KR101065737B1 - 확산 스펙트럼 공진 전력 전달 - Google Patents

확산 스펙트럼 공진 전력 전달 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 것에 관한 것이다. 동작은 확산 스펙트럼 시퀀스를 생성하는 단계, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 기초하여 확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하는 단계, 비방사되는 자기장에 의한 무선 전력 전송을 위해 송신 요소에 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합하는 단계, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 따라 상기 무선 전력 전송을 동적으로 동조하는 단계, 및 상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하는 단계를 포함한다. 상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 주파수 도약 시퀀스 및/또는 위상 도약 시퀀스를 포함할 수 있다. 확산 스펙트럼 시퀀스를 표적 장치로 통신하는 것은 RF 통신을 적용할 수 있고, 표적 장치 아이덴티티, 표적 장치 청구 정보, 표적 장치 전력 수신 레벨(들), 표적 장치 배터리 충전 상태, 및/또는 표적 장치로부터의 인증 정보를 교환하도록 사용될 수 있다.

Description

확산 스펙트럼 공진 전력 전달{SPREAD SPECTRUM RESONANT POWER DELIVERY}
이 출원은 모든 목적을 위해 전체가 참조로 본원에 통합된 미국 가출원 제 61/086,384호(2008.08.05 출원)에 따른 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 배터리로 구동되는 장치의 무선 충전에 관한 것이며, 특히 표적 장치에 근접장(near field) 무선 공진 전력 전달을 위한 기술에 관한 것이다.
모든 전기 장치는 동작하기 위해 전력을 요구한다. 랩톱 컴퓨터 및 휴대 전화와 같은 이동 장치는 통상 전력 소켓에 연결될 때 재충전되는 재충전가능 배터리를 포함한다. 재충전가능 배터리는 배터리 수명을 유지하기 위해 정기적으로 벽의 전원으로부터 충전되어야만 하며, 그 이유는 재충전가능 배터리는 사용되지 않을 때에도 방전하기 때문이다. 이동 장치의 사용자들은 통상 배터리 충전을 위해 전원으로 접근하는 것에 대한 어려움을 겪는다. 이러한 상황에서, 사용자는 이동 장치의 계속적 동작을 위해 여러 개의 배터리를 소지해야만 한다. 사용자가 여분의 배터리를 소지하는 것은 추가적인 배터리의 비용의 발생뿐만 아니라, 운반 공간 및 증가된 운반 비용을 요구한다.
이동 장치의 사용자는 일반적으로 전력 케이블을 소지하며, 이에 따라 이동 장치의 배터리를 재충전할 수 있다. 이러한 전력 케이블은 종종 잘못 두거나, 잃어버리게 되어, 사용자에게 불편함을 초래한다. 거의 전력 케이블들은 장치에 특화되며, 다른 장치에는 대신해서 사용할 수 없다. 또한, 전력 케이블을 소지하더라도, 전력 소켓이 이용불가능할 수 있다. 이러한 문제는 이동 장치의 사용자가 장치를 빈번하게 사용하는 공항 또는 기타 공공 장소에서 특히 문제가 된다. 군용 애플리케이션 및 의료용 애플리케이션과 같은 일부 특수한 애플리케이션에서, 만일 이동 장치의 실행중인 동작/통신과의 간섭이 간단하게 장치의 배터리를 재충전하는 것을 방해하여 문제가 된다면 위험해진다.
근접장 전력 전달은 수십년 동안 공지되어왔다. 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 비록 그의 방법이 다양한 이유로 실용화되지 못했을지라도, 수십년 전에 이러한 전력 전달을 제일 먼저 실험하였다. 근접장 전력 전달은 통상적으로 적절한 효율을 갖는 에너지를 교환하기 위해 동일한 주파수로 2개의 물체를 공진하게 하는, 자기적으로 결합(couple)된 공진을 활용한다. 이러한 근접장 공진의 주파수는 무선 통신 주파수보다 매우 낮을 수 있고, 예컨대 근접장 공진을 위한 주파수가 10 MHz이고 무선 통신을 위한 주파수가 2 GHz일 수 있다. 이에 따라, 근접장 전력 전달은 아직 상업적으로 활용되고 있지 못하더라도, 장래성이 유망하다.
또한 종래적이고 전통적인 접근들의 제한들과 단점들은 본원 발명의 첨부된 도면과 함께 후술하는 본원 발명의 일부 측면과의 비교를 통해 당해 기술의 숙련자에게 더 명백히 될 것이다.
본 발명은 이하 도면의 간단한 설명, 발명의 상세한 설명, 및 청구항에서 더 설명되는 동작의 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라, 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 확산 스펙트럼(spread spectrum) 전력 전달 시스템은,
확산 스펙트럼 전원, 및
상기 확산 스펙트럼 전원에 결합된 통신 모듈을 포함하고,
상기 확산 스펙트럼 전원은,
확산 스펙트럼 교류 전력을 제공하도록 동작가능한 전원; 및
비방사되는(non-radiated) 자기장에 의한 무선 전력 전송을 위해, 송신 구성요소로 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합(couple)하도록 동작가능한 송신 공진(resonant) 결합 구성요소를 포함하고,
상기 확산 스펙트럼 전원은 확산 스펙트럼 시퀀스(sequence)에 따라 상기 무선 전력 전송을 동적으로 동조(tuning)할 수 있고,
상기 통신 모듈은 상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하도록 동작가능하다.
바람직하게는, 상기 송신 공진 결합 구성요소는 상기 비방사되는 자기장을 제공하도록 동작가능한 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 송신 공진 결합 구성요소는 실질적으로 전방향으로 비방사되는 자기장을 형성한다.
바람직하게는, 상기 송신 공진 결합 구성요소는 지향적으로(directionally) 비방사되는 자기장을 형성한다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 주파수 도약(hopping) 시퀀스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 위상 도약 시퀀스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 통신 모듈은 RF(Radio Frequency; 라디오 주파수) 인터페이스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 RF 인터페이스는,
표적 장치 아이덴티티;
표적 장치 청구 정보;
표적 장치 전력 수신 레벨(들); 및
표적 장치 배터리 충전 상태 중 적어도 하나를 포함하는 표적 장치로부터 데이터를 수신하도록 동작가능하다.
바람직하게는, 상기 RF 인터페이스는 상기 표적 장치에서 전력 전달을 위한 요청을 수신하도록 동작가능하다.
