KR101411826B1 - 무급전 안테나를 사용한 무선 전력 범위 증가 - Google Patents

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KR101411826B1
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Abstract

제 1 안테나의 영역에서 자기장을 생성하기 위해 자기 공진기의 일부인 제 1 안테나를 사용하여 무선 전력 전송이 생성된다. 하나 이상의 무급전 안테나가, 전력이 더욱 효율적으로 수신되는 로컬 영역을 생성하기 위해 전력을 중계한다.

Description

무급전 안테나를 사용한 무선 전력 범위 증가{WIRELESS POWER RANGE INCREASE USING PARASITIC ANTENNAS}
본 출원은, 그 개시물의 전체 내용이 참조로 여기에 통합되는 2007년 11월 28일 출원된 가출원 번호 60/990,908 호로부터의 우선권을 주장한다.
이전의 출원들은 자기 기계적 시스템을 설명하였다. Nigel Power LLC 에 의한 이전의 출원들은, 실질적으로 비변조된 반송파로 자기 신호를 전송하는 송신기를 사용하는 무선 전력공급 및/또는 충전 시스템을 설명하였다. 수신기가 송신기의 방사 필드로부터 에너지를 추출한다. 추출된 에너지는 정류될 수 있고 부하에 전력을 공급하거나 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
이전의 출원들은 커플링된 자기 공진을 사용하는 전기 에너지의 비방사 전송을 설명한다. 비방사는, 수신 및 송신 안테나 양자가 파장에 비하여 "소형" 이어서, 헤르츠파에 대하여 낮은 방사 효율을 갖는다는 것을 의미할 수도 있다. 송신 공진기와 수신 공진기 사이에서 높은 효율이 획득될 수 있다.
본 출원은, 이러한 전력 송신이 무급전 안테나를 사용하여 발생할 수 있는 범위를 확장하는 것을 설명한다.
다른 양태는, 무급전 안테나의 튜닝을 설명한다.
도 1 은 메인 및 무급전 송신 안테나 양자를 사용하는 무선 전력 송신의 블록도를 도시한다.
도 2 는 실내의 에지 주위의 안테나를 도시한다.
도 3 은 문과 창문을 도는 실내의 상이한 레벨에서의 안테나를 도시한다.
도 4 는 무급전 안테나에 대한 매칭 회로를 도시한다.
도 5 는 필드 강도 분포를 도시한다.
도 6 은 무급전 안테나를 도시한다.
도 7 은 커패시터를 스위칭하는 개략도를 도시한다.
도 8 은 필드 강도를 도시한다.
도 9 는 가변 영역 안테나를 도시한다.
도 10 은 커플링 루프 및 안테나를 도시한다.
도 11 은 디튜닝 대 커플링 팩터를 도시한다.
도 12a 및 도 12b 는 전송 효율을 도시한다.
비방사 에너지 전송의 고전 원리는 패러데이의 유도 법칙에 기초한다. 송신기는 1차 코일 (primary) 을 형성하며 수신기는 송신 거리 만큼 분리된 2차 코일 (secondary) 을 형성한다. 1차 코일은 교번 자기장을 생성하는 송신 안테나를 나타낸다. 2차 코일은 패러데이의 유도 법칙을 사용하여 교번 자기장으로부터 전력을 추출하는 수신 안테나를 나타낸다.
Figure 112012088505238-pat00001
여기서,
Figure 112012088505238-pat00002
는 교번 자기장에 의해 생성된 전기장의 컬 (curl) 을 나타낸다.
그러나, 발명자들은 1차 코일과 2차 코일 사이에 존재하는 약한 커플링이 표유 인덕턴스 (stray inductance) 로서 고려될 수도 있다는 것을 인식한다. 차례로, 이러한 표유 인덕턴스는 그 자체가 1차 코일과 2차 코일 사이의 에너지 전송을 방해할 수도 있는 리액턴스를 증가시킨다.
