RF 방식의 무선전력전송은 20세기 초, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 실험을 시작으로 20세기 후반까지 미국항공우주국(NASA)가 중심이 되어, 우주에서 얻은 에너지 (주로 태양광)를 지구로 보내거나, 공중의 이동체에 전력을 공급하는 등의 응용을 위해 많은 연구가 되어왔다[1][2]. 하지만, 안테나에서 형성된 ...
RF 방식의 무선전력전송은 20세기 초, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 실험을 시작으로 20세기 후반까지 미국항공우주국(NASA)가 중심이 되어, 우주에서 얻은 에너지 (주로 태양광)를 지구로 보내거나, 공중의 이동체에 전력을 공급하는 등의 응용을 위해 많은 연구가 되어왔다[1][2]. 하지만, 안테나에서 형성된 전자기장(Electromagnetic Field), 즉 두 장(E, H Field)의 크기 모두 거리에 반비례하게 크기가 변하는 상관관계를 갖고 있기 때문에, 장거리 대(大)전력 전송과 같은 분야에 적용은 경제적으로 매우 부적합하였다. 최근 이런 문제점을 딛고 RF 소자의 고성능화, 디지털 기반 제어 기술 등의 발전으로 인해 실생활에서 RF 기반의 무선전력전송의 구현 사례가 증가하고 있다[3][4][5][6]. 높은 RF 전력전송효율을 얻기 위해서 핵심이 되는 기술은 두 가지로 정의될 수 있다. 첫 번째로는, 안테나를 작으면서 높은 전력 집중도(Gain)를 갖게 하는 것, 두 번째로 안테나의 빔 재-형성(Beam Re-forming)을 통해 송신안테나의 물리적 변화를 통한 이득(Gain) 패턴 변경 및 지향성(Directivity) 변화가 아닌 전기적인 제어를 통해 필요에 이들을 따라 변화시킬 수 있게 하는 것인데, 이러한 특성은 송신 안테나를 대규모 위상 배열 구조를 갖도록 설계하여 얻을 수 있다 [7]. 대규모 위상 배열을 구성하는 요소 안테나 (Element Antenna)간의 거리는 빔 제어의 범위를 결정하는 주요 지표가 되기 때문에, 높은 이득을 갖으며 물리적으로 작은 안테나의 개발 또한 중요한 안건이다. RF 전력전송의 효율을 보다 개선하기 위해선, 고이득 및 고효율의 위상배열 안테나 및 송신기 설계 외에도 효율적인 수신기의 설계 또한 중요한 논점이 된다. 디지털 시대인 현재, 모든 공간에 Wi-Fi, 무선통신기기 (휴대폰, GPS등), Bluetooth등의 전자기파 신호 존재하는데, 이러한 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 (Energy Harvesting)에 적용하기 위한 전-방향 (Omni-directional)의 안테나 [10][11]에 관한 많은 연구가 진행되었다. 그러나, 이러한 안테나를 수신 안테나로 사용할 경우, 편파 (Polarization)만 일치하거나 유사하다면, 어떤 방향으로부터 전파가 전파되어도 전력을 수확할 수 있다는 장점이 있지만, 전-방향 안테나의 특성상 낮은 안테나 이득으로 인해 필연적으로 매우 낮은 전력 전송 효율을 갖을 수밖에 없다. 따라서, 보다 높은 이득을 갖으며 넓은 유효 개구를 갖도록 하는 것이 송신기로부터 오는 전력을 수확하기 용이한데 [12][13][14], 확장된 유효 개구는 배열 수신 안테나를 구성하는 각 요소 안테나 간의 위상 차를 발생시키며, 이는 각 요소 안테나로부터 입력된 전력을 합성할 때, 효율 감소를 야기한다. 따라서, 본 논문에서는 수신기에 또한 위상 배열 안테나를 적용하여 언급된 확장된 유효개구에 의한 위상차를 추출 및 최소화하여 전력전송 효율을 개선하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법의 검증을 위해, 5.8 GHz에서 동작하는 4x4 격자 형태의 16 채널 빔-포밍 위상 배열 송신기와 저 손실 위상 천이기를 기반으로 제작한 2x2 위상 배열 수신 안테나를 제작하였으며, 본 논문에 위상 배열 안테나의 이론적 배경부터 설계 과정 및 검증을 위한 실험 결과 순으로 나타냈다.
