초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 저전력 IoT 디바이스의 원거리 무선충전을 위한 2.4 GHz, 5.8 GHz의 이중대역 적응형 RF 무선전력전송 시스템 개발에 대한 것이다. 2.4 GHz와 5.8 GHz 두 대역의 thinned 배열 안테나를 하나의 개구면에 구현하여, 두 대역을 동시에 사용하거나 개별적으로 사용하여 전력을 전송이 가능한 통합 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 이용한 RF 무선전력전송 실험을 통해, 수신부의 다양한 위치 및 거리, 사용 주파수에 따른 수신전력을 측정하고 계산을 통해 예측한 수

□ 연구개요
본 연구는 저전력 IoT 디바이스의 원거리 무선충전을 위한 2.4 GHz, 5.8 GHz의 이중대역 적응형 RF 무선전력전송 시스템 개발에 대한 것이다. 2.4 GHz와 5.8 GHz 두 대역의 thinned 배열 안테나를 하나의 개구면에 구현하여, 두 대역을 동시에 사용하거나 개별적으로 사용하여 전력을 전송이 가능한 통합 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 이용한 RF 무선전력전송 실험을 통해, 수신부의 다양한 위치 및 거리, 사용 주파수에 따른 수신전력을 측정하고 계산을 통해 예측한 수신전력 결과와 비교검증을 하였다. 또한 수신부의 위치 정보가 없어도 수신부로 적합한 빔을 형성하여 전력전송이 가능한 수신전력 피드백 기반의 closed-loop 빔포밍 방식을 제안하고 실험을 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 2.4, 5.8 GHz의 이중대역을 모두 사용하여 전력을 송신할 수 있는 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 개발하였다. 1차년도에는 '전력 송신부'의 송신배열 안테나와 송신 모듈을 개발하였다. 2.4, 5.8 GHz 원형편파 패치 복사소자를 설계하고, 다양한 전력전송 시나리오에 따른 전송효율을 분석하여, 32개의 2.4 GHz 패치와 32개의 5.8 GHz 패치로 구성된 개구면 공유형 thinned 송신 배열 안테나를 최적 설계하였다. 그리고 이러한 송신 배열 안테나의 각 배열소자로 급전되는 RF 신호의 크기와 위상을 제어하는 송신모듈을 개발하였다. 2차년도에는 '디지털 제어부' 와 '전력 수신부'를 개발하였다. 배열 안테나의 배열소자들의 급전 위상을 시간에 따라 조절하여 차례대로 다중 빔을 형성하도록 look-up table 개발하였고 디지털 제어부에 이를 반영하였다. 또한 단일 대역 및 이중 대역의 전력 수신을 위해 3가지 타입의 패치 안테나를 설계하였다. 정류회로와 BEL 모듈을 안테나와 결합하여, 수신전력 피드백을 위한 전력 수신부를 완성하였다. 3차년도에는 1·2차년도에 개발된 전력 송신부, 전력 수신부, 디지털 제어부의 제작을 완료하고 개별 시스템의 성능 검증 및 통합 무선전력전송 시스템을 검증하였다. 수신부의 거리와 위치를 다양하게 변경하며 RF 무선전력전송 실험을 수행하였다. 실험을 통해 수신전력을 측정한 결과는 계산을 통해 예측했던 결과와 잘 일치하였고, 빔포커싱 방식을 적용하면 빔포밍 방식대비 수신전력을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 이중대역을 이용하여 동시에 전력을 전송하거나 다중 수신기로의 개별 전력 전송이 가능함도 확인하였다. 더 나아가 수신부의 위치를 모르더라도 최적의 빔을 형성하여 전력을 송신할 수 있는 수신전력 피드백 기반의 closed-loop 빔포밍 방식을 제안하였고, 실험을 통해 이를 검증하였다. 실험을 통해 측정된 수신 RF전력은 2.482 GHz 약 13.50~24.75 dBm, 5.73 GHz 약 7.0~19.25 dBm 정도로, 진동센서, 온도 센서, 투수광기 센서 등 저전력 IoT 디바이스를 구동하기 충분한 전력이다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 구현된 이중대역 RF 무선전력전송 시스템은, 하나의 송신 모듈로 주파수 환경에 따라 두 대역의 주파수(2.4 GHz, 5.8 GHz)를 적절하게 선택하여 전력을 원거리로 전송할 수 있다는 점에서 기존 무선전력전송 기술들과의 차별성이 두드러진다. 이로써 주변 통신 환경에 미치는 영향을 줄이고, 효율적으로 채널을 사용하며 빔 운용이 가능하다. 또한, 전력 수신 디바이스의 사용 주파수에 따라 전력 전송 주파수를 선택하는 등 다양한 환경 및 시나리오에서 탄력적인 전력 전송 운용 가능하다. 이러한 독창성을 지닌 본 연구내용은 향후 IoT 관련 에너지 솔루션으로 활용 가능성이 높으며, 기술 확보 경쟁이 매우 치열할 것으로 예상되는 RF 기반의 무선 에너지 전송 기술 분야에서 유리한 위치를 선점하고 경쟁력을 확보할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• (1) 이중대역 RF 무선전력전송 시스템 개발 ... 5
• (2) RF 무선전력전송 실험 검증 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 16
• 끝페이지 ... 22