KR20180124783A - 협업 무선 전력 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 무선 전력 송신기를 통해서 낮은 전력으로 분산하여 전송함으로써, 에너지 전송 효율을 높이면서 인체 안정성 규격을 충족시킬 수 있는 협업 무선 전력 전송 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 에너지 빔포밍 기반으로 RF 전력 신호를 송출하는 다수의 무선 전력 송신기를 포함하며, 상기 다수의 무선 전력 송신기는, 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하여, 하나의 동일한 무선 전력 수신기의 위치를 확인하고, 상기 확인된 하나의 무선 전력 수신기에 대한 무선 채널 간의 위상차 및 다른 무선 전력 송신기 간의 위상차를 산출하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 상기 RF 전력 신호의 위상을 보정한다.

Description

협업 무선 전력 전송 시스템 및 방법{System and Method for wireless power transfer based on collaboration}
본 발명은 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배열 안테나를 이용하여 무선 전력을 전송하는 방사형 무선전력전송시스템에서의 에너지 전송 효율을 높이면서 인체의 안전성을 향상시킬 수 있는 협업 무선 전력 전송 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 무선 통신 분야의 발전과 함께 다양한 휴대용 무선 통신 기기들의 이용이 급증하면서, 무선 통신 기기들의 활용 지속 시간에 큰 영향을 미치는 전원 공급 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.
보편적으로, 대다수의 휴대용 무선 통신 기기들은, 이동성을 지원하기 위해서 배터리를 이용하여 전원을 공급받도록 구성된다. 그런데, 배터리의 용량 한계로 인하여, 주기적으로 배터리 충전이 이루어져야 하는데, 기존의 배터리 충전은 유선으로 이루어지기 때문에, 충전 시간 동안 전자기기의 이동성과 자율성을 제한할 수 밖에 없다. 특히, 스마트폰의 대중화에 따라 개인이 사용하는 전력량이 크게 증가하게 되면서 유선충전기 없이 자유롭게 배터리를 충전할 수 있는 기술에 대한 사용자 요구가 증가하게 되었다.
이에, 전자기기에 무선으로 에너지를 공급하기 위한 연구 및 개발이 학계와 산업분야에서 활발하게 이뤄지고 있으며, 대표적인 기술로서 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 기술이 대두되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 전기에너지를 특정 주파수의 RF신호로 변환하여 전송선 없이 무선으로 부하(Load)에 전달하는 기술이다. 이러한 무선전력전송 기술은 전자파 특성에 따라, 자기장을 이용하는 근거리 무선전력전송 기술과 안테나를 이용한 원거리 무선전력전송 기술로 구분할 수 있다. 근거리 무선전력전송 기술의 경우 근역장(Near-Field)을 이용하기 때문에 비방사형(non-radiative), 원거리 무선전력전송의 경우 원역장(Far-Field)을 이용하기 때문에 방사형(radiative) 무선전력전송이라고 불린다.
이중, 방사형 WPT는 전력 전달 매체로서 수백M ~ 수G 대역의 RF(Radio Frequency)를 이용한 기술로, Microwave Power Transfer(MPT)라고도 한다.
마이크로웨이브 기반의 WPT 시스템은 유선 충전처럼 고출력으로 전력을 전송할 수는 없고, 전자파 인체보호기준(10W/m2) 및 비면허대역 출력제한치의 근거한 허용범위 내에서 전력을 전송해야 하기 때문에 빠른 충전 속도를 기대할 수는 없으나, 최소 수십 미터 이상의 원거리 전력 전송이 가능하며, 상시전력전송을 통하여 배터리의 생존성을 유지할 수 있기 때문에 잦은 충전에 따른 불편함을 줄일 수 있다.
마이크로웨이브 기반의 무선 전력 전송 시스템은, 송신측에서 무선 채널 환경에 적합한 주파수로 전력 신호를 변환하여 송신하면, 수신측에서 RF 전력 신호를 DC 전류로 변환하여 배터리에 저장하는 방식으로 이루어지며, 최근 마이크로웨이브를 지향성을 갖도록 방사하는 빔포밍(Beamforming) 기술을 활용하여 수신 전력을 증가시키는 방식(이하, 에너지 빔포밍이라 함)이 연구되고 있다.
