein to form a mesh, and an upper layer having a mesh shape, the same thickness as the upper layer below the upper layer.
  • An intermediate layer formed of a dielectric layer and a lower layer formed in the same length, width and thickness as the upper layer below the intermediate layer may perform a grounding function.
  • the apparatus may further include a power supply unit and an impedance matching unit for supplying power to the transmitter, wherein the impedance matching unit measures a voltage reflected from the transmitter, compares a reference voltage with a magnitude, and performs impedance matching according to a comparison result.
  • the power supply unit may provide the impedance matched voltage to a transmitter.
  • the power supply unit may operate in one of a normal mode and a rapid mode, and the magnitude of power provided to the transmitter in the rapid mode may be greater than the magnitude of power provided to the transmitter in the normal mode.
  • the present invention can provide a wireless power transmission system and a communication system that can establish a wireless communication environment between workers in a metal shielded space and transmit wireless power to a load located at a remote location.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a vessel to which a wireless power transmission system and a communication system according to the present invention are applied.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of a hybrid antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view schematically showing the configuration of a wireless power transmission system and a communication system formed of a surface wave antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the structure of a surface wave antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 7 are schematic views illustrating the configuration of a transmitter and a receiver of a wireless power transmission system and a communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram exemplarily illustrating a position where a repeater is installed according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of a wireless power transmission system and a communication system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view schematically illustrating a power or data transmission principle of a wireless power transmission system and a communication system according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a vessel to which a wireless power transmission system and a communication system according to the present invention are applied.
  • the wireless power transfer system and communication system according to the present invention can be applied to a ship as shown in FIG.
  • the vessel shown in FIG. 1 may comprise a plurality of cabins separated by respective metal walls.
  • communication means between crew members located in cabins 1 to 3 may be provided, wherein the communication means may be a wireless power transmission system and a communication system according to the present invention.
  • the wireless power transmission system and communication system includes a surface wave antenna, which may transmit and receive power and / or signals through a metal wall. Since the surface wave antenna does not require a cable connecting the transmitting end and the receiving end, the inconvenience of having to install a cable by drilling a hole in a cabin wall divided by a metal wall can be eliminated.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of a hybrid antenna according to an embodiment of the present invention.
  • a hybrid antenna according to an embodiment of the present invention includes a monopole antenna (mpole) and a surface wave antenna (surf), and the monopole antenna (mpole) and the surface wave.
  • the antennas are connected in parallel to each other.
  • the monopole antenna can be understood as a general monopole antenna, and is an antenna that uses the characteristic of resonating when the length of the monopole perpendicular to the infinite ground or the perfect conductor is about 1/4 wavelength.
  • the surface wave antenna may be installed on a metal wall to transmit evanescent electromagnetic waves flowing through the metal wall, or may receive surface electromagnetic waves flowing along the metal wall. More specific structure and operating principle of the surface wave antenna will be described with reference to the following drawings.
  • FIG 3 is a view schematically showing the configuration of a wireless power transmission system and a communication system formed of a surface wave antenna according to an embodiment of the present invention.
  • a communication system formed of a surface wave antenna includes a transmitter 100 ′ and a receiver 200 ′.
  • the transmitter 100 'and the receiver 200' are each shielded differently, such as a vessel or container having a plurality of spaces, such as a control room, an engine room, and a pump room. It can be installed in a space to send or receive power or data.
  • the transmitter 100 'and the receiver 200' are each composed of a surface wave antenna according to an embodiment of the present invention, and the surface wave antenna included in the transmitter 100 'is attached to the metal wall 300 to form the metal wall. It can transmit surface electromagnetic waves aboard.
  • the surface wave antenna included in the receiver 200 ′ may be attached to a metal wall to receive surface electromagnetic waves flowing through the metal wall.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the structure of a surface wave antenna according to an embodiment of the present invention.
  • the surface wave antenna includes an upper layer 10, an intermediate layer 20, and a lower layer 30.
  • the upper layer 10 is a waveguide of a thin film, a rectangular shape, a plurality of perforated square-shaped square hole 11 is formed therein has a mesh shape.
  • the upper layer 10 may be made of copper, but is not necessarily limited to copper, and may be made of another conductive material.
  • the intermediate layer 20 is a dielectric layer having the same thickness as the upper layer 10 and may be made of carbon fiber or polycarbonate (PC).