바람직하게는, 상기 RF 인터페이스는 상기 표적 장치에서 인증 정보를 수신하도록 동작가능하다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 전원은,
의사 난수 시퀀스(pseudo random sequence)를 생성하도록 동작가능한 의사 난수 시퀀스 생성기; 및
확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하도록 사용되는 전원에 주파수 입력을 생성하도록 동작가능한 합성 발진기를 더 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 방법은,
확산 스펙트럼 시퀀스(spread spectrum sequence)를 생성하는 단계;
상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 기초하여 확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하는 단계;
비방사되는(non-radiated) 자기장에 의한 무선 전력 전송을 위해, 송신 요소 에 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합하는 단계;
상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 따라 상기 무선 전력 전송을 동적으로 동조(tuning)하는 단계; 및
상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 실질적으로 전방향으로 상기 비방사되는 자기장을 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 비방사되는 자기장을 지향적으로(directionally) 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 주파수 도약(hopping) 시퀀스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 위상 도약 시퀀스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하는 단계는 RF(Radio Frequency; 라디오 주파수) 통신을 적용한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
표적 장치 아이덴티티;
표적 장치 청구 정보;
표적 장치 전력 수신 레벨(들); 및
표적 장치 배터리 충전 상태 중 적어도 하나를 포함하는 표적 장치로부터의 정보를 RF 통신하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 표적 장치에서 전력 전달을 위한 요청을 포함하는 상기 표적 장치로부터의 정보를 RF 통신하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 표적 장치에서 인증 정보를 포함하는 상기 표적 장치로부터의 정보를 RF 통신하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 생성하는 단계는,
의사 난수 시퀀스를 생성하는 단계; 및
상기 의사 난수 시퀀스에 기초하여 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 기재된 본 발명의 이하의 상세한 설명에서 더 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예들은 방사된/자성 전력 또는 방사되지 않은 자장을 사용하여 원격 전원 (전력 스테이션)에서 무선으로 원래 장소에 대한 배터리 전력 충전에 관한 것이다. 이러한 원격 장치의 배터리를 재충전하는 방법은 전원 및 표적 장치 (예: 재충전 가능한 배터리를 가진 휴대용 전자 표적 장치) 사이 간격이 상당히 길 경우에도 적용할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에서 전력의 전달은 전원 및 표적 장치 간의 상대적으로 고주파 공진 자기 결합(magnetic coupling)을 통하여 전도되고, 표적 장치는 이에 내장된 휴대용 재충전 가능한 배터리로 작동되는 전자 장치이다. 이러한 고주파 결합은 특정 실시예에서는 자기 결합이지만, 다른 실시예에서는 라디오 주파수 (RF) 결합일 수 있다. 이러한 결합은 본원에서 무선 전력 전송, 빔 형성, RF 비밍(beaming), 또는 이외의 비밍/전력 전달로 설명될 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 본 발명의 통상의 실시예에서, 전원 및 표적 장치는 동일 주파수로 동조한다. 이는 전원에 의하여 송신된 전력에 대해 표적 장치 내에서 자기 공진을 일으키고, 이때 공기가 전력 전달의 매질(medium)이다. 본 발명의 측면들에 따르면, 무선으로 결합된 전력 충전 신호의 주파수, 예를 들어 표적 주파수는, 시간 상에서 "확산 스펙트럼(spread spectrum)" 방식으로 변경된다. 전력 자장의 확산 스펙트럼 변경은 시간이 상에서 주파수의 도약(hopping), 및/또는 예를 들어 +- 180 도 변경 및/또는 +-90도의 변경과 같은 전력 자장/RF 필드의 위상의 변경을 포함할 수 있다. 이러한 주파수 및/또는 위상의 변경은, 비의도적으로 결합한 충전 전력이 비의도적인 결합에 의해 손상될 수 있는 인접한 기생 회로에 제공되는 위험을 감소시킨다. 또한, 이러한 주파수 및 위상의 변경들은 의도하지 않은 수령인, 예컨대 전력 도둑들이 자장/RF 필드에 의해 충전되는 것을 방지하는 것을 돕는다.
본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 확산 스펙트럼 전원 및 표적 장치 간의 자기 결합은 전력 전달을 가능하게 한다. 확산 스펙트럼 전원이 전력을 공급하는 자기 생성 코일을 적절히 형성함으로써 자장이 표적 장치 쪽으로 유도된다. 이 시스템은 변압기 원리 상에서 동작하나, 일정 거리에 걸쳐 공심(air core) 및 결합을 지닌다. 예를 들어, 본 발명의 시스템은 전력을 수신하는 방 안에서 표적 장치들을 가진 방의 바닥 또는 천장에 배치된 하나 이상의 코일들을 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 코일들은 쇼핑 몰 또는 공항의 키오스크(kiosk) 같은 구조물에 배치할 수 있으며, 매점의 운용자가 키오스크에서 충전되는 표적 장치들을 충전한다. 장치의 기타 다양한 설비들은 여기에 기술된 가르침들에 따라 사용할 있다.
전원이 생성한 자기 신호/자장은 표적 장치의 안테나/코일에 의해 수신된다. 수신된 신호/필드들은 표적 장치에서 다이오드들을 통하여 캐패시터(capacitor)들을 충전한다. 이러한 캐패시터들의 배열은 다수의 다이오드를 사용하여 연속적으로 연결될 수 있다. 이러한 캐패시터들의 배열 및 다수의 다이오드들은 AC (교류)에서 DC (직류)로의 정류를 돕고 DC 전압을 표적 장치의 배터리를 충전하기 충분한 값으로 증폭할 수 있다. 본 발명에 따라, 표적 장치의 전력/전압 감지 메커니즘이 배터리를 충전하는데 사용된 신호의 전력/전압을 제어하는 것을 도울 수 있다. 표적 장치의 저전압 한계/저전력 레벨 감지 회로는 확산 스펙트럼 전원(종종 무선 전력 스테이션이라 함)에 전력 요청을 일으킨다. 고전압 한계/고전력 레벨 감지 회로는 충전 동안에 최대 허용가능 배터리 전압 또는 전력 레벨을 감지한다. 배터리가 최대 레벨로 충전되었을 때, 고전압 감지 회로는, 확산 스펙트럼 전원 (전력 스테이션)에게 전력 공급을 중단하라는 요청을 통신하거나, (상황에 따라 방사된 또는 비-방사된) 자장의 무선 전송/자기 공진 전력 전송을 종결시키는 것과 같은 방법으로, 전력 전달의 종결을 일으킨다.
표적 장치가 확산 스펙트럼 전원으로부터 공진 전력을 수취하였다는 것을 인증하기 위하여 표적 장치의 인증 모듈 및 확산 스펙트럼 전원이 통신한다. 예를 들어서, 이러한 인증은 인증 모듈이 확산 스펙트럼 전원과 공유하는 정보에 기초하여 수행된다. 특히, 일 실시예에서, 인증 모듈이 송신한 인증 정보와 확산 스펙트럼 전원의 인증 데이터베이스에서 이용 가능한 다른 정보를 비교하여 인증을 진행한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 확산 스펙트럼 전원과 표적 장치는 전력 전달 신호를 통해 서로 간에 통신한다. 이러한 통신들은 전력 충전 또는 기타 정보에 관련된 정보를 포함할 수 있다. 확산 스펙트럼 전원과 표적 장치 간의 강한 무선 결합으로 인해, 이 기술을 사용하여 고도의 데이터 속도 통신을 지원할 수 있다. 표적 장치에서 확산 스펙트럼 전원으로의 통신의 경우, 동일한 원리가 적용될 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서는, WLAN(Wireless Local Area Network; 무선 근거리 네트워크) 동작 (예: IEEE 802.11x), WPAN(Wireless Personal Area Network; 무선 개인 영역 네트워크) 동작 (예: 블루투스), 적외선 통신, 셀룰러 통신 및/또는 기타 기술과 같은 이외의 무선 기술들이 표적 장치와 확산 스펙트럼 전원 간의 통신을 지원할 수도 있다.
전력 전달 동작은 "확산 스펙트럼 전원" 또는 표적 장치의 요청에 의하여 개시된다. '확산 스펙트럼 전원'에 의한 전력 전달의 개시는 '확산 스펙트럼 전원'의 주변 둘레의 모든 표적 장치들에게 비콘(beacon) 신호를 송신함으로써 실시한다. 비콘 신호는 전력 전달 서비스를 제공한다. 요청에 따라, 만일 표적 장치가 배터리 저충전을 감지한다면, RF 전력 신호를 요청할 것이다. 그 다음 표적 장치로의 RF 전력 전달은 오직 "확산 스펙트럼 전원"을 사용한 표적 장치의 인증 이후에서야 진행된다.
본 발명의 다른 실시예에서는 표적 장치가 공진 전력 충전을 개시한다. 이 방법에서는 표적 장치의 확산 스펙트럼 전력 관리자가 배터리 충전을 감시하고, 배터리 충전이 저전압 한계 미만으로 떨어질 경우 "확산 스펙트럼 전원"에게 전력 전달을 요청한다.
확산 스펙트럼 전원에서 복수의 표적 장치로의 공진 전력 전달의 인증은 각 표적 장치들에 발행된 고유의 토큰들을 교환함으로써 구현된다. 이 토큰은 확산 스펙트럼 전원의 '토큰 생성 모듈'이 생성하며 전력을 요청하는 표적 장치에 송신된다. 표적 장치와 "확산 스펙트럼 전원" 사이의 이러한 토큰의 교환은 요청한 표적 장치가 인증된 표적 장치라는 것을 주기적으로 보장하게 한다. 전력 전달을 요청하는 각 표적 장치에 토큰을 발행하는 프로세스는 인증 검증에 기초하여 수행된다. 본 발명에서는 표적 장치가 가입자 정보(예: SIM 카드 아이덴티티 등)를 송신함으로써 '확산 스펙트럼 전원'으로 자신을 식별한다. 인증 이후 표적 장치는 고유의 토큰을 수신할 자격을 얻는다. 토큰들은 의사 난수 생성기(pseudo random number generator)가 무작위로 생성한다. 표적 장치로의 토큰의 통신은 암호화/복호화 프로세스를 통해 수행되어, 다른 표적 장치들이 이 토큰을 해석하지 못하도록 한다.