이러한 종류의 약하게 커플링된 시스템의 전송 효율은, 동작 주파수의 정반대의 리액턴스에 튜닝되는 커패시터를 사용함으로써 개선될 수 있다. 시스템이 이러한 방식으로 튜닝될 때, 시스템은 동작 주파수에서 공진하는 보상된 변압기가 된다. 그 후, 전력 전송 효율만이 1차 코일과 2차 코일에서의 손실 만큼 제한된다. 이들 손실은 그들의 품질 또는 Q 팩터에 의해 자체 정의된다.
또한, 표유 인덕턴스의 보상은 전력 전송을 최대화시키기 위한 소스 및 부하 임피던스 매칭의 일부로서 고려될 수도 있다. 따라서, 이러한 방식의 임피던스 매칭은 전력 전송의 양을 증가시킬 수 있다.
현재의 실시형태에 따르면, 실내 어디에나 위치될 수 있는 무선 전력공급 디바이스에 전력을 공급하는 기술이 설명된다. 실시형태는 전체 실내에 전력공급하며, 수신기의 정확한 위치에 관계없이 실내 어디에서나 수신기에 대한 전력을 제공한다.
여기에 개시된 바와 같은 기술은 소위 ISM 대역인 135 kHz 의 주파수에서 동작한다. 그러나, 다른 기술이 다른 주파수에서 동작할 수도 있다. 예를 들어, 다른 실시형태는 13.56 MHz 의 주파수에서 동작할 수도 있다.
실시형태는, 무선 전력의 범위를 확장하기 위해, 여기에서 무급전 안테나라 칭하는 수동 중계기를 사용한다. 전력은 무선 송신기로부터 범위내의 모든 무급전 안테나로 전송된다. 이들 무급전 안테나는 최대 전력의 영역을 생성하는 튜닝된 공진기를 형성한다. 무선 전력 수신기는 무급전 안테나의 범위에 있다.
도 1 은 블록도를 예시한다. "장거리" 실내 안테나 (100) 에는 자기 주파수 생성기 (105) 및 증폭기 (110) 에 의해 자기력이 공급될 수도 있다. 자기 주파수 생성기 (105) 는 안테나 (100) 와 공진하는 주파수를 갖는 출력을 생성할 수도 있다. 안테나 (100) 는 도시된 바와 같은 유도성 루프, 및 개별 커패시터 (102) 로 형성된다. 다른 실시형태에서, 루프 (101) 의 셀프 커패시턴스가 커패시터로서 기능할 수도 있다. 루프 및 커패시터의 LC 상수는 생성기 및 증폭기에 의해 생성된 주파수와 실질적으로 공진한다.
이것은 안테나 (100) 근처에 자기장 영역을 생성한다. 실시형태에서, 안테나 (100) 는 실내의 주변을 횡단할 수도 있다. 그러나, 안테나 (100) 가 루프 외부에서 생성하는 만큼 많은 루프 안테나 내부에서 신호를 생성하기 때문에, 실내의 중심에 더욱 가깝게 안테나를 배치하는 것이 더욱 효율적일 수도 있다. 따라서, 일 실시형태는 예를 들어, 바닥에, 또는 테이블의 에지를 따라 안테나를 배치할 수도 있다. 도면부호 125 와 같은 임의의 수신기가 실내 안테나 (100) 로부터 직접 전력을 수신할 수 있고 안테나 (120) 로부터 재방사된 전력을 또한 수신할 수 있다.
무급전 안테나 (120) 는 안테나 (100) 로부터 자기장 전력을 수신하고 도면부호 120 에 근접한 영역에 재방사한다. 수신기 (125) 는 자기력의 수신기일 수도 있다.
도면부호 126, 127 로서 도시된 다른 수신기가 동일한 방식으로 전력을 또한 수신할 수 있으며, 메인 안테나 (100) 로부터 전력의 일부 또는 전부, 및 다른 무급전 안테나 (130) 에 의해 재방사된 전력의 일부를 수신한다. 다른 방법으로는, 그리고 이러한 실시형태에서, 수신기 (126 및 127) 가 무급전 안테나 (130) 로부터만 전력을 수신한다는 것이 도시되어 있다. 또 다른 수신기 (128) 는 무급전 안테나 근처에 있지 않고, 따라서 메인 안테나 (100) 로부터만 자기적으로 송신된 전력을 수신한다.