  • the lower layer 30 is the same size (length, width, and thickness) as the upper layer 10 and functions as a ground.
  • the surface wave antenna which is composed of the upper layer 10, the middle layer 20 and the lower layer 30, is installed on a thick metal wall of a shielded space of a ship or container, as described above, and has a surface having a frequency in the range of 20 MHz to 150 MHz. Generate electromagnetic waves.
  • 5 to 7 are schematic views illustrating the configuration of a transmitter and a receiver of a wireless power transmission system and a communication system according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless power transmission system and communication system 100 includes a transmitter 110 and a receiver 120.
  • the transmitter 110 is installed on the metal wall and is connected to the first surface wave antenna (surf 1) and the first surface wave antenna (surf 1) in parallel to transmit surface electromagnetic waves flowing along the surface of the metal wall. (mpole 1).
  • the receiver 120 includes a second monopole antenna (mpole 2) for receiving radio waves transmitted from the transmitter 110.
  • mpole 2 a second monopole antenna
  • the transmitter including the first surface wave antenna (surf 1) and the first monopole antenna (mpole 1) is installed in the cabin of the ship as described with reference to FIG.
  • the source located in another cabin separated from the cabin is in communication with the source located in the cabin in which the transmitter 110 is installed using the receiver 120 including the second monopole antenna (mpole 2) of FIG. 5. can do.
  • the electromagnetic wave output from the first monopole antenna (mpole 1) can be received by the second monopole antenna (mpole 2), and the surface electromagnetic wave output from the first surface wave antenna (surf 1) flows along the metal wall. Can be spread in the air in a bend and it can be understood that the second monopole antenna (mpole 2) receives this electromagnetic wave.
  • the transmitter 110 and the receiver 120 are not limited to the role of sending and receiving signals and / or power, and may perform bidirectional communication with each other. That is, electromagnetic waves output from the second monopole antenna mpole 2 may be received by the first monopole antenna mpole 1 and / or the first surface wave antenna surf 1.
  • the wireless power transfer system and communication system 200 shown in FIG. 6 includes a transmitter 210 and a receiver 220 similarly to the wireless power transfer system and communication system 100 described with reference to FIG. 5.
  • the transmitter 210 includes a first surface wave antenna (surf 1) and a first monopole antenna (mpole 1) similarly to the transmitter 110 described with reference to FIG. 5.
  • the receiver 220 includes a second surface wave antenna 2.
  • Electromagnetic waves output from the first surface wave antenna (surf 1) and / or the first monopole antenna (mpole 1) are transmitted through the metal wall and / or air, and the second surface wave antenna (surf 2) included in the receiver 220 (surf 2). ) May receive the electromagnetic wave.
  • the surface electromagnetic waves generated by the first surface wave antenna (surf 1) and flowing through the metal wall are received by the second surface wave antenna (surf 2) included in the receiver 220. can do.
  • electromagnetic waves generated by the first monopole antenna (mpole 1) and transmitted through the air may also be received by the second surface wave antenna (surf 2).
  • the transmitter 210 and the receiver 220 illustrated in FIG. 6 are not limited to a role of sending and receiving signals and / or power, and may perform bidirectional communication with each other. That is, electromagnetic waves output from the second surface wave antenna (surf 2) may be received by the first monopole antenna (mpole 1) and / or the first surface wave antenna (surf 1).
  • the wireless power transfer system and communication system 300 illustrated in FIG. 7 includes a transmitter 310 and a receiver 320 similarly to the wireless power transfer system and the communication system 100 described with reference to FIG. 5.
  • the transmitter 310 includes a first surface wave antenna surf 1 and a first monopole antenna mpole 1 similarly to the transmitter 110 described with reference to FIG. 5.
  • the receiver 320 includes a second surface wave antenna (surf 2) and a second monopole antenna (mpole 2).
  • Electromagnetic waves output from the first surface wave antenna (surf 1) and / or the first monopole antenna (mpole 1) are transmitted through the metal wall and / or air, and the second surface wave antenna (surf 2) included in the receiver 320 (surf 2). ) And the second monopole antenna (mpole 2) may receive the electromagnetic wave.
  • surface electromagnetic waves generated by a first surface wave antenna (surf 1) and flowing through the metal wall are received by a second surface wave antenna (surf 2) included in the receiver 320. can do.
