KR100313691B1 - 원격전력공급전자태그와그와결합되는익사이터/리더및그방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치 및 그러한 장치에 전력을 공급하며 그러한 장치로부터 정보를 수신하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 특히, 정전 커플링을 사용하는 장치 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 휴대용 통신 장치는 제1 정전 안테나 소자(T1) 및 제2 정전 안테나 소자(T2)와 회로(43-51)를 포함하며 상기 회로는 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자에 결합되며 제1 및 제2 안테나 소자에 인접한 정전 필드로부터 동작 전력을 유도한다.

Description

원격 전력 공급 전자 태그와 그와 결합되는 익사이터/리더 및 그 방법{REMOTELY POWERED ELECTRONIC TAG AND ASSOCIATED EXCITER/READER AND RELATED METHOD}
원격 전력 공급 전자 장치 및 그러한 장치에 전력을 공급시키며 그러한 장치로부터 저장된 정보를 수신하기 위한 관련된 시스템은 이미 공지되어 있다. 예를 들어, Mongeon 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,818,855호, 명칭 "식별 시스템(Identification System)"에는, 전기장 또는 자기장들중 하나를 통해서 원격 소스로부터 전력을 유도하며 전기장 또는 자기장들중의 다른 것을 통해서 그 소스에 저장된 정보를 다시 전송하는 원격 전력 공급 식별 장치에 관해서 개시하고 있다. 이와 유사하게, Geiszler등에게 허여된 미합중국 특허 제5,009,227호, 명칭 "근접 검출 장치(Proximity Detecting Apparatus)"에는, 원격 소스로부터 전력을 유도하기 위해서 전자기 커플링을 사용하며 저장된 데이터를 그 소스로 다시 전송하기 위해서 전자기 및 정전 커플링을 둘다 사용하는 원격 전력 공급 장치에 관해서 개시하고 있다.
상술된 초기의 시스템에서는, 원격 장치에 익사이터 시스템(exciter system)과 수신기 시스템들중의 하나 또는 이들 모두를 원격으로 결합시키기 위해서 전자기 메카니즘이 사용된다. 익사이터는 그 장치에 전력을 공급하는데 사용되는 여기 신호를 발생한다. 수신기는 원격 장치에 의해 생성되는 신호를 수신한다. 종래의 장치에서 전자기적 커플링(electromagnetic coupling)을 사용하는 이유들 중의 하나는 정전 필드를 통하는 것 보다 전자기 필드를 통해서 익사이터로부터 장치로 전력을 원격 결합시키는 것이 더 효율적이라고 생각되었기 때문이다. 더욱이, 단일-플레이트 안테나를 이용하여 익사이터로부터 원격 장치로 에너지를 결합시키기 위한 정전 메카니즘을 사용하기 위해서는, 비교적 높은 전압 신호들이 요구된다고 생각되었다. 그러나, 전력을 공급하기 위해서 더 높은 전압 신호들을 방출하는 기능은 FCC 법규에 의해서 제한된다.
초기의 전자기 커플링 메카니즘에는 익사이터 회로의 일부로서 발진기와, 익사이터 회로와 태그 상에 장착된 코일 안테나, 또는 이 장치를 구현하며 그 전자 회로를 포함한 다른 부품이 포함되었다. 예를 들면, 초기의 한 시스템에서, 여기 회로(excitation circuitry)는, 전자 회로를 포함하는 태그 상에 장착된 코일 안테나에 의해서 픽업되는 여기 신호를 방사하는 코일 안테나에 접속된다. 이러한 여기 신호들은, 전자기 또는 정전 커플링을 이용하여 수신기에 전송되는 정보 반송 신호(information carrying signals)를 자동으로 발생하는 전자 회로에 에너지를공급한다.
전술된 일반 형태의 원격 통신 장치 및 관련된 익사이터/수신기를 개발하는데 있어서 이러한 목적은 비용과 크기를 최소화하며 동작 효율을 개선하기 위한 것이었다. 원격 장치와 익사이터 또는 리더(reader) 사이의 전자기 커플링을 이용하는데 따른 문제는 코일 안테나를 사용하는 원격 장치의 제조를 더 복잡하게 하였다는 것이다. 예를 들어, 전형적인 코일 안테나의 나선형 레이아웃(spiral layout)이, 직선의 도선 또는 평면형 및 플레이트와 같은 형태가 될 수 있는 보다 간단한 정전 안테나의 레이아웃에 비해 생산이 더 어려울 수 있다. 또 다른 문제점은, 전술된 바와 같이, 허용되는 전압 레벨을 이용하여 전력을 정전기적으로 그리고 효율적으로 결합할 수 없다는 것이다. 결과적으로, 전자기 커플링이 일반적으로 정전 커플링보다 선호되고 있다.
그러므로, 원격 전력 공급 및 정보 반송 신호의 전송을 위해 정전 커플링을 사용하는 저가의 원격 전력 공급 통신 장치가 필요하게 되었다. 정전 전력 공급 신호를 그러한 장치에 커플링시키기 위한 개선된 방법 및 장치가 필요하게 되었다. 본 발명은 이러한 필요에 부합하게 된다.
본 발명은 일반적으로 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치 및 이러한 장치에 전력을 공급하며 이러한 장치로부터 정보를 수신하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 특히, 정전 커플링(electrostatic coupling)을 사용하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 익사이터/리더 및 원격 전력 공급 통신 장치의 블록도;
도 2는 익사이터/리더 및 전용 데이터 전송 안테나 소자를 갖는 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 실시예에 대한 블록도;
도 3A-3B는, T1 단자가 접지 전위에 접속되었으며 부하 저항값(RL)은 T1 과 T2 단자 사이에서 접속된 다른 가능한 집적 회로에 기인하는 다른 가능한 부하를 표시하는, T1 및 T2상에서, 전압 측정(V)을 수행하기 위해서 사용된 테스트 셋업을 도시하는 도면;
도 4A는, T1 및 T2가 각각 사각형으로서 4 X 5 인치 크기인 경우, T1 및 T2에서의 전압 대 1인치에서 8인치까지 1인치 간격으로 E1 및 E2로부터 떨어진 거리를 이차원으로 도시하는 곡선을 제공하는 도면;
도 4B는 도 4A에 도시된 실제 전압 측정치를 제공하는 도면;
도 5A는, T1 및 T2가 각각 사각형으로서 2 X 3 인치 크기인 경우, T1 및 T2에서의 전압 대 1인치에서 8인치까지 1인치 간격으로 E1 및 E2로부터 떨어진 거리를 이차원으로 도시하는 곡선을 제공하는 도면;
도 5B는 도 5A에 도시된 실제 전압 측정치를 제공하는 도면;
도 6A는, T1 및 T2가 각각 사각형으로서 2 X 3 인치 크기인 경우, T1 및 T2에서의 전압 대 1인치에서 8인치까지 1인치 간격으로 E1 및 E2로부터 떨어진 거리를 이차원으로 도시하는 곡선을 제공하는 도면;
도 6B는 도 6A에 도시된 실제 전압 측정치를 제공하는 도면;
도 7A는, T1 및 T2가 각각 사각형으로서 0.5 X 5 인치 크기인 경우, T1 및 T2에서의 전압 대 1인치에서 8인치까지 1인치 간격으로 E1 및 E2로부터 떨어진 거리를 이차원으로 도시하는 곡선을 제공하는 도면;
도 7B는 도 7A에 도시된 실제 전압 측정치를 제공하는 도면;
도 8A는 도 1의 원격 전력 공급 통신 장치의 바람직한 실시예의 레이아웃을 도시하는 입면도;
도 8B는 도 1의 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 실시예의 레이아웃을 도시하는 입면도;
도 8C는 도 2의 원격 전력 공급 통신 장치의 바람직한 실시예의 레이아웃을 도시하는 입면도;
도 8D는 기판이 사용되지 않는 도 1의 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 대체 실시예의 레이아웃을 도시하는 입면도;
도 8E는 기판이 사용되지 않는 도 2의 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 대체 실시예의 레이아웃을 도시하는 입면도;
도 9A-9C는 도 8A-C의 장치의 세가지 서로 다른 구성에 대한 측부 단면도;
도 10은 두쌍의 안테나 소자들을 포함하는 본 발명에 따른 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 대체 실시예의 입면도;
도 11은 네쌍의 안테나 소자를 포함하는 본 발명에 따른 원격 전력 공급 통신 장치의 또 다른 대체 실시예의 입면도;
도 12A-12B는 익사이터 소자의 어레이의 일부에 대해서 서로 다르게 두가지로 방향이 설정된 도 8A의 장치를 도시한 도면;
도 13은 길게 연장된 수평 구성 요소와 길게 연장된 수직 구성 요소를 포함하는 고정된 익사이터 소자의 어레이들중의 일부의 간략화된 입면도;
도 14A-14C는 전환된 익사이터 소자들의 어레이들의 일부분에 대한 세가지의 다른 대체 구성의 간략화된 입면도로서, 도 14A는 수평 구성, 도 14B는 대각선 구성, 및 도 14C는 수직 구성을 도시한 도면;
도 15는 익사이터 소자들의 두 개의 평행 스트립이 원형 패턴으로 동적으로 스위프(sweep)된, 또 다른 전환된 익사이터 어레이 구성의 간략화된 입면도;
도 16은, 어레이가 어레이에서의 통신 장치의 이동을 검출하는 센서에 의해서 제한되는, 또 다른 정류된 익사이터 어레이 구성의 입면도.
