KR20240020079A - 빔포밍 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빔포밍 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 전송을 위한 안네나 시스템에 적합한 빔포밍 안테나에 관한 것이다.

Description

빔포밍 안테나{BEAM FORMING ANTENNA}
본 발명은 빔포밍 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 전송을 위한 안네나 시스템에 적합한 빔포밍 안테나에 관한 것이다.
사물인터넷 (Internet of Things, IoT)이 주변 환경의 모니터링 및 제어를 위해 다양한 분야로 보편화되고 대규모로 확장됨에 따라 수많은 센서 디바이스가 도처에 사용되고 있으며, 전력 공급 측면에서 상시 전원 및 배터리 이외의 다른 수명 연장 방법의 필요성이 증가하게 되었다. 최근, 전원 및 배터리 이외의 다른 수명 연장 방법의 방법으로 무선충전기술이 접목되고 있다. 최근에는 이동형 디바이스 또는 원거리 IoT 디바이스 무선충전을 위하여 Radio Frequency (RF)를 이용한 충전 기술이 연구되고 있다. 그러나, RF를 이용해 전력을 전송하는 방식은 전송효율이 매우 약하다는 단점이 있다.
최근, RF 무선전력전송의 전송효율을 극복하기 위하여 특정 위치로 전력을 빔포밍(beamforming) 하는 기술이 소개 되었다.
RF 무선전력전송을 통해 특정 위치로 전력을 빔포밍(beamforming) 하는 기술의 핵심은 전력을 원하는 위치로 정확히 forming하여 송신하는 것이다. 따라서, 수신단 특정 위치로 전력을 빔포밍하기 위해서는 전력을 보내는 송신단이 수신단의 위치를 알아야 한다. 수신단은 자신의 위치를 전력 송신단 알려주기 위하여 특정 패턴 신호를 보내어 송신단으로 하여금 위치를 인식하게 한다. 이러한 방법은 retro-reflective 방식의 전력 빔포밍으로 알려져 있다.
기존에는 빔포밍 방식은 단일 수신 디바이스에 전력을 송신하는 구조로 제안되거나, 송신단에서 스케쥴링 기법 없이 전력을 송신하고 최적의 전력이 수신되었을 시 수신단이 그 정보를 송신단에 알려주는 방식으로 전력을 송신하였다. 이러한 방식은 다수의 수신 단말기가 존재할 때 비효율적일 뿐 아니라 채널리소스를 낭비하게 된다.
최근들어, 다수개의 수신단이 하나의 전력 송신단으로부터 전력을 수신하기 위해서는 송수신단의 구조적인 고려뿐만 아니라 적절한 스케쥴링이 필요하며, 이를 해결하기 위한 연구가 진행 중에 있다.
KR 10-2342344 B1(2021.12.17)
본 발명은 지능형 객체인식 무선전력전송 시스템에 적합한 빔포밍 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명은 빔포밍 제어 및 beam steering의 제어를 수행하는 FPGA 칩셋을 이용한 송수신부의 제어모듈과, 0.25um InGaAs E/D pHEMT 공정을 이용하여 제작되었고, 송신기 DC-RF 효율 극대화를 위한 5.8GHz 대역 Class-F급 증폭기 MMIC로서 5.8GHz 대역에서 24dBm 출력 전력에 60% 이상의 Drain efficiency를 갖는 증폭기와, 이중 빔 구현을 위한 광각 빔 스캐닝을 위한 원형편파 방사소자와, 배열안테나 소형화를 위한 Lens를 이용한 평판형 방사소자 중 적어도 하나, 어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 이미지에 대하여 다중객체검출을 수행하고, 다중객체를 검출하여 기계학습을 통한 충전대상(핸드폰, IoT 기기, 테블릿)과 충전불가 대상(사람, 컴퓨터 등) 구분할 수 있는 객체 인식 모듈, 빔 조향/제어를 위한 64채널 송신 전력 신호발생부 및 전력 전달 경로에서의 위상, 전력 등을 제어할 수 있고, 제어보드는 각 채널별 위상과 크기 및 최종 증폭기의 출력전력 등을 종합적으로 제어하고, 채녈의 상태정보를 최종 시스템 제어 CPU에 정보를 전달하는 송신부 빔 포밍을 위한 성능검증용 64채널 FPGA 보드, 64채널의 각 채널별 위상과 전력의 크기를 제어하기 위한 GUI 인터페이스부와, 사이즈의 QFN 또는 DFN 형태로 package 하여 SMT 가능하고, 송신 신호 발생을 위한 PLL 및 송신신호 분배를 위한 분배기 구조를 포함하는 Beam-forming MCP IC, Meta, FSS unit cell 및 빔 성형 재구성 기술 등을 적용한 고효율 광각 빔 조향 제어 모듈, 어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 2차원 이미지에 대한 Depth 정보를 추정하여 다중객체검출/위치 및 거리데이터 값을 추출하고, Depth 정보를 토대로 전력 송신을 위한 다중객체의 위치 및 거리 데이터 검출하는 객체 검출/위치 및 거리데이터 분석 모듈, 64채널을 제어하고, 16개를 병렬 결합하여 1,024개의 다중 안테나빔을 제어하는 송신전력 보드, RF 능동채널, 송신 다중 빔 조향제어를 포함한 송신부 통합 제어하는 송신부 빔 포밍 제어를 위한 시스템 통합 그래픽인터페이스 및 Pin diode와 Schottky diode가 함께 있는 공정을 이용하여 위상 변위기와 정류회로가 일체화된 수신부 빔 포밍을 위한 위상변위 및 정류 기능을 갖는 수신기 IC;를 포함하는 빔 포밍 안테나를 포함한다.