루프 안테나는 자기장에 관하여 동일한 배향을 모두 가질 수도 있거나, 자기장에 관하여 상이한 배향을 각각 가질 수도 있다.
전력을 중계하기 위한 수신기 안테나의 능력은, 수신기 안테나와 실내 안테나 사이의 커플링에 주로 의존할 수도 있다. 차례로, 이러한 커플링은 수신기 안테나와 실내 안테나 사이의 면적비를 포함하는 다수의 팩터에 의존한다. 그러나, 수신기 안테나는 그것을 통합하는 휴대용 디바이스의 크기에 의해 크기에서 제한될 수도 있다. 무급전 안테나는 필요한 경우에 이들이 전력을 수신하고 재송신할 수 있게 하기 위해 충분히 큰 면적을 가질 수 있다.
다른 중요한 특징은 안테나의 품질 팩터이다. 무급전 안테나는 은닉될 수 있고 임의의 크기일 수 있기 때문에 더 높은 Q 팩터를 가질 수 있다.
일반적으로, 낮은-주파수를 사용하는 실시형태는 높은 주파수에서 사용된 것 보다 많은 인덕터 수를 사용할 수도 있다. 일 실시형태는 안테나 (100) 및 무급전 안테나의 일부로서 안테나 재료에 대해 다중 턴을 사용할 수도 있다. 일 실시형태는, 증가된 턴 횟수에 의해 야기된 증가된 옴 손실을 보상하기 위해 "리츠 와이어 (Litz wire)" 와 같은 연선 (stranded wire) 을 사용할 수도 있다. 옴 손실은 낮은 저항 선을 사용하여 감소될 수 있다.
리츠 와이어는 특수한 종류의 연선이고, 여기서 1 가닥 각각이 다른 가닥으로부터 전기적으로 절연된다. 리츠 와이어는 와이어의 유효 단면적을 증가시킴으로써, 표피 및 근접 효과를 부분적으로 보상한다.
더욱 일반적으로는, 실시형태는 와이어의 실제 단면적을 증가시키지 않고 안테나에 대해 사용된 와이어의 유효 단면적을 증가시키는 임의의 재료를 사용할 수도 있다.
다음은 종래의 와이어와 리츠 와이어 사이의 차이점을 예시한다.
Figure 112012088505238-pat00003
계산 및 시뮬레이션에 기초하여, 출원인은, 리츠 와이어의 AC 저항이 동일한 것을 갖는 비교가능한 종래의 와이어의 AC 저항 보다 약 50-80% 낮다는 것을 발견하였다.
결과로서 생기는 안테나의 인덕턴스는, 안테나의 동작 효율에서 매우 중요한 팩터일 수도 있다. 인덕턴스는,
Figure 112012088505238-pat00004
로서 표현될 수 있다.
팩터
Figure 112012088505238-pat00005
는 안테나의 형상에 의존한다. 직사각형 안테나에 대해,
Figure 112012088505238-pat00006
는,
Figure 112012088505238-pat00007
에 의해 제공된다.
원형 안테나에 대해,
Figure 112012088505238-pat00008
는
Figure 112012088505238-pat00009
에 의해 제공된다.
루프 안테나의 방사 저항은,
Figure 112012088505238-pat00010
에 의해 제공된다.
또한, 액티브 안테나의 특징은 이들 공식을 사용하여 계산될 수 있다. 이러한 안테나의 총 저항은 옴 손실 (RAC), 방사 저항 (Rrad) 및 매체 손실 저항 (Rmed) 에 의해 형성된다.
매체 손실 저항은 안테나가 설치되는 실내로부터의 손실을 모델링한다. 실내의 금속 부품이 매체와 같이 작용한다. 이러한 매체는 그것의 복소 투자율에 따라 정의될 수 있다.
Figure 112012088505238-pat00011
이에 기초하여, 매체 손실 저항은,
Figure 112012088505238-pat00012
로서 정의되고,
여기서,
Figure 112012088505238-pat00013
은 예를 들어,
Figure 112012088505238-pat00014
와 같은 매체의 상대적 투자율로서 측정될 수 있다.