본 발명은 개선된 정전기적으로 결합된 통신 장치와 그와 관련된 동작 방법, 제조 방법 및 관련된 익사이터/리더 시스템을 제공한다. 그들 중의 한가지 특징으로서, 본 발명은 정전기적 신호에 의해서 전력이 공급되는 전자 통신 장치를 제공한다. 이러한 신규의 장치는, 데이터 전송 및 전력 공급을 위해 정전 (용량성) 플레이트를 사용하며, 따라서 자기 코일이 필요없으므로 비교적 저렴하게 생산이 가능하다.
본 발명의 전술된 그리고 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더 명확히 이해가 가능하다.
본 발명은 신규의 원격 전력 공급 통신 장치, 그와 관련된 익사이터/리더 시스템 및 관련된 방법을 포함한다. 다음 설명은 본 기술 분야에 숙련된 당업자가 본 발명을 실시하며 이용할 수 있도록 주어진다. 특정한 응용에 대해 설명하는 것은 단지 예로서만 제공되는 것이다. 본 기술 분야에 숙련된 당업자라면 바람직한 실시예를 여러 가지로 용이하게 변형시킬 수 있으며, 본 명세서에 정의된 일반적 원리는 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에서 벗어나지 않는 한 다른 실시예 및 응용에도 적용될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 제시된 실시예로 제한되는 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리 및 특징들과 양립하는 한 장 넓은 범위로 적용되어야 한다.
도 1에는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 익사이터/리더 장치(30) 및 원격 전력 공급 통신 장치(32)의 블록도가 도시된다. 장치(30)의 익사이터부는 장치(32)에 전력을 공급하는데 사용되는 정전 신호를 발생한다. 장치(30)의 리더부는 장치(32)에 전력이 공급되었을 때 장치(32)에 의해서 발생된 정전 통신 신호를 수신한다. 이 장치는, 예를 들면, 전자 식별 카드로서 사용될 수 있다. 한가지 응용예로, 예를 들면, 장치(32)가 익사이터/리더 장치(30)에 매우 근접하여 배치될 때, 익사이터는 장치(32)에 전력을 공급하는 정전 신호들을 전달한다. 장치는 식별 정보를 반송하는 정전 신호를 자동으로 전송한다. 장치(30)의 리더부는 식별 신호를 수신하여 닫힌 도어를 여는 것과 같은 어떤 동작을 트리거해야 하는지 여부를 판단한다.
장치(30)의 익사이터부는 발진기(34)를 포함하며, 이 발진기는 주파수 F0에서 신호를 발생한다. 발진기는 전력 증폭기(35)에 접속되며, 이 증폭기는 이어서 임피던스 변환기(37)의 일차 코일(36)에 접속된다. 임피던스 변환기(37)의 이차코일(38)은 캐패시터(39)와 병렬로 접속된다. 이차 코일(38)의 상부 단자는 제1 정전 익사이터 안테나 플레이트(E1)에 접속되며, 이차 코일(38)의 하부 단자는 제2 정전 익사이터 안테나 플레이트(E2)에 접속된다. 본 실시예에서, 익사이터는 평형 이상(異相) 쌍(balanced out-of phase pairs)으로서 동작하는 한 쌍의 안테나 플레이트를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 익사이터는 평형 이상 안테나 플레이트들의 어레이를 포함한다. 후술되는 또 다른 실시예에서, 익사이터는 평형 이상 안테나 플레이트의 어레이를 포함한다. 그러나, 설명을 간단히 하기 위해서, 도 1의 다음 설명에서는 두 개의 예시적인 익사이터 플레이트 E1 및 E2에 대해서만 논한다. 대안적으로, 예를 들면, 안테나 플레이트 대신에 와이어 안테나 익사이터 소자(antenna exciter element) 또는 빗 모양의 구조(comb-like structure)가 사용될 수 있다.
장치(30)의 리더부는, 검출기(41)에 입력 신호를 제공하는 수신기(40)에 접속된 단일 플레이트 정전 리더 안테나 플레이트(R1)를 포함한다. I/O 프로세서(42)는 검출기(41)로부터 신호를 수신한다.
원격 전력 공급 통신 장치(32)에 대한 본 실시예에는, 클럭(A) 및 클럭(B) 입력을 전파 브리지 정류기(43; full wave bridge rectifier)에 제공하기 위해서 도면에 도시된 바와 같이 접속되는 제1 및 제2 정전 장치 안테나 플레이트(T1 및 T2)를 포함된다. T1 및 T2는 전기적으로 서로 절연되어 있음에 유의한다. 대안적으로, 예를 들면, 와이어 안테나 소자가 플레이트 대신에 사용될 수도 있다. 캐패시터(44)는 정류기(43)의 V+ 및 "공통" 단자 사이에 접속된다. 클럭 B 입력은 주파수 분할 카운터 회로(45)에 제공될 수도 있다. 카운터(45)는 어드레스 신호를 제공하기 위해서 디지털 기억 장치, 본 실시예에서는 판독 전용 메모리(ROM)(46)에 접속된다. 변조기 회로, 즉, 예시된 실시예에서는 배타적-or 게이트(47)로서 수행되는 바이페이즈 변조기(biphase modulator)는 카운터(45)로부터의 주파수 F0/n으로 클럭 신호를 수신하며 ROM(46)으로부터 데이터 출력을 수신한다. 변조기 회로(배타적-or 게이트(47))의 출력은 다이오드(48) 및 저항기(49)를 통해서 클럭(B) 라인으로 제공된다.
본 실시예의 장치(32)가 바이페이즈 변조를 사용하고 있지만, 실제로는 본 발명에 부합하는 한, 어떤 변조 기술도 사용이 가능하다. 예를 들어, PSK, FSK, AM 또는 다른 변조 방식이 대체되어 사용가능하다. 더욱이, 본 실시예에서, 변조된 신호는 안테나 플레이트(T2)를 통해서 리더로 전송하기 위해서 클럭(B)입력으로 리턴된다. 그러나, 그 대안적인 예로서, 변조된 신호는 리더에 전송하기 위해서 분리된 안테나 소자(도시되지 않음)로 제공될 수 있다. 이러한 분리된 데이터 전송 안테나 소자를 포함하는 다른 대안적인 실시예가 도 2를 참조하여 후술된다.
동작시에, 바람직한 본 실시예의 발진기(34)는 피크 투 피크 전압이 거의 2-5 볼트인 4 메가헤르쯔 신호를 발생한다. 이 신호는 증폭기(35)에 의해서 피크 투 피트 전압이 거의 20-30 볼트로 증가된다. 임피던스 변환기(37)는 이 전압을 피크 투 피크 전압으로 거의 300-400 볼트로 더 증가시킨다. 병렬 접속된 캐패시터(39)는 변환기 회로를 동조시켜 이를 발진기 주파수에서 공진시킨다. 이차 코일(38)의상부 단자를 통해서 익사이터 플레이트(E1)에 제공된 신호는 이차 코일(38)의 하부 단자를 통해서 익사이터 플레이트(E2)에 제공된 신호와 평형되며 위상이 180˚벗어난다. 익사이터 플레이트(E1및 E2)는 화살표로 표시된 바와 같이 정전 에너지를 발생하며, 이는 통신 장치(32)에 전력을 공급하는데 사용된다. 전기장의 바람직한 전압 레벨은 익사이터가 장치(32)에 전력을 공급하는 간격과 같은 요인에 의존한다. 이에 더해서, 바람직한 전압 레벨은 예를 들면, 익사이터가 동작하게 될 국가의 주파수 방출 요구 조건에 의존한다. 더욱이, 데이터를 장치 메모리에 기록하는 것과 같은 어떤 동작은 장치 메모리로부터 정보를 판독하는 것과 같은 다른 동작보다 더 많은 전력을 필요로 할 수 있다.
