WO2021107193A1 - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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WO2021107193A1
WO2021107193A1 PCT/KR2019/016575 KR2019016575W WO2021107193A1 WO 2021107193 A1 WO2021107193 A1 WO 2021107193A1 KR 2019016575 W KR2019016575 W KR 2019016575W WO 2021107193 A1 WO2021107193 A1 WO 2021107193A1
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WO
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power
wireless power
signal
antenna
unit
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Application number
PCT/KR2019/016575
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English (en)
French (fr)
Inventor
이종원
조동호
이주용
노윤석
Original Assignee
한국과학기술원
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/23—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of transmitting antennas, e.g. directional array antennas or Yagi antennas

Definitions

  • the present technology relates to a wireless power transmission device.
  • the wireless power transmission method is largely divided into an inductive coupling method, a non-radiative method including a magnetic resonance method, and a radiation method for transmitting power and receiving the RF signal.
  • the non-radiation method is a wireless power transmission method that has been recently used for charging mobile phones, and it can be charged within a few cm.
  • the radiation method uses an antenna to emit microwaves to transmit power over a relatively long distance.
  • the non-radiative wireless power transmission method is a technology that can be mainly used indoors because it is mainly used when the transmitting side and the receiving side are in contact or in a short distance within 1 to 2 meters.
  • the radiation method using electromagnetic waves has the advantage that it can be applied at a distance of several to tens of meters or more and in various indoor/outdoor environments.
  • Such a wireless power transmission technology has recently become increasingly important because it can improve the problems associated with installation and maintenance of various smart devices operated by wire or using a battery.
  • the antenna In the radiation-type wireless power transmission method, since one RF unit (radio frequency unit) that forms and provides a power signal for each unit antenna is coupled one by one, when it is desired to transmit higher power by increasing the number of antennas, the antenna There is a difficulty in that the cost increases when implementing the transmitter because expensive RF parts are required as much as the number of . Furthermore, loss due to dielectric loss (loss tangent), etc. occurring in the antenna occurs, resulting in a problem of power loss.
  • One of the problems to be solved by the present technology is to solve the above-described difficulties of the prior art.
  • the present technology has a low loss compared to the prior art and is one of the problems to be solved to form an economical wireless power transmission transmitter.
  • the wireless power transmitter includes an oscillator that forms a signal of an upper industrial scientific medcal (ISM) band, a power divider that distributes power of the signal, and shifts the phase of the divided signal,
  • a sub-array antenna including an RF signal processing unit for amplifying the power of a signal, a power distributor for distributing the power amplified signal, and a plurality of unit antennas receiving and radiating the power amplified signal from the power divider It includes an arrayed array antenna.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a wireless power transmitter according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an outline of an RF signal processing unit according to the present embodiment.
  • FIG 3 is a diagram schematically illustrating an embodiment of a power distributor.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a coupling relationship between the power divider and the unit antennas included in the sub-array antenna according to the present embodiment.
  • FIG. 5(a) is a plan view of an embodiment in which a power distributor and a sub-array antenna are integrally formed
  • FIG. 5(b) is a diagram schematically illustrating a cross-section taken along line A-A' of FIG. 5(a).
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating examples of arrangement of a wireless power transmitter according to the present embodiment.
  • 7(a) to 7(d) are diagrams comparing air efficiency during wireless power transmission using signals of a conventional ISM band and an upper ISM band.
  • FIG. 8 is a diagram comparing the air efficiency when one RF signal processor is connected to one unit antenna as in the prior art and the air efficiency when one RF signal processor is connected to one sub-array antenna.
  • the wireless power transmitter 10 includes an oscillator 100 that forms a signal of an upper industrial scientific medcal (ISM) band, and a power divider that distributes power of the oscillated signal.
  • a divider 200 an RF signal processing unit (RF signal processing unit, 300a, 300b, ..., 300n) that shifts the phase of the distributed signal and amplifies the power of the shifted signal, and the power of the amplified signal
  • RF signal processing unit RF signal processing unit, 300a, 300b, ..., 300n
  • the oscillator 100 forms and outputs a signal of an upper industrial scientific medical (ISM) band.
  • ISM industrial scientific medical
  • the frequencies of the typical ISM band are 13.553 ⁇ 13.567 MHz, 26.975 ⁇ 27.283 MHz, 40.66 ⁇ 40.70 MHz, 2.4 ⁇ 2.48 GHz, 5.725 ⁇ 5.875 GHz bands, and 433.05 ⁇ 433.79 MHz, 902 ⁇ 928 MHz bands depending on the region It may further include a frequency.
  • the frequency of the upper ISM band according to the present embodiment may be a frequency of 24 to 24.25 GHz, 61 to 61.5 GHz, 122 to 123 GHz, or 244 to 246 GHz, which is a frequency higher than that of the above-described ISM band.
  • Equation 1 is a Friis transmission equation representing power received by the unit antenna on the wireless power receiving side.
  • Equation 1 As shown in Equation 1, as the frequency of the signal to be transmitted for power transmission increases (the wavelength of the transmitted signal decreases), the power received by the unit antenna of the receiving side decreases. For this reason, in the prior art, the frequency of a signal for transmitting power is limited to a low frequency band of the ISM band.