에너지 빔포밍 기술은, 복수의 배열 안테나를 소정 간격으로 배치함으로써, 안테나 배열에 따라서 전파 지향 특성을 높일 수 있으며, 반송파의 위상을 제어함으로써, 송출 방향을 조정할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에 있어서, 수신단에서의 수신 전력은 하기의 수학식 1과 같이 Friss formula에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Pt는 송신출력, Pr은 수신전력, λ는 전력신호가 실린 반송파의 파장, d는 송신단과 수신단 간의 이격거리, Gt는 송신단 안테나 이득(Gain), Gr은 수신단 안테나 이득(Gain)을 의미한다.
상기 수학식 1에 따르면, 무선 전력 전송 시스템에서, 송/수신단의 안테나 크기가 작을수록, 전송거리가 멀어질수록 빔효율은 감소하는데, 에너지 빔포밍은 안테나 이득을 높이는 효과를 제공하여, 동일한 송신출력(Pt)과 반송파를 사용하더라도 수신전력(Pr)을 높일 수 있다.
그런데 이러한 에너지 빔포밍 기술을 적용하더라도, 전자파 인체보호기준(10W/m2)과 전파응용설비 출력제한치에 근거한 허용범위 내에서 전력을 전송해야 하기 때문에, 송신출력에 제한을 받게 된다. 특히, 에너지 빔포밍을 통해 빔이 지향성을 갖는 경우, UBID(unsafe beam-interception distance)가 길어지는 단점이 있다. UBID는 안전하지 않은 빔 차단 거리를 의미하며 빔 출력 밀도가 인체 노출 한계를 초과하는 최대 전파 거리로 정의할 수 있다.
송신단에서 에너지 빔포밍을 하게 되면, 송신단 근처에서 전자파에 노출되는 한계치가 규격을 넘어가게 되고, 그만큼 송신단에 접근할 수 있는 거리(UBID)가 멀어지며, 이와 반대로 인체 안정성을 높이기 위하여 송신단의 출력을 낮출 경우, 그에 비례하여 수신전력(충전 전력)이 낮아진다.
한국등록특허 제10-1392866호, 2014년 04월 30일 등록 (명칭: 에너지 존 운영을 위한 무선 전력 전송 시스템)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 다수의 무선 전력 송신기를 통해서 낮은 전력으로 분산하여 전송함으로써, 에너지 전송 효율을 높이면서 인체 안정성 규격을 충족시킬 수 있는 협업 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은, 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 에너지 빔포밍 기반으로 RF 전력 신호를 송출하는 다수의 무선 전력 송신기를 포함하며, 상기 다수의 무선 전력 송신기는, 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하여, 하나의 동일한 무선 전력 수신기의 위치를 확인하고, 상기 확인된 하나의 무선 전력 수신기에 대한 무선 채널 간의 위상차 및 다른 무선 전력 송신기 간의 위상차를 산출하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 상기 RF 전력 신호의 위상을 보정하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기는 각각, 상기 다수의 무선 전력 송신기의 개수(N), 상기 무선 전력 수신기로부터 수신된 비콘 신호의 전계 강도, 사람의 근접 여부 중 하나 이상을 고려하여 상기 RF 전력 신호의 송출 전력을 조정할 수 있다.
또한, 상기 다수의 무선 전력 송신기는, 하나의 마스터 무선 전력 송신기를 포함하고, 상기 하나의 마스터 무선 전력 송신기를 제외한 나머지 무선 전력 송신기가, 상기 마스터 무선 전력 송신기로부터 상기 위상 동기 기준 정보를 수신하고, 수신한 정보를 기준으로 위상 보정을 수행할 수 있다.
상기 다수의 무선 전력 송신기는, 각각 배열 안테나, 상기 배열 안테나에 연결되어, 상기 배열 안테나를 통해 상기 하나의 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하고, 상기 배열 안테나로 소정 주파수 대역의 전력 신호를 출력하되, 하기의 디지털 신호 처리부의 제어에 따라서 상기 배열 안테나로 출력되는 전력 신호의 위상을 각각 조정하는 RF 신호 처리부; 및 상기 수신된 비콘 신호를 분석하여 상기 배열 안테나 각각에 대응하는 다수 무선 채널 간의 위상차를 보상하도록 상기 RF 신호 처리부를 제어하는 디지털 신호 처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 다수의 무선 전력 송신기는 각각, 상호 간에 위상 동기 기준 정보를 송수신하는 통신 인터페이스부를 더 포함하고, 상기 디지털 신호 처리부는 상기 통신 인터페이스부를 통해 수신된 정보에 기반하여, 동일한 시점에 위상 조정이 이루어지도록 상기 RF 신호 처리부를 제어할 수 있다.