표적 장치와 "확산 스펙트럼 전원" 간의 토큰 교환 방법은 단일 확산 스펙트럼 방사선에서 복수의 적법 표적 장치로의 동시 공진 전력 전달을 용이하게 한다. 오직 토큰 및 "확산 스펙트럼 전원"이 송신한 "랜덤 시드(random seed)"를 가지고 있는 표적 장치들만이 확산 스펙트럼의 주파수 변경 시퀀스(frequency switching sequence)를 알 것이다. 이는 자연적으로 인증되지 못한 표적 장치들이 RF (확산 스펙트럼) 신호 전력의 형태로 전달되는 공진 전력을 수신하지 못하게 한다. 토큰 교환 방법은 각 (토큰을 지닌) 표적 장치가 독립적으로 수신한 전력의 양을 계량 및 청구하는 더 간단한 방법을 용이하게 한다.
의도하지 않은 표적 장치들에게 RF 전력을 손실하는 것에 대한 방어는, 전력 전달 요건의 정황에 따라서 복수의 레벨 (또는 단계)로 구현된다. 주파수 도약 (hopping) 시퀀스에 따라서 일정 시간 간격으로 주파수를 변경하는 것이 안전한 전력 전달 서비스의 한 레벨이다. 모든 적법 표적 장치가 동시에 주파수 변경을 추적하는 것이 예상된다. 확산 스펙트럼 특성이 의도하지 않거나 인증되지 않은 표적 장치들에게 전력을 손실하는 것을 막는 보안의 제 1 레벨이다. 시퀀스(sequence)에 따른 위상 변경은 또한 의도하지 않거나 인증되지 않은 표적 장치들, 또한 당해 전력 전달에 의하여 손상될 수 있는 기생 회로들에게의 전력 손실을 감소/최소화한다.
확산 스펙트럼 전원의 합성 발진기(synthesizer oscillator)를 사용하여 확 산 스펙트럼 주파수를 생성한다. 일 실시예에서, 합성 발진기가 생성한 참조 RF 신호는 중심 주파수 f0을 가지고, 이를 f0에서 높이거나 낮추면 생성된 신호의 주파수가 fs=f0 ± kfstep이 되며, 여기서 'k'는 연속적인 정수 값을 가질 수 있는 변수이다. 본 발명의 다른 실시예에서 ‘k'는 확산 스펙트럼 전원의 '의사 난수 생성기'가 생성하는 의사 난수 정수 값들을 가진다. fstep은 주파수 변경 동안 한 주파수 단계의 크기이다. 'k'가 변하는 속도가 주파수 변경 (또는 스테핑(stepping)) 동안 주파수 fs의 변화 속도를 결정한다. 변수 'k'는 일정한 또는 가변적인 속도로 변하며 'k'가 가변적인 속도로 변화할 경우, 특히 무작위 주파수 변경 동안에는, fs를 추적하는 과정이 매우 어렵다.
확산 스펙트럼 신호와 관련하여, 직접적 주파수 변경이 본 발명의 일 실시예이다. 주파수는 순차적으로 변경되기는 하지만, 임의의 인증되지 않은 표적 장치가 공진 전력 수신을 위해 확산 스펙트럼을 추적하는 것은 매우 어려워진다. 이는 변경이 매우 빠른 속도로 이루어지며 부적법 표적 장치들은 적법 표적 장치들과는 달리 주파수 변경 정보에 대한 어떠한 지식도 가지고 있지 않기 때문이다. 주파수 변경의 변화 속도, 주파수가 일정한 시간 간격 등과 같은 정보를 알고 있는 표적 장치만이 수신 회로의 공진 주파수들을 변경하면서 확산 스펙트럼을 정확하게 추적할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 주파수 변경이 난수 시퀀스로 수행된다. 난수 시퀀스는 본 발명의 보안 제 2 레벨이다. 무작위 시퀀스를 통신하기 위하여, 각 표적 장치에게 고유의 무작위로 생성된 시드 값을 전달한다. 이는 표적 장치들이 주파수 변경 무작위 시퀀스와 동기되는 것을 돕는다. 주파수 변경의 무작위성으로 인해, 인증되지 않은 표적 장치들은 확산 스펙트럼을 추적할 수 없다.
본 발명에서, 보안 제 3 단계로서 주파수 변경의 속도를 때때로 가변적으로 변경한다. 이러한 주파수 변경 속도 변화는 주파수 변경 기술의 직접적 시퀀스 및 의사 난수 시퀀스 둘 다에서 구현된다.
순간적인 공진 전력 수신은 수신한 전력을 최대화한다. 수신한 신호는 DC(직류)로 정류하며, 이 DC 전압은 정류 다이오드 및 캐패시터들을 포함하는 전압 배율기(voltage multiplier)로서 연결된 캐패시터들을 충전할 것이다. 특정 임계 레벨로의 배율 이후의 결과 전압은 표적 장치들의 재충전 가능한 배터리를 충전할 것이다.
본 발명에 따른 전압 감지 메커니즘은 배터리 충전을 제어하는 것을 돕는다. 저전압 한계 감시 회로는 "확산 스펙트럼 전원"으로 전력 요청을 하고 고전압 한계 감지 회로는 최대 배터리 전압을 감지한다. 배터리가 최대 레벨로 충전되었을 때, 고전압 감지 회로는 '확산 스펙트럼 전원'에 RF 신호 전력 공급을 중단하라고 요청할 것이다.
배터리 재충전 작업 끝에, 표적 장치에서 '확산 스펙트럼 전원'으로 계량 및 청구 정보를 전달한다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 전력 전달의 계량은 청구(billing) 목적을 위하여 '확산 스펙트럼 전원' 자체가 수행한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전달을 위한 복수의 표적 장치에 무선으로 결합된 확산 스펙트럼 전원을 도시하는 블럭도이다. '확산 스펙트럼 전원'(107)은 주파수 범위 상에서 분산된 전력 스펙트럼 밀도의 특징을 가질 수 있는 확산 스펙트럼 전기, 자기, 및/또는 전자기 에너지를 생성한다. RF 전력 스펙트럼 상에서 무선 전력 확산은 적어도 2가지 방법으로 변경될 수 있다. 제 1 기술은 '직접적 시퀀스(direct sequence)'(즉, 'k' 자연적 순차적 수)의 주파수를 포함한다. 단계 크기(fstep)는 공진 자기/RF 신호 전력이 표적 장치로 전달되는 의도된 주파수 대역의 중심 주파수에 비례할 수 있다. 일반적으로 충분히 빠른 '직접적 시퀀스'는 전력 전달 채널로 들어오고자 의도하는 모든 침입자에게 어려움을 준다. 주파수 도약 확산 스펙트럼 전력 전달을 위한 제 2 기술은 확산 스펙트럼 전원(107)의 '주파수 배율 생성기'(119)의 '의사 난수 코드 생성기'(123)를 사용하여 의사 난수 시퀀스(pseudo random sequence)('k', 의사 난수 변수)에서 주파수 스테핑(frequency stepping)하는 것을 포함한다. 다른 확산 스펙트럼 기술은 단일 주파수 신호의 위상 변경 및/또는 예컨대 +-90도, +-180도 등과 같은 주파수 도약 신호의 위상 변경을 포함할 수 있다.
