10m 거리용대용량고효율 RF 빔포밍방식의무선전력전송송수신시스템

2021. 07. 14.

발표자: 양대근박사 (white3903@naver.com)

대한전기학회2021년도하계학술대회

목차 01. 연구개발개요

02. 연구목표

03. 연구내용

04. 연구결과

05. 결론

3

4

5

11

14

2

01 기술개발개념및내용

ㆍ각기관별기술내용ㆍ

기관항목

Ossia Energeous 한국과학기술원

동작원리다중 안테나 기반 RF 특성

‘Cota’

다중 안테나 기반 RF 특성

‘WattUp’

다중 안테나 기반 RF 특성

‘Waveguide’

구현의 예

동작 주파수 2.4 GHz 900 MHz, 5.7 ~ 5.8 GHz 24 GHz

전송전력

전송거리

• 1 W 이하

• 4 m @ 2.4 GHz

• 1 W 이하

• 90 cm @ 900 MHz

• 6 m @ 5.7 ~5.8 GHz

• 1 W 이상

• 10 m @ 24 GHz

장점• 저전력 비콘 수신 기술

• 인체 유해성 문제 감소

• FCC 규정 만족

• 중출력

• 인체 유해성 문제 감소

• 고효율, 고출력

• 10 m 이상의 중거리

• 경쟁 기관 대비 제품의 소형화

한계점

• 낮은 전송전력

• 비교적 단거리

• 저효율

• 제품 크기

• 낮은 전송전력

• 비교적 단거리

• 저효율

• 제품 크기

• EMI/EMC

• 소자의 가격

연구개발개요

02 연구개발구성도

ㆍRF 기반무선전력전송시스템구성도ㆍ

<10m 거리에적합한RF 빔포밍방식기반무선전력전송송수신시스템구성도>

연구목표

03 송신부

ㆍ송신안테나ㆍ

<구조설계>

연구내용

Azimuth

(1) 연구내용

- 8x8 sub-array waveguide slot antenna

- H 접합 cavity divider 구조

(2) 성과

- 안테나 측정 이득 : 25.05 dBi (8x8 sub-array)

<시뮬레이션S11 (-19.4dB at 24GHz)>

Elevation

<제작>

<측정된S11 (-48dB at 24GHz)>

03 송신부

ㆍ고효율송신 PA evaluation boardㆍ

<측정실험>

연구내용

(1) 연구내용

- 24GHz PA evaluation board 제작

(2) 성과

- Signal Generator: 0 dBm

- Spectrum Analyzer: 14.23 dBm

<제작> <측정결과>

* 측정결과: RF cable loss (4dB)을 보상하여 14.23 dBm 도출

03 송신부

ㆍ무선전력전송송신시스템구현ㆍ

연구내용

(1) 연구내용

- 8x8 sub array 모듈을 8x8로 배열

- 각 sub array 모듈 마다 PA 적용

- 렌즈 & bezel less 배열 구조 적용

(2) 성과

- 10m 급 무선전력전송 송신부 구현

- 단위 모듈 당 최대 송신 전력 276 mW

- 최대 전송 전력 17.7 W

<제작된송신시스템정면> <제작된송신시스템측면>

03 수신부

ㆍ수신안테나ㆍ

<제작된2x2 Patch Array Antenna >

연구내용

E plane

(1) 연구내용

- 2x2 서브 배열 stacked 구조 적용

(2) 성과

- 안테나 측정 이득 : 13 dBi

H plane

<반사손실>

03 수신부

ㆍ고효율정류기및DC-DC 컨버터ㆍ

<제작된DC-DC 컨버터>

연구내용

(1) 연구내용

- 소형 반파 정류기 설계 및 제작

- 2x2 단위 패치 안테나와 결합한 렉테나 구현

(2) 성과

- 정류기 최대 효율: 69%

- 평균 효율 (input power: 0~14 dBm): 60%

<단일정류기레이아웃>

* DC-DC 컨버터는 LED 또는 스마트폰 배터리를 연결하기 위하여 USB 타입의 출력포트로 구현

<단일정류기측정효율><제작된2x2 렉테나>

03 수신부

ㆍ무선전력전송수신시스템구현ㆍ

연구내용

(1) 연구내용

- 2x2 sub array 모듈을 16x16로 배열

- 각 sub array 모듈 마다 정류기 적용

(2) 성과

- 10m 급 무선전력전송 수신부 구현

- DC-DC 컨버터의 USB 출력포트로부터 5V 전압 유지

- 최대 5W 수신 가능

<제작된수신시스템정면> <제작된수신시스템후면>

04 송수신통합시스템

ㆍ무선전력전송송수신시스템구현ㆍ

연구결과

<10m 급RF 기반무선전력전송송수신시스템-스마트폰충전시연>

(1) 연구내용

- 제안된 송신부와 수신부의 통합 실험 진행

- 수신된 RF 전력을 DC로 변환

- 스마트폰 충전 시연

(2) 성과

- 10m 거리에서 스마트폰이 충전됨을 확인

04 송수신통합시스템

ㆍ무선전력전송송수신시스템구현ㆍ

연구결과

<10m 급RF 기반무선전력전송송수신시스템-LED 점등시연>

(1) 연구내용

- LED 점등 시연

(2) 성과

- 10m 거리에서 LED가 켜지는 것을 확인

04 송수신통합시스템

ㆍ무선전력전송송수신시스템측정결과ㆍ

연구결과

<시뮬레이션수신전력분포>

(1) 측정 결과

- 렌즈 배열에 의한 에너지 집적 기술 검증

- Bezel less 기술에 의한 grating lobe 최소화 검증

- 10m에서 RF 효율 (Air 효율) 20.9% 달성

송신 RF 전력 수신 RF 전력

측정된 전력 42.48 dBm (17.7 W) 35.7 dBm (3.7 W)

Air 효율 20.9%

<측정수신전력분포> <측정수신빔집속영역>

05 10m 거리용대용량고효율RF 빔포밍방식의무선전력전송송수신시스템

결론

1) 10m 급 무선전력전송 시스템 구현

2) 시연을 통한 상용화 가능성 검증

3) 고용량 배터리 기술과 저전력 기술

의 한계성 극복 가능성 검증

감사합니다