익사이터 소자(E1 및 E2)에 의해서 발생된 정전 필드는 안테나 소자(T1 및 T2)상에서 전압을 여기한다. T1 소자는 클럭(A) 입력을 제공하기 위해서 전파 브리지 정류기(43)에 접속되며, T2 소자는 클럭(B) 입력을 제공하기 위해서 정류기(43)에 접속된다. T1 및 T2는 서로 직접 접속되지 않는다. 캐패시터(44)는 정류기의 순수한 DC 출력을 확보하기 위해서 수신된 전력 공급 신호로부터의 익사이터 펄스를 여파한다. 정류기는 정류기(43)의 "공통" 단자와 비교해 볼 때 V+DC 전압 신호를 제공한다. 순수한 D.C. 신호는 필요하지 않음을 알 수 있다. V+ 전압 신호내의 일부 리플(ripple)은 장치 회로의 구현에 따라 어느 정도는 허용될 수 있다. 카운터(45)는 4 메가헤르쯔 클럭(B) 신호를 수신하며, ROM(46)으로부터 데이터를 출력하기 위해서 어드레스하며 데이터 속도를 설정하는데 사용되는 라인(50) 상에 한 어드레스 신호 세트를 제공한다. 본 기술 분야에 숙련된 당업자에게는 이미 공지된 방식을 이용하여 4 메가헤르쯔를 여러 값으로 분할하으로써 여러 라인(50)상에서 여러 신호가 발생된다. ROM의 데이터 속도는 F0/n에 비해서 상당히 낮다.
바람직한 실시예에서 4 메가헤르쯔 신호가 사용된다 할지라도, 다른 주파수의 신호가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 13.56 메가헤르쯔 신호 또는 37.5 메가헤르쯔 신호가 사용될 수 있다.
또한 카운터는 라인(51) 상에서 2 메가헤르쯔 반송파 신호를 제공하는데 이 신호는 배타적-or 게이트(47)에 대한 클럭 입력(또는 반송파 신호 입력)으로서 작용한다. ROM(46)의 데이터 출력은 배타적-or 게이트(47)에 대한 데이터 입력(또는 변조 신호 입력)으로서 작용한다. 그러므로, 카운터는 반송파 신호를 제공하기 위해서 입력 주파수를 두개로 분할하여 반송파를 변조하는 ROM(46)에 의해서 출력된 데이터 신호의 데이터 속도를 설정한다. 배타적-or 게이트(47)는 바이페이즈 변조 회로로서 작용하며, 그 출력은 다이오드(48) 및 저항기(49)를 통해서 클럭(B)신호 라인에 제공되는 바이페이즈 변조된 신호이다. 바이페이즈 신호는 T2 장치 소자에 다시 전달되어 정전기적으로 익사이터/수신기(30)의 수신기부에 전송된다. 다이오드(48) 및 저항기(49)의 역할은 변조된 신호를 클럭(B) 입력에 다시 결합시키는 것이다. 전술된 바와 같이, 본 발명과 일치하는 다양한 변조 회로를 이용하는 여러 다른 변조 방식이 있다. 더욱이, 도 2를 참조하여 후술되는 바와 같이, 본 발명에 따른 통신 장치에서 데이터를 전송하는데 전용으로 사용되는 제3 안테나 소자를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
정전 수신기 안테나(R1)는 장치 안테나 소자(T2)에 의해서 방출된 정전기적으로 전송된 신호를 수신하며 그러한 수신된 신호를 수신기(40)에 제공하며, 이 수신기는 신호를 증폭하고 그 주파수를 중간 주파수로 변환하는 것이 가능한데, 이는 신호를 더 증폭하며 수신된 신호에 의해서 반송된 데이터를 검출하는 검출기 회로(41)로 제공하기 전에 이 신호를 대역 필터링하기 위한 것이다. 수신기(40) 및 검출기(41)는 여기서는 더 상세히 설명될 필요가 없는 이미 공지된 회로이다. 검출기(41)는 예를 들면 호스트 컴퓨터(도시되지 않음)에 의해서 사용되지 않는 포맷으로 출력을 발생하는 I/O 프로세서(42)에 데이터 신호를 제공한다.
익사이터 소자(E1 및 E2)를 통해서 평형 이상 정전 신호의 전송은 장치 정전 안테나 소자(T1 및 T2)를 통해서 장치(32)에 에너지를 결합시킨다. 익사이터 소자(E1)상의 전압이 포지티브 레벨일 때, 예를 들어, 소자(E1) 상의 전압은 네가티브 레벨이다. 역으로, 익사이터(E1)상의 전압이 네가티브 레벨일 때, 익사이터 소자(E2)상의 전압은 포지티브 레벨이다. 이러한 목적은 E1 및 E2상의 비평형 이상 전압이 장치 안테나 소자(T1 및 T2)의 전압을 야기시켜서 서로간의 평형 이상 관계를 발생하게 하는 것이다. 바람직한 결과는 장치 소자(T1 및 T2) 사이에서 항상 전압 전위차를 가져서, "공통" 전위에 비해서 V+DC 공급 전압 소스가 발생될 수 있는 것이다. 본질적으로, 익사이터(E1 및 E2)는 장치 소자(T1 및 T2)에 용량성으로 결합된다. 이러한 방법은 정전 에너지를 이용하여 전력이 더 효율적으로 결합되게 한다.
더욱이, 익사이터 안테나 소자(E1 및 E2)가 평형 이상 정전 필드를 발생하므로, 이러한 필드는 더 먼 거리에서 서로 상쇄되는 경향이 있으며, 이는 예를 들면, FCC 또는 다른 제한 기관의 방사 한계를 초과하는 위험을 감소시키게 된다. 결과적으로, 익사이터 신호는 더 높은 전력 공급 전압 레벨을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 대안적인 예에서는 평형 이상 여기 신호를 이용하는 대신에, 비평형된 여기 신호가 사용될 수 있다. 특히, 예를 들면, 주기적인 정전 여기 신호를 발생하는데 단일의 여기 안테나 소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 비평형된 신호와 같은 것에 의해서 전력이 공급된 원격 전력 공급 통신 장치는 클럭(A) 입력을 갖는 단일의 안테나 소자를 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 대체하는 원격 전력 공급 통신 장치가 외부 접지 전위에 결합되는 것이 중요하다. 평형된 신호에서 "공통" 접지가 클럭(B) 입력 및 평형 이상 신호를 이용하여 발생되므로 외부 접지 접속을 필요로 하지 않는 것을 유의해 볼 수 있다. 그러한 대체 실시예에서, 단일 전력 공급 소자는 데이터 신호를 전송 및 수신하는 데도 사용될 수 있다.
장치(32)에서 비교적 적은 전력을 소모하는 것이 바람직하다. 그러므로, 안테나 소자(T2)에 의해서 전송된 정보 반송 신호는 비교적 낮은 전력이다. 수신기(40)는 매우 민감해서 장치(32)에 의해서 전송된 비교적 (낮은 전력) 약한 신호로부터 데이터를 추출하는 것이 가능하다.
전형적인 것으로서 전자기적으로 여기된 두 개의 소자 안테나의 반파장 규격을 갖는데는 T1 및 T2가 요구되지 않음에 유의할 수 있다. 그러한 소자는 용량성 커플링을 통해서 정전기적으로 여기되며, 전자기 커플링에 요구되는 바와 같이 공진될 필요가 없다. 그러므로, 그러한 소자는 용량성(정전기적) 커플링에 충분한 임의의 크기가 될 수 있다. 일반적으로, 용량성 커플링은 안테나 영역이 커짐에 따라서 그리고 신호 주파수가 커짐에 따라서 증가된다. 그에 더해서, 장치 안테나 소자는 공진 안테나 소자에서와 같이 특성 임피던스를 가질 필요가 없다. 그러나, 익사이터 안테나 소자(E1 및 E2)와 격리된 공간은 익사이터로부터 장치로 에너지를 효율적으로 결합시키기 위해서 장치 안테나 소자(T1 및 T2)의 공간에 양호하게 매칭되어야 한다.
도 2의 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 통신 장치(32″) 및 익사이터/리더(30″)의 또 다른 대체 실시예의 간략화된 블록도가 도시된다. 실제로 모든 면에서 도 2의 대체 장치(32″)는 데이터 전송 전용으로 사용되는 제3 안테나 소자(T3)를 부가한 것을 제외하고는 도 1의 장치(32)와 같다. 도 1 및 도 2를 모두 참조하면, 내부 회로 접속은, 장치(32″)에서 데이터 전송 회로의 출력을 수신하기 위해서 T1″나 T2″가 접속되지 않는 것을 제외하고는, 장치(32) 및 장치(32″)에 대한 것과 일치한다. 그 대신에, T1″및 T2″은 익사이터 소자(E1″및 E2″)로부터 방사되는 정전 전력 공급 필드의 수신에 전용으로 사용된다. 본 실시예에서, T1″및 T2″은 브리지 회로(43″) 및 카운터(45″)로 접속되지만, 클럭(A″) 노드 또는 클럭(B″)노드와 데이터 변조 회로(47″)의 출력 사이에는 접속되지 않는다.