  • electromagnetic waves generated by the first monopole antenna (mpole 1) and transmitted through the air may be received by the second monopole antenna (mpole 2).
  • the transmitter 310 and the receiver 320 illustrated in FIG. 7 are not limited to a role of sending and receiving signals and / or power, and may perform bidirectional communication with each other. That is, electromagnetic waves output from the second surface wave antenna (surf 2) and the second monopole antenna (mpole 2) may be received by the first monopole antenna (mpole 1) and the first surface wave antenna (surf 1).
  • FIG. 8 is a diagram exemplarily illustrating a position where a repeater is installed according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission system and the communication system may further include a repeater for relaying the transmitter and the receiver between the transmitter and the receiver.
  • the repeater may include a third surface wave antenna for transmitting and receiving surface electromagnetic waves flowing along the surface of the metal wall, and a third monopole antenna connected in parallel with the third surface wave antenna.
  • the repeater may perform a function of relaying power and / or radio waves between the transmitter and the receiver in order to prevent such a problem.
  • the repeater when the distance between the cabin 1 and the cabin 3 is too low to reduce the power and / or radio wave transmission efficiency, the repeater may be installed in the cabin 2, and the repeater may transmit the power and / or radio wave transmitted from the cabin 1 to the cabin 3. May be relayed, or power and / or radio waves transmitted from cabin 3 to cabin 1 may be relayed.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of a wireless power transmission system and a communication system according to another embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission system and the communication system 400 further include a power supply unit 430 and an impedance matching unit 440.
  • the power supply unit 430 supplying power to the transmitter supplies power to the transmitter 410, and the impedance matching unit 440 measures the voltage reflected from the transmitter 410 to compare the reference voltage with a magnitude and compare the result. Impedance matching is performed according to the result.
  • the power supply unit 430 provides the impedance matched voltage to the transmitter 410.
  • the wireless power transmission system and the communication system 400 may improve power and / or radio wave transmission efficiency, and may provide an effect of providing the maximum power that can be supplied. .
  • the power supply unit 430 may operate in any one of a normal mode and a rapid mode, and the magnitude of power provided to the transmitter 410 in the rapid mode is provided to the transmitter 410 in the normal mode. It can be controlled to be larger than the amount of power.
  • the received power may be supplied to the load through the rectifier.
  • the power supply unit 430 may operate in the rapid mode, and the amount of power supplied to the transmitter 410 is transmitted to the transmitter 410 in the normal mode. It can be controlled to be larger than the amount of power supplied.
  • the power supply unit 430 may set a large amount of power supplied to the transmitter 410 in proportion to the number of devices that receive power and / or radio waves from the transmitter 410.
  • FIG. 10 is a view schematically illustrating a power or data transmission principle of a wireless power transmission system and a communication system according to the present invention.
  • the metal wall may be formed of a body centric cuboid crystal (BBC) structure or an uneven structure including a raised portion (G) and a recessed portion (V), and may have a constant period (A). have.
  • BBC body centric cuboid crystal
  • G raised portion
  • V recessed portion
  • A constant period
  • the interaction of surface electromagnetic waves with the metal wall causes surface waves to flow through the surface of the metal wall. That is, the surface electromagnetic waves generated by the transmitter, which is the surface of the electromagnetic wave (Evanescent EM wave source), cause total reflection to flow in the ridge G and the depression V formed according to the period A.
  • the surface electromagnetic waves generated by the transmitter which is the surface of the electromagnetic wave (Evanescent EM wave source)
  • the surface electromagnetic waves flowing through the metal wall on which the transmitter is mounted may be received through a receiver installed on the metal wall.

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Abstract

무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템은, 금속 벽에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제1 표면파 안테나 및 상기 제1 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제1 모노폴 안테나를 포함하는 송신부 및 상기 금속 벽으로 분리된 공간에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 수신하는 제2 표면파 안테나 또는 제2 모노폴 안테나 중 적어도 하나를 포함하는 수신부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템
본 발명은 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면파 안테나와 모노폴 안테나가 결합된 하이브리드 형태의 안테나를 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템에 관한 것이다.
대형 선박이나 대형 컨테이너와 같이 멀리 떨어진 위치에 존재하는 사람들에게 통신 수단을 제공하기 위하여 다양한 방법들이 이용되고 있다.