더하여, 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 에너지 빔포밍 기반으로 RF 전력 신호를 송출하는 다수의 무선 전력 송신기를 이용한 협업 무선 전력 전송 방법에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기가, 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하여, 하나의 동일한 무선 전력 수신기의 위치를 확인하는 단계; 상기 확인된 하나의 무선 전력 수신기에 대한 무선 채널 간의 위상차 및 다른 무선 전력 송신기 간의 위상차를 산출하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 상기 RF 전력 신호의 위상을 보정하는 단계; 및 위상 보정된 RF 전력 신호를 배열 안테나를 통해 상기 무선 전력 수신기로 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 방법은, 상기 다수의 무선 전력 송신기의 개수(N), 상기 무선 전력 수신기로부터 수신된 비콘 신호의 전계 강도, 사람의 근접 여부 중 하나 이상을 고려하여 상기 RF 전력 신호의 송출 전력을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 방법에 있어서, 상기 위상을 보정하는 단계는, 상기 다수의 무선 전력 송신기 중 하나를 마스터 무선 전력 송신기로 설정하고, 상기 하나의 마스터 무선 전력 송신기를 제외한 나머지 무선 전력 송신기가, 상기 마스터 무선 전력 송신기로부터 상기 위상 동기 기준 정보를 수신하고, 수신한 정보를 기준으로 상기 마스터 무선 전력 송신기 간의 위상차를 보정하도록 할 수 있다.
통상적인 에너지 빔포밍을 이용한 무선 전력 전송은, 하나의 송신단에 송출 전력이 집중되므로, 인체에 유해한 영향을 기칠 가능성이 상대적으로 높고, 또한 전송 경로 상에 장애물이 위치할 경우 무선 전력 전송 효율이 급격히 낮아지는 단점이 있었다.
그러나, 본 발명은 물리적으로 분산 배치되는 다수의 무선 전력 송신기 간의 협업을 통하여 하나의 무선 전력 수신기에 대하여 분산 빔포밍을 수행함으로써, 송출 전력을 공간상에서 분산시켜 무선 전력 송신기에서의 송출 전력을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 인체 안전성 규격을 만족시키면서, 무선 전력 수신기로의 전송 효율을 높일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 의하여 RF 전력 신호의 송출 시의 무선 전력 수신기의 수신 전력은, 단일의 무선 전력 송신기를 이용하여 전력을 전송할 때의 수신 전력 보다 커진다.
도 1은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 기존의 무선 전력 전송 방식과 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 방식을 비교하여 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각 무선 전력 송신기의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 무선 전력 수신기의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 5는 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템의 일 예를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 각 무선 전력 송신기의 출력 가중치 제어를 설명하는 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 각 무선 전력 송신기의 위상차 보상 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 각 무선 전력 송신기의 위상 보상을 위한 구성을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 무선 전력 송신기 간의 위상 동기화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 무선 전력 송신기 간의 위상 동기화 방법을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용하는 것으로, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 뿐, 상기 구성요소들을 한정하기 위해 사용되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
더하여, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급할 경우, 이는 논리적 또는 물리적으로 연결되거나, 접속될 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속되어 있을 수 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있으며, 간접적으로 연결되거나 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "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.
도 1은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 블럭도로서, 이를 참조하면, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템은, 다수의 무선 전력 송신기(100)와, 하나의 무선 전력 수신기(200)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 하나의 무선 전력 수신기(200)를 향해 에너지 빔포밍 기반의 전력 신호를 송출한다. 또한, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는, 상호 간에 위상 동기 보정 및 무선 채널 간의 위상차를 보정하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 제어한다.
이러한 본 발명의 협업 무선 전력 전송 시스템은, 하나의 무선 전력 수신기(200)에서 제공할 전력을, 복수의 무선 전력 송신기(100)를 통한 협업 및 분산 빔포밍을 통해서 전송하는 것이다.