이러한 값은 상이한 실내에 대해 변화할 수도 있으며, 여기서 각 실내는 그 자체의 매체들을 정의한다.
도 2 는 장거리 안테나라 또한 불리는 실내 안테나를 예시한다. 이러한 안테나는 그 사이즈에 의해 장거리일 수도 있다. 이러한 타입의 더 큰 안테나가 자기력을 수신자에게 커플링하는 더 양호한 능력을 갖는다. 실시형태는 대략 12m×5.5m 의 사이즈를 갖는 특수한 테스트 실내를 사용한다. 안테나는, 아이템이 위치되는 테이블의 높이에 탑재될 수 있지만 또한 바닥상에 위치될 수 있고, 여기서 더욱 용이하게 은닉될 수 있다.
일 실시형태는 RG 213 U 동축 케이블로 테스트 안테나를 만든다. 이러한 동축 케이블의 외부 도체만이 사용된다. 이러한 실시형태에서, 안테나가 크기 때문에, 셀프 커패시턴스 시스템이 사용될 수 있다.
도 2 의 실시형태는 실내의 완전한 주변부를 둘러싸는 그라운드에 대해 4개의 턴을 사용한다. 측정된 값은,
Figure 112012088505238-pat00015
이었다.
다른 실시형태는 상이한 값을 가질 수도 있다. 이러한 실시형태에서, Q 는 실내의 특성으로 인해 예상 보다 낮았다.
이러한 매체에서 사실상 1회 턴 안테나가 다중 턴 안테나와 동일한 성능을 제공한다는 것을 실험에 의해 발견하였다. 예를 들어, 상이한 높이에 대한 상이한 파라미터가 유사한 값을 생성하였다.
Figure 112012088505238-pat00016
안테나는 또한, 약 1 m 만큼 벽으로부터 제거될 수 있으며, 그라운드로부터 상이한 높이에 배치될 수 있다. 다음은 벽으로부터 1 m 만큼 이격된 안테나에 대한 결과를 도시한다.
Figure 112012088505238-pat00017
도 3 에 도시된 다른 실시형태는, 어떤 양 만큼 그라운드로부터 리프트되며, 영역 (305, 310) 에서 또한 리프트되어 문과 창문 주위를 도는 안테나를 포함한다. 이러한 안테나에 대한 측정된 값은 다음과 같다.
Figure 112012088505238-pat00018
장거리 안테나 (100) 는 높은 전력을 반송할 수도 있다. LC 값 및 50 옴 매칭을 제공하는 안테나용 회로가 도 4 에 도시되어 있다. 실시형태에 따르면, 특수한 커패시터 뱅크 및 커플링 변압기가 안테나에 대해 사용된다. 이러한 디바이스의 값은,
Figure 112012088505238-pat00019
일 수도 있다.
실시형태에서, 안테나는 대략 150W 의 전력 레이팅을 반송할 수도 있다. 그러나, 이러한 전력 레이팅에 근접한 전력 레벨에서, 커패시터 뱅크는 12 암페어의 전류, 총 400V 의 전압을 반송한다. 이것은 4.8 kVA 의 리액티브 전압에 대응한다.
따라서, 실시형태에서, 커패시터 뱅크는 변압기의 2차측상에 제공된다. 변압기의 1차측상에 커패시터 뱅크를 배치하는 것은, 리액티브 전압이 변압기를 통과하여 인덕턴스와 커패시턴스 사이에서 오실레이션하는 것을 요구한다. 이것은 변압기 사이즈를 증가시킨다.
다수의 실내는 다수의 금속 오브젝트를 포함하여서, 고유 손실이 있다. 안테나는 또한 합리적으로 큰 사이즈를 갖도록 의도된다. 따라서, 이러한 시스템의 특징은 사람의 접근 및 이동으로부터 본질적으로 영향을 받지 않는다. 본질적으로, 이것은 어떤 사람에 의해 커버된 영역이 통상적으로 작아서, 예를 들어, 안테나의 영역의 10% 보다 작기 때문이다. 이들 고유 특성으로 인해 이러한 안테나의 튜닝은 통상적으로 필요하지 않다.