금속 벽으로 차폐된 공간에서 무선 통신 환경을 구축하는 것은 용이하지 않으므로, 대형 선박의 경우 각각의 선실과 선실을 연결하는 케이블을 매설하고, 매설된 케이블을 이용하여 유선 통신을 수행할 수 있다.
한편, 대형 선박에서 모든 선실에 유선 통신 환경을 구축하기 위해서는 선실의 금속 벽에 홀(hole)을 형성하고, 형성된 홀을 통하여 케이블을 매설하는 방법을 이용할 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 선실의 구조상 케이블 매설에 어려움이 따를 수 있으며, 기타 통신 수단을 설치하는 것도 용이하지 않을 수 있다.
본 발명은 금속으로 차폐된 공간에서 작업자 간의 무선 통신 환경을 구축하고, 원격지에 위치한 부하에 무선 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템은, 금속 벽에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제1 표면파 안테나 및 상기 제1 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제1 모노폴 안테나를 포함하는 송신부 및 상기 금속 벽으로 분리된 공간에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 수신하는 제2 표면파 안테나 또는 제2 모노폴 안테나 중 적어도 하나를 포함하는 수신부를 포함한다.
또한, 상기 송신부와 상기 수신부를 중계하는 리피터를 더 포함할 수 있으며, 상기 리피터는 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제3 표면파 안테나 및 상기 제3 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제3 모노폴 안테나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면 전자기파는 일정한 주기에 따라 상기 금속 벽에 형성된 융기부와 함몰부에서 전반사를 일으켜 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐를 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 표면파 안테나는, 박막의 도파관으로 사각모양을 가지며, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각 홀이 형성되어 그물망 형태를 가지는 상부층, 상기 상부층 하부에 상기 상부층과 동일한 두께로 형성되는 유전체 층인 중간층 및 상기 중간층 하부에 상기 상부층과 동일한 길이, 너비 및 두께로 형성되어 접지 기능을 수행하는 하부층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신부에 전력을 공급하는 전력 공급부 및 임피던스 정합부를 더 포함할 수 있으며, 상기 임피던스 정합부는 상기 송신부에서 반사된 전압을 측정하여 기준 전압과 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 임피던스 정합을 수행하고, 상기 전력 공급부는 상기 임피던스 정합된 전압을 송신부에 제공할 수 있다.
또한, 상기 전력 공급부는 일반 모드 또는 급속 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하며, 상기 급속 모드에서 상기 송신부에 제공되는 전력의 크기는 상기 일반 모드에서 상기 송신부에 제공되는 전력의 크기보다 클 수 있다.
본 발명은 금속으로 차폐된 공간에서 작업자 간의 무선 통신 환경을 구축하고, 원격지에 위치한 부하에 무선 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템이 적용되는 선박의 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 안테나의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나로 형성되는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 송신부와 수신부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리피터가 설치되는 위치를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 전력 또는 데이터 전송 원리를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템이 적용되는 선박의 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템은 도 1에 도시되는 바와 같은 선박에 적용될 수 있다. 도 1에 도시되는 선박은 각각의 금속 벽으로 구분되는 복수의 선실을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 선실 1 내지 선실 3에 위치하는 선원들 사이의 통신 수단이 제공될 수 있으며, 이때 상기 통신 수단은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템은 표면파 안테나를 포함하며, 상기 표면파 안테나는 금속 벽을 통해 전력 및/또는 신호를 전송하고 수신할 수 있다. 표면파 안테나는 송신단과 수신단을 연결하는 케이블을 필요로 하지 않으므로, 금속 벽으로 구분되는 선실 벽에 구멍을 뚫어 케이블을 설치해야하는 불편함을 없앨 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 안테나의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 안테나는 모노폴 안테나(monopole antenna, 이하 mpole)와 표면파 안테나(surface wave antenna, 이하 surf)를 포함하며, 상기 모노폴 안테나(mpole)와 상기 표면파 안테나(surf)는 서로 병렬로 연결된다.
상기 모노폴 안테나(mpole)는 일반적인 모노폴 안테나로 이해할 수 있으며, 무한한 대지면이나 완전도체에 수직으로 세워지는 모노폴의 길이가 약 1/4 파장일 때 공진하는 특성을 이용하는 안테나이다.