참고로, 최대 출력 Pt의 전력을 전력 수신기로 전송하고자 할 때, 기존 방식에서는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 단일의 전력 송신기를 통해서 최대 출력 Pt의 전력을 모두 전송하여야 하며, 그 결과, 상기 전력 송신기와 전력 수신기 사이에 사용자가 위치할 경우, 사용자의 전자파 노출 위험도가 증가하며 사용자의 인체를 거치면서 전력 신호의 에너지가 급감하여 수신단에서 수신되는 총 수신전력이 낮아지는 문제가 있었다.
반면에, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템은, 상기 요구되는 최대 출력 Pt를 다수의 무선 전력 송신기(100)가 나누어 전송하게 된다. 예를 들어, 도 2의 (b)와 같이, 4개의 무선 전력 송신기를 통해서 분산 빔포밍할 경우, 각 무선 전력 송신기는 Pt/4의 전력신호를 송출하면 되므로, 각 무선 전력 송신기(100)에서 송출할 전력 신호의 최대 출력을 낮출 수 있으며, 그 결과, 사용자의 전자파 노출 위험도를 감소시킬 수 있다.
아울러, 사용자가 분산된 전력 신호의 어느 한 경로 상에 위치하여 전력 신호가 감소되더라도 나머지 무선 전력 송신기에서 송출된 전력 신호는 모두 무선 전력 수신기(200)에 수신될 수 있으므로, 에너지 전송 효율을 높일 수 있게 된다.
이때, 무선 전력 수신기(200)에서의 수신 전력을 높이기 위해서, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는, 송신단과 수신단 사이의 무선 채널 간 위상 오프셋을 보상할 수 있어야 하며, 아울러, 다른 무선 전력 송신기(100)와의 위상 차를 보상할 수 있도록 위상 동기를 수행할 수 있어야 한다.
아울러, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는 물리적으로 서로 일정 거리 이상 이격되어 배치됨으로써, 에너지가 특정 지역에서 높아지는 것을 방지한다.
도 3은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 각 무선 전력 송신기(100)의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템을 구축하기 위한 무선 전력 송신기(100)는, 배열 안테나(110)와, RF(Radio Frequency) 신호 처리부(120)와, 디지털 신호 처리부(130)와, 통신 인터페이스부(140)를 포함한다.
상기 배열 안테나(110)는, 다수의 안테나 소자가 일정 간격으로 배열되어 이루어진 것으로서, 각 안테나 소자를 통해서 서로 다른 경로로 무선 신호를 송출할 수 있다.
상기 RF 신호 처리부(120)는, 상기 배열 안테나(110)에 연결되어, 상기 배열 안테나(110)를 통해 상기 하나의 무선 전력 수신기(200)로부터 송출된 비콘 신호를 수신하고, 상기 배열 안테나로 소정 주파수 대역의 전력 신호를 출력하되, 디지털 신호 처리부(130)의 제어에 따라서 상기 배열 안테나로 출력되는 전력 신호의 위상을 각각 조정한다.
상기 디지털 신호 처리부(130)는, 상기 RF 신호 처리부(120)에 연결되어, 베이스밴드 신호의 처리 및 제어를 수행하기 위한 구성으로서, 하나 이상의 마이크로프로세서 혹은 프로세싱 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 디지털 신호 처리부(130)는, 상기 수신된 비콘 신호를 분석하여 상기 배열 안테나 각각에 대응하는 다수 무선 채널 간의 위상차를 보상하도록 상기 RF 신호 처리부를 제어한다.
마지막으로 통신 인터페이스부(140)는, 다른 무선 전력 송신기(100)와의 위상 동기를 위하여 위상 동기 기준 정보를 송수신하기 위한 구성이다. 여기서, 통신 인터페이스부(140)는 유선 또는 무선으로 다른 무선 전력 송신기(100) 간을 연결하여 신호(정보)를 송수신할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 통신 인터페이스부(140)를 통해 수신된 위상 동기 기준 정보에 기반하여, 동일한 시점에 위상 조정이 이루어지도록 상기 RF 신호 처리부(120)를 제어할 수 있다.