그러므로 본 발명은 RF 에너지 전송기술은 기술적 파급효과가 매우 높은 기술로 방송통신기기, 가전기기, 자동차 및 산업로봇 등 응용분야가 넓은 모태 기술로써 향후 지능형 객체인식 무선전력전송 기술의 각각 요소기술을 다양한 분야에서 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 빔포밍 무선전력전송을 위한 빔포밍 안테나는 고지향성의 높은 이득을 가지는 안테나로써, 무선충전에 대응하기 위한 고속의 빔조향 성능과 다채널의 특성을 가지고 있기 때문에 이동식 위성통신 안테나로써 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명은 특히, 다중입력과 출력을 가지는 스마트 안테나는 가장 급성장하고 있는 안테나 기술로, 전세계 스마트 안테나 시장은 진입 초기 단계로 판단되기 때문에 경제적인 측면에서도 기대가 되는 부분이다.
또한, 본 발명은 지능형 객체인식을 위해 개발 예정인 카메라 객체인식 기술은 카메라를 통해 객체와의 거리 및 위치 등을 매우 높은 정확도로 파악할 수 있고, 이를 통해 인식된 객체의 사물 및 사람 정보를 수집할 수 있는 기술로써 보안 및 CCTV 시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명은 지능형 객체인식을 통한 무선전력전송 기술에 적용 가능하고, 이는 인체의 안전성 및 효율을 충족할 수 있어 다양한 요소기술을 활용하여 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 빔포밍 안테나가 적용된 무선전력 송을 위한 안테나 시스템을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 빔 가변형 수신기를 도시한 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 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시 예들의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시 예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시 예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부된 도 면을 참조하여 설명한다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 빔포밍 안테나가 적용된 무선전력 송을 위한 안테나 시스템을 도시한 도면, 도 3 내지 도 5는 빔 가변형 수신기를 도시한 도면이다.
본 발명은 FPGA 칩셋을 이용한 송수신부의 제어모듈을 포함한다. 송수신부의 제어모듈은, 예를 들면, 빔포밍 제어 및 beam steering 제어 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 송신부 고효율 성능 구현을 위한 종단 증폭기를 포함한다.
증폭기는 송신기 DC-RF 효율 극대화를 위한 5.8GHz 대역 Class-F급 증폭기 MMIC로서, 증폭기 MMIC는 0.25um InGaAs E/D pHEMT 공정을 이용하여 제작되었고, 5.8GHz 대역에서 24dBm 출력 전력에 60% 이상의 Drain efficiency를 갖는다.
또한, 본 발명은 전자식 위상배열안테나 및 기계적 빔 조향제어를 반영한 반전자식 구조를 갖는다.
또한, 본 발명은 능동 위상배열시스템 요구사항 구현을 위한 소자안테나이다. 특히 본 발명은 이중 빔 구현을 위한 광각 빔 스캐닝을 위한 원형편파 방사소자와, 배열안테나 소형화를 위한 Lens를 이용한 평판형 방사소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 수신기 탐색을 위한 객체 인식 모듈을 포함한다. 객체 인식 모듈은 어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 이미지에 대하여 다중객체검출을 수행하고, 다중객체를 검출하여 기계학습을 통한 충전대상(핸드폰, IoT 기기, 테블릿 등)과 충전불가 대상(사람, 컴퓨터 등) 구분할 수 있다.
또한, 본 발명은 송신부 빔 포밍을 위한 성능검증용 64채널 FPGA 보드를 더 포함한다.
이는 빔 조향/제어를 위한 64채널 송신 전력 신호발생부 및 전력 전달 경로에서의 위상, 전력 등을 제어할 수 있고, 제어보드는 각 채널별 위상과 크기 및 최종 증폭기의 출력전력 등을 종합적으로 제어하고, 채녈의 상태정보를 최종 시스템 제어 CPU에 정보를 전달할 수 있다.
또한, 본 발명은 64채널의 각 채널별 위상과 전력의 크기를 제어하기 위한 GUI 인터페이스부를 포함할 수 있다. 인터페이스부는 향후 1024개의 송신빔을 제어하기 위한 확장이 가능하다.
본 발명은 수신기용 Class-F급 증폭기 MMIC die와 Beam former die IC를 이용한 MCP(Multi chip package)를 더 포함한다.