데이터 단자(T3)는 전력 공급 단자(T1″및 T2″) 사이의 널(null) 지역에 배치된다. 이러한 널 위치는 장치(32″)상의 장소로서 여기서 익사이터 소자(E1″및E2″)에 의해서 발생된 전력 공급 필드가 서로 대체로 상쇄하며, 따라서, 장치(32″)에 의해서 전송된 데이터 신호와 간섭을 최소량으로 발생시킨다. 장치(32″)가 익사이터 소자(E1″및 E2″)로 부터의 최소 에너지 픽업을 위해서 정렬된 T1″및 T2″와 정렬될 때, 데이터 전송 소자(T3)는 리더 소자(R1″)로 전송하는데 최소로 간섭하게 된다.
"원격(remote)"이라는 말은 상대적인 용어로 이해해야 한다. 환경에 따라서, 원격이라는 용어는 밀리미터에서 더 큰 범위의 거리까지 적용될 수 있다. 익사이터에 의해서 방출된 정전 신호의 전압 레벨과 같은 요소에 따라서, 익사이터 및 장치는 장치에 전력을 공급하기 위해서 서로 매우 근접해서 배치되어야 하거나, 또는 그것들이 더 멀리 배치되며 커플링을 수행할 수도 있다. 원격이라는 용어는 전력이 익사이터로부터 장치로 대기중에서 결합되는 것을 의미한다. 일반적으로, 증가된 신호 주파수 및 증가된 안테나 플레이트 영역은 정전 신호가 태그 장치에 전력을 공급할 수 있는 거리를 증가시키는 경향이 있다고 생각된다.
후술되는 테이블을 참조하여 기술된 실험에서 수행된 것과 같은 거리에서 인가된 정전 필드를 이용하여 집적 회로 장치(32)에 전력을 공급하는 것은, 놀라운 결과를 가져온다. 과거에, 정전 신호는 태그 장치로부터 리더 장치로 데이터를 전송하는데 사용되었었다. 종래의 정전 데이터 전달에서, 데이터 전달 신호는 종래의 태그 장치에 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력 공급 신호의 전력 레벨들중의 거의 80%에서 동작하였다. 전형적인 종래의 리더는 반송파 신호로부터 데이터를 추출하기 위해서, 약 80-110 dB 이득을 가질 정도로 감도가 높아야 하였다. 종래의 태그 장치에서 데이터 신호를 비교적 약하게 정전 커플링하는 것에 비추어 볼 때, 본 발명에 따른 정전 전력 공급이 실험 중에 검사된 거리에서 수행되는 것은 놀라운 일이다.
더욱이, 안테나 소자들(T1 및 T2) 사이에는 눈에 보이는 전기 전류 통로가 없다. 그러므로, T1 및 T2는 개방 회로의 대향하는 양단을 구성하게 된다. 그러므로, 브리지 회로(43)의 대향하는 단자들은 개방 회로에 접속된다. 따라서, 개방 회로가 브리지 회로에 응용되는 것으로 나타나고 있으므로 전력 공급이 본 발명에 따라서 수행되는 것은 놀라운 일이다.
더 특별하게, T1 및 T2는 브리지 회로(43)의 대향하는 노드들에 접속된다. 그 각각은 캐패시터(44)의 동일한 플레이트를 공급한다. 따라서, 캐패시터 플레이트는 T1 및 T2에 결합되는 장치(32)내의 노드이다. T1 및 T2를 포함하며, 캐패시터(44)상에 전압을 발생시키도록 전류가 흐를 수 있는, 폐쇄 회로가 없다. 그럼에도 불구하고, 캐패시터(44)상에 충분히 전하가 형성되는 것은 공통 기판 접지에 대해 공급 전원 V+을 발생시키기 위해 E1 및 E2에 의한 정전 필드를 인가하는 결과로 기인한 것이다.
도 3-7에 도시된 예시적인 검사 결과는, 본 발명에 따른 정전 커플링이 집적 회로 장치에 전력을 공급하기 위해서 충분한 에너지를 발생할 수 있음을 보여준다. 전력은 V2/RL에 비례함을 알 수 있다. 도 3A-3B는 T1 및 T2상의 전압 측정(V)을 수행하는데 사용되는 검사 설정을 도시한다. 이러한 검사는 T1 단자가 접지 전위에접속된 태그 장치 상에서 수행되었다. 부하 저항 값(RL)은 T1 및 T2 단자 사이에 접속된 서로 다른 가능성 있는 집적 회로에 기인하는 서로 다른 가능성있는 부하를 표시한다. 도 4A는 T1 및 T2가 각각 사각형으로서 4 X 5 인치 크기이며, T1 및 T2상의 전압 대 1 내지 8 인치에서 일 인치 간격으로 E1 및 E2로부터 떨어진 거리를 이차원으로 도시하는 곡선을 제공한다. 도 4B의 테이블은 도 4A에 도시된 실제의 전압 측정치를 제공한다. 도 5A-5B, 6A-6B 및 7A-7B의 곡선 및 테이블은 3″x 4″,2″x 3″ 및 0.5″x 5″를 측정하는 T1 및 T2에 대한 유사한 측정치를 제공한다.
본 발명에 따라서 정전기적으로 결합될 수 있는 실제의 전력은 태그 장치 및 익사이터, 태그 장치 안테나 영역 및 신호 주파수 사이의 거리에 의존한다. 장치 동작에 대한 분석적인 근사화는 도 3-7에서 설명된 경험적 결과와 이를 지원하는 사양으로부터 도출되었다. 도 4-7의 데이터는 "Mathematica"라고 공지된 상용 컴퓨터 프로그램으로 입력되었다. 이차원 곡선 적합(fitting)은 병렬 플레이트 용량에 대한 식(C=eA/d)과 유사한 곡선으로 시작하는 최소 스퀘어(square) 적합을 찾기 위해서 수행되었다. 선택된 시작 곡선은 (Vd/Vx)=k*(Ax*Ad)a/Dd xtDd xt였으며; 여기서 "k"는 정수이며; "a"는 영역 지수이며; "d"는 거리 지수이다.
익시이터로부터 통신 장치 사이에서 전압 커플링을 위한 유도된 식은;
Vt/Vx=0.132586[(Ax*At)0.18/Dxt], 여기서
Ax=익사이터 안테나 소자 영역
Ad=통신 장치 안테나 소자 영역
Vd=장치 전압
Vx=익사이터 전압
Dxt=장치와 익사이터 사이의 거리
장치 전력 공급 및 장치 전송을 위해 정전 커플링을 이용하으로써 간단하며 비교적 저렴한 원격 전력 공급 통신 장치를 생산할 수 있게 된다. 도 8A에는, 본 발명에 따른 원격 통신 장치(32)의 바람직한 실시예의 입면도가 도시된다. 장치(32)에는 기판(58), 제1 소자(62)(T1)와 제2 소자(64)(T2)를 포함하는 두 개의 안테나(60) 및 집적 회로(IC) 트랜스폰더(66)가 포함된다. 안테나 소자(60) 및 IC(66)는 기판(58) 상에 장착된다. 전체 장치(32)는 플라스틱 또는 다른 물질로 된 보호 구조물(도시되지 않음) 내에 캡슐화될 수 있다. IC는 전술된 장치 전자 장치를 포함한다. 제1 및 제2 소자(62(T1) 및 64(T2))는 기판 상에 형성된 도전성 패턴을 포함한다. 본 실시예에서, 소자(62 및 64)는 IC(66) 하부 패드들의 고 임피던스 종단에 전기 접속될 수 있다. 장치(32)가 낮은 전류 장치로서 동작하기 때문에, 높은 임피던스 종료가 사용될 수 있다. 두 개의 소자 안테나(60) 및 IC(66)가 다수의 서로 다른 메카니즘들중의 하나에 의해서 전기 접속될 수 있다. 예를 들면, 플레이트들 중의 일부가 IC 패드에 납땜 접속될 수 있거나, 또는 그것들이도전성 접착재나 도선 접속에 의해서 패드에 고정될 수 있다.