  • the area of a unit antenna for transmitting a signal may be reduced.
  • the length of each side of the quadrangle is inversely proportional to the frequency to be transmitted, so that the area of the unit antenna is inversely proportional to the square of the frequency when a high frequency transmission signal is used.
  • the area formed by the array antennas formed by arranging unit antennas is the same, the area of the unit antenna decreases as the frequency increases, so that more unit transmit antennas and receive antennas can be arranged in the same area.
  • the square of Nt is eventually generated by calculating the equation in the absolute value and then calculating the square. This is multiplied by Nt of the leftmost denominator of the equation, and as a result, the received power Pr is proportional to the number of transmit unit antennas (Nt).
  • the total power transmitted by the transmitting side can be increased by increasing the number of unit antennas for transmitting a transmission signal, and higher power despite a decrease in efficiency in the medium can receive Furthermore, it is possible to increase the number of unit antennas on the receiving side, thereby obtaining higher reception power.
  • the power divider 200 divides and outputs the power of the signal provided by the oscillator.
  • each RF signal processing unit (300a, 300b, ..., 300n) is a phase shifter (phase shifter, 310) for shifting the phase of the signal provided by the power divider 200 (phase shifter, 310),
  • a power amplifier 320 amplifying the power of the shifted signal is included, and the phase shifter 310 and the power amplifier 320 are connected in a cascade.
  • the phase shifter 310 shifts the phase of the signal provided by the power divider 200 so that the beams formed by the sub-array antennas 500a1 , ..., 500nk are formed toward the receiving side to shift the beam.
  • the phase shifter 310 controls the phase of the signal provided to each sub-array antenna (500a, 500b, ..., 500n), respectively, each sub-array antenna (500a, 500b, ..., 500n) to steer the forming beam.
  • the power amplifier 320 amplifies the power of the signal provided by the phase shifter 310 to the unit antennas 500a1, ..., 500nk included in each sub-array antenna 500a, ..., 500n. ) is printed in
  • one unit antenna is connected to one RF signal processing unit.
  • 10000 RF signal processing units are coupled to each unit antenna.
  • the phase shifter and the power amplifier included in the RF signal processing unit are expensive, the prior art wireless power transmitter has low economic feasibility.
  • economic efficiency is further lowered.
  • one RF signal processing unit 300a, 300b, ..., 300n is provided for each sub-array antenna 500a, ..., 500n including a plurality of unit antennas. are coupled
  • 100*100 unit antennas as in the example described above, if one sub-array antenna includes 10*10 unit antennas, 100 sub-array antennas are formed, and for each of these, 100 sub-array antennas are formed.
  • the RF signal processing unit is connected, 100 RF signal processing units are required. In this case, the number of RF signal processing units required in the prior art can be reduced to 1/100, and a high cost reduction effect can be obtained therefrom.
  • the power dividers 400a, 400b, ...400n divide the power of the signal output by the RF signal processing units 300a, 300b, ...300n to each of the unit antennas 500a1, ..., 500nk. to provide.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing an embodiment of the power divider (400a, 400b, ... 400n).
  • the power dividers 400a, 400b, ... 400n are waveguide power dividers.
  • the waveguide power divider includes a metal cavity 410 formed of a metal material having high conductivity, an input slot 420 formed at one side of the metal cavity 410, and an output slot through which signals having the distributed power are output, respectively. (output slots, 430).
  • the signal output by the RF signal processing unit is provided to the input slot 420 , is totally reflected and resonated inside the metal cavity 410 , so that power is distributed and output to each output slot 430 .
  • the inside of the metal cavity 410 may be filled with air, from which the power loss of the power divider is close to zero.
  • a power distributor according to the prior art has a form in which a conductive strip is formed on a dielectric substrate based on a transmission line.
  • the power of the input signal propagates along the conductive strip, and loss due to the dielectric occurs in the process of power distribution.
  • the power divider according to the present embodiment provides an advantage that power loss can be greatly reduced because the input signal is totally reflected and resonated inside the metal cavity filled with air to distribute power.
  • a metal cavity 410 having a hexahedral shape is illustrated as having 5*5 output slots in a metal cavity 410 having a hexahedral shape.
  • the shape of the metal cavity is a volume having one side and the other side, such as a cylinder, a polyhedral pillar, etc., and may have a smaller number of slots, and may have a large number of slots.
  • the number of slots formed horizontally and the number of slots formed vertically may be different from each other.
  • each of the unit antennas 500a1, 500a2, ... may be interconnected with connectors 610 , 615 .
  • each of the unit antennas 500a1, 500a2, ... may be a Yagi antenna, a patch antenna, or a PCB-based antenna, which are an antenna-side connector 615 and a power distributor 400-side connector 610, respectively.
  • the illustrated embodiment shows a configuration in which the connector 610 is disposed on the antenna side connector 615 and the power distributor 400 side, respectively, it is also possible to connect the unit antenna and the power distributor with a single connector.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another embodiment of the power divider 400 and the sub-array antenna 500 .
  • 5(a) is a plan view of an embodiment in which the power distributor 400 and the sub-array antenna 500 are integrally formed
  • FIG. 5(b) is a schematic cross-section taken along line A-A' of FIG. 5(a). it is one drawing 5(a) and 5(b), the signal provided through the input slot (refer to FIGS. 43 and 420) is guided through the wave guide WV, and impedance matched through the connection aperture 440.