여기서, 무선 전력 송신기(100) 간에 공유되는 위상 동기 기준 정보는, 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 위상 오프셋 정보일 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 무선 전력 수신기(200)의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신기(200)는, 안테나부(210)와, 전력 수신부(220)를 포함하여, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)로부터 송출된 RF 전력 신호를 상기 안테나부(210)를 통해 수신한 후, 상기 수신한 RF 전력 신호를 전력 수신부(220)를 통해서 DC 전류로 변환하여 출력한다. 상기 전력 수신부(220)는 임피던스 매칭 회로, 증폭회로, 캐패시터 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
더하여, 상기 무선 전력 수신기(200)는, 비콘 신호 송신부(230)를 더 포함하여, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)가 각각 자신의 위치를 확인하고, 경로 상의 위상차를 검출할 수 있도록 비콘 신호를 주기적으로 송출한다. 참고로, 상기 비콘 신호는 Training Sequence 혹은 Pilot 신호라고 불리기도 한다.
상기 무선 전력 수신기(200)는, 상기 비콘 신호를 주기적으로 혹은 수신 에너지가 특정 레벨보다 감소한 경우 비주기적으로 전송할 수 있다. 여기서, 비콘 신호가 전송되는 주기 및 비주기적으로 보내는 경우를 결정하는 특정 레벨은 상기 무선 전력 수신기(200)에 의해 결정된다.
상술한 바와 같이 구성된 다수의 무선 전력 송신기(100)를 통해서 하나의 무선 전력 수신기(200)로 RF 전력 신호를 송신하기 위한 동작을 도 5 내지 도 10의 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템의 일 예를 나타낸 모식도이다. 도 5의 예시에서, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템은, 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)를 통해 전력 신호에 대한 분산 빔포밍을 수행한다. 여기서, 협업 무선 전력 전송에 이용되는 무선 전력 송신기(100)의 수는 예시에 불과하며, 적용되는 개소의 환경에 따라서 달라질 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는, 무선 전력 전송을 수행하기 전, 무선 전력을 전송할 무선 전력 수신기(200)의 위치를 계산하기 위하여, 상기 무선 전력 수신기(200)로부터 송출된 비콘 신호를 수신하고, 수신된 비콘 신호를 해석하여 무선 전력 수신기(200)의 수신 위치를 파악한다. 도 5의 예시에서는, 무선 전력 수신기(200a)를 전력 전송 대상으로 설정한 것으로 가정한다.
이때, 상기 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는 상기 무선 전력 수신기(200a)의 빠른 충전을 위해 요구되는 최대 출력(Pt)를 나누어 전송한다. 예를 들어, 이상적으로 설계된 최대 출력이 Pt인 경우, 다수의 무선 전력 송신기(100)의 초기 출력은 Pt/N(여기서, N은 협업을 수행하는 무선 전력 송신기의 수이다)으로 설정될 수 있으며, 해당 무선 전력 수신기(200)의 이동, 각 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200) 사이의 거리(즉, 송신단과 수신단의 거리), 무선 경로 상에 사람 혹은 물체가 위치하는 등의 환경에 따라서 조정될 수 있다.
따라서, 상기 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는, 각각의 energy transmitter(ETs)는 전력 전송 중에, 송신 출력의 세기(Power)를 스케일러블(Scalable)할 수 있도록 구성한다.
예를 들어, 도 5의 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d) 중 한 무선 전력 송신기(100a) 근방에 사람이나 물체 등의 객체가 존재한다고 가정할 때, 무선 전력 송신기(200a)가 수신한 비콘 신호의 강도는 다른 무선 전력 송신기(100b, 100c 100d)에서 수신한 비콘 신호의 강도보다 상대적으로 작다.
따라서, 본 발명에 따른 다수의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는 대상 무선 전력 수신기(200a)의 비콘 신호를 수신하여 위치를 파악할 때, 수신한 비콘 신호의 강도를 확인하고, 그에 따라서 송출 전력의 크기를 조절한다.
구체적으로, 다수의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는, 송출 전력을 ωPt(여기서, ω는 출력 가중치이고, Pt는 무선 전력 송신기의 최대 출력이다.)로 설정하고, 비콘 신호의 강도 및 협업하는 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)의 수(N)에 따라서, 상기 출력 가중치를 변경함으로써, 송출 전력을 스케일러블하게 조절할 수 있다. 이때, 0<ω≤1이다.