도 8의 도면에는, 대체 안테나로 구성되는 원격 장치(32′)의 또 다른 실시예가 도시된다. 안테나 소자(62′및 64′)는 집적 회로(66′)로 접속된다. 안테나 플레이트 및 IC는 모두 기판(58′) 상에 배치된다. 대체 장치(32′)는 도 1을 참조하여 기술된 바와 같이 동작한다. 그러나, 안테나 소자(62′및 64′)는 최대로 멀리 떨어지는 방식으로 배치된다. 즉, 그 연장된 규격은 대체로 서로 평행하며 그들 사이에서 연장되며 IC에 교차하는 축에 수직이다. 이처럼 장치 안테나 플레이트의 공간이 증가하므로써 생기는 장점은 평형 이상 익사이터 플레이트로부터 발생되는 신호들 사이의 치명적인 간섭의 위험이 감소된다는 것이다.
다음 단락에서 설명되겠지만, 장치(32)(32′또는 32″)는 안테나 소자(62 및 64)의 레이아웃 및 구성이 간단하므로 비교적 저렴하게 생산이 가능하다. 도 9A-9C는 도 8A(8B 또는 8C)의 장치의 세 개의 서로 다른 구성에 대한 측 횡단면도이다. 모두 세 개인 도 9A-9C를 참조하면, 기판 부재(58)는, 종이, 전기 절연 테이프, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리카보나이트, 폴리프로필렌, 칼슘 카보나이트(CACO3) 필터를 갖는 폴리프로필렌, 플라스틱, 또는 아세테이트를 포함하여, 강도 또는 유연성과 같은 바람직한 특성을 갖는 적당한 물질로부터 형성된다. 안테나 소자(62 및 64)는 동(copper), 알루미늄, 은 또는 도전성 잉크를 포함하는 동, 알루미늄, 은, 흑연 또는 다른 도전성 중전재와 같은 적당한 도전성 물질로부터 선택된다. 안테나 물질은 용도는 물론이고 비용이나 조립 간편성과 같은 요인에 기초해서 선택될 수 있다. 이러한 소자는 증착, 프린팅 또는 식각과 같은 적당한 공정에 의해서 기판 상에 제작될 수 있다. 증착을 위해서, (의사) 도전성 물질의 층이 기판 상에 증착되게 하는, 옵셋 프린팅 또는 롤 프린팅과 같은 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소가 포함된 잉크를 이용하는 종이 또는 아세테이트 상에 안테나 플레이트 패턴을 사진 복사하는 것이 가능하다. 또한, 기판 상에 안테나 패턴을 증착하는 것이 가능하다. 이에 더해서, 예를 들면, 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 기술을 이용하여 동 안테나 소자가 제작될 수 있다. 기판 상에 안테나 패턴을 형성하는데 사용될 수 있는 것으로서, 예를 들면, 식각된 동과 같은 여러 식각 공정이 있다. 더욱이, 예를 들면, 안테나 패턴은 많은 장수의 도체 물질로부터 절단되거나 또는 열로 압착되어 기판에 부착될 수 있다. 그 제조 방법은 원격 장치의 비용, 내구성 및 성능과 같은 요인에 기초해서 선택될 수 있다.
또 다른 대체 실시예로서, 예를 들면, 본 발명에 따른 통신 장치는 집적 회로를 포함하는 것에 더해서 기판 상에 배치되지 않는 정전 안테나 소자가 더 포함된다. 도 8D 및 8E에는, 본 발명에 따른 통신 장치가 도시되는데, 그 각각은 집적 회로 및 정전 안테나 소자를 포함한다. 그러나, 도 8D의 장치나 도 8E의 장치 어느 것도 기판 상에 장착되지 않는다. 도 8D의 집적 회로는 도 1과 관련하여 전술된 일반적 형태이며 두 개의 정전 안테나 소자로 결합된다. 도 8E의 집적 회로는 도 2와 관련하여 전술된 일반적 형태이며 세 개의 정전 안테나 소자에 결합된다. 그럼에도 불구하고, IC 및 안테나 소자가 제조 시에 기판 상에 배치되지 않는, 도 8D 또는 도 8E에서와 같은, 장치는 결과적으로 기계적인 안정성을 확보하기 위해서종이나 플라스틱과 같은 기판에 접착된다.
정전 커플링의 특징은 전자기 커플링과 비교할 때 비교적 낮은 전류와 비교적 높은 전압을 이용하는 것이다. 낮은 전류의 장점은 낮은 도전성 물질이 장치 안테나 플레이트에 사용될 수 있다는 것이다. 이것은 안테나 플레이트로 조립하는데 비용이 낮으며/또는 그 조립이 용이한 물질이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 본 발명에 따라서 제조된 원격 전력 공급 통신 장치의 비용을 줄일 수 있다.
IC(66)는 안테나(60)에 전기 접속되는 다중의 높은 임피던스 단자 또는 패드(68)를 가질 수 있다. 안테나의 안테나 소자(62 및 64) 각각은 다른 패드와 전기적으로 접촉한다. 두 개의 플레이트는 서로 전기적으로 절연되어 유지된다. 도 9A에서, 거의 40%의 도체 충전재(예를 들면, 금, 은 또는 동 구체(sphere) 또는 흑연)와 같은 이방성 도전성 접착재(70)는, IC를 기판(58)에 고정시키며 안테나 소자(62 및 64)와 IC 패드 사이에 전기 접속을 제공하는 이중적인 목적을 위해서 사용된다. 이방성 도전성 접착재(70)는 한쪽 방향으로 도전성이며 도전 경로에 거의 수직인 방향으로는 비도전성이다. 본 실시예에서, 이 접착재는 접착재가 더 큰 압력을 받는 경로를 따라서 더 양호하게 도전된다. 도 9A에서, 이방성 도전성 접착재는, IC의 나머지 부분과 기판 사이에서 두 개의 플레이트를 분리시키는 더 넓게 파인 지역(74)에서 보다 이 접착재가 안테나 소자(62 및 64)와 IC 패드 사이에서 압착되는 두 개의 좁은 지역(72)내에서 더 큰 압력으로 경화된다. 그러므로, 각각의 패드와 그에 부착된 각각의 소자가 전도되지만, 우묵한 지역(74)에는 거의 전도되지 않거나 전혀 전도되지 않는다. 그러므로, 소자(62 및 64)는 서로 전기적으로 절연된다. 이방성 도전성 접착재(70)를 사용하는데 따른 장점은 그 접착재의 전도도가 인가된 압력에 의존하므로 IC 패드 또는 정밀도를 갖는 안테나 플레이트에 사용될 필요가 없다는 것이다. 그러므로, 접착재가 다른 영역으로 중첩될 염려 없이 IC의 활성 측면 또는 기판에 사용될 수 있으므로 이방성 도전성 물질을 이용하여 장치를 제조하는 것이 더 쉬울 수 있다. 도전되지 않아야 하는 접착재의 지역이 도전성 지역보다 낮은 압력에서 경화되는 한, 그 지역은 비도전으로 유지되며 두 개의 안테나 소자의 절연을 방해하지 않는다.
도 9B에는, IC를 기판(58)에 고정시키며 안테나 소자(62 및 64)와 IC 패드(68) 사이에 전기 접속을 발생하는데 등방성 도전성 접착재(76)가 사용된다. 다른 소자(62 및 64)를 다른 패드(68)에 부착시키는데 사용된 등방성 도전성 접착재(76)의 다른 글로브(globs)를 전기적으로 절연시키기 위해서 솔더 마스크 또는 비도전성 잉크 또는 에폭시와 같은 절연 물질(78)이 사용된다. 등방성 도전성 접착재는 전 방향으로 동일하게 그리고 양호하게 도전된다. 두 개의 전기적으로 절연된 안테나 플레이트 사이에서 도전성 경로가 형성되지 않으므로 이 접착재는 주의해서 사용되어야 한다.
도 9C는 종이 또는 다른 물질(80)의 중간층이 안테나 플레이트 구조상에서 결합되며, 한 층의 접착재(82)가 중간층(80)에 부착되며, 필(peel) 및 스틱(stick) 층(84)이 접착재 층(82)에 부착되는 것을 제외하고는 도 9A와 유사하다. 장치(32)는 필 및 스틱 층(84)을 벗겨내며 식별되어야 하는 물체에 대해서 접착재 층(82)을압착하므로써 물체에 부착 또는 고정될 수 있다. 따라서, 물체는 그 물체에 대한 전자 정보를 저장할 수 있는 저렴한 장치로 쉽게 "태그될"수 있다.
그 물체는, 예를 들면, 항공화물이 될 수 있다. 태그 장치는 승객이 체크-인 하는 동안에 그 전자 메모리 내로 기록된 승객 식별 정보를 가질 수 있다. 장치는 그 소유자를 식별하기 위해서 화물의 측면에 부착된다. 소유주가 화물을 회수할 때, 그는 태그를 벗겨서 폐기한다.