  • a cavity 410 is provided.
  • the signal is resonated and reflected in the cavity 410 to distribute power, and the distributed signal is provided to the plurality of unit antennas 500a1 , 500a2 , 500a3 , and 500a4 to be radiated to the outside.
  • the power distributor 400 and the sub-array antenna 500 illustrated in FIG. 5 may be formed by stacking three metal layers.
  • the power transmission device 10 may be mounted on a mechanical steering device.
  • the RF signal processing unit (300a, 300b, ... 300n, see FIG. 1) shifts the phase to steer the beam toward the receiving side, but the mechanical steering device of the antennas to direct the power transmission device 10 at an angle of a larger range.
  • the direction of orientation can be controlled mechanically.
  • the wireless power transmitter 10 may be disposed on the ceiling of an indoor space.
  • the wireless power transmitter 10 disposed on the ceiling may wirelessly transmit power to the devices 20 positioned in an indoor space.
  • the wireless power transmission device 10 may be embedded in or mounted in home appliances such as an air conditioner, lighting, a beam projector and a beam projector screen located in an indoor space.
  • the devices 20 may be IoT devices including the power receiving device 20 .
  • a radio wave absorber 15 may be further disposed in an indoor space in which the wireless power transmitter 10 is disposed.
  • the beam provided by the wireless power transmitter 10 may be scattered indoors or spread widely to affect a living body located in an indoor space. Therefore, it is possible to prevent the beam from being scattered and reflected and provided to the living body by disposing an absorber that absorbs radio waves.
  • the air efficiency is defined as the ratio between the total power of the transmit array antenna input unit and the total power of the receive array antenna output unit.
  • the total power of the transmit array antenna input unit may be calculated as the sum of output powers of all transmit RF terminals, and the total power of the receive array antenna output unit is calculated as the sum of all receive sub-array antenna output powers.
  • the wireless power receiver consists of n x n single antennas, a rectifier for rectifying the received signal, and an RF combiner for merging the power of the received signal.
  • the existing ISM band of 5.8 GHz and the upper ISM band of 24 GHz evaluated the air efficiency during wireless power transmission transmission transmission.
  • the distance between the transmitter/receiver is 10 meters
  • the transmitter output power (Pt) is 10 W
  • the resolution of the phase shifter is 4 bit
  • the interval between the unit antennas is 0.7 ⁇
  • the gain of the unit antenna of the transmitter/modifier is 8/8 dBi.
  • 7(a) and 7(b) show that the area of the transmit antenna is 1*1m2, the area of the receive antenna is 0.2*0.2m2, and
  • FIGS. 7(c) and 7(d) show the area of the transmit antenna The area was set to 2*2m2, and the area of the receiving antenna was set to 0.1*0.1m2.
  • FIGS. 7 (a) and 7(c) are diagrams showing air efficiency during wireless power transmission in the existing ISM band, 5.8 GHz, and FIGS. 7 (b) and 7 (d) are wireless in the upper ISM band, 24 GHz. It is a diagram comparing air efficiency during power transmission.
  • the air efficiency during wireless power transmission in the existing ISM band of 5.8 GHz was 16.9% during wireless power transmission in the existing ISM band of 5.8 GHz, but in the present upper ISM band, 24 GHz, the The air efficiency during power transmission was 83%, which increased by about 4 times, and referring to FIGS. 7(c) and 7(d), the air efficiency during wireless power transmission in the existing ISM band of 5.8GHz was 16.6%, but , it can be seen that the air efficiency during wireless power transmission in the upper ISM band, 24 GHz, was 82.1%, which was about a 4-fold increase in efficiency.
  • 56*56 unit transmit antennas and 3*3 unit receive antennas could be disposed in the existing ISM band, but the same transmission in the upper ISM band In the antenna area and the receiving antenna area, 228*228 unit transmit antennas and 11*11 unit receive antennas could be arranged.
  • FIG. 8 shows the air efficiency of a transmitter structure in which one RF signal processor is connected to one unit antenna as in the prior art and a transmitter structure in which one RF signal processor is connected to one sub-array antenna of the present embodiment (10). It is a diagram comparing air efficiency. Experimental conditions are the same as the experimental conditions of FIGS. 7(a) to 7(d), but both the present embodiment and the prior art transmit power using a signal of 24 GHz.
  • air efficiency was measured to be 83%.
  • the air efficiency was measured to be 80%, and the sub-array antenna composed of 8*8 unit transmitting antennas and one RF signal processing unit were connected.
  • the air efficiency was measured to be 73%. That is, when the sub-array antenna including 8*8 unit antennas and one RF signal processor are coupled, it is understood that the air efficiency is reduced by 12%.
  • the wireless power transmitter according to the present embodiment transmits power as a signal of an upper ISM band, it has high power transmission efficiency compared to the prior art, and it is possible to reduce the number of expensive RF signal processing units, thereby providing economical advantages.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

본 실시예에 의한 무선 전력 송신기는 상위 ISM(industrial scientifical medcal) 대역의 신호를 형성하는 발진기와, 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기(power divider)와, 분배된 신호의 위상을 천이하고, 천이된 신호의 전력을 증폭하는 RF 신호 처리부(RF signal processing unit)와, 전력 증폭된 신호를 분배하는 전력 분배기 및 전력 분배기로부터 전력 증폭된 신호를 제공받아 방사하는 복수의 단위 안테나들을 포함하는 서브 어레이 안테나가 배열된 어레이 안테나를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 장치
본 기술은 무선 전력 전송 장치에 관련된다.