이를 위하여, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는 통신 인터페이스부(140)를 통해서 상호 통신하여, 협업하는 무선 전력 송신기(100)의 수(N) 및 다른 무선 전력 송신기(100)에서의 비콘 신호 강도를 확인할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 각 무선 전력 송신기의 출력 가중치 제어를 설명하는 모식도이다. 여기서, 4개의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)의 출력 가중치를 각각 ω1, ω2, ω3, ω4라 하고, 이때, 각각의 송출 전력은 ω1Pt, ω2Pt, ω3Pt, ω4Pt가 된다.
따라서, 상술한 예와 같이, 무선 전력 송신기(100a) 근방에 사람이나 물체 등의 객체가 존재한다고 가정할 때, 무선 전력 송신기(100a)는 출력 가중치(ω1)를 조절하여 송신 출력을 감소한 후, 이를 다른 무선 전력 송신기(100b, 100c, 100d)로 전송함으로써, 상기 나머지 무선 전력 송신기(100b, 100c, 100d)에서 출력 가중치는 증가시켜, 송출 전력을 그 만큼 높일 수 있도록 할 수 있다.
이러한 처리는 상기 무선 전력 수신기(200a)의 이동에 따른 송신단과 수신단의 거리 변화에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다. 이때, 거리가 멀어질 수록 비콘 신호의 수신 강도가 감소되므로, 그 만큼 출력 가중치를 증가시켜 송출 전력을 높일 수 있다.
또한, 사람이 특정 무선 전력 송신기(100)에 근접할 경우, 인체 유해성 방지를 위하여, 해당 무선 전력 송신기(100)의 송출 전력을 감소시키도록 제어할 수 있다. 이를 위하여 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는 사람의 근접을 감지할 수 있는 수단(근접 센서 등)을 더 포함할 수 있다.
따라서, 도 6의 예시에서 전송 중의 손실을 고려하지 않을 때, 무선 전력 수신기(200a)에서의 수신 전력은, ω1Pt+ω2Pt+ω3Pt+ω4Pt가 된다. 이때, 0 < ω1+ω2+ω3+ ω4 ≤ 1이며, 가장 바람직하게는 1이 되도록 각각의 출력 가중치를 조정할 수 있다.
더하여, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100a, 100b, 100c, 100d)는 무신 전력 수신기(200a)와의 무선 채널간 위상 오프셋 보정을 위해, 무선 전력 수신기(200a)로부터 수신한 비콘 신호로부터 무선 채널 간 위상차를 계산하고, 계산된 위상차를 보상하도록 배열 안테나(110)의 다수 안테나 소자별로 전력 신호의 위상을 조정할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 무선 전력 송신기(100)의 무선 채널 간 위상차 보상 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(100)의 배열 안테나(110)를 통해서 여러 경로로 RF 전력 신호가 전송되는 경우, 무선 전력 수신기(200)에서 수신된 여러 RF 전력 신호의 위상이 일치할 경우, 그 합이 가장 커진다. 따라서, 무선 전력 수신기(200)에서의 수신 전력을 높이기 위해서는, 다중 경로로 전송되는 RF 전력 신호가 수신단에 도달하는 전송 지연(Δ1, Δ2, Δ3, Δ4)을 추정하여, 그 전송 지연(Δ1, Δ2, Δ3, Δ4)만큼 송출할 전력의 위상을 보정 후 송출하여야 한다.
이를 위하여, 무선 전력 송신기(100)는, 수신된 비콘 신호를 해석하여, 무선 전력 수신기(200)까지의 전송 지연값을 추정하고, 이를 기반으로 각 무선 채널의 전력 신호에 대하여 미리 위상 보상(pre-phase compensation)을 실시하여 전송한다.
또한, 이를 위해, 무선 전력 송신기(100)는 도 8과 같이 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 각 무선 전력 송신기의 위상 보상을 위한 구성을 예시한 도면이다.