전술된 바와 같이, 동작 중에, 두 개의 안테나 소자(62(T1) 및 64(T2))는 장치(32)에 전력을 공급하기 위해서 서로 다른 전압에 있어야 한다. 특히, 전력을 공급하기 위한 정전 커플링에는 전압 차(V+ 공급원과 "공통" 단자 사이)가 장치 내에서 설정되는 것이 요구된다. 본 실시예에서, 전압 차는 익사이터에 의해 발생된 평형 이상 전력 공급 신호에 의해서 두 개의 소자(62 및 64)상에 설정된다. 두 개의 안테나 소자는 정류기 회로로서, 바람직한 실시예에서는 전파 브리지 정류기에 접속된다. DC 전압은 V+ 와 공통 단자 사이에서 발생된다. 본질적으로, V+는 VDD 전압 공급원으로서 사용되며, 공통 단자는 본 실시예의 집적 회로를 위한 기판 접지로서 사용된다.
도 10에는, 본 발명에 따른 원격 통신 장치(190)의 제1 대체 실시예가 도시된다. 이 장치는 도면에 도시된 바와 같이 기판(196)상에 배치되며 IC(198)에 접속된 두쌍의 안테나 소자(192 및 194)를 포함한다. 도 11에는, 원격 통신 장치(200)의 제2 대체 실시예가 도시된다. 이 장치는 도면에 도시된 바와 같이 기판(210)상에 배치되며 IC(212)에 접속된 네쌍의 안테나 소자(202-208)를 포함한다.
장치(190 및 200)의 제조 방법은 도 9A-C의 장치 제조 방법과 유사하다. 그러나, 부가적인 안테나가 존재하는 것은 계속되는 설명에서 알 수 있는 바와 같이 원격 장치가 익사이터 플레이트와 정렬되는 기회를 더 많이 제공한다. 후술되는 바와 같이, 부가적인 장치 안테나에 대한 대체 실시예로서, 익사이터 플레이트의 어레이에 대한 여기 패턴은 장치 안테나 방향 설정에 무관하게 원격 장치에 최대의 전력 공급 가능성을 제공하기 위해서 대칭적으로 변동이 가능하다.
도 12A 및 도 12B에는, 익사이터/리더 장치(30)에 사용될 수 있는 안테나 어레이(86)들 중의 일부에 대해서 두 개의 서로 다른 방향으로 도 3A의 장치(32)가 도시된다. 도 7A 및 도 7B 각각에서, 안테나 어레이부는 제1 익사이터 소자(88)(E1) 및 제2 익사이터 소자(90)(E2)를 포함한다. 익사이터 소자(88(E1) 및 90(E2))는 전술된 바와 같이 인가된 평형 이상 전력 공급 신호를 갖는다. 다음 설명은 도 8B 및 도 8C의 실시예에도 적용됨을 알 수 있다.
도 12A에서, 장치(32)는 두 개의 안테나 소자[62(T1) 및 64(T2)]를 갖는데, 그 두 개의 소자들중의 하나, 즉, 소자(62)(T1)는 익사이터 소자(88)(E1)에 정전 결합되도록 그리고 다른 안테나 소자(64)(T2)는 제2 익사이터 소자(90)(E2)에 정전 결합되도록 방향이 설정된다. 원격 정전 커플링이, 본질적으로, 용량성 커플링이므로 안테나 소자(62)(T1)는 제1 익사이터 소자(88)에서 그 전압을 소자(62)(T1)에 정전 결합하기 위해서 제1 익사이터 소자(88)(E1)에 대해서 반대로 배치되어야 한다. 이러한 위치 설정은 도 7A에 곡선 화살표로 표시된다. 이와 유사하게, 장치 안테나 소자(90)(E2)는 그 전압을 소자(64)(T2)에 정전 결합시키기 위해서 제2 익사이터 소자(90)(E2)에 대해서 반대로 배치되어야 한다. 물론, 중요한 것은 두 개의 소자(62(T1) 및 64(T2)) 사이의 전압 차라는 것을 알 수 있다. 장치 소자(62 및 64)의 전압은 동적이다. 장치 소자(62)의 전압이 높을 때, 장치 소자(64)의 전압은 낮다. 그러므로, 예를 들어, 두 개의 장치 소자(62 또는64)들중의 하나가, 동작하도록 전력을 공급하기 위해서, 접지 전위와 같은, 특정한 전압에 놓여야 하는 것은 아니다. 더욱이, 전술된 설명이 장치 소자(62)(T1)에 결합되는 익사이터 소자(88)(E1)와 장치 소자(64)(T2)에 결합되는 익사이터 소자(90)(E2)에 의해서 전달되었지만, 본 발명은 장치 소자(64)(T2)에 결합된 익사이터 소자(88)(E1) 및 장치 소자(62)(T1)에 결합된 익사이터 소자(90)(E2)로도 작용한다.
도 12B에서, 장치(32)는 안테나 어레이(86) 대해서 방향을 갖는 것으로 도시되어 전력 공급이 되지 않게 된다. 장치 소자(62(T1) 및 64(T2))는 모두 동일 익사이터 소자(90)(E2)에서 반대가 된다. 결국, 두 개의 소자(62(T1) 및 64(T2)) 사이에서 전압차가 설정될 것 같지 않으며, 전원 공급이 일어날 것 같지 않다. 이와 유사하게, 양 장치 소자(62 및 64)가 다른 익사이터 소자(88)(E1)상에서 반대로 배치되었거나 양 장치 소자가 익사이터 소자(88(E1) 및 90(E2)) 각각 상에서 그와 같이 반대로 배치되었으면 전력 공급은 불가능할 것이다. 그러므로, 장치(32)와 익사이터/수신기 장치(30) 사이에서 충분한 정전 커플링을 이루는데 따른 도전은 장치 소자(62(T1) 및 64(T2))와 익사이터 어레이 소자(88(E1) 및 90(E2))를 적당히 방향 설정하고 위치 설정하는 것이다. 그러므로, 장치 안테나 소자 사이의 형태, 규격 및 그것들 사이의 공간이 평형된 익사이터 소자의 형태, 규격 및 그것들 사이의 공간에 적당히 매칭되는 것이 중요하다. 그러나, 장치 안테나 소자 규격이 익사이터 소자 규격과 같아질 필요는 없다. 예를 들어, 또 다른 대체 실시예(도시되지 않음)에서는 더 넓은 익사이터 소자에 의해서 여기된 연장된 얇은 장치 안테나 소자를 사용할 수도 있다. 익사이터 소자 크기 및 형태는 원격 장치 안테나 소자의 크기 및 형태에 의존할 뿐 아니라, 익사이터 소자의 어레이 상을 통과할 때 장치의 적당한 궤적에도 의존할 수 있음을 알게 되었다. 후술되는 바와 같이, 예를 들어, 익사이터 소자의 어레이에 대해서 요구되는 장치 안테나 방향 설정은 안테나 어레이(86)내에서 평형 이상 익사이터 소자(88 및 90)의 상대적인 위치 설정을 전자 공학적으로 변화시키므로써 동적으로 수행될 수 있다.
장치 소자 및 익사이터 소자의 요구된 방향 설정을 행하기 위해서, 본 발명에 따른 익사이터 안테나 어레이는 익사이터 소자의 고정된 어레이(fixed array) 또는 전환 어레이(commutating array)를 포함할 수 있다. 고정된 어레이에서, 다른 익사이터 소자에 인가된 전압 신호의 상대적인 위상 설정은 고정된다. 즉, 두 개의 익사이터 소자가 서로 평형 이상 관계이면, 그 관계는 고정된다. 전환 어레이에서, 다른 익사이터 소자에 인가된 전압 신호의 위상 관계는 변화될 수 있다. 예를 들어, 전환 어레이에서, 제어기(도시되지 않음)는 다른 안테나 소자의 여기의 위상 관계를 결정한다. 예를 들어, 후술되는 바와 같이, 하나의 구성에서 두 개의 인접하는 소자는 평형 이상 관계가 될 수 있다. 그러나, 후에, 그 두 개의 소자는 서로 동 위상으로 동작될 수 있다. 그러나, 고정 또는 전환의 경우에, 익사이터 소자들 간의 공간은 원격 통신 장치의 장치 안테나 소자들 사이의 공간에 매치된다. 이러한 공간은 익사이터로부터 원격 장치로 전력을 최대 정전 결합시키는 것을 보장한다.