무선 전력 전송 방식은 크게 유도 결합 방식, 자기 공진 방식을 포함하는 비방사 방식과 RF 신호로 전력을 전송하고 이를 수신하는 방사 방식으로 나뉜다. 비방사 방식은 최근 휴대폰 충전 등에 사용되고 있는 무선 전력 전송 방식으로 수 cm 이내에서만 충전이 가능하나, 방사 방식은 안테나를 이용하여 마이크로파를 방사해 비교적 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하다.
비방사 형식의 무선 전력 전송 방식은 송신측과 수신측이 접촉하거나 1~2미터 이내의 근거리에서 주로 활용되고 있어 실내에서 주로 활용 가능한 기술이다. 이에 반해 전자기파를 이용하는 방사 방식은 수 ~ 수십미터 이상의 원거리 및 실내/외 다양한 환경에서 적용이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 무선 전력 전송 기술은 유선으로 동작하거나, 배터리를 이용하여 동작하는 다양한 스마트 디바이스들의 설치 및 유지/보수 문제를 따른 문제를 개선할 수가 있어 최근 들어 점차 중요해지고 있는 추세이다.
방사 형식의 무선 전력 전송 방식은 각각의 단위 안테나 당 전력 신호를 형성하여 제공하는 RF 부(radio frequency unit)가 하나씩 커플링이 되므로, 안테나의 개수를 증가시켜 보다 높은 전력을 전송하고자 하는 경우에는 안테나의 개수만큼 고가의 RF 부가 필요하여 송신기 구현시 비용이 증가한다는 난점이 있었다. 나아가, 안테나에서 발생하는 유전체 손실(loss tangent)등에 의한 손실이 발생하여 전력 손실의 문제가 발생한다.
본 기술로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상기한 종래 기술의 난점을 해소하기 위한 것이다. 본 기술은 종래 기술에 비하여 낮은 손실을 가지며 경제적인 무선 전력 전송 송신기를 형성하는 것이 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.
본 실시예에 의한 무선 전력 송신기는 상위 ISM(industrial scientifical medcal) 대역의 신호를 형성하는 발진기와, 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기(power divider)와, 분배된 신호의 위상을 천이하고, 천이된 신호의 전력을 증폭하는 RF 신호 처리부(RF signal processing unit)와, 전력 증폭된 신호를 분배하는 전력 분배기 및 전력 분배기로부터 전력 증폭된 신호를 제공받아 방사하는 복수의 단위 안테나들을 포함하는 서브 어레이 안테나가 배열된 어레이 안테나를 포함한다.
본 실시예에 의하면 상위 ISM 밴드 주파수 대역의 신호로 전력을 전송하여 높은 전력 전송 효율을 얻을 수 있으며, 그로부터 경제적으로 무선 전력 전송 장치를 형성할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치의 개요를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 RF 신호 처리부의 개요를 도시한 블록도이다.
도 3은 전력 분배기의 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 전력 분배기와 서브 어레이 안테나에 포함된 단위 안테나들의 결합 관계를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 5(a)는 전력 분배기와 서브 어레이 안테나가 일체로 형성된 실시예의 평면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 A-A'선의 단면을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치의 배치의 예들을 예시한 개요도이다.
도 7(a) 내지 도 7(d)는 종래의 ISM 대역과 상위 ISM 대역의 신호로 무선 전력 전송시 에어 효율을 비교한 도면이다.
도 8은 종래 기술과 같이 하나의 단위 안테나에 하나의 RF 신호 처리부가 연결된 경우의 에어 효율과 하나의 서브 어레이 안테나에 하나의 RF 신호 처리부가 연결된 경우의 에어 효율을 비교한 도면이다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)는 상위 ISM(industrial scientifical medcal) 대역의 신호를 형성하는 발진기(100)와, 발진된 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기(power divider, 200)와, 분배된 신호의 위상을 천이하고, 천이된 신호의 전력을 증폭하는 RF 신호 처리부(RF signal processing unit, 300a, 300b, ... , 300n)와, 전력 증폭된 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기(400a, 400b, ..., 400n) 및 전력 분배기(400a, 400b, ..., 400n)로부터 전력 증폭된 신호를 제공받아 방사하는 복수의 단위 안테나들(500a1, ..., 500nk)을 포함하는 서브 어레이 안테나(500a1, ..., 500nk)들이 배열된 어레이 안테나를 포함한다.
발진기(100)는 상위 ISM(industrial scientifical medical) 대역의 신호를 형성하여 출력한다. 통상적인 ISM 대역의 주파수는 13.553~13.567 MHz, 26.975~27.283 MHz, 40.66~40.70 MHz, 2.4~2.48 GHz, 5.725~5.875 GHz 대역의 주파수이며, 지역에 따라 433.05~433.79 MHz, 902~928 MHz 대역의 주파수를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 의한 상위 ISM 대역의 주파수는 상술한 ISM 대역의 주파수 보다 높은 주파수인 24~24.25 GHz, 61~61.5 GHz, 122~123 GHz, 244~246 GHz 대역의 주파수일 수 있다.
