1. 수행배경

근래에 들어 무선통신 시스템의 비약적인 발전으로 언제 어디서나 무선통신이 가능하게 되었다.

하지만 전자기기를 동작하게 하는 전원은 유선으로 공급하거나 전지를 충전하여 사용해야만 했다.

이로 인하여 무선기기 사용량의 증가로 인해 무선전력전송에 대한 필요성이 대두되고 있고, 무선으

로 전원 공급을 위한 다양한 무선전력전송 및 에너지 전달 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다

[1-2]. 또한, 최근에 대두되고 있는 무인항공기 (Unmanned Aerial Vehicle : UAV)에서도 무선전

력전송 및 임무 수행시간을 연장하기 위한 에너지 하베스팅 기술이 요구된다. [3]. 가장 먼저 1890

년대 N. Tesla에 의해 무선 전력전송의 개념이 처음 소개된 이후로, 무선으로 전원을 공급하기 위

한 다양한 연구가 진행되어왔다 [4-5]. 위 참고문헌에서 제안하는 방식은 근접 계인 자기유도 방식

을 사용한다. 그러나 자기유도 방식을 통한 무선전력전송은 수 mm 또는 수 cm에서만 에너지를 전

달 할 수 있다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 RF 방식의 무선전력전송 연구들이 많이 진행되

고 있다.

“장거리 무선전력전송용 2.4 GHz 대역 고이득 빔포밍 안테나 설계” 과제에서 무선 에너지 전송의

효율성을 높이는 일환으로 안테나 이득을 증가시키기 위해서는, 복수의 소자들을 유한한 면적 상에

서 주기적으로 배치한 배열 안테나가 필요한데, 기존의 공진형 소자를 사용할 경우 전체 크기가 커

지고 이에 따라 유전체 기판과 금속 패턴의 길이만큼 손실도 동반 상승하게 되는 심각한 문제가 생

기는데, 구조상의 전기장를 집속 시키면서 기존 공진기보다 작은 소자는 물론 배열로 확장될 때 전

체 크기의 증가와 손실을 줄이는 설계가 필요함. 추가로 설계된 고이득 단일 안테나를 설계하여 더

높은 안테나 이득을 얻기 위해 설계된 안테나를 배열한 뒤, 무선전력전송 실제 상황에서 수신기의

위치가 변화했을 때의 최대 전송 효율을 얻기 위해 빔포밍 네트워크와 결합하여 빔포밍 기능까지

추가된 고이득 배열 안테나를 설계한다.

2. 수행기간

3. 개발작품 설명

□ 장거리 무선전력전송용 2.4 GHz 대역 고이득 빔포밍 안테나 설계

o 무선전력전송용 송수신 고이득 (4×16 배열) 안테나 설계

- 고이득 배열 안테나를 위한 고이득 단일 안테나의 구조 설계 및 전자기장 수치 해석 CAD를

통한 안테나 소자 패턴 생성

- 고이득 배열 안테나 면적 및 부피를 고려한 배열 간격 최적화 설계

□ 단일 안테나 설계 및 수치 해석

o 급전 방식 및 크기축소를 위한 설계

- 개별 안테나를 배열 안테나로의 확장성을 고려한 안테나 설계 및 배열 시 안테나 체적 축소

설계

o 단일 최대 이득과 주파수 응답 특성을 위한 최적화 설계

- 배열 안테나의 원활한 송수신측 최대 신호 출력을 위한 단일 안테나의 이득과 반사계수 및

상관계수를 줄이기 위한 설계 필요

o 4×16 배열을 고려해 급전 손실을 최소화 가능한 구조 설계

- 다양한 급전 방식에 대한 저손실, 고이득 급전 방식 설계

o 유전체 손실 최소화 설계

- 단일 안테나 및 배열 안테나 단위에서 기판형 복사 소자에 대한 유전체 손실의 최소화를 고

려한 기판 소재 선정

□ 배열 안테나 최적화 설계

o 단일 안테나 소자의 패턴에 대한 4×16 배열 구조 생성

- 안테나 이득 최대를 위한 배열 간격 최적화

□ 빔 조향을 위한 빔포밍 네트워크 설계

o 송수신기 위치에 따라 높은 전송 효율을 얻기 위한 빔포밍 네트워크 설계

- 버틀러 매트릭스를 활용한 4가지 빔 스위칭

4. 활용방안

- “IoT/웨어러블 디바이스용 사용되는 고이득 무선전력전송 장치 역할

- 최종 구조의 고이득화를 위한 고이득 소형 단일 안테나 설계

- 빔 조향 기능을 위한 빔 포밍 네트워크 설계 및 전력분배기 설계