도 13은 본 발명에 따른 고정된 익사이터 안테나 어레이(100)를 도시한다. 어레이(100)는 연장된 수평 익사이터 안테나 소자(102) 그룹과 연장된 수직 익사이터 소자(104) 그룹을 포함한다. 수평 익사이터 소자 각각은 이차 코일(38)의 상부 또는 하부 단자에 접속된다. 이와 유사하게, 수직 익사이터 소자 각각은 이차 코일(38)의 상부 또는 하부 단자에 접속된다. 어떤 주어진 수평 익사이터 소자의 어느 한 측면상의 수평 익사이터 소자는 주어진 수평 익사이터 소자에 대해서 평형 이상 전압 관계를 갖는다. 마찬가지로, 어떤 주어진 수직 익사이터 소자의 어느 한 측면상의 수직 익사이터 소자는 주어진 수직 익사이터 소자에 대해서 평형 이상 전압 관계를 갖는다. 예를 들면, 수평 익사이터 소자들(106 및 108)이 이차 코일의 상부로 접속되면, 익사이터 소자(110 및 112)는 이차 코일의 하부에 접속된다. 더욱이, 예를 들어, 수직 익사이터 소자(114 및 116)가 이차 코일의 상부에 접속되었으면, 수직 익사이터 소자(118 및 120)는 이차 코일의 하부에 접속된다. 이러한 바람직한 실시예에서, 인접하는 수평 익사이터 소자들 간 그리고 인접하는 수직 익사이터 소자들 간의 공간은 원격 전력 공급 장치 소자들 사이의 공간과 거의 같다.
동작 시에, 제1 통신 장치(32-1)는 방향성을 갖게 되어, 수평 화살 방향으로 안테나 어레이(100)의 면을 이동함에 따라, 그 안테나 소자가 인접한 수평 익사이터 소자에 대향하게 된다. 그러므로, 제1 장치는 수평 소자(102)의 그룹을 수평으로 교차함에 따라서 수평 익사이터 소자와 최대 전력 커플링을 위해서 방향이 설정되게 된다. 제2 장치(32-2)는 방향성을 갖게 되어, 수직 화살표 방향으로 안테나 어레이(100)의 면을 교차하여 이동하는 것과 같이 그 장치 안테나 소자가 인접한 수직 익사이터 소자에 대향하게 된다. 그러므로, 제2 장치는 수직 소자(104)의 그룹을 수직으로 교차하는 것과 같이 수직 익사이터 소자와 최대 전력 커플링을 위해서 방향이 설정되게 된다.
도 13은 도면에 도시된 바와 같이 방향이 설정된 수평 및 수직 익사이터 소자로 된 여러 그룹(102 및 104)이 있는 더 큰 어레이의 일부만을 표시한다. 장치(32-1 또는 32-2)가 최대 전력 커플링을 위해서 배치되는 간격 동안에, 장치에는 전력이 공급되며 정보를 전송한다. 예시된 바와 같이, 익사이터 안테나 소자를 그룹화하는 것은, 장치가 익사이터 안테나 어레이 상에서 이동될 때, 장치가 충분한 전력을 익사이터 안테나 어레이에 결합하게 하여 전력을 공급 및 동작되도록 보정하는 것이다.
도 14A-14C에는, 발명의 본 실시예에 따른 전환 안테나 어레이(124)의 단일부에 대한 세 개의 서로 다른 구성이 도시된다. 세 개의 시간 간격에서, 어레이(124)는 도 14A의 수평 구성으로부터 도 14B의 대각선 구성으로, 그리고 마지막으로, 도 14C의 수직 구성으로 전환된다. 이러한 어레이는, 도면에 도시된 바와 같이 대칭적인 로우 및 칼럼으로 배치되는 다수의 동일 형태의(본 실시예에서는 사각형) 익사이터 플레이트로 이루어진다.
도 14A에 도시된 수평 구성에서, 주어진 수평 로우내의 모든 익사이터 소자들은 동일 전압 위상을 공유하며, 주어진 로우에 인접한 로우내의 익사이터 소자들은 모두 주어진 로우와 평형 이상 전압 관계를 공유한다. 즉, 로우(126 및 128)내의 익사이터 소자는 로우(130 및 132)내의 익사이터 소자의 전압과 평형 이상 관계에 있다. 수평 구성에서, 어레이는 수평 화살표 방향으로 어레이 상에서 이동하는 통신 장치(32)에 전력을 결합하도록 최적으로 구성된다.
도 14B에 도시된 대각선 구성에서, 주어진 로우내의 각각의 익사이터 소자는, 동일 로우 내에서 그 한쪽 측면 상에 인접한 익사이터 소자들 및 동일 칼럼 내에서 그 상하에 인접한 익사이터 소자들과 평형 이상 전압 관계에 있다. 역으로, 주어진 칼럼내의 각각의 익사이터 소자는, 동일 칼럼 내에서 그 상하의 익사이터 소자들 및 동일 로우 내에서 그 한쪽 측면 상에 인접한 익사이터 소자와 평형 이상 관계에 있다. 즉, 예를 들면, 익사이터 소자(134)는, 동일 로우 내에서 그 한쪽 측면 상에 익사이터 소자들(136 및 138), 및 동일 칼럼 내에서 그 상하의 익사이터 소자들(140 및 142)과 평형 이상 전압 관계에 있다. 대각선 구성에서, 어레이는 대각선 화살표의 방향에서와 같이, 어레이 상에서 대각선으로 이동하는 통신 장치(32)에 전력을 결합시키기 위해 최적으로 구성된다.
도 14C에 도시된 수직 구성에서, 주어진 수직 칼럼내의 모든 익사이터 소자는 동일 전압 위상을 공유하며, 주어진 칼럼에 인접한 칼럼내의 익사이터 소자는 모두 주어진 칼럼의 전압에 대해서 평형 이상 관계를 공유한다. 즉, 칼럼(144 및 146)내의 익사이터 소자는 칼럼(148 및 150)내의 익사이터 플레이트와 평형 이상 관계에 있다. 수직 구성에서, 어레이는, 수직 화살표 방향으로 어레이를 가로질러서 이동하는 통신 장치(32)에 전력을 결합시키기 위해서 최적으로 구성된다.
도 15는 익사이터 소자의 어레이에 에너지를 공급하기 위한 또 다른 대안적인 기술을 도시한다. 도 14A-14C에 도시된 바와 같이 플레이트의 수평, 대각선 및 수직 스트립 시퀀스를 통한 단계보다는, 한쌍의 적당히 격리된 (개별 소자의) 평형 이상 스트립(202 및 204)이 화살표로 표시된 바와 같이 익사이터 소자 어레이를 가로질러서 순환 패턴으로 스위프(sweep)된다. 스위프되는 동안 어떤 점에서, 익사이터에 충분히 근접하여 배치된 원격 장치(도시되지 않음)의 안테나 소자들은 전력을 공급하기 위해서 적당하게 정렬될 것 같다. 특히, 도 15에서, 익사이터 소자의 어레이(200)들중의 일부가 도시된다. 어레이들(200)중의 개별 익사이터 소자에는 에너지가 공급되어 두 개의 (음영진) 스트립들(202 및 204)을 포함하는 다수의 개별 익사이터 소자가 서로 동상이지만 (음영지지 않은) 다른 개별 익사이터 소자와는 위상이 다르다. 두 개의 스트립의 방향 설정은 시간에 따라서 변하지만, 서로 평행하게 유지된다. 그러므로, 예를 들어, 도 15에서 스트립들(202 및 204)은 수직으로 방향이 설정되어 도시된다. 다른 때에 스트립은 수평으로 방향이 설정되며, 또 다른 때에는 대각선으로 방향이 설정된다. 순환 동작으로 회전하는 한쌍의 평형 이상 스트립이 도시되지만, 본 발명에 부합될 수 있는 동적으로 변하는 다른 익사이터 소자 패턴 및 이동이 실행될 수 있음을 알 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 익사이터 소자의 어레이에 에너지를 공급하기 위한 또 다른 접근 방법을 도시한다. 도 16의 실시예에서, 익사이터 안테나 소자들은 로우 및 칼럼의 어레이로 배치된다. 광 센서와 같은, 센서 어레이는 익사이터 안테나 소자의 어레이 주변 근방에 배치된다. 센서는 장치 "A"(수평), "B"(대각선)또는 "C"(수직)와 같은 통신 장치의 존재 및 이동 방향을 검출한다. 센서의 동작 검출에 응답하여, (도시되지 않은) 어레이 제어기는 장치가 어레이 면을 가로질러서 통과함에 따라 장치에 가장 효율적으로 에너지를 결합할 것 같은 어레이에 대한 여기 구성(excitation configuration)을 선택한다. 예를 들어, 장치의 검출 동작에 따라, 최적의 어레이 구성은 도 14A에 도시된 바와 같이 수평적 구성이 되거나, 도 14B에 도시된 바와 같이 대각선 구성이 되거나, 또는 도 14C에 도시된 바와 같이 수직적 구성이 될 수 있다.