'확산 스펙트럼 전원'(107)은 전기/자기 RF 전력의 방사 기능을 지향성(directional) 또는 전방향성(omni-directional) 방식의 전기/자기 RF 전력의 방사 기능을 갖는 예컨대 '공진 안테나 배열'(109)과 같은 송신 공진 결합 요소 및 전원을 포함한다. 전파되는 무선 에너지는 본원에서 일반적으로 무선 에너지, RF 전력, 자기 에너지, 전자기 에너지, 근접장, 및/또는 기타 유사 기술로 언급될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공진 안테나 배열은 단일 안테나, 안테나 배열, 또는 도 1에 추가적으로 도시된 하나 이상의 코일들일 수 있다. 지향성으로 무선 에너지 전파는 위상 조정 제어기(111)에 의해 달성될 수 있다. 무선 에너지의 지향성은 충분히 큰 안테나 또는 코일(들)을 갖고 교류 전류(특정 주파수(fs) 또는 주파수의 집합)를 사용하여 달성된다. 지향성은 안테나 배열/코일(들)의 적절한 배치에 의해 더 증가될 수 있다. 송신 공진 결합 요소는 다른 실시예에서 하나 이상의 코일들을 포함할 수 있다.
'위상 조정 제어기'(111)는 합성 발진기(117)로부터 예컨대 확산 스펙트럼 교류와 같은 하나 이상의 확산 스펙트럼 신호를 도출하고, 이 교류 전류 전력을 송신 공진 결합 요소(공진 안테나 배열)(109)로 공급하고, 요구되는 방향으로 빔(beam)을 위치시키기 위해 정확한 위상 차를 갖고 각 등방성 방사기(isotropic radiator)로 공급한다. 어진 안테나(등방성 방사기) 간격의 요구되는 최적의 위상 차가 고도의 방향성 빔(135)을 달성하는 것은 '위상 조정 제어기'(111)에 의해 용이하게 수행된다.
'공진 안테나 배열'(109)의 '통신 회로'(113)는 '확산 스펙트럼 전원'(107)의 통신 기능을 제공한다. 일부 실시예에서, '확산 스펙트럼 전원'(107)은 통신 및 전력 전달 모두를 이동 (표적) 장치로 서비스한다. 통신은 전력 신호를 제공하는 RF 스펙트럼의 개별적 부분 및/또는 RF 스펙트럼의 부분을 사용하여 제공될 수 있 다.
비콘(beacon) 생성기(115)는 비콘 신호를 주기적으로 방사한다. 비콘 생성기(115)는 확산 스펙트럼 전원(107)의 근처에서 표적 장치로 RF 전력을 제공하는 신호를 송신한다. 비콘 신호를 송신하는 방사 패턴은 본 발명의 일 실시예에서 등방성 패턴(105)이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 비콘 신호 송신의 방사 패턴은 360도의 방위각 방향으로 쓸고 지나가는 고도의 방향성 방사이다. 메시지를 신호하는 표지는 공진 무선 젼력의 이용가능성을 나타내는 모든 표적 장치로 송신된다.
'합성 발진기'(117)는 안정된 참조 RF 신호를 생성하며, 이 RF 신호의 주파수는 대략 중심 주파수 fo에서 변경될 수 있다. 안정된 참조 전력 신호 fo는 요구되는 방향에 따라 증가되거나 감소된다. 'k'가 fs의 의사 난수 시퀀스 스테핑에서 '의사 난수 변수(수)', 또는 fs의 '직접적 시퀀스 스테핑'에서 단순 가변 추정 순차적 수인 경우, 결과 주파수는 fs = fo ± kfstep이다. fstep은 주파수 단계의 크기이다. 'k'가 변하는 속도는 주파수 (fs) 변경 속도를 결정한다. 변수 'k'는 일정한 또는 가변적 속도로 변하고, 이는 fs를 추적하는 프로세스가 복잡해지게 만들고, 특히 무작위 변경(random switching)에서 복잡해지게 만든다.
'의사 난수 시퀀스 스테핑'의 경우, 무작위 동기는 의사 난수 생성기에 대해 무작위 시드(seed) 값을 통신하는 것에 의해 '확산 스펙트럼 전원'과 표적 장치 사이에서 달성된다. '무작위 시드 생성기'(125)는 이 무작위 시드를 생성하고, 이를 대응하는 '표적 장치'로 통신한다. 이러한 시드 값 송신 통신은 일 실시예에서 개별 통신 채널 상에서 수행되며, 본 발명의 다른 실시예에서 RF 전력 신호가 전달되는 채널 상에서 수행된다.
'의사 난수 코드 생성기'(123)는 또한 다수의 '표적 장치' 전력 요청이 동일한 RF 방사 빔으로부터 전력을 수신하는 것을 가능하게 한다. 이는 동시에 다수의 '표적 장치'를 인정하는 것에 의해 가능하게 된다. 이러한 동시적 인증은 각 '표적 장치'에 임의의 무작위 토큰을 전달하는 것에 의해 수행된다. 토큰을 보유한 표적 장치는 표적 장치가 중지 요청을 송신할 때까지 전력 전달을 계속하기 위해 '표적 장치'를 인증하는 '확산 스펙트럼 전원'(107)과 토큰을 정기적으로 교환한다. '의사 난수 코드 생성기'(123)는 전력 요청 표적 장치 각각에 무작위 토큰을 생성한다. 직접적 시퀀스 생성기(121)는 확산 스펙트럼 전력 신호를 생성하기 위해 사용되는 직접적 스퀀스를 생성할 수 있다.
복수의 '표적 장치'(129, 133, 137, 141 등)로의 동시적 전력 전달의 원리는 동일한 RF 빔(135)으로부터 공진 전력 신호를 수신하는 것으로 도 1에 도시된다. 각 장치는 127, 131, 139, 143, 등의 N개 채널로 도 1에 도시된 통신 채널들을 사용하여 '확산 스펙트럼 전원'(107)과 통신하고, 각 채널은 양방향(full duplex) 방식이다.
송신 공진 결합 요소(103)는 예컨대 집에 장착되거나, 천장에 배치되거나, 바닥에 배치되거나, 키오스크에 형성되거나, 벽에 설치된 안테나 배열과 같은 수직 구조일 수 있다. 도 1에 도시된 요소(103)는 코일, 안테나 배열, 또는 비(non)방사 되는 자기장을 생성할 수 있는 다른 구조를 나타낸다. 접시형 안테나의 경우, 방위 방향에서 안테나의 회전은 빔(135) 조정을 이룬다. 위상 배열 안테나의 경우, '위상 조정 제어기'(111)는 RF 빔(135)의 조정을 이룬다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 스펙트럼 전력을 무선으로 수신하는 표적 장치를 도시한 블럭도이다. '표적 장치'(203)는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(205), '표적 장치 주파수 합성기'(211), '사용자 인증 모듈'(213), '소스 주파수 선택기'(215), '통신 모듈'(217), 및 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)로 이루어진다.
'확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(205)은 '동조가능 전력 수신/충전 회로'(207), 및 '재충전가능 배터리'(209)로 이루어진다. '동조가능 전력 수신/충전 회로'(207)는 RF 신호 전력을 수신하고, 이를 DC 전압으로 변환하여 '재충전가능 배터리'(209)를 충전하는 회로를 포함한다. '동조가능 전력 수신/충전 회로'(207)는 필수적으로 정류 다이오드 및 전압 배율기와 같이 동작하는 저장 캐패시터를 갖는 공진 회로이다. 회로(207)는 특정 주파수에서 확산 스펙트럼 신호를 수신하기 위해 회로를 동조하도록 변경가능한 예컨대 캐패시터 및 인덕터와 같은 변경가능 회로 소자 요소들을 포함한다. 회로(207)는 상술된 '직접적 시퀀스'이든지 '의사 난수 시퀀스'이든지 고정된 전력 전달의 이유로 인해 특정 시간에 확산 스펙트럼 주파수를 갖는 동기에서 동작된다. '재충전가능 배터리'(209)는 '표적 장치'의 모든 회로 모듈에 에너지를 공급하는 전력 저장 장치이다. '표적 장치 주파수 합성기'(211)는 통신을 위해 요구되는 반송파 신호를 생성하는 발진기이다.