RF 방식의 무선전력전송은 20세기 초, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)의 실험을 시작으로 20세기 후반까지 미국항공우주국(NASA)가 중심이 되어, 우주에서 얻은 에너지 (주로 태양광)를 지구로 보내거나, 공중의 이동체에 전력을 공급하는 등의 응용을 위해 많은 연구가 되어왔다[1][2]. 하지만, 안테나에서 형성된 전자기장(Electromagnetic Field), 즉 두 장(E, H Field)의 크기 모두 거리에 반비례하게 크기가 변하는 상관관계를 갖고 있기 때문에, 장거리 대(大)전력 전송과 같은 분야에 적용은 경제적으로 매우 부적합하였다. 최근 이런 문제점을 딛고 RF 소자의 고성능화, 디지털 기반 제어 기술 등의 발전으로 인해 실생활에서 RF 기반의 무선전력전송의 구현 사례가 증가하고 있다[3][4][5][6]. 높은 RF 전력전송효율을 얻기 위해서 핵심이 되는 기술은 두 가지로 정의될 수 있다. 첫 번째로는, 안테나를 작으면서 높은 전력 집중도(Gain)를 갖게 하는 것, 두 번째로 안테나의 빔 재-형성(Beam Re-forming)을 통해 송신안테나의 물리적 변화를 통한 이득(Gain) 패턴 변경 및 지향성(Directivity) 변화가 아닌 전기적인 제어를 통해 필요에 이들을 따라 변화시킬 수 있게 하는 것인데, 이러한 특성은 송신 안테나를 대규모 위상 배열 구조를 갖도록 설계하여 얻을 수 있다 [7]. 대규모 위상 배열을 구성하는 요소 안테나 (Element Antenna)간의 거리는 빔 제어의 범위를 결정하는 주요 지표가 되기 때문에, 높은 이득을 갖으며 물리적으로 작은 안테나의 개발 또한 중요한 안건이다. RF 전력전송의 효율을 보다 개선하기 위해선, 고이득 및 고효율의 위상배열 안테나 및 송신기 설계 외에도 효율적인 수신기의 설계 또한 중요한 논점이 된다. 디지털 시대인 현재, 모든 공간에 Wi-Fi, 무선통신기기 (휴대폰, GPS등), Bluetooth등의 전자기파 신호 존재하는데, 이러한 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 (Energy Harvesting)에 적용하기 위한 전-방향 (Omni-directional)의 안테나 [10][11]에 관한 많은 연구가 진행되었다. 그러나, 이러한 안테나를 수신 안테나로 사용할 경우, 편파 (Polarization)만 일치하거나 유사하다면, 어떤 방향으로부터 전파가 전파되어도 전력을 수확할 수 있다는 장점이 있지만, 전-방향 안테나의 특성상 낮은 안테나 이득으로 인해 필연적으로 매우 낮은 전력 전송 효율을 갖을 수밖에 없다. 따라서, 보다 높은 이득을 갖으며 넓은 유효 개구를 갖도록 하는 것이 송신기로부터 오는 전력을 수확하기 용이한데 [12][13][14], 확장된 유효 개구는 배열 수신 안테나를 구성하는 각 요소 안테나 간의 위상 차를 발생시키며, 이는 각 요소 안테나로부터 입력된 전력을 합성할 때, 효율 감소를 야기한다. 따라서, 본 논문에서는 수신기에 또한 위상 배열 안테나를 적용하여 언급된 확장된 유효개구에 의한 위상차를 추출 및 최소화하여 전력전송 효율을 개선하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법의 검증을 위해, 5.8 GHz에서 동작하는 4x4 격자 형태의 16 채널 빔-포밍 위상 배열 송신기와 저 손실 위상 천이기를 기반으로 제작한 2x2 위상 배열 수신 안테나를 제작하였으며, 본 논문에 위상 배열 안테나의 이론적 배경부터 설계 과정 및 검증을 위한 실험 결과 순으로 나타냈다.
In this paper, a beam-forming phased array power transfer system for IoT, medical equipment is proposed. The beam-forming system is based on RF microwave, it is usually performed with a pair of the transmit and receive antennas. Directivity of the transmit antenna and effective aperture of the recei...
In this paper, a beam-forming phased array power transfer system for IoT, medical equipment is proposed. The beam-forming system is based on RF microwave, it is usually performed with a pair of the transmit and receive antennas. Directivity of the transmit antenna and effective aperture of the receive antenna are important indicators for improving RF power transfer efficiency. However, when using the antennas with high directivity array antennas for transmitter, they face a problem of rapid power efficiency reduction due to the change in relative position between the transmit and receive antenna because of its narrow beam width. Also, the receive antenna consists of array pattern for the widen effective aperture, it may have a phase delay which causes power efficiency degeneration when they are synthesized. In order to solve these problem, a 16 channel (4x4) phased array antenna system that electrically reconstruct the beam of the transmit antenna according to the position of the receive antenna. Then, 4-channel (2x2) phased array system including each low insertion loss analog phase shifter is applied to resolve the problem of the receiver. For the experiment validity, the transmitter performance is verified first by checking its resolution of the beam on the equally spaced lattice grid supporter. Then the performance of the fabricated phased array receiver is also verified in several constructed beam states. It is validated that the proposed system efficiency maximally increased about 2.68 times in a certain case.
In this paper, a beam-forming phased array power transfer system for IoT, medical equipment is proposed. The beam-forming system is based on RF microwave, it is usually performed with a pair of the transmit and receive antennas. Directivity of the transmit antenna and effective aperture of the receive antenna are important indicators for improving RF power transfer efficiency. However, when using the antennas with high directivity array antennas for transmitter, they face a problem of rapid power efficiency reduction due to the change in relative position between the transmit and receive antenna because of its narrow beam width. Also, the receive antenna consists of array pattern for the widen effective aperture, it may have a phase delay which causes power efficiency degeneration when they are synthesized. In order to solve these problem, a 16 channel (4x4) phased array antenna system that electrically reconstruct the beam of the transmit antenna according to the position of the receive antenna. Then, 4-channel (2x2) phased array system including each low insertion loss analog phase shifter is applied to resolve the problem of the receiver. For the experiment validity, the transmitter performance is verified first by checking its resolution of the beam on the equally spaced lattice grid supporter. Then the performance of the fabricated phased array receiver is also verified in several constructed beam states. It is validated that the proposed system efficiency maximally increased about 2.68 times in a certain case.
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