여기서는 본 발명의 특정한 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한 바람직한 실시예가 여러 가지로 변형될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로, 전술된 명세서는 첨부된 청구범위에서 한정되는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 발명을 실시하므로 정전기적 신호에 의해서 전력이 공급되는 전자 통신 장치를 구현하게 되며 이러한 장치는 데이터 전송 및 전력 공급을 위해 정전기적 (용량성) 플레이트를 사용하게 되며, 따라서 자기 코일이 필요없으므로 비교적 저렴하게 생산이 가능하게 된다.

Claims (10)

  1. 휴대용 통신 장치에 있어서,
    제1 정전 안테나 소자;
    제2 정전 안테나 소자; 및
    상기 제1 안테나 소자와 상기 제2 안테나 소자에 결합되며 상기 제1 및 제2 안테나 소자들 중의 적어도 하나에 인접한 정전 필드로부터 상기 제1 및 제2 안테나 소자들 중의 적어도 하나를 통해 동작 전력을 용량성으로 유도하는 회로
    를 포함하는 휴대용 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 기판 부재를 더 포함하며, 상기 회로는 상기 기판에 고정되는 집적 회로이며, 상기 안테나 소자들은 상호간 전기적으로 절연되도록 기판상에 형성되는 휴대용 통신 장치.
  3. 휴대용 통신 장치에 있어서,
    제1 정전 안테나 소자 및 제2 정전 안테나 소자;
    상기 제1 안테나 소자 및 상기 제2 안테나 소자와 전기적으로 결합된 집적 회로 -상기 집적 회로는, 상기 제1 및 제2 안테나 소자들과 전기적으로 결합되며, 상기 제1 및 제2 안테나 소자들중의 적어도 하나에 의해서 수신된 정전 에너지로부터 상기 제1 및 제2 안테나 소자들 중의 적어도 하나를 통해 동작 전력을 용량성으로 유도하는 전력 공급 회로(power-up circuit)를 포함함 -;
    정보가 기억되는 메모리; 및
    상기 전력 공급 회로에 의해서 전력이 공급되며 상기 메모리에 기억된 정보에 의해 변조되는 반송파 신호를 발생하는 신호 발생 회로
    를 포함하는 휴대용 통신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신호 발생 회로는 상기 제1 및 제2 안테나 소자들중의 하나에 전기적으로 결합되는 휴대용 통신 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 발생 회로에 의해서 발생된 신호들을 전송하기 위해서 상기 신호 발생 회로에 전기적으로 결합된 제3 안테나 소자를 더 포함하는 휴대용 통신 장치.
  6. 휴대용 식별 장치를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    전기적으로 절연되는 기판 부재를 제공하는 단계;
    상호간 전기적으로 절연되는 제1 및 제2 정전 안테나 소자들을 기판 부재상에 배치하는 단계;
    제1 및 제2 단자들을 포함하는 집적 회로를 상기 기판 부재에 고정시키는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 단자들을 상기 제1 및 제2 정전 안테나 소자들에 전기적으로 결합시키는 단계
    를 포함하는 휴대용 식별 장치를 제조하기 위한 방법.
  7. 제1 및 제2 정전 안테나 소자들 -상기 제1 및 제2 정전 안테나 소자들은 상기 제1 및 제2 정전 안테나 소자들 중의 적어도 하나에 인접한 정전 필드로부터 상기 제1 및 제2 안테나 소자들 중의 적어도 하나를 통해서 동작 전력을 용량성으로 유도하는 회로에 결합됨-를 포함하는 휴대용 통신 장치에 전력을 전달하는 방법에 있어서,
    제1 및 제2 정전 익사이터(exciter) 소자들을 제공하는 단계;
    상기 제1 및 제2 익사이터 소자들 상에 평형 이상(異相) 정전 신호(balanced out-of phase electrostatic signal)를 발생하는 단계; 및
    상기 통신 장치의 안테나 소자들을 상기 익사이터 소자들에 충분히 근접하게 배치하여, 상기 회로에 전력을 공급하기 위해 충분한 정전 에너지가 상기 익사이터 소자들로부터 상기 안테나 소자들로 용량성으로 전송되도록 하는 단계
    를 포함하는 휴대용 통신 장치에 전력을 전달하는 방법.
  8. 제1 및 제2 정전 안테나 소자, 상기 안테나 소자들과 전기적으로 결합되며 상기 안테나 소자들에 전기적으로 결합된 전력 공급 회로를 포함하며 상기 안테나 소자들 중의 적어도 하나에 의해서 수신된 정전 에너지를 통해서 동작 전력을 용량성으로 유도하는 집적 회로, 정보가 기억되는 메모리, 및 상기 전력 공급 회로에의해 전력이 공급되며 상기 메모리 내에 기억된 정보에 의해 변조되는 반송파 신호를 발생하는 신호 발생 회로를 포함하는 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치와 통신하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 장치에 전력을 공급하기 위해서 각각의 제1 및 제2 이상 여기 신호들(out-of phase excitation signals)을 생성하는 익사이터 회로;
    상기 장치에 신호를 전송하기 위해서 여기 소스(excitation source)에 결합되는 제1 및 제2 정전 익사이터 소자들;
    상기 장치에 의해서 전송된 상기 변조된 반송파 신호를 수신하는 정전 수신기 안테나 소자; 및
    상기 수신기 안테나 소자로부터 상기 신호를 수신하도록 결합된 수신기 회로
    를 포함하는 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치와 통신하기 위한 시스템.
  9. 제1 및 제2 정전 안테나 소자, 상기 안테나 소자들와 전기적으로 결합되며 상기 안테나 소자들에 전기적으로 결합된 전력 공급 회로를 포함하며 상기 안테나 소자들중의 적어도 하나에 의해서 수신된 정전 에너지를 통해서 동작 전력을 용량성으로 유도하는 집적 회로, 정보가 기억되는 메모리, 및 상기 전력 공급 회로에 의해 전력이 공급되며 상기 메모리 내에 기억된 정보에 의해 변조되는 반송파 신호를 생성하는 신호 발생 회로를 포함하는 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치와 통신하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 장치에 전력을 공급하기 위해서 각각의 제1 및 제2 이상 여기 신호들을생성하는 익사이터 회로;
    다수의 정전 익사이터 안테나 소자 쌍 각각을 포함하는 안테나 어레이 -상기 각각의 정전 익사이터 안테나 소자 쌍에 대해서, 각각의 제1 익사이터 안테나 소자는 상기 익사이터 회로에 의해서 생성된 상기 제1 여기 신호를 수신하여 상기 제1 여기 신호를 상기 장치로 전송하도록 결합되며, 상기 각각의 안테나 소자 쌍의 각각의 제2 익사이터 안테나 소자는 상기 익사이터 회로에 의해서 생성된 상기 제2 여기 신호를 수신하여 상기 제2 여기 신호를 상기 장치에 전송하도록 결합되어 있음 -;
    상기 장치에 의해서 전송된 상기 변조된 반송파 신호를 수신하는 정전 수신기 안테나 소자; 및
    상기 수신기 안테나 소자로부터 상기 신호를 수신하도록 결합된 수신기 회로
    를 포함하는 휴대용 원격 전력 공급 통신 장치와 통신하기 위한 시스템.
  10. 제1 및 제2 정전 안테나 소자, 및 상기 안테나 소자들과 전기적으로 결합되며 상기 안테나 소자들에 전기적으로 결합된 전력 공급 회로를 포함하며 상기 안테나 소자들 중의 적어도 하나에 의해 수신된 정전 에너지를 통해 동작 전력을 용량성으로 유도하는 집적 회로를 포함하는 휴대용 통신 장치와 통신하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 통신 장치에 전력을 공급하기 위해서 각각의 제1 및 제2 이상 여기 신호들을 생성하는 익사이터 회로;
    로우 및 칼럼으로 배열된 다수의 정전 익사이터 안테나 소자들 각각을 포함하는 안테나 어레이; 및
    제어 회로
    를 포함하며,
    상기 제어 회로는, 선택적으로,
    (A) 상기 제1 및 제2 여기 신호들중의 하나를 수신하기 위해서 제공된 칼럼내의 익사이터 안테나 소자들을 접속시키며, 상기 제1 및 제2 여기 신호들중의 다른 신호를 수신하기 위해서 상기 제공된 칼럼에 인접한 칼럼내의 익사이터 안테나 소자들을 접속시키거나, 또는
    (B) 상기 제1 및 제2 여기 신호들중의 하나를 수신하기 위해서 제공된 로우내의 익사이터 안테나 소자들을 접속시키며, 상기 제1 및 제2 여기 신호들중의 다른 신호를 수신하기 위해서 상기 제공된 로우에 인접한 로우내의 익사이터 안테나 소자를 접속시키는
    휴대용 원격 전력 공급 통신 장치와 통신하기 위한 시스템.
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