본 논문은 배열 안테나로 구성된 RF 무선전력전송 시스템에서의 전력 전송효율 (혹은 수신전력)을 빠르고 정확하게 도출하는 계산식을 새롭게 정립하여, 이를 기반으로 2.4 GHz와 5.8 GHz의 이중대역을 모두 사용하여 전력을 송신하는 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 개발하고 수신전력 피드백 기반의 최적빔을 형성하여 원거리로 무선 전력을 전송하는 내용에 대한 것이다.
전력 전송효율이란 송신 안테나로부터 방사된 송신전력 대비 수신 안테나로 수신되는 수신전력의 비로 정의된다. 본 논문에서는 수치적분 원리를 이용하여 RF 무선전력전송 시스템에서의 전력 전송효율 계산 기법을 제안하였다. 이것은 Friis 공식 등의 기존 계산식과는 달리 송신 배열 안테나의 원거리장뿐만 아니라 Fresnel 영역에서도 적용 가능하다. 전력 전송 거리나 방향 등 다양한 RF 무선전력전송 시나리오에 적용하고 EM 시뮬레이션 결과와 비교한 결과, 제안하는 계산식을 이용하면 계산 속도가 매우 빠르면서도 EM 시뮬레이션만큼 정확한 전송효율 결과가 도출되었음을 확인하였다.
이와 더불어 본 논문에서는 이중대역의 주파수를 선택적으로 사용하여 전력을 전송할 수 있는 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 주변 통신 환경을 고려하여 운용 주파수를 2.482 GHz와 5.73 GHz으로 선정하여 이중대역 전력 송ㆍ수신부를 개발하였다. 제안하는 전력 전송효율 계산식을 활용하여 32 개의 2.482 GHz 원형편파 패치와 32 개의 5.73 GHz 원형편파 패치로 구성되는 이중대역 개구면 공유형 thinned 송신 배열 안테나를 최적 설계하였다. 전력 분배기, 위상 천이기, 감쇠기, 전력 증폭기 등이 포함된 송신 회로부와 디지털 제어부, 전원부 등으로 구성된 송신 모듈과 송신 배열 안테나를 연결하여 각 배열소자로 급전되는 RF 전력의 크기와 위상이 제어할 수 있다. 반면 2.482 GHz, 5.73 GHz의 전력을 수신을 위한 2.482 GHz 수신용 패치 안테나와 5.73 GHz 수신용 패치 안테나, 그리고 이중대역 동시 수신을 위한 이중대역 수신용 패치 적층형 안테나를 설계하였고, 수신되는 RF 전력을 DC 전력으로 변환하기 위해 정류회로를 제작하였다.
구현된 이중대역 RF 무선전력전송 시스템을 검증하기 위해 다양한 전력 전송 시나리오를 설정하여 RF 무선전력전송 실험을 수행하였다. 수신부의 거리와 위치를 변화시키며 수신 안테나로 수신되는 전력을 스펙트럼 분석기를 통해 측정하였다. 이때, 빔 운용 방식(빔포밍, 빔포커싱)에 따른 수신전력 차이를 확인하였다. 측정한 결과는 계산을 통해 예측했던 결과와 거의 일치하였으며, 빔포밍 방식보다는 빔포커싱 방식 기반으로 빔을 형성하였을 때 수신전력이 더 향상됨을 확인하였다. 또한 이중대역을 이용하여 동시에 전력을 전송하거나 서로 다른 곳에 위치하는 2 대의 수신부로 두 대역을 개별적으로 사용하여 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.
이와 같이 실험을 통해 검증된 이중대역 RF 적응형 무선전력전송 시스템은 채널 환경에 따라 두 대역의 주파수를 선택적으로 사용한다는 점에 차별성이 있다. 또한 다양한 환경 및 시나리오에 대하여 탄력적인 전력 전송 운용 가능하다. 따라서 본 연구 내용과 결과는 RF 방식 기반의 무선전력전송 시스템 구현 및 근·원거리 무선충전 기술로의 활용 가능성이 매우 높으며, 센서, 가전, 의료기기, 로봇 등 다양한 기기에 cordless 환경 제공을 위한 기술의 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다. 이와 더불어 배열 안테나 기술이 응용되는 레이다, 5G 통신 분야에서도 널리 적용 가능할 것이다.

In this thesis, a dual-band RF wireless power transmission(WPT) system based on received power feedback is developed.
First, a method by which to calculate the received power and WPT efficiency based on wireless power interactions between individual Tx and Rx array elements in a WPT system with array antennas is investigated. While applying the well-known Friis or Goubau formulas produces a large error for the WPT in a near-field region, such as Fresnel and reactive regions, the proposed method yields reliable results in both near- and far-field regions. The results calculated by this method to various 5.8 GHz RF WPT scenarios were in good agreement with the results from an EM simulation. In addition, only a few seconds were needed to calculate all cases, unlike in the EM simulation. Accordingly, the proposed method can produce exact results, rapidly.
In consideration of the communication environment, the operating frequency was selected as 2.482 GHz and 5.73 GHz, and the dual-band Tx system and receiver(Rx) was developed. By applying the proposed calculation method of the WPT efficiency, an aperture-sharing thinned array Tx antenna with 32-elements 2.482 GHz circularly polarized(CP) patches and 32-elements 5.73 GHz CP patches is optimally designed. The magnitude and phase of excited signals of the Tx array elements are controlled by the Tx module including the power dividers, phase-shifters, attenuators, power amplifiers, and etc. For receiving the RF power transmitted from the Tx antenna, Rx antennas such as 2.482 GHz patch, 5.73 GHz patch, and the dual-band patch were designed.
In order to verify the implemented dual-band RF WPT system, RF WPT experiments were carried out according to various WPT scenarios. In cases of changing the distance and position of the Rx, the received RF power were measured by using a spectrum analyzer and the measured results were good agreement with the calculated results. And the received power was improved when applying the beam-focusing method rather than the beam-forming method. Additionally, it was confirmed that the dual-band RF wireless power is transmitted simultaneously or is transmitted to multiple receivers. Furthermore, the proposed closed-loop beamforming method based on received power feedback was verified through the WPT experiment. This WPT system with the closed-loop beamforming method can transmit the wireless power by forming an optimal beam without information of the Rx location.
Therefore, it is expected that this proposed dual-band WPT system in this study can be applied to develop WPT system for a cordless devices such as sensors, home appliances, medical devices, and robots. Moreover, it will be widely applicable to radar and 5G communication fields where array antenna technology is applied.