상기 표면파 안테나(surf)는 금속 벽에 설치되어 상기 금속 벽을 타고 흐르는 표면 전자기파(evanescent electromagnetic wave)를 송신하거나, 상기 금속 벽을 따라 흐르는 표면 전자기파를 수신할 수 있다. 상기 표면파 안테나(surf)의 보다 구체적인 구조와 동작 원리는 후속 도면들을 참조로 하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나로 형성되는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나로 형성되는 통신 시스템은 송신부(100’) 및 수신부(200’)를 포함한다. 송신부(100’)와 수신부(200’)는 제어 룸(control room)과 엔진 룸(engine room) 및 펌프 룸(pump room)과 같이 복수의 공간을 가진 배, 또는 컨테이너 등과 같은 차폐된 각각의 상이한 공간에 설치되어 전력 또는 데이터를 주고 받을 수 있다.
송신부(100’)와 수신부(200’)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나로 구성되며, 송신부(100’)에 포함되는 표면파 안테나는 금속 벽(300)에 부착되어 상기 금속 벽을 타고 흐르는 표면 전자기파를 송신할 수 있다. 또한, 수신부(200’)에 포함되는 표면파 안테나는 금속 벽에 부착되어 상기 금속 벽을 타고 흐르는 표면 전자기파를 수신할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면파 안테나는 상부층(10), 중간층(20) 및 하부층(30)을 포함한다. 상부층(10)은 박막의 도파관으로 사각모양으로, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각홀(11)이 형성되어 그물망 형태를 가진다.
상부층(10)은 구리 재질로 이루어질 수 있으나, 반드시 구리로 한정되는 것은 아니며, 다른 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
중간층(20)은 유전체 층으로 상부층(10)과 동일한 두께를 가지며, 탄소 섬유나 폴리카보네이트(PC)로 이루어질 수 있다. 하부층(30)은 상부층(10)과 크기(길이, 너비, 및 두께)가 동일하고, 접지 기능을 한다.
상부층(10), 중간층(20) 및 하부층(30)으로 구성되는 상기 표면파 안테나는 상술한 바와 같이, 배 또는 컨테이너의 차폐된 공간의 두꺼운 금속 벽에 설치되며, 20MHz~150MHz 범위의 주파수를 가진 표면 전자기파를 발생시킨다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 송신부와 수신부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(100)은 송신부(110)와 수신부(120)를 포함한다. 송신부(110)는 금속 벽에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송신하는 제1 표면파 안테나(surf 1) 및 상기 제1 표면파 안테나(surf 1)와 병렬로 연결되는 제1 모노폴 안테나(mpole 1)를 포함한다.
그리고, 수신부(120)는 송신부(110)에서 송신되는 전파를 수신하는 제2 모노폴 안테나(mpole 2)를 포함한다.
도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같은 선박의 선실에 도 5의 송신부(110)와 같이 제1 표면파 안테나(surf 1)와 제1 모노폴 안테나(mpole 1)를 포함하는 송신기가 설치되어 있는 경우, 상기 선실과 분리된 다른 선실에 위치하는 선원은 도 5의 제2 모노폴 안테나(mpole 2)를 포함하는 수신부(120)를 이용하여, 상기 송신부(110)가 설치되어 있는 상기 선실에 위치하는 선원과 통신할 수 있다.
제1 모노폴 안테나(mpole 1)에서 출력되는 전자기파는 제2 모노폴 안테나(mpole 2)이 수신할 수 있음은 자명하며, 제1 표면파 안테나(surf 1)에서 출력되는 표면 전자기파는 상기 금속 벽을 따라 흐르다가 굴곡에서 공기중으로 퍼질 수 있으며 제2 모노폴 안테나(mpole 2)는 이러한 전자기파를 수신하는 것으로 이해할 수 있다.
또한, 송신부(110)와 수신부(120)는 반드시 신호 및/또는 전력을 보내고 받는 역할로 한정되지 않으며, 서로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 즉, 제2 모노폴 안테나(mpole 2)에서 출력되는 전자기파는 제1 모노폴 안테나(mpole 1) 및/또는 제1 표면파 안테나(surf 1)에 의해 수신될 수 있다.
도 6에 도시되는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(200)은, 도 5를 참조로 하여 설명한 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(100)과 마찬가지로 송신부(210)와 수신부(220)를 포함한다.
송신부(210)는 도 5를 참조로 하여 설명한 송신부(110)와 동일하게 제1 표면파 안테나(surf 1)와 제1 모노폴 안테나(mpole 1)를 포함한다. 그리고, 수신부(220)는 제2 표면파 안테나(surf 2)를 포함한다.