사용자 인증 모듈(213)은 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)의 공진 전력 전달 동안 '표적 장치'의 인증을 조정한다. 사용자 인증 모듈(213)은 '표적 장치'의 아이덴티티, 가입자 정보 등을 코딩된 형태로 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로 송신한다. '확산 스펙트럼 전원'(107)으로부터 '의사 난수 시퀀스' 및 토큰을 수신한다. 또한 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로부터 비콘 신호를 해석하고, 전력을 요청하는지 판단한다. 이러한 기능과 별도로, 또한 공진 전력 충전 동작 동안 토큰을 주기적으로 교환한다. 토큰의 이러한 교환은 연속적 인증을 위한 것이다. 이러한 교환은 '표적 장치'의 이동 환경에 매우 필수적이다.
'소스 주파수 선택기'(215)는 착신 스펙트럼 신호로 동조하기 위해 전력 충전 회로(207)와 상호작용한다. 변경된 메커니즘은 '직접적 시퀀스' 또는 '의사 난수'를 위한 수신된(생성된) "k"를 사용하여 동조하도록 사용된다. '직접적 시퀀스' 또는 '의사 난수' "k"에서 필수적인 것은 에너지를 도출하는 확산 스펙트럼 신호 형태로 공진하도록 '전력 충전 회로'(207)를 동조하도록 사용되는 것이다. '표적 장치 주파수 합성기'(211)는 또한 통신 동작 동안 '통신 모듈'(217)에 의해 통신 채널을 포착하도록(또는 동조하도록) 적용될 수 있다. 채널 주파수는 전력 신호 주파수에 독립적일 수 있다. '통신 모듈'(217)은 코딩/디코딩 회로, 변조/복조 회로 등을 포함하는 통신을 제공하기 위해 요구되는 모든 회로를 포함한다. 일 실시예에서, '통신 모듈'(217)은 통신을 위해 자신의 안테나를 사용할 것이다.
'확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 전력 요청, 전력 중단, 재충전가능 배터리 방전 제어 등과 같은 모든 동작들을 조정한다. '재충전가능 배터리'(209) 전 압이 '저전압 한계' 이하로 떨어질 때, 확산 스펙트럼 전력 관리자는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로 RF 전력 신호를 요청한다. '재충전가능 배터리'(209) 전압이 '고전압 한계'에 도달할 때, 무선 에너지의 전달을 중지하도록 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 요청한다. 이러한 기능과 별도로, '재충전가능 배터리'(209)는 표적 장치(203)를 구동할 때 '재충전가능 배터리'(209)를 방전하며, 이는 일정한 DC 공급 전압을 유지하기 위해 전압 조정기를 구동하는 것을 포함할 수 있다.
도 1 및 2 모두를 참조하면, 확산 스펙트럼 전원(107)은 확산 스펙트럼 교류 전력을 공급하도록 동작가능한 전원을 포함한다. 송신 공진 결합 요소(109)는 비 방사된 자기장(일반적으로 135)에 의한 무선 전력 송신을 위해 송신 요소(103 또는 코일로 도시됨)로 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합한다. 확산 스펙트럼 전원(107)은 확산 스펙트럼 시퀀스에 따라 동적으로 무선 전력 송신(135)을 동조할 수 있다. 확산 스펙트럼 전원은 표적 장치(129, 133, 137, 141, 및/또는 203)에 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하도록 동작가능한 통신 모듈(113)을 포함한다.
일부 실시예에서, 송신 공진 결합 요소는 비 방사된 자기장을 제공하도록 동작가능한 코일이다. 일 동작에서, 송신 공진 결합 요소는 전방향으로 실질적으로 비 방사되는 자기장을 형성한다. 다른 동작에서, 송신 공진 결합 요소는 지향적으로 비방사되는 자기장을 형성한다.
확산 스펙트럼 시퀀스는 일부 동작의 주파수 도약 시퀀스, 및/또는 다른 동작의 위상 도약 시퀀스이다. 통신 모듈은 표적 장치 아이덴티티, 표적 장치 청구 정보, 표적 장치 전력 수신 레벨(들), 및 표적 장치 충전 상태 중 하나 이상을 표적 장치에서 수신하도록 동작할 수 있다. RF 인터페이스는 또한 표적 장치로부터 전력 전달 요청, 및/또는 표적 장치로부터 인증 정보를 수신할 수 있다. 확산 스펙트럼 전원은 의사 난수 시퀀스를 생성하도록 동작가능한 의사 난수 시퀀스 생성기, 및 확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하기 위해 사용되는 전원으로의 주파수 입력을 생성하도록 동작가능한 합성 발진기를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 확산 스펙트럼 전원으로부터 표적 장치로 공진 전력 전달 동안 도 1의 시스템에 의해 수행되는 동작들(301)을 도시한 흐름도이다. 블럭(303)에서 시작하여 '표적 장치'는 블럭(305)에서 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 의해 비콘 신호를 수신한다. '표적 장치'는 비콘 신호를 따른다. 이후에 표적 장치는 다음 블럭(307)에서 RF 전력 전달을 요청한다.
전력이 표적 장치로 전달되기 전에, 표적 장치는 다음 블럭(309)에서 도 1의 확산 스펙트럼 전원(107)으로 인증한다. 블럭(309)에서 표적 장치에 의해 송신된 인증 정보에 응답하여, 도 1의 확산 스펙트럼 전원은 데이터베이스로부터의 아이덴티티를 검증하고, 실제 가입자인 것으로 판명되면 전력을 전달하기로 결정한다. 인증이 부합되면, 블럭(311)에서 도 1의 확산 스펙트럼 전원(107)은 몇몇 초기 정보의 암호화된 형태, 토큰, 및 랜덤 시드를 표적 장치로 송신한다. 이후에 표적 장치는 블럭(313)에서 착신 RF 신호 전력에 동조하고, RF 전력 수신을 시작한다. 배터리 재충전 동작 동안 표적 장치의 정상 기능은 블럭(315)에서 수반되어 수행된다.
블럭(317)에서 표적 장치는 도 2의 표적 장치(203)의 공진 주파수를 도 1의 확산 스펙트럼 전원(107)으로 동기하는 것을 돕는 필수 정보 및 토큰을 주기적으로 교환한다. 중간에 '표적 장치'는 착신 RF 신호 전력의 스펙트럼 추적을 계속하고, 도 2의 '재충전가능 배터리'(209)를 충전하기 위해 DC 전력을 도출한다. 블럭(321)에서 표적 장치는 도 1의 확산 스펙트럼 전원(107)으로 충전 상태, 계량 정보를 주기적으로 송신한다. 블럭(323)에서 충전이 완료되면, 표적 장치는 도 1의 확산 스펙트럼 전원에 RF 신호 전력을 중단할 것을 요청하며, 블럭(325)에서 동작을 종료한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예(401)에 따라 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 직접적 시퀀스 확산 스펙트럼 전원을 도시한 블럭도이다. '확산 스펙트럼 전원'(403)(도 1의 107이 반복됨)은 합성 발진기(409)를 포함한다. 합성 발진기(409)는 도 4에 도시된 것과 같은 시간(405) 대 주파수(407) 특성을 갖는다. 439와 같은 각각의 시간/주파수 슬롯들은 각각의 시간 슬롯 t1, t2, ...tN에서 소정의 주파수를 가질 것이다. t1, t2, t3, 및 tN에서 각각 시간/주파수 슬롯(443), 시간/주파수 슬롯(445), 시간/주파수 슬롯(447), 및 시간/주파수 슬롯(449)에 대응한다. 시간 슬롯 tN 이후에, 시간/주파수 슬롯은 시간 슬롯 t1에서 다시 반복한다.