실시형태의 동작에서, 장거리 안테나의 고정 설치는 약 60W 의 송신 전력을 생성하는 전체 테스트 실내 전체에 자기장을 생성한다. 측정될 때의 실제 결과를 도 5 에 도시한다. 이러한 3-차원 그래프는, 문 주위의 케이블 루프로 인한 벽을 따른 및 피크 포인트에서의 피크를 도시한다. 또한, 필드 강도는 뒷벽을 향해 증가하고, 이것은 뒷벽이 다른 벽들과 비교하여 테스트 실내에서 적은 금속 부분을 갖기 때문이다. 필드 강도는 이중창 창문의 금속 프레임으로 인해 창문측에서 감소된다.
일 실시형태는 예를 들어, 더 많은 신호를 필요로 하거나 단지 일반적인 실내의 영역에서 특정한 벽을 따라 안테나의 루프를 배치함으로써 이러한 효과를 활용할 수도 있다.
안테나 루프의 적절한 설계는, 이들 핫스폿을 최소화시킬 수도 있거나 이들 핫스폿에 대한 보충 안테나를 제공할 수도 있다. 실내의 중심부에서, 필드 강도는 종종 거의 일정하다.
전력은 송신 전력의 제곱근에 따라 스케일한다. 따라서, 송신 전력을 2배하는 것은, 실내에서의 전력 밀도를
Figure 112012088505238-pat00020
만큼 증가시킬 수도 있다.
또한, 실내에서의 자기장이 측정되며, 송신 전력의 60 와트에서의 모든 포인트에서 안전 한계내에 유지된다.
도 6 은 실시형태에 따라 사용된 무급전 안테나를 예시한다. 제 1 실시형태는 120×0.1 mm 직경의 고주파수 리츠 와이어로 형성된 14 턴 루프 (600) 를 사용한다. 루프의 인덕턴스는 턴 바이 턴 (turn-by-turn) 간격을 포함하는 다수의 팩터에 의해 영향을 받고, 여기서, 턴들 사이의 더 작은 간격이 더 높은 인덕턴스 및 그에 따른 더 높은 품질 팩터를 발생시킨다.
실시형태에서, 턴은 정확한 위치를 보장하기 위해 핫 글루 (hot glue) 로 채워진다. 가이드가 또한 사용될 수도 있다. 턴-턴 간격에 대한 하한은 안테나의 필요한 내전압 (withstanding voltage) 이다. 예를 들어, 20W 에서, 1K 리액티브 전압이 존재할 수도 있고, 이것은 75V 의 턴-턴 전압을 초래한다. 도 6 에 도시된 안테나는 메인 루프 (600) 에 접속되지 않은 단일 턴 "커플링 루프" (606) 및 인덕턴스를 형성하는 14 턴 루프 (600) 를 포함한다. 도 6 은 사진 프레임으로 구성된 안테나를 도시한다.
무급전 안테나의 커패시턴스는 벌크 커패시턴스 (600) 및 가변 커패시턴스로 형성된다. 이러한 실시형태에서의 가변 커패시턴스는 커패시터 뱅크 (603) 의 스위칭을 제어하는 스텝 스위치 (604) 로 형성된다.
도 7 은 무급전 안테나를 튜닝하기 위해 사용될 수 있는 커패시터 뱅크를 예시한다. 벌크 커패시턴스 (602) 는 다중 접촉 스위치 (700) 를 통해 접속된 튜닝가능 커패시턴스 (603) 와 병렬일 수도 있다. 스위치 위치 1 은 여분의 커패시턴스 (extra capacitance) 가 없으며, 벌크 커패시턴스만을 제공한다. 실시형태에 따르면, 이것은 137 kHz 의 공진 주파수를 제공한다. 다른 스위치 위치를 변경함으로써 커패시터 뱅크와 병렬인 더 많은 커패시턴스가 추가될 수 있다. 위치 2 는 예를 들어, 90 pF 를 제공하며, 위치 3 은 160 pF 를 제공한다. 135 kHz 공진 주파수가 위치 3 에서 실현된다. 위치 6 (330pF) 은 주파수를 132 kHz 에 튜닝할 수도 있다.