제1 표면파 안테나(surf 1) 및/또는 제1 모노폴 안테나(mpole 1)에서 출력되는 전자기파는 상기 금속 벽 및/또는 공기를 통해 전달되며, 수신부(220)에 포함되는 제2 표면파 안테나(surf 2)는 상기 전자기파를 수신할 수 있다.
제1 표면파 안테나(surf 1)에서 생성되어 상기 금속 벽을 타고 흐르는 표면 전자기파는 도 1 내지 도 4를 참조로 하여 설명한 바와 같이, 수신부(220)에 포함되는 제2 표면파 안테나(surf 2)가 수신할 수 있다. 또한, 제1 모노폴 안테나(mpole 1)에서 생성되어 공기를 통해 전달되는 전자기파도 제2 표면파 안테나(surf 2)에 의해 수신될 수 있다.
도 6에 도시되는 송신부(210)와 수신부(220)는 반드시 신호 및/또는 전력을 보내고 받는 역할로 한정되지 않으며, 서로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 즉, 제2 표면파 안테나(surf 2)에서 출력되는 전자기파는 제1 모노폴 안테나(mpole 1) 및/또는 제1 표면파 안테나(surf 1)에 의해 수신될 수 있다.
도 7에 도시되는 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(300)은, 도 5를 참조로 하여 설명한 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(100)과 마찬가지로 송신부(310)와 수신부(320)를 포함한다.
송신부(310)는 도 5를 참조로 하여 설명한 송신부(110)와 동일하게 제1 표면파 안테나(surf 1)와 제1 모노폴 안테나(mpole 1)를 포함한다. 그리고, 수신부(320)는 제2 표면파 안테나(surf 2) 및 제2 모노폴 안테나(mpole 2)를 포함한다.
제1 표면파 안테나(surf 1) 및/또는 제1 모노폴 안테나(mpole 1)에서 출력되는 전자기파는 상기 금속 벽 및/또는 공기를 통해 전달되며, 수신부(320)에 포함되는 제2 표면파 안테나(surf 2) 및 제2 모노폴 안테나(mpole 2)는 상기 전자기파를 수신할 수 있다.
제1 표면파 안테나(surf 1)에서 생성되어 상기 금속 벽을 타고 흐르는 표면 전자기파는 도 1 내지 도 4를 참조로 하여 설명한 바와 같이, 수신부(320)에 포함되는 제2 표면파 안테나(surf 2)가 수신할 수 있다. 또한, 제1 모노폴 안테나(mpole 1)에서 생성되어 공기를 통해 전달되는 전자기파는 제2 모노폴 안테나(mpole 2)에 의해 수신될 수 있다.
도 7에 도시되는 송신부(310)와 수신부(320)는 반드시 신호 및/또는 전력을 보내고 받는 역할로 한정되지 않으며, 서로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 즉, 제2 표면파 안테나(surf 2) 및 제2 모노폴 안테나(mpole 2)에서 출력되는 전자기파는 제1 모노폴 안테나(mpole 1) 및 제1 표면파 안테나(surf 1)에 의해 수신될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 리피터가 설치되는 위치를 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템은 송신부와 수신부 사이에 상기 송신부와 상기 수신부를 중계하는 리피터를 더 포함할 수 있다.
상기 리피터는 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제3 표면파 안테나 및 상기 제3 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제3 모노폴 안테나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템이 대형 선박에 적용되는 경우, 송신부와 수신부 사이의 거리가 멀수록 전력 및/또는 전파 전송 효율이 떨어질 수 있다.
상기 리피터는 이러한 문제를 방지하기 위하여 상기 송신부와 상기 수신부 사이에서 전력 및/또는 전파를 중계하는 기능을 수행할 수 있다.
도 8에서 선실 1과 선실 3 사이의 거리가 멀어 전력 및/또는 전파 전송 효율이 떨어지는 경우, 선실 2에 상기 리피터를 설치할 수 있으며, 상기 리피터는 선실 1에서 선실 3으로 전송되는 전력 및/또는 전파를 중계하거나, 선실 3에서 선실 1로 전송되는 전력 및/또는 전파를 중계할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(400)은 전원 공급부(430) 및 임피던스 정합부(440)를 더 포함한다. 상기 송신부에 전력을 공급하는 전원 공급부(430)는 송신부(410)에 전력을 공급하며, 임피던스 정합부(440)는 송신부(410)에서 반사된 전압을 측정하여 기준 전압과 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 임피던스 정합을 수행한다.