아래의 수학식 1은 무선 전력 수신측 단위 안테나가 수신하는 전력을 나타내는 프리스 방정식(Friis transmission equation)이다.
Figure PCTKR2019016575-appb-M000001
(Pr: 수신전력, Pt: 송신전력, Nt: 송신배열안테나 내의 단일 안테나의 개수, λ: 파장, c/f (c: 광속, f: 주파수), k(wavenumber): 파수, 2π/λ, rn: n번째 송신기 단위안테나와 수신기 간의 거리, βn: n번째 송신기 단위안테나의 위상, Gt(θn, φn): n번째 송신기 단위안테나에 대한 안테나이득, Gr(θn, φn): 수신 단위안테나에 대한 안테나이득, θn: n번째 송신기 단위안테나와 수신안테나간의 polar 각도,φn: n번째 송신기 단위안테나와 수신안테나간의 azimuthal 각도)
수학식 1에서 보여지는 바와 같이 전력 전송을 위하여 송신하는 신호의 주파수가 증가할수록(송신하는 신호의 파장이 감소할수록) 수신측의 단위 안테나가 수신하는 전력이 감소한다. 이러한 이유에 기인하여 종래 기술에서는 전력을 전송하는 신호의 주파수를 ISM 대역의 낮은 주파수 대역으로 한정하였다.
그러나, 주파수가 증가함에 따라 신호를 송신하는 단위 안테나의 면적을 감소시킬 수 있다. 일 예로, 사각형의 단위 안테나를 가정하면 사각형의 각 변의 길이는 전송하는 주파수에 반비례하므로 높은 주파수의 전송 신호를 이용함에 따라 단위 안테나의 면적은 주파수의 제곱에 반비례한다.
단위 안테나들이 배열되어 형성되는 배열 안테나가 형성하는 면적이 동일하다면 주파수가 증가함에 따라 단위 안테나의 면적이 감소하므로, 동일한 면적 내에 더 많은 단위 송신 안테나와 수신 안테나를 배치할 수 있다.
수학식 1을 참조하면, 절대값 내에 송신 배열 안테나의 단위 안테나의 개수가 포함되므로 절대값 안의 수식을 계산한 후 제곱을 연산하면, 결국 Nt의 제곱 이 생성된다. 이것이 수식의 가장 왼쪽 분모의 Nt와 곱해져서, 결과적으로 수신 전력Pr은 송신 단위 안테나의 개수(Nt)에 비례한다.
즉, 상위 ISM 대역 주파수를 가지는 신호로 전력을 전송함으로써 전송 신호를 송신하는 단위 안테나의 개수를 증가시켜 송신측이 송신하는 총 전력을 증가시킬 수 있으며, 매질에서의 효율 감소에도 불구하고 보다 높은 전력을 수신할 수 있다. 나아가, 수신측 단위 안테나의 개수를 증가시킬 수 있으며, 이로부터 더욱 높은 수신 전력을 얻을 수 있다.
전력 분배기(power divider, 200)는 발진기가 제공한 신호의 전력을 분배하여 출력한다.
도 2는 본 실시예에 의한 RF 신호 처리부(300a, 300b, ..., 300n)의 개요를 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 각 RF 신호 처리부(300a, 300b, ..., 300n)는 전력 분배기(200)가 제공한 신호의 위상을 천이(shift)하는 위상 천이기(phase shifter, 310)와, 천이된 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기(power amplifier, 320)를 포함하며, 위상 천이기(310)와 전력 증폭기(320)는 캐스케이드로 연결된다.
위상 천이기(310)는, 서브 어레이 안테나(500a1, ..., 500nk)들이 형성하는 빔이 수신측을 향해 형성되도록 전력 분배기(200)가 제공한 신호의 위상을 천이(shift)하여 빔을 조향한다. 일 실시예로, 위상 천이기(310)는 각 서브 어레이 안테나(500a, 500b, ..., 500n)에 제공되는 신호의 위상을 각각 제어하여 각 서브 어레이 안테나(500a, 500b, ..., 500n)가 형성하는 빔을 조향한다. 전력 증폭기(320)는 위상 천이기(310)가 제공한 신호의 전력을 증폭하여 각각의 각 서브 어레이 안테나(500a, ..., 500n)에 포함된 단위 안테나들(500a1, ..., 500nk)에 출력한다.
종래에는 하나의 단위 안테나는 하나의 RF 신호 처리부에 연결되었다. 일 예로 100*100 개의 단위 안테나를 포함하는 무선 전력 전송 장치의 경우에는 10000 개의 RF 신호 처리부가 각각의 단위 안테나에 커플링되는 구성을 가졌다. 그러나, RF 신호 처리부에 포함된 위상 천이기와 전력 증폭기는 고가이므로 종래 기술의 무선 전력 전송 장치는 경제성이 낮았다. 나아가, 보다 높은 전력을 전송하기 위하여 다수의 단위 안테나를 사용하는 경우에는 경제성은 더욱 낮아졌다.