'주파수 배율 생성기'(411)는 '직접적 시퀀스 생성기'(413) 및 '칩 속도(chip rate) 제어기'(415)를 갖는다. '직접적 시퀀스 생성기'(413)는 직접적 시퀀스 수('k', 전술됨)를 생성하고, 직접적 시퀀스 수는 발진 주파수의 디지털 제어를 위해 합성 발진기(409)로 진행한다. 계수 레이트(count rate)(또는 계수 속도)는 '칩 속도 제어기'(415)에 의해 판단된다. 칩 속도는 일정할 수 있고, 또는 '무선 (양방향) 링크'(419) 상에서 '표적 장치'(421)로 통신되는 가변 속도일 수 있다. '무선 링크'(417, 419)는 RF 신호 전력을 전달하기 위한 빔이다.
'표적 장치'(421) 상에서 칩 속도 정보는 확산 스펙트럼 전원(403)에서 수신된 칩 속도 정보에 의해 판단되는 속도에서 각각 주파수 f1, f2,..., fN을 갖는 시간 슬롯들 t1, t2, ..., tN에서 시작하는 공진 회로를 순간적으로 동조하기 위해 회복된다. 이러한 확산 스펙트럼 동기된 전력 수신은 침입자에게 전력을 소실하게 되는 경우가 더 적어 상대적으로 더 안전하다.
'표적 장치'(421)(도 2의 203의 반복임)는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(423), '표적 장치 주파수 합성기'(427), '통신 모듈'(431), 및 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(437)를 포함한다. '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(423)은 '재충전가능 배터리'(425)의 DC 충전 전압으로 착신 직접적 시퀀스 확산 스펙트럼 RF 전력 신호를 변환하는 '전력 충전 회로'(424)를 더 포함한다.
'표적 장치 주파수 합성기'(427)는 표적 장치(421)로 통신되는 칩 속도에 의해 결정되는 속도에서 '직접적 시퀀스' 수를 생성한다. 직접적 시퀀스 수 ('k')는 '전력 충전 회로'(429)에 공진한다. 본 발명의 다른 실시예에서, '직접적 시퀀스 생성기'(429)는 표적 장치(421)에 통신되는 정보를 사용하여 '직접적 시퀀스 수('k')'를 재생성한다.
'통신 모듈'(431)은 '표적 장치'(421)의 통상의 기능인 송신/수신 동작을 위 해 송수신기 모듈(433)을 갖는다. '인증 토큰 수신기'(435)는 '확산 스펙트럼 전원'(403)에 의해 송신된 토큰의 수신을 수행한다. '확산 스펙트럼 전력 관리자'(437)는 '재충전가능 배터리'(425)의 충전 및 방전 동작을 조정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예(501)에 따른 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 의사 난수 시퀀스 확산 스펙트럼 전원을 도시한 블럭도이다. '확산 스펙트럼 전원'(503)(도 1의 107의 반복임)은 도 5에 도시된 것과 같이 시간(507) 대 주파수(509) 특성을 갖는 합성 발진기(505)를 포함한다. 541과 같은 각 시간/주파수 슬롯들은 시간(507) 축을 따라 표시되는 각 시간 슬롯 t1, t2, ..., tN에서 "k"의 무작위 값들에 의해 결정되는 임의의 무작위 주파수를 가질 것이다. t1에서 시간/주파수 슬롯(543), t2에서 시간/주파수 슬롯(545), t3에서 시간/주파수 슬롯(547), 및 tN에서 시간/주파수 슬롯(549)가 각각 대응한다. 시간 tN 이후에, 시간/주파수 슬롯은 무작위 주파수로 t1에서 다시 반복한다.
'주파수 배율 생성기'(511)는 '의사 난수 코드 생성기'(513) 및 '칩 속도 제어기'(515)를 갖는다. '의사 난수 코드 생성기'(513)는 의사 난수 계수 "k"를 생성하고, 이 의사 난수 계수 값은 합성 발진기(505)로 진행하는 대응하는 RF 신호 주파수를 생성하는 디지털 입력으로서 사용된다. 계수 속도는 '칩 속도 제어기'(515)에 의해 결정된다. 칩 속도는 일정하거나, '무선 (양방향) 링크'(519) 상의 '표적 장치'(521)에 통신되는 가변 속도일 수 있다. '무선 링크'(517 및/또는 519)는 무 선 전력을 표적 장치(521)로 전달하는 무선 빔이다.
'표적 장치'(521)에서 순간적인 동조는 확산 스펙트럼 전원(107) 주파수 변경을 갖고 동시적으로 수행된다. 이는 표적 장치에 전달되는 칩 속도 정보를 수신함으로써 수행된다. 'k' 값 및 이 속도는 착신 확산 스펙트럼 RF 신호 전력으로 회로를 공진하는 확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈(523)에 대한 디지털 입력들이다. RF 전력 전달의 이러한 방법은 도 4를 참조하여 전술된 바와 같이 직접적 시퀀스 확산 스펙트럼 방식과 비교하여 상대적으로 더 안전하다.
'표적 장치'(521)는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(523), '통신 모듈'(527), 및 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(539)를 포함한다. '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(523)은 '재충전가능 배터리'(525)에 대한 DC 충전 전압으로 착신 의사 난수 확산 스펙트럼 RF 신호 전력을 변환하는 '전력 충전 회로'(524)를 더 포함한다.
공진 '전력 충전 회로'(524)에 대한 디지털 입력으로서 사용되는 '의사 난수' 'k'는 '랜덤 시드 수신기'(537) 및 '의사 난수 생성기'(531)를 사용하여 회복된다. '의사 난수 생성기'(531)는 'k'의 값 또는 인증 토큰 중 어느 하나인 의사 난수 시퀀스/수를 재생성한다. '통신 모듈'(527)은 '표적 장치'(521)의 일반 기능인 송신/수신 동작을 위해 송수신기 모듈(533)을 갖는다. '인증 토큰 수신기'(535)는 '확산 스펙트럼 전원'에 의해 송신된 토큰을 수신하는 기능을 수행한다. '확산 스펙트럼 전력 관리자'(539)는 '재충전가능 배터리'(525)의 충전 및 방전 동작을 조정한다.
도 6은 표적 장치의 SIM(Subscriber Identification Module; 가입자 식별 모듈) 카드 기반 인증을 사용하는 본 발명의 일시예들에 따라 구성된 무선 전력 전달을 위한 시스템(601)을 도시한 블럭도이다. '확산 스펙트럼 전원'(603)(도 1의 107의 반복임)은 도 6에 도시된 시간(607) 대 주파수(609) 특성을 갖는 합성 발진기(605)를 포함한다. 657과 같은 각 시간/주파수 슬롯들은 슬롯 각 시간 t1, t2,..., tN에서 무작위 주파수를 가질 것이다. t1에서 시간/주파수 슬롯(649), t2에서 시간/주파수 슬롯(651), t3에서 시간/주파수 슬롯(653), 및 tN에서 시간/주파수 슬롯(655)가 각각 대응한다. 시간 tN 이후에, 시간/주파수 슬롯은 각 슬롯에서 무작위 주파수로 t1에서 다시 반복한다.
'주파수 배율 생성기'(611)는 '의사 난수 코드 생성기'(613), '칩 속도 제어기'(615), 및 '직접적 시퀀스 생성기'(617)를 갖는다. '의사 난수 코드 생성기'(613)는 표적 장치(621)(도 2의 203의 반복임)의 확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈(625)에 의사 난수 디지털 입력 'k'를 회복하기 위해 요구되는 인증 토큰, 또는 의사 난수 시퀀스/수 'k'를 생성한다. 주파수 변경 속도는 '칩 속도 제어기'(615)에 의해 결정된다. '직접적 시퀀스 생성기'(617)는 합성 발진기(605)에 대한 디지털 입력으로서 진행하는 직접적 시퀀스 계수 'k'를 생성한다. 칩 속도는 일정하거나, '무선 링크'(645) 상의 '표적 장치'(621)에 통신되는 가변 속도일 수 있다. '무선 링크'(647)는 '표적 장치'(621)에 RF 신호 전력을 전달하기 위한 무선 빔이다.
'표적 장치'(621)에서, 칩 속도 정보는 칩 속도 정보에 의해 결정되는 속도에서 주파수들 f1, f2,...,fN으로 착신 확산 스펙트럼과 동시에 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 회로'(625)의 순간적인 동조로 회복된다.