Beam-forming MCP IC는 사이즈의 QFN 또는 DFN 형태로 package 하여 SMT 가능하고, 송신 신호 발생을 위한 PLL 및 송신신호 분배를 위한 분배기 구조를 포함한다.
또한, 본 발명은 실내 전자기기 무선충전을 위한 광각(Wide beamwidth)/고효율 수신 안테나 개발 및 배열 최적화가 가능하고, 광각(Wide-angle scanning) 빔 조향제어 및 시스템 소형화가 가능하다.
본 발명은 능동부를 포함한 시스템 형상 최적화를 위한 배열 안테나 구조를 갖는다. Meta, FSS unit cell 및 빔 성형 재구성 기술 등을 적용한 고효율 광각 빔 조향을 제어한다.
본 발명은 객체 검출/위치 및 거리데이터 분석이 가능하다. 즉, 본 발명은 어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 2차원 이미지에 대한 Depth 정보를 추정하여 다중객체검출/위치 및 거리데이터 값을 추출한다. 그리고 본 발명은 Depth 정보를 토대로 전력 송신을 위한 다중객체의 위치 및 거리 데이터 검출할 수 있다.
64채널을 제어하는 송신전력 보드는 16개를 병렬 결합하여 1,024개의 다중 안테나빔을 제어한다.
또한, 본 발명은 송신부 빔 포밍 제어를 위한 시스템 통합 그래픽인터페이스를 포함한다. 이는 RF 능동채널, 송신 다중 빔 조향제어를 포함한 송신부 통합 제어할 수 있다.
송신부 통합 다채널 능동 급전회로는 송신안테나 빔 조향/제어를 위한 시스템 전체 다중능동채널을 갖는다.
수신부 빔 포밍을 위한 위상변위 및 정류 기능을 갖는 수신기 IC는 Pin diode와 Schottky diode가 함께 있는 공정을 이용하여 위상 변위기와 정류회로를 하나의 IC로 구현하였고, 빔 조향/제어와 RF/DC 정류기능을 통합하여 수신기 소형/경량화 되었다.

Claims (1)

  1. 빔포밍 제어 및 beam steering의 제어를 수행하는 FPGA 칩셋을 이용한 송수신부의 제어모듈;
    0.25um InGaAs E/D pHEMT 공정을 이용하여 제작되었고, 송신기 DC-RF 효율 극대화를 위한 5.8GHz 대역 Class-F급 증폭기 MMIC로서 5.8GHz 대역에서 24dBm 출력 전력에 60% 이상의 Drain efficiency를 갖는 증폭기;
    이중 빔 구현을 위한 광각 빔 스캐닝을 위한 원형편파 방사소자와, 배열안테나 소형화를 위한 Lens를 이용한 평판형 방사소자 중 적어도 하나;
    어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 이미지에 대하여 다중객체검출을 수행하고, 다중객체를 검출하여 기계학습을 통한 충전대상(핸드폰, IoT 기기, 테블릿)과 충전불가 대상(사람, 컴퓨터 등) 구분할 수 있는 객체 인식 모듈;
    빔 조향/제어를 위한 64채널 송신 전력 신호발생부 및 전력 전달 경로에서의 위상, 전력 등을 제어할 수 있고, 제어보드는 각 채널별 위상과 크기 및 최종 증폭기의 출력전력 등을 종합적으로 제어하고, 채녈의 상태정보를 최종 시스템 제어 CPU에 정보를 전달하는 송신부 빔 포밍을 위한 성능검증용 64채널 FPGA 보드;
    64채널의 각 채널별 위상과 전력의 크기를 제어하기 위한 GUI 인터페이스부;
    사이즈의 QFN 또는 DFN 형태로 package 하여 SMT 가능하고, 송신 신호 발생을 위한 PLL 및 송신신호 분배를 위한 분배기 구조를 포함하는 Beam-forming MCP IC;
    Meta, FSS unit cell 및 빔 성형 재구성 기술 등을 적용한 고효율 광각 빔 조향 제어 모듈;
    어안렌즈 카메라를 이용하여 얻은 2차원 이미지에 대한 Depth 정보를 추정하여 다중객체검출/위치 및 거리데이터 값을 추출하고, Depth 정보를 토대로 전력 송신을 위한 다중객체의 위치 및 거리 데이터 검출하는 객체 검출/위치 및 거리데이터 분석 모듈;
    64채널을 제어하고, 16개를 병렬 결합하여 1,024개의 다중 안테나빔을 제어하는 송신전력 보드;
    F 능동채널, 송신 다중 빔 조향제어를 포함한 송신부 통합 제어하는 송신부 빔 포밍 제어를 위한 시스템 통합 그래픽인터페이스; 및
    Pin diode와 Schottky diode가 함께 있는 공정을 이용하여 위상 변위기와 정류회로가 일체화된 수신부 빔 포밍을 위한 위상변위 및 정류 기능을 갖는 수신기 IC;를 포함하는 빔 포밍 안테나.
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