그러나 본 실시예에 의한 전력 전송 장치(10)은 복수의 단위 안테나들을 포함하는 서브 어레이 안테나(500a, ..., 500n) 별로 하나의 RF 신호 처리부(300a, 300b, ..., 300n)가 커플링 된다. 위에서 설명된 예와 같이 100*100 개의 단위 안테나를 포함하는 무선 전력 전송 장치의 경우, 하나의 서브 어레이 안테나가 10*10 개의 단위 안테나를 포함하면 100개의 서브 어레이 안테나 들이 형성되며, 이들에 대하여 각각 RF 신호 처리부를 연결하면 100개의 RF 신호 처리부가 필요하며, 이 경우에는 종래 기술에서 필요한 RF 신호 처리부의 개수를 1/100으로 감소시킬 수 있으며, 그로부터 높은 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
전력 분배기(400a, 400b, ...400n)는 RF 신호 처리부(300a, 300b, ...300n)가 출력한 신호의 전력을 분할하여 각각의 단위 안테나들(500a1, ..., 500nk)에 제공한다. 도 3은 전력 분배기(400a, 400b, ...400n)의 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 전력 분배기(400a, 400b, ...400n)는 도파관 전력 분배기이다. 도파관 전력 분배기는 높은 전도성을 가지는 금속 물질로 형성된 금속 캐비티(410)와, 금속 캐비티(410)의 일 측에 형성된 입력 슬롯(input slot, 420)과 분배된 전력을 가지는 신호들이 각각 출력되는 출력 슬롯(output slot, 430)들을 포함한다.
RF 신호 처리부가 출력한 신호는 입력 슬롯(420)으로 제공되며, 금속 캐비티(410) 내부에서 전반사 및 공진되어 전력이 분배되고 각각의 출력 슬롯(430)으로 출력된다. 금속 캐비티(410)의 내부에는 공기로 채워질 수 있으며, 이로부터 전력 분배기의 전력 손실은 0에 근사된다.
종래 기술에 의한 전력 분배기는 트랜스미션 라인에 기반하여 유전체 기판 상에 도전성 스트립이 형성된 형태를 가진다. 트랜스미션 라인에 기반한 전력 분배기는 입력된 신호의 전력이 도전성 스트립을 따라 전파하여 전력이 분배되는 과정에서 유전체에 의한 손실이 발생한다. 그러나, 본 실시예에 의한 전력 분배기는 입력 신호가 공기가 채워진 금속 캐비티 내부에서 전반사 및 공진하여 전력이 분배되므로 전력 손실을 크게 감소시킬 수 있다는 장점이 제공된다.
도 3은 육면체 형태를 가지는 금속 캐비티(410)에 5*5개의 출력 슬롯을 가지는 것으로 예시되었다. 그러나, 이것은 순전히 예시를 위한 것이며, 금속 캐비티의 형태는 원기둥, 다면체 기둥 등과 같이 일면과 타면이 형성된 부피체이면 충분하며, 그보다 적은 개수의 슬롯들을 가질 수 있으며, 큰 개수의 슬롯들을 가질 수 있다. 나아가, 가로로 형성된 슬롯의 개수와 세로로 형성된 슬롯들의 개수는 서로 달라질 수 있다.
도 4는 본 실시예에 의한 전력 분배기(400)와 서브 어레이 안테나에 포함된 단위 안테나들(500a1, 500a2, ...)의 결합 관계를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 전력 분배기(400)와 각각의 단위 안테나(500a1, 500a2, ...)는 커넥터(connector, 610, 615)로 상호 연결될 수 있다. 일 예로, 각각의 단위 안테나(500a1, 500a2, ...)는 야기 안테나, 패치 안테나, PCB 기반의 안테나일 수 있으며, 이들은 각각 안테나 측 커넥터(615)와 전력 분배기(400)측 커넥터(610)를 통하여 상호 결합될 수 있다. 도시된 실시예는 안테나 측 커넥터(615)과 전력 분배기(400)측에 각각 커넥터(610)가 배치된 구성을 도시하나, 단일한 커넥터로 단위 안테나와 전력 분배기를 연결하는 구성도 가능하다.
도 5는 전력 분배기(400)와 서브 어레이 안테나(500)의 다른 실시예를 예시한 도면이다. 도 5(a)는 전력 분배기(400)와 서브 어레이 안테나(500)가 일체로 형성된 실시예의 평면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 A-A'선의 단면을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 입력 슬롯(도 43, 420 참조)을 통하여 제공된 신호는 웨이브 가이드(WV)를 통하여 유도되며, 연결 어퍼쳐(440)를 통하여 임피던스 매칭되어 캐비티(410)로 제공된다. 신호는 캐비티(410)에서 공진 및 반사되어 전력이 분배되며, 분배된 신호는 복수의 단위 안테나(500a1, 500a2, 500a3, 500a4)에 제공되어 외부로 방사된다. 도 5로 예시된 전력 분배기(400)와 서브 어레이 안테나(500)는 세 층의 금속층이 적층되어 형성될 수 있다.