안테나는 인접한 금속 오브젝트에 의해 디튜닝될 수도 있으며, 주파수 시프트는 더 많은 커패시턴스를 추가함으로써 정정될 수 있다. 추가의 커패시턴스는 공진 회로의 LC 비율이 낮아질 때 품질 팩터를 낮출 수도 있다.
안테나의 생성된 자기장 내부의 각 금속 오브젝트는 안테나의 총 인덕턴스의 일부를 보상하여, 안테나의 공진 주파수의 상승을 발생시킨다. 안테나는 실질적인 자기장을 갖지 않는다. 따라서, 유전체 재료의 존재는 안테나에 대한 매우 작은 영향을 갖는다. 따라서, 실시형태 타입의 저주파수 안테나는 디튜닝 효과로 인해 상향 시프트하는 공진 주파수를 갖는다. 따라서, 본 시스템에 따른 튜닝 보상 시스템은 비대칭 튜닝 범위를 제공하기 위해 공진을 항상 풀 다운 (pull down) 할 수도 있다.
실시형태의 무급전 안테나는 다음의 특징을 갖는다.
Figure 112012088505238-pat00021
다른 실시형태는 전체 커패시턴스를 증가시키기 위해 함께 추가하는 다중의 작은 커패시터를 사용할 수도 있다.
또 다른 실시형태는 커패시턴스를 변화시키기 위해 반도체 스위치 또는 계전기를 사용할 수도 있다.
다른 보상 시스템이 도 8 에 도시되어 있다. 이것은 무급전 안테나 (600) 의 필드내의 단락 회로 루프부 (800) 를 제공한다. 이것은 H 필드의 부분이 보상되게 하여서, 무급전 안테나의 인덕턴스를 낮춘다. 더 낮은 인덕턴스는 일정한 커패시턴스를 갖는 공진 주파수를 발생시킨다. 따라서, 이 기술은 또한 안테나의 공진 주파수를 튜닝하기 위해 사용될 수 있다. 공진 주파수의 보상량은 메인 송신 안테나 (600) 의 면적과 보상 안테나 (800) 의 면적 사이의 비율에 의존한다. 단락 회로 루프의 면적은 영향의 양을 정의하며, 여기서, 더 작은 루프가 더 큰 루프 보다 작은 영향을 갖는다.
이 기술의 생각할 수 있는 결점은, 단락 회로 루프가 무급전 안테나의 전체 Q 팩터를 낮춘다는 것이다.
다른 실시형태는 면적에서 기계적으로 변경가능한 단락 회로 루프를 구현할 수도 있다. 도 9 는 루프가 그 특징을 이동시킬 능력에 의해 가변 면적을 갖는 실시형태를 예시한다. 도 9 의 루프는 구리 도금 바를 갖는 삼각형 루프이다. 제 1 바 (902) 및 제 2 바 (904) 는 도면부호 903 과 같은 중앙 회전가능한 커플링을 통해 함께 접속된다. 바 (902, 904) 는 또한, 이동가능한 부분 (906, 907) 을 통해 함께 접속된다. 이 부분 (906, 907) 은 서로에 대하여 변화될 수 있으며, 부분 (910, 911, 912) 상에서 피벗될 수 있다. 스프링 (915) 이 안테나의 접음 (folding) 및 펼침 (unfolding) 을 보조할 수도 있다. 실시형태에서, 메인 바 (902, 904) 는 길이 X 이며, 접음 바 (906, 907) 는 길이 X/2 이다. 삼각형은 삼각형의 상부 코너를 당김으로써 변형된다. 그러나, 당김력이 적게 얻어질 때, 스프링 (915) 은 삼각형을 폐쇄하고 작은 면적을 구성한다.
또한, 직사각형 및 사다리꼴을 포함하는 다른 형상이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
수신기 안테나가 도 10 에 예시되어 있다. 이 실시형태에 따르면, 수신기 안테나는 고주파수 리츠 와이어의 70 턴 루프로 형성될 수 있다. 수신기 안테나 (1000) 는 각 층상에서 14 턴을 갖는 5개 층에서 감긴 턴을 가질 수 있다. 이것은 본질적으로, 와이어의 스택 (1002) 이 이동 디바이스의 에지 주위에 통합될 수 있는 둘레를 정의하는 직사각형 프로파일을 형성할 수 있다. 안테나 파라미터는 다음과 같다.