즉, 무선 전력 송신기(100)의 RF 신호 처리부(120)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 전력 분배기(Power Splitter), 위상 쉬프터(Phase shifter), 및 증폭기(amplifier)를 구비하고, 디지털 신호 처리부(130)를 통해 상기 전력 분배기를 제어하여, 배열 안테나(110)의 각 안테나 소자로 출력되는 전력 신호(V1, V2, V3, V4)의 위상을 각각 조정할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템은, 배열 안테나를 이용한 에너지 빔포밍을 통해 다수 경로 RF 전력 신호를 송출하는 무선 전력 송신기(100)를 복수개 분산 배치하여, 다수의 무선 전력 송신기(100)를 통해 분산 빔포밍을 수행하는 것이다.
따라서, 다수의 무선 전력 송신기(100)에서 각각 송출되는 RF 전력 신호의 위상이, 도 9에 도시된 바와 같이, 달라질 수 있다.
도 9에서, 우측 하단에 도시된 수신 전력의 파형 중, 점선은 무선 전력 송신기(100a)로부터 수신된 RF 전력 신호의 파형을 나타내고, 실선은 무선 전력 송신기(100b)로부터 수신된 RF 전력 신호의 파형을 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템의 경우, 각 무선 전력 송신기(100)에서 각각 무선 채널간의 위상차를 보상하더라도, 다수의 무선 전력 송신기(100)의 물리적 위치 및 전파 환경 차이로 인하여, 무선 전력 송신기(100) 간에도 위상차가 발생한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 다수의 무선 전력 송신기(100)는, 상호 시간 동기화를 수행하여야 한다. 즉, 각 무선 전력 송신기(100)가 비콘 신호를 해석하여 산출한 위상차는 해당 무선 전력 송신기(100)의 무선 채널에 따른 위상차만이 반영된 값이며, 무선 전력 송신기(100) 간의 위상 동기화는 각 무선 전력 송신기(100)가 송신하는 전력이 무선 전력 수신기(200)에서 수신될 때, 같은 위상을 갖도록 하기 위해서 이루어진다. 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서 효율적인 분산 빔포밍을 위해서는, 다수의 무선 전력 송신기(100) 간 동기가 매우 중요하다.
도 10은 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에서, 다수의 무선 전력 송신기(100)간의 위상 동기화를 위한 방법을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템은, 다수의 무선 전력 송신기(100) 간의 위상 동기화를 위하여, 다수의 무선 전력 송신깅(100) 중 임의의 특정 노드가 마스터 노드(이하, 마스터 무선 전력 송신기라고 함)로 동작한다. 도 10의 예시에서는, 무선 전력 송신기(100a)가 마스터 무선 전력 송신기인 것으로 가정한다.
상기 마스터 무선 전력 송신기(100a)는, 무선 전력 송신기(100) 간의 위상 동기화를 관리하기 위한 노드로서, 자신의 위상 오프셋을 위상 동기 기준 정보로서, 다른 무선 전력 송신기(100b, 100c, 100d)에 전달한다.
이를 위하여, 상기 다수의 무선 전력 송신기(100)는 통신 인터페이스부(140)를 통해서 상호 유선 또는 무선으로 연결된다.
그리고, 상기 다른 무선 전력 송신기(100b, 100c, 100d)는 수신된 위상 동기 기준 정보와 비교하여, 상기 마스터 무선 전력 송신기(100a)와의 위상 차를 산출한다. 그리고, 상기 위상 동기 기준 정보를 기준으로, 무선 전력 수신기(200)에서 zero phase가 되도록 자신이 송출한 RF 전력 신호의 위상을 조정한다.
상기 마스터 무선 전력 송신기(100a)의 변경이 가능하며, 마스터 무선 전력 송신기가 변경될 경우, 새로운 마스터 노드를 기준으로 위상 동기화 과정이 다시 이루어져야 한다.
본 발명은 에너지 빔포밍 기반의 무선 전력 전송 시스템에 적용되는 것으로서, 물리적으로 분산 배치되는 다수의 무선 전력 송신기 간의 협업을 통하여 하나의 무선 전력 수신기에 대하여 분산 빔포밍을 수행함으로써, 송출 전력을 공간상에서 분산시켜 무선 전력 송신기에서의 송출 전력을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 인체 안전성 규격을 만족시키면서, 무선 전력 수신기로의 전송 효율을 높일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 협업 무선 전력 전송 시스템에 의하여 RF 전력 신호의 송출 시의 무선 전력 수신기의 수신 전력은, 단일의 무선 전력 송신기를 이용하여 전력을 전송할 때의 수신 전력 보다 커진다.