그리고, 전원 공급부(430)는 임피던스 정합된 전압을 송신부(410)에 제공한다.
송신부(410)에 임피던스 정합된 전압을 공급함으로써, 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(400)은 전력 및/또는 전파 전송 효율을 향상시킬 수 있으며, 공급 가능한 최대의 전력을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 전원 공급부(430)는 일반 모드 또는 급속 모드 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있으며, 상기 급속 모드에서 송신부(410)에 제공되는 전력의 크기는 상기 일반 모드에서 송신부(410)에 제공되는 전력의 크기보다 크게 제어될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템(400)을 통해 전력이 전송되는 경우, 상기 전력은 수신부(420)에 의해 수신되며, 수신된 상기 전력은 정류부를 통해 부하로 공급될 수 있다.
상기 부하에 짧은 시간동안 많은 전력이 공급되어야 하는 경우, 전원 공급부(430)는 상기 급속 모드로 동작할 수 있으며, 이때 송신부(410)에 공급되는 전력의 크기는 상기 일반 모드에서 송신부(410)에 공급되는 전력의 크기보다 크게 제어될 수 있다.
한편, 전원 공급부(430)는 송신부(410)로부터 전원 및/또는 전파를 수신하는 장치의 개수에 비례하여 송신부(410)에 공급되는 전력의 크기를 크게 설정할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 통신 시스템의 전력 또는 데이터 전송 원리를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 금속 벽은 융기된 부분(grain, G)과 함몰된 부분(void, V)을 포함하는 BCC(body centric cuboid crystal) 구조 또는 요철 구조로 이루어져 일정한 주기(A)를 가질 수 있다.
표면 전자기파와 상기 금속 벽의 상호 작용으로 인해 표면파가 발생하여 상기 표면 전자기파가 상기 금속 벽의 표면을 흐르게 된다. 즉, 표면 전자기파 소스(Evanescent EM wave source)인 송신부에서 발생한 표면 전자기파는 상기 주기(A)에 따라 형성된 융기부(G)와 함몰부(V)에서 전반사를 일으켜 흐르게 된다.
따라서, 상기 송신부가 장착된 금속 벽을 타고 흐르게 되는 상기 표면 전자기파는 상기 금속 벽에 설치되는 수신부를 통해 수신될 수 있다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 금속 벽에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제1 표면파 안테나 및 상기 제1 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제1 모노폴 안테나를 포함하는 송신부; 및
    상기 금속 벽으로 분리된 공간에 설치되어 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 수신하는 제2 표면파 안테나 또는 제2 모노폴 안테나 중 적어도 하나를 포함하는 수신부;
    를 포함하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신부와 상기 수신부를 중계하는 리피터를 더 포함하고,
    상기 리피터는 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 표면 전자기파를 송수신하는 제3 표면파 안테나 및 상기 제3 표면파 안테나와 병렬로 연결되는 제3 모노폴 안테나를 포함하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면 전자기파는 일정한 주기에 따라 상기 금속 벽에 형성된 융기부와 함몰부에서 전반사를 일으켜 상기 금속 벽의 표면을 따라 흐르는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 표면파 안테나는,
    박막의 도파관으로 사각모양을 가지며, 내부에 복수의 천공된 사각모양의 사각 홀이 형성되어 그물망 형태를 가지는 상부층;
    상기 상부층 하부에 상기 상부층과 동일한 두께로 형성되는 유전체 층인 중간층; 및
    상기 중간층 하부에 상기 상부층과 동일한 길이, 너비 및 두께로 형성되어 접지 기능을 수행하는 하부층을 포함하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신부에 전력을 공급하는 전원 공급부; 및
    임피던스 정합부;
    를 더 포함하고,
    상기 임피던스 정합부는 상기 송신부에서 반사된 전압을 측정하여 기준 전압과 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 임피던스 정합을 수행하고,
    상기 전력 공급부는 상기 임피던스 정합된 전압을 송신부에 제공하는 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 일반 모드 또는 급속 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하며, 상기 급속 모드에서 상기 송신부에 제공되는 전력의 크기는 상기 일반 모드에서 상기 송신부에 제공되는 전력의 크기보다 큰 무선전력전송 시스템 및 통신 시스템.
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