Figure 112012088505238-pat00022
이러한 시스템은 또한, 수신 안테나로부터 전체적으로 분리된 커플링 루프를 사용할 수 있다. 커플링 루프는 예를 들어, 3 턴 루프 (1005) 일 수 있다.
안테나 디튜닝은, 안테나들 사이의 커플링이 증가하고 안테나가 서로의 인덕턴스에 영향을 미치기 시작하여 공진 주파수에 영향을 미칠 때 발생할 수도 있다. 이것은 안테나의 강한 디튜닝을 초래한다. 따라서, 무선 수신기가 무급전 안테나에 너무 가까워질 때, 디튜닝이 발생할 수 있다. 시뮬레이션 및 측정은 2개의 안테나 사이의 전력 전송에 대한 커플링 팩터의 영향을 나타내는 도 11 의 그래프를 생성한다.
안테나들 사이의 조정가능한 커플링이 이러한 튜닝을 회피하기 위해 사용될 수도 있다. 다중 탭이 안테나 턴에 추가될 수 있으며 커플링 루프로서 사용될 수 있다. 커플링의 강도는 탭들 사이에서 스위칭함으로써 변경될 수 있다.
시스템 효율은 시스템이 수신기에 전력을 얼마나 전송하는지를 정의한다. 시스템 효율은 장거리 안테나와 무급전 루프 사이의 전송 효율, 장거리 안테나와 수신기 사이의 전송 효율 및 장거리 안테나와 무급전 루프와 수신기 사이의 전송 효율에 의해 정의된다.
여기에 설명된 특정한 테스트 셋업에 대한 예시적인 결과가 도 12a 및 도 12b 에 도시되어 있다. 도 12a 는 단일 홉 (hop) 전송 효율을 도시하고, 도 12b 는 이중 홉 전송 효율을 도시한다.
상기 제공된 측정은, 무급전 안테나의 사용이 실내 경계로 인하여 발생하는 손실을 보상할 수 있다는 것을 확인한다. 무급전 안테나는 기존의 재료의 더 양호한 사용을 허용한다. 또한, 이들은 무급전 안테나를 사용하는 60W 의 송신 전력에서 실내에서의 임의의 포인트에서 충족될 수 있는 130 kHz 에서의 미터 당 125.4 암페어의 IEEE 및 NATO 정의 노출 한계내에 유지될 수 있다.
일부 실시형태들만 상세히 개시하였지만, 다른 실시형태들이 가능하며, 본 발명자들은 이들을 본 명세서내에 포함되는 것으로 의도한다. 본 명세서는 다른 방식으로 달성될 수도 있는 더욱 일반적인 목적을 달성하기 위한 특정한 예들을 설명한다. 본 개시물은 예시적인 것으로 의도되며, 청구범위는 당업자에게 예측가능할 수도 있는 임의의 변형물 또는 변경물을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 다른 사이즈, 재료 및 접속이 사용될 수 있다. 다른 구조가 자기장을 수신하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 전기장이 프라이머리 커플링 메카니즘으로서 자기장 대신에 사용될 수 있다. 다른 종류의 자석 및 다른 형상의 어레이가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명자들은, 단어 "위한 수단" 을 사용하는 청구범위만이 35 USC 112, 6 절하에서 해석되는 것으로 의도된다는 것을 의도한다. 또한, 제한이 청구범위에 명백하게 포함되지 않으면, 임의의 청구범위로 판독되도록 의도되는 명세서로부터의 제한은 없다.