100, 100a, 100b, 100c, 100d: 무선 전력 송신기
200, 200a, 200b: 무선 전력 수신기
110: 배열 안테나
120: RF 신호 처리부
130: 디지털 신호 처리부
140: 통신 인터페이스부

Claims (9)

  1. 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 에너지 빔포밍 기반으로 RF 전력 신호를 송출하는 다수의 무선 전력 송신기를 포함하며,
    상기 다수의 무선 전력 송신기는, 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하여, 하나의 동일한 무선 전력 수신기의 위치를 확인하고, 상기 확인된 하나의 무선 전력 수신기에 대한 무선 채널 간의 위상차 및 다른 무선 전력 송신기 간의 위상차를 산출하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 상기 RF 전력 신호의 위상을 보정하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기는 각각,
    상기 다수의 무선 전력 송신기의 개수(N), 상기 무선 전력 수신기로부터 수신된 비콘 신호의 전계 강도, 사람의 근접 여부 중 하나 이상을 고려하여 상기 RF 전력 신호의 송출 전력을 조정하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기는
    하나의 마스터 무선 전력 송신기를 포함하고,
    상기 하나의 마스터 무선 전력 송신기를 제외한 나머지 무선 전력 송신기가, 상기 마스터 무선 전력 송신기로부터 상기 위상 동기 기준 정보를 수신하고, 수신한 정보를 기준으로 위상 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위상 동기 기준 정보는
    해당 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 간의 위상 오프셋 정보인 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기는, 각각
    배열 안테나;
    상기 배열 안테나에 연결되어, 상기 배열 안테나를 통해 상기 하나의 무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하고, 상기 배열 안테나로 소정 주파수 대역의 전력 신호를 출력하되, 하기의 디지털 신호 처리부의 제어에 따라서 상기 배열 안테나로 출력되는 전력 신호의 위상을 각각 조정하는 RF 신호 처리부; 및
    상기 수신된 비콘 신호를 분석하여 상기 배열 안테나 각각에 대응하는 다수 무선 채널 간의 위상차를 보상하도록 상기 RF 신호 처리부를 제어하는 디지털 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 무선 전력 송신기는
    상호 간에 위상 동기 기준 정보를 송수신하는 통신 인터페이스부를 더 포함하고,
    상기 디지털 신호 처리부는 상기 통신 인터페이스부를 통해 수신된 정보에 기반하여, 동일한 시점에 위상 조정이 이루어지도록 상기 RF 신호 처리부를 제어하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 시스템.
  7. 서로 다른 위치에 분산 배치되어, 에너지 빔포밍 기반으로 RF 전력 신호를 송출하는 다수의 무선 전력 송신기를 이용한 협업 무선 전력 전송 방법에 있어서,
    상기 다수의 무선 전력 송신기가,
    무선 전력 수신기로부터 송출된 비콘 신호를 수신하여, 하나의 동일한 무선 전력 수신기의 위치를 확인하는 단계;
    상기 확인된 하나의 무선 전력 수신기에 대한 무선 채널 간의 위상차 및 다른 무선 전력 송신기 간의 위상차를 산출하여, 상기 하나의 무선 전력 수신기에서 동일한 위상의 전력 신호가 수신되도록 상기 RF 전력 신호의 위상을 보정하는 단계; 및
    위상 보정된 RF 전력 신호를 배열 안테나를 통해 상기 무선 전력 수신기로 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다수의 무선 전력 송신기의 개수(N), 상기 무선 전력 수신기로부터 수신된 비콘 신호의 전계 강도, 사람의 근접 여부 중 하나 이상을 고려하여 상기 RF 전력 신호의 송출 전력을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 위상을 보정하는 단계는,
    상기 다수의 무선 전력 송신기 중 하나를 마스터 무선 전력 송신기로 설정하고, 상기 하나의 마스터 무선 전력 송신기를 제외한 나머지 무선 전력 송신기가, 상기 마스터 무선 전력 송신기로부터 상기 위상 동기 기준 정보를 수신하고, 수신한 정보를 기준으로 상기 마스터 무선 전력 송신기 간의 위상차를 보정하도록 하는 것을 특징으로 하는 협업 무선 전력 전송 방법.
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