일 실시예로, 본 실시예에 의한 전력 전송 장치(10)은 기계식 조향 장치에 탑재될 수 있다. 수신측으로 빔을 조향하도록 RF 신호 처리부(300a, 300b, ... 300n, 도 1 참조)는 위상을 천이하나, 기계식 조향 장치는 보다 큰 범위의 각도로 전력 전송 장치(10)을 지향하도록 안테나들의 지향방향을 기계적으로 제어할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치(10)의 배치의 예들을 예시한 개요도이다. 도 6(a)를 참조하면 무선 전력 전송 장치(10)은 실내 공간의 천장에 배치될 수 있다. 천장에 배치된 무선 전력 전송 장치(10)은 실내 공간에 위치하는 장치(20)들에게 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(10)는 실내 공간에 위치하는 에어컨, 조명, 빔 프로젝터 및 빔 프로젝터 스크린 등의 가전 제품에 내장되거나, 함께 장착될 수 있다. 일 실시예로, 장치(20)들은 전력 수신 장치(20)를 포함하는 IoT 기기들일 수 있다.
도 6(b)를 참조하면 무선 전력 전송 장치(10)가 배치된 실내 공간에는 전파 흡수체(15)가 더 배치될 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)가 제공하는 빔이 실내에서 산란되거나, 넓게 퍼져서 제공되어 실내 공간에 위치하는 생체에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 전파를 흡수하는 흡수체를 배치하여 빔이 산란, 반사되어 생체에 제공되는 것을 막을 수 있다.
실험 결과
이하에서는 도 7 내지 도 8을 참조하여 본 실시예에 의한 무선 전력 전송 장치에 대한 실험 결과를 설명한다.
이하의 실험 결과에서, 에어 효율은 송신배열 안테나 입력부의 총 전력과 수신 배열 안테나 출력부의 총 전력 간의 비율로 정의된다. 송신 배열 안테나 입력부의 총 전력은 모든 송신RF단 출력 전력들의 합으로 계산될 수 있고, 수신 배열안테나 출력부의 총 전력은 모든 수신 서브 어레이 안테나 출력 전력들의 합으로 계산된다.
본 실험에서 무선 전력 수신측은 n x n 개 단일안테나와 수신한 신호를 정류하는 정류기(rectifier) 및 수신한 신호의 전력을 병합하는 RF 병합기(combiner)로 구성하였다.
실험은 상기 수학식 1로 명시된 프리스 방정식에 기반한 Matlab 시뮬레이션을 통해 이루어졌다.
도 7(a) 내지 도 7(d)로 예시된 실험에서, 단일안테나 하나마다 한 개의 RF 신호처리부가 연결되는 종래의 무선 전력 전송 장치에 대하여 기존 ISM 대역인 5.8 GHz, 상위 ISM 대역인 24 GHz에서 무선 전력 전송 전송시 에어 효율을 평가하였다. 평가 시, 송/수신기 간의 거리는 10 meter, 송신기 출력전력 (Pt)는 10 W, 위상 천이기의 해상도는 4 bit, 단위안테나간의 간격은 0.7 λ, 송신/수식 단위안테나 이득은 8/8 dBi로 설정하였고, 도 7(a) 및 도 7(b) 는 송신 안테나의 면적을 1*1m2, 수신 안테나의 면적을 0.2*0.2m2 으로, 도 7(c) 및 도 7(d) 는 송신 안테나의 면적을 2*2m2, 수신 안테나의 면적을 0.1*0.1m2 로 설정하였다.
도 7(a) 및 도 7(c)는 기존 ISM 대역인 5.8GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율을 도시한 도면이고, 도 7(b) 와 도 7(d)는 상위 ISM 대역인 24GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율을 비교한 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 종래 기술에 의한 무선 전력 전송 장치에서 기존 ISM 대역인 5.8GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율은 16.9%이었으나, 본 상위 ISM 대역인 24GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율은 83%로 약 4배 가량 효율 상승이 있었고, 도 7(c) 및 도 7(d)를 참조하면, 기존 ISM 대역인 5.8GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율은 16.6%이었으나, 상위 ISM 대역인 24GHz에서 무선 전력 전송시 에어 효율은 82.1%로 약 4배 효율 상승이 있었음을 알 수 있다.
이것은 도 7(a) 및 도 7(b)로 예시된 실험에서 기존 ISM 대역에서는 28*28개의 단위 송신 안테나와 6*6 개의 단위 수신 안테나를 배치할 수 있었으나, 상위 ISM 대역에서는 동일한 송신 안테나의 면적과 수신 안테나의 면적에서 114*114 개의 단위 송신 안테나와 23*23 개의 단위 수신 안테나를 배치할 수 있어서 송신 전력과 수신 전력이 상승한 것이 이유로 파악된다.
나아가, 도 7(c)와 도 7(d)로 예시된 실험에서, 기존 ISM 대역에서는 56*56개의 단위 송신 안테나와 3*3 개의 단위 수신 안테나를 배치할 수 있었으나, 상위 ISM 대역에서는 동일한 송신 안테나의 면적과 수신 안테나의 면적에서 228*228 개의 단위 송신 안테나와 11*11 개의 단위 수신 안테나를 배치할 수 있었다.
따라서, 기존 ISM 대역 대비 높은 주파수 대역을 이용하여 무선으로 전력을 송신하여 단위 송신 안테나와 단위 수신 안테나의 면적을 감소시킬 수 있고, 그로부터 동일한 면적내에 배치될 수 있는 단위 송신 안테나 들의 개수 및 단위 수신 안테나 들의 개수가 증가하여, 보다 큰 전력을 전송할 수 있고 보다 큰 전력을 수신할 수 있는 것이 효율 상승의 주요한 요인으로 파악된다.