'표적 장치'(621)는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(625), '표적 장치 주파수 합성기'(629), '통신 모듈'(635), 및 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(643)를 포함한다. '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(625)은 착신 '직접적 시퀀스' 또는 확산 스펙트럼 RF 신호 전력의 '의사 난수 시퀀스'를 '재충전가능 배터리'(627)의 DC 충전 전압으로 변환하는 '전력 충전 회로'(626)를 더 포함한다.
'표적 장치 주파수 합성기'(629)는 표적 장치(621)에 통신되는 칩 속도에 의해 결정되는 속도에서 '직접적 시퀀스 수', 또는 '의사 난수'를 생성한다. '의사 난수' 또는 '직접적 시퀀스 수'는 확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈(625)이 전력 전달을 최대화하도록 동조하는 디지털 입력으로서 사용된다. '직접적 시퀀스 생성기'(633)는 본 발명의 다른 실시예에서 통신되는 정보를 사용하여 '직접적 시퀀스 수' 'k'를 재생성한다. 의사 난수 코드 생성기(631)는 변수 'k'에 대한 의사 난수, 및 안전한 전력 전달을 위해 요구되는 인증 토큰을 생성한다.
'통신 모듈'(635)은 '표적 장치'(621)의 일반 기능인 송신/수신 동작을 위한 '송수신기 모듈'(637)을 갖는다. SIM 카드(639)는 '확산 스펙트럼 전원'(603)으로 '표적 장치'(621) 인증 기능을 수행한다. SIM 카드(639)는 표적 장치의 사용자의 개인 정보를 포함한다. 이 정보를 제공하여 표적 장치를 직접 인증한다. SIM 카드 정보는 연속적 인증 제공을 위해 확산 스펙트럼 전원(603)으로 주기적으로 통신될 수 있다. '랜덤 시드 수신기'(641)는 생성된 랜덤 시드를 수신하고, 주파수 변경(도약)을 시퀀싱(sequencing)하도록 의사 난수 생성에 요구되는 도 1의 '랜덤 시드 생성기'(125)에 의해 통신된다. '확산 스펙트럼 전력 관리자'(643)는 '재충전가능 배터리'(627)의 충전 및 방전 동작을 조정한다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(703)을 도시한 블럭도이다. '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'(703)은 '전력 충전 회로'(703) 및 '전력 충전 제어기'(719)를 포함한다. '전력 충전 회로'(707)는 공진 안테나 및 동조 코일, 및 캐패시터를 포함한다. 동조는 일 실시예에서, 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로부터의 디지털 입력으로서 '직접적 시퀀스' 코드를 수신하는 것에 의해 자동적으로 달성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 동조 디지털 입력(k)은 도 2의 표적 장치(203)에서 생성된다. 전압 제어 캐패시터들은 동조 회로의 일부분이다. 동조된 회로 출력은 다이오드/캐패시터 전압 배율기로 제공된다. 다이오드/캐패시터 전압 배율기의 출력은 도 2의 '재충전가능 배터리'(209)를 충전한다.
'전력 충전 회로'(719)는 '재충전가능 배터리'(209)의 출력에서 전압의 감지를 수행한다. 미리 설정한 저전압 한계는 '저전압 감지기'(721)에 의해 감지된다. '저전압 한계'를 감지하면, 저전압 감지기(721)는 도 2의 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)에 의해 판독되는 저전압 플래그(flag)를 설정한다. '저전압 플래그'를 판독하면, '확산 스펙트럼 전력 관리자'는 RF 전력 요청을 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 송신한다. 이에 응답하여, '확산 스펙트럼 전원'(107)은 도 2의 '사용자 인증 모듈'(213)에 의해 송신된 가입자 정보를 수신하고, 이후에 RF 신호 전력을 전달한다.
충전 동작 동안, 도 2의 '통신 모듈'(217)은 토큰을 주기적으로 교환하여, 인증한 '표적 장치'(203)에 전력이 전달되는 것을 보장한다. '고 전압 감지기'(723)는 도 2의 '재충전가능 배터리'의 전체 충전을 미리 설정한 고전압 한계를 감지한다. 재충전가능 배터리 전압이 이 한계에 닿으면, '고전압 감지기'(723)는 '고전압 레벨' 플래그를 설정한다. '고전압 레벨' 플래그는 도 2의 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)에 의해 판독된다. 도 2의 확산 스펙트럼 전력 관리자(219)는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로 전력 차단 요청을 발행한다. 이 요청이 있으면, '확산 스펙트럼 전원'(107)은 RF 전력 전달을 중단할 것이다. 이것과는 별도로, '전력 충전 회로'는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'에 통신되는 청구 목적을 위해 전달되는 전력의 계량을 한다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 동작하고 구성된 '확산 스펙트럼 전력 충전 회로'(803)를 도시한 블럭도이다. 확산 스펙트럼 전력 충전 회로(803)는 '전력 충전 공진 회로'(805), 정류기 전압 배율기 회로(807), 전압 조정기(811), 및 '재충전가능 배터리'(813)를 포함한다. '전력 충전 공진 회로'(805)는 안테나 코일, 및 전압 제어 캐패시터를 포함한다. 전압 제어 캐패시터는 (디지털에서 아날로그로 변환 후에) '직접적 시퀀스' 수 또는 '의사 난수 시퀀스 수' 'k'를 사용하여 동조될 수 있다. 'k'의 값은 '직접적 시퀀스 생성기' 또는 '의사 난수 시퀀스 생성기'를 사용하여 표적 장치(203)에서 생성된다. 동조는 개별 채널 주파수를 포착하고, '직접적 시퀀스' 또는 '의사 난수 시퀀스'에서 변경하는 것을 돕는 단계에서 수행된다. 동조 속도는 안전한 전력 전달의 요구되는 레벨을 위한 무작위도(randomness) 및 속도 요구의 사전 지식에 기초하여 도 2의 표적 장치(203) 상에서 수신되고 계산된다.
'정류기 회로 전압 배율기'(807)는 다이오드/캐패시터 배열을 포함한다. 다이오드/캐패시터 배열은 착신 RF 신호 전압을 배율하도록 연결된다. 배율된 전압은 '재충전가능 배터리'(813)(도 2의 209의 반복임)로 제공된다. 배율된 전압은 임계 충전 전압이 다이오드/캐패시터 전압 배율기(807)에서 생성될 때 '재충전가능 배터리'(813) 충전을 시작한다.
전압 조정기는 '표적 장치' 회로의 요구치로 배터리 전압 출력을 상승시키거나 강하할 수 있는 DC-DC 변환기이다. '재충전가능 배터리'(813)가 방전할 때 단말기 전압은 떨어진다. 이는 '전압 조정기'(811) 내부의 스위치의 듀티 사이클(duty cycle)을 조정하는 것에 의해 전압을 일정하게 유지하기 위한 도 2의 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219) 및 '전압 조정기'(811)의 기능이다.
'재충전가능 배터리'(813)는 착신 RF 전력 신호로부터 공진 전력을 저장하는 전력 저장 장치이다. '재충전가능 배터리'(813)는 충전 동안 회로에 전력을 상승시키거나 활성화하는 것을 계속한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공진 전력 충전 동작 동안 도 4, 도5, 및 도 6의 확산 스펙트럼 전력 관리자에 의해 수행되는 동작들(901)을 도시한 흐름도이다. 903에서 시작하는 '확산 스펙트럼 전력 관리자'는 다음 블럭(905)에서 비콘 신호를 듣는다. 비콘 신호는 공진 전력 충전을 제공하는 신호이다. 이 신호는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 의해 발행된다. 도 2의 확산 스펙트럼 전력 관리자(219)는 블럭(907)에서 재충전가능 배터리 전압 레벨 감시를 계속한다. '전력 충전 제어기'(719)에 의해 설정된 저전압 한계 플래그가 감지되면, 재충전가능 배터리(209)가 다음 판단 블럭(909)에서 완전히 방전했는지 나타내는 플래그의 검사를 수행한다.