본 명세서에서 특정한 수치값이 언급된 곳에서, 이 값은 20% 만큼 증가 또는 감소될 수도 있으며, 어떤 다른 범위가 구체적으로 언급되지 않으면 본 출원의 교시내에 여전히 유지된다는 것을 고려해야 한다. 특정한 논리적 개념이 사용된 곳에서, 반대의 논리적 개념이 또한 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 전송 시스템으로서,
    무급전 안테나; 및
    상기 무급전 안테나에 접속되는 튜닝 보상 시스템을 포함하고,
    상기 튜닝 보상 시스템은 단락된 (short circuited) 루프로 형성되며, 상기 단락된 루프의 영역은 상기 무급전 안테나의 공진 주파수를 수정하도록 변경가능한, 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 보상 시스템은 제 1 영역을 정의하도록 구성되고, 상기 제 1 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 1 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되며, 상기 튜닝 보상 시스템은 제 2 영역을 정의하도록 구성되고, 상기 제 2 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 2 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되는, 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무급전 안테나는 캐패시턴스와 연결된 인덕턴스를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 튜닝 보상 시스템은 상기 인덕턴스에 걸친 적어도 2개의 상이한 단락된 영역들을 정의하는, 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 무급전 안테나에 접속되는, 무선으로 전력을 수신하는 회로를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 무급전 안테나에 접속되는, 무선으로 전력을 송신하는 회로를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  7. 무선 전력 전송 방법으로서,
    공진 주파수에서 무급전 안테나에 있어 무선 전력을 수신하는 단계; 및
    상기 무급전 안테나의 상기 공진 주파수를 증가시키기 위하여 상기 무급전 안테나를 튜닝하는 단계를 포함하고,
    상기 튜닝하는 단계는, 단락된 (short circuited) 루프를 수정하는 단계로서, 상기 단락된 루프의 영역은 상기 무급전 안테나의 공진 주파수를 수정하도록 변경가능한, 상기 수정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 튜닝하는 단계는 제 1 영역을 정의하기 위해 상기 단락된 루프를 제어하고, 상기 제 1 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 1 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되고, 상기 튜닝하는 단계는 상기 제 1 영역을 제 2 영역으로 변경시키고, 상기 제 2 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 2 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되는, 무선 전력 전송 방법.
  10. 무선 전력 전송 방법으로서,
    공진 주파수에서 무급전 안테나에 있어 무선 전력을 송신하는 단계; 및
    상기 무급전 안테나의 상기 공진 주파수를 증가시키기 위하여 상기 무급전 안테나를 튜닝하는 단계를 포함하고,
    상기 튜닝하는 단계는, 단락된 (short circuited) 루프를 수정하는 단계로서, 상기 단락된 루프의 영역은 상기 무급전 안테나의 공진 주파수를 수정하도록 변경가능한, 상기 수정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 튜닝하는 단계는 제 1 영역을 정의하기 위해 상기 단락된 루프를 제어하고, 상기 제 1 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 1 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되고, 상기 튜닝하는 단계는 상기 제 1 영역을 제 2 영역으로 변경시키고, 상기 제 2 영역은 상기 무급전 안테나에서 제 2 공진 주파수로 셋팅하도록 구성되는, 무선 전력 전송 방법.
  13. 무선 전력 전송 시스템으로서,
    공진 주파수에서 무선 전력을 전송하는 수단; 및
    상기 전송하는 수단의 상기 공진 주파수를 수정하는 수단을 포함하고,
    상기 수정하는 수단은, 단락된 루프의 영역을 변경하기 위한 수단을 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송하는 수단은 무급전 안테나를 포함하고, 상기 수정하는 수단은 튜닝 보상 시스템을 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 수정하는 수단은 제 1 영역을 정의하는 수단을 포함하고, 상기 제 1 영역은 상기 전송하는 수단에서의 제 1 공진 주파수를 셋팅하도록 구성되며, 상기 수정하는 수단은 제 2 영역을 정의하는 수단을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 전송하는 수단에서의 제 2 공진 주파수를 셋팅하도록 구성되는, 무선 전력 전송 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송하는 수단은 캐패시턴스와 연결된 인덕턴스를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전송하는 수단은, 상기 인덕턴스에 걸친 적어도 2개의 상이한 단락된 영역들을 정의하는 수단을 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송하는 수단에 접속되는, 무선으로 전력을 수신하는 수단을 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 무선으로 전력을 수신하는 수단은 회로를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송하는 수단에 접속되는, 무선으로 전력을 송신하는 수단을 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 무선으로 전력을 송신하는 수단은 회로를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
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