도 8은 종래 기술과 같이 하나의 단위 안테나에 하나의 RF 신호 처리부가 연결된 송신기 구조에 대한 에어 효율과 본 실시예 (10) 의 하나의 서브 어레이 안테나에 하나의 RF 신호 처리부가 연결된 송신기 구조에 대한 에어 효율을 비교한 도면이다. 실험 조건은 상기한 도 7(a) 내지 도 7(d)의 실험조건과 동일하나, 본 실시예와 종래 기술 모두 24GHz의 신호로 전력을 전송하였다.
도 8을 참조하면, 종래 기술에서 하나의 단위 안테나에 하나의 RF 신호 처리부를 연결한 경우 에어 효율은 83%로 측정되었다. 본 실시예에서 4*4 개의 단위 송신 안테나로 이루어진 서브 어레이 안테나와 하나의 RF 신호 처리부를 연결한 경우의 에어 효율은 80%로 측정되었으며, 8*8 개의 단위 전송 안테나로 이루어진 서브 어레이 안테나와 하나의 RF 신호 처리부를 커플링한 경우의 에어 효율은 73%로 측정되었다. 즉, 8*8 개의 단위 안테나를 포함하는 서브 어레이 안테나와 하나의 RF 신호 처리부를 커플링한 경우에는 에어 효율은 12% 감소한 것으로 파악된다.
그러나, 종래 기술은 112*112 =12544 개의 고가 RF 신호 처리부를 필요로 하나, 본 실시예에 의하면 896개의 RF 신호 처리부가 필요하므로 종래 기술 대비 1/64에 불과하다. 즉, 고가 RF 신호 처리부의 개수를 1/64로 감소시킬 수 있어 종래 기술 대비 높은 경제성을 가지는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 의한 무선 전력 송신기는 상위 ISM 대역의 신호로 전력을 전송하므로, 종래 기술에 비하여 높은 전력 전송 효율을 가지며, 고가의 RF 신호 처리부의 개수를 감소시킬 수 있어 경제적이라는 장점이 제공된다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
상기에 기재되어 있음.

Claims (12)

  1. 상위 ISM(industrial scientifical medical) 대역의 신호를 형성하는 발진기;
    상기 신호의 전력을 분배하는 전력 분배기(power divider);
    분배된 상기 신호의 위상을 천이하고, 천이된 신호의 전력을 증폭하는 RF 신호 처리부(RF signal processing unit);
    전력 증폭된 신호를 분배하는 전력 분배기; 및
    상기 전력 분배기로부터 전력 증폭된 신호를 제공받아 방사하는 복수의 단위 안테나들을 포함하는 서브 어레이 안테나가 배열된 어레이 안테나를 포함하는 무선 전력 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상위 ISM(industrial scientifical medical) 대역은, 24GHz ~ 24.25 GHz, 61GHz ~ 61.5 GHz, 122GHz ~ 123 GHz 및 244~246 GHz의 주파수 대역 중 어느 하나인 무선 전력 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배기는,
    도파관 전력 분배기인 무선 전력 송신기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도파관 전력 분배기는,
    금속 캐비티와,
    상기 금속 캐비티의 일 측에 형성된 입력 슬롯(input slit)과,
    상기 금속 캐비티의 타 측에 형성된 복수의 출력 슬롯(output slits)을 포함하며,
    상기 출력 슬롯들에는 각각의 단위 안테나들이 연결되는 무선 전력 송신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기는,
    상기 출력 슬롯들과 상기 단위 안테나 들이 연결되는 커넥터들을 더 포함하며,
    상기 단위 안테나는, 패치 안테나, 야기 안테나 및 PCB(printed circuit board) 기반 안테나 중 어느 하나인 무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배기 및 상기 복수의 단위 안테나들은 일체로 형성된 도파관 배열 안테나인 무선 전력 송신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 배열 안테나는,
    금속 캐비티와,
    상기 금속 캐비티의 일측에 형성된 급전 웨이브가이드와,
    상기 금속 캐비티의 타측에 형성된 복수의 단위 안테나들을 포함하며,
    상기 복수의 단위 안테나 들은 방사 슬롯의 형태를 가지는 무선 전력 송신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 RF 신호 처리부는,
    상기 분배된 상기 신호의 위상을 천이(shift)하는 위상 천이기(phase shifter)와,
    천이된 상기 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭기(power amplifier)를 포함하며, 상기 위상 천이기와 상기 전력 증폭기는 캐스케이드로 연결된 무선 전력 송신기.
  9. 제1항에 있어서,
    하나의 상기 RF 신호 처리부는 하나의 상기 서브 어레이 안테나에 연결되는 무선 전력 송신기.
  10. 상기 무선 전력 송신기는,
    상기 어레이 안테나를 탑재하여 상기 어레이 안테나의 지향각을 기계적으로 조향하는 로테이터(rotator)를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기는,
    실내의 천장에 배치되는 무선 전력 송신기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기는,
    가전 제품에 장착되는 무선 전력 송신기.
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