만일 검사가 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)가 블럭(905)로 되돌아가는 실패라면, 동작을 반복하고, 아니면 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 블럭(913)에서 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)으로부터 전력 전달 방식 상에서 정보를 수신한다. 전력 전달 방식은 본 발명에 기초하는 '직접적 시퀀스 확산 스펙트럼', '의사 난수 확산 스펙트럼', 또는 SIM 카드 인증이다.
전력 전달 방식을 획득한 후에, 확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 다음 블럭(915)에서 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 의해 수신된 모드로 표적 장치(203)를 변경한다.
다음 블럭(917)에서, '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 안전한 전력 수신을 위해 도 1의 확산 스펙트럼 전원(107)에서 인증 및 토큰 정보를 수신한다. 이후에, '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에서 확산 스펙트럼 전력 수신을 시작한다. 전력 수신 프로세스 및 도 2의 '재충전가능 배터리'(209) 충전 동안, '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)과 인증 토큰 정보를 주기적으로 교환하는 도 2의 표적 장치(203)를 수반한다.
충전 프로세스 동안, '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 '재충전가능 배터리'(209) 충전 상태 감시를 계속한다. 다음 판단 블럭(925)에서 '확산 스펙트럼 전력 관리자'(219)는 도 2의 표적 장치(203)가 '재충전가능 배터리'가 충전완료인지 아닌지 검사하도록 한다. 만일 검사가 실패이면, 이전 블럭(919)으로 제어를 전달하고 전력 수신을 계속하며, 아니면 블럭(927)으로 표적 장치(203) 제어를 전달한다. 블럭(927)에서, 도 1의 '확산 스펙트럼 전원'(107)에 대해 전력 전달 중단 요청을 송신한다. 여기에서 표적 장치(203) 제어는 초기 블럭(905)으로 돌아간다.
당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바와 같이 "동작적으로 결합된(operably coupled)" 및 "통신상으로 결합된(communicatively coupled)"은, 여기에서 사용되는 바와 같이, 직접적인 결합 및 다른 성분, 요소, 회로, 또는 모듈을 통한 간접적인 결합을 포함하며, 여기서 간접적인 결합의 경우, 개재 성분, 요소, 회로, 또는 모듈은 어떤 신호의 정보를 변경하지는 않지만, 그것의 전류 레벨, 전압 레벨, 및/또는 전력 레벨을 조정할 수는 있다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있듯이, 추론적 결합(inferred coupling, 즉 어떤 요소가 추론(inference)에 의해 다른 요소에 결합되는 경우)도 "동작적으로 결합된" 및 "통신상으로 결합된"과 동일한 방식으로 두 요소들 사이의 직접적 및 간접적 결합을 포함한다.
본 발명은 또한 특정된 기능들의 수행 및 이들 사이의 관계들을 보여주는 방법 단계들의 도움으로 위에서 설명되었다. 이들 기능적인 빌딩 블록들 및 방법 단계들의 바운더리들 및 시퀀스들(boundaries and sequences)은 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 특정된 기능들 및 관계들이 적절하게 수행되는 한 다른 바운더리들 및 시퀀스들이 정의될 수 있다. 그러한 어떤 다른 바운더리들 및 시퀀스들도 청구 범위에 기재된 발명의 영역 및 사상 내에 포함된다.
본 발명은 몇몇 중요 기능들의 수행을 보여주는 기능적 빌딩 블록들의 도움으로 위에서 설명되었다. 이들 기능적 빌딩 블록들의 바운더리들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 상기 중요 기능들이 적절히 수행되는한, 다른 바운더리들도 정의될 수 있다. 유사하게, 플로우 다이어그램 블록들도 또한 임의의 중요한 기능(functionality)을 나타내기 위해 여기에서 정의되었다. 사용되는 정도까지는, 플로우 다이어그램 블록 바운더리들 및 시퀀스는 다른 식으로 정의될 수 있지만 그렇더라도 여전히 그러한 중요한 기능을 수행한다. 기능적인 빌딩 블록들 및 플로우 다이어그램 블록들 및 시퀀스들의 그러한 다른 정의들은 따라서 청구 범위에 기재된 발명의 영역 및 사상 내에 포함된다.
당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 또한 기능적 빌딩 블록들 및 여기서의 기타 예시적인 블록들, 모듈들 및 성분들은, 예시된 대로 구현되거나 개별 부품들, 주문형 집적 회로(application specific integrate circuits), 적절한 소프트웨어 등을 실행하는 프로세서들 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다.
더욱이, 전술한 실시예들에 의해 명확성과 이해의 목적으로 상세히 설명되었지만, 본 발명은 그러한 실시예들에 한정되지는 않는다. 다양한 변경들 및 개조들이 청구 범위에서의 청구항들에 의해 단지 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에서 실행되어질 수 있다는 것은 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게는 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전달을 위한 복수의 표적 장치에 무선으로 결합된 확산 스펙트럼 전원을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 스펙트럼 전력을 무선으로 수신하는 표적 장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 확산 스펙트럼 전원으로부터 표적 장치로 공진 전력 전달 동안 도 1의 시스템에 의해 수행되는 동작들을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 직접적 시퀀스 확산 스펙트럼 전원을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 의사 난수 시퀀스 확산 스펙트럼 전원을 도시한 블럭도이다.
도 6은 표적 장치의 SIM 카드 기반 인증을 사용하는 본 발명의 일시예들에 따라 구성된 무선 전력 전달을 위한 시스템을 도시한 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 '확산 스펙트럼 공진 전력 충전 모듈'을 도시한 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 동작하고 구성된 '확산 스펙트럼 전력 충전 회로'를 도시한 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공진 전력 충전 동작 동안 도 4, 도5, 및 도 6의 확산 스펙트럼 전력 관리자에 의해 수행되는 동작들을 도시한 흐름도이다.

Claims (10)

  1. 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 확산 스펙트럼(spread spectrum) 전력 전달 시스템에 있어서,
    확산 스펙트럼 전원, 및
    상기 확산 스펙트럼 전원에 결합된 통신 모듈을 포함하고,
    상기 확산 스펙트럼 전원은,
    확산 스펙트럼 교류 전력을 제공하도록 동작가능한 전원; 및
    비방사되는(non-radiated) 자기장에 의한 무선 전력 전송을 위해, 송신 구성요소로 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합(couple)하도록 동작가능한 송신 공진(resonant) 결합 구성요소를 포함하고,
    상기 확산 스펙트럼 전원은 확산 스펙트럼 시퀀스(sequence)에 따라 상기 무선 전력 전송을 동적으로 동조(tuning)할 수 있고,
    상기 통신 모듈은 상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하도록 동작가능한 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 공진 결합 구성요소는 상기 비방사되는 자기장을 제공하도록 동작가능한 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 공진 결합 구성요소는 전방향으로 비방사되는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신 공진 결합 구성요소는 지향적으로(directionally) 비방사되는 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 주파수 도약(hopping) 시퀀스를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 확산 스펙트럼 시퀀스는 위상 도약 시퀀스를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 모듈은 RF(Radio Frequency; 라디오 주파수) 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 스펙트럼 전력 전달 시스템.
  8. 표적 장치에 무선으로 전력을 전달하는 방법에 있어서,
    확산 스펙트럼 시퀀스(spread spectrum sequence)를 생성하는 단계;
    상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 기초하여 확산 스펙트럼 교류 전력을 생성하는 단계;
    비방사되는(non-radiated) 자기장에 의한 무선 전력 전송을 위해, 송신 요소에 상기 확산 스펙트럼 교류 전력을 결합하는 단계;
    상기 확산 스펙트럼 시퀀스에 따라 상기 무선 전력 전송을 동적으로 동조(tuning)하는 단계; 및
    상기 표적 장치로 상기 확산 스펙트럼 시퀀스를 통신하는 단계를 포함하는 무선으로 전력을 전달하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    전방향으로 상기 비방사되는 자기장을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선으로 전력을 전달하는 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 비방사되는 자기장을 지향적으로(directionally) 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선으로 전력을 전달하는 방법.
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