KR101646305B1 - 무선 전력 전송을 위한 기생 디바이스들 - Google Patents

무선 전력 전송을 위한 기생 디바이스들 Download PDF

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Abstract

예시적인 실시형태들은 무선 전력 전송에 관한 것이다. 방법은 충전가능한 디바이스가 내부에 위치한 하우징에 결합된 적어도 하나의 기생 안테나로 제 1 근접장 결합 모드 영역에서의 근접장으로부터 무선방식으로 전력을 수신하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 적어도 하나의 기생 안테나로 근접장으로부터 강화된 근접장을 발생시키는 단계와 충전가능한 디바이스에 결합된 적어도 하나의 수신 안테나에서 강화된 근접장으로부터 전력을 무선방식으로 수신하는 단계를 포함한다.

Description

무선 전력 전송을 위한 기생 디바이스들{PARASITIC DEVICES FOR WIRELESS POWER TRANSFER}
35 U.S.C.§119 하에서의 우선권 주장
본 출원은 "PARASITIC CAGES" 이라는 명칭으로 2009년 4월 28일에 출원된 미국 가특허 출원 61/173,569 에 대하여 35 U.S.C.§119(e) 하에서 우선권을 청구하며, 이 개시문헌은 그 전체 내용이 참조로서 여기에 병합된다.
본 발명은 일반적으로 무선 전력에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 무선 전력 전송을 위한 기생 디바이스들 및 이들의 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리로 구동되는 디바이스들 각각은 각자의 충전기와 전력 소스를 필요로 하여, 이 전력 소스는 일반적으로 AC 전력 아웃렛이다. 이것은 많은 디바이스들이 충전을 필요로 하는 경우에 다루기가 어렵게 된다.
충전될 디바이스와 송신기간의 에어 전력 전송을 이용하는 접근법들이 개발중에 있다. 이 방법들은 일반적으로 두 개의 카테고리들로 나뉜다. 하나는 충전될 디바이스상의 송신 안테나와 수신 안테나간의 평면파 방사 (또는 원거리장 방사) 의 결합에 기초하며, 이 디바이스는 방사된 전력을 수집하고 배터리를 충전시키기 위해 이 수집된 전력을 정류시킨다. 안테나들은 결합 효율성을 향상시키기 위해 공진 길이를 가질 수도 있다. 이러한 접근법은 안테나들간의 거리에 따라 전력 결합이 신속하게 저하된다는 사실로부터 고충을 겪는다. 따라서 적당한 거리 (예컨대, >l-2m) 이상에서는 충전이 어렵게 된다. 추가적으로, 시스템은 평면파들을 방사하기 때문에, 만약 비의도적인 방사가 필터링을 통해 적절하게 제어되지 않는다면, 비의도적인 방사는 다른 시스템들을 방해할 수 있다.
다른 접근법들은 예컨대 "충전" 매트 또는 표면에 임베딩된 송신 안테나와, 충전될 호스트 디바이스에 임베딩된 수신 안테나 및 정류 회로간의 유도성 결합에 기초한다. 이 접근법은 송신 안테나와 수신 안테나간의 간격이 매우 근접 (예컨대, mms) 해야한다라는 단점을 갖는다. 이 접근법은 동일한 영역에 있는 다수의 디바이스들을 동시적으로 충전하는 능력을 가질 수도 있지만, 이 영역은 일반적으로 작아서, 사용자는 디바이스들을 특정 영역에 위치시켜야만 한다.
송신 안테나는 수신 안테나가 송신 안테나로부터 멀리 이동할수록 빠르게 감소될 수 있는 유한 근접장 결합 모드 영역을 나타낸다. 뿐만 아니라, 밀접한 "근접형 (proximity)" 결합 애플리케이션들 (즉, 강결합 방식 (strongly coupled regime)) 을 위해 구성된 몇몇 수신기들은 "근방형 (vicinity)" 결합 (즉, 약결합 방식(loosely coupled regime)) 시스템에서 무선 전력을 효율적으로 수신할 수 없을 수도 있다.
송신기와 수신기간의 결합을 강화시키기 위한 디바이스들 및 방법들에 대한 요구가 존재한다. 보다 구체적으로, 약결합 방식에 따라 동작하도록 구성된 송신기와, 강결합 방식을 위해 구성된 수신기간의 결합을 강화시키기 위한 디바이스 및 방법에 대한 요구가 존재한다.
도 1 은 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 블록도를 도시한다.
도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 예시적인 실시형태들에서 이용하기 위한 루프 안테나의 개략도를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 송신기의 단순화된 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 수신기의 단순화된 블록도이다.
도 6 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 무선 전력 전송 시스템에서의 송신기와 수신기의 근접형 결합을 나타낸다.
도 7 은 예시적인 실시형태에 따른, 무선 전력 전송 시스템에서의 송신기와 수신기의 근방형 결합을 나타낸다.
도 8 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 수동형 에너지 릴레이를 포함한 무선 전력 전송 시스템의 기능 블록도를 나타낸다.
도 9 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 기생 안테나를 포함한 디바이스의 도면이다.
도 10 은 도 9 의 디바이스의 또 다른 도면이다.
도 11 내지 도 13 은 도 9 및 도 10 의 디바이스의 추가적인 도면들이다.
도 14 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 기생 안테나와 전자 디바이스를 갖는 디바이스를 포함한 시스템의 도면이다.
도 15 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 기생 안테나를 갖는 디바이스 내에 위치한 전자 디바이스를 포함한 시스템의 도면이다.
도 16 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 기생 안테나와 무선 충전기를 갖는 디바이스 내에 위치한 전자 디바이스를 포함한 시스템의 도면이다.
도 17 은 도 16 의 시스템의 또 다른 도면이다.
도 18 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 방법을 나타내는 흐름도이다.
첨부된 도면들과 연계되어 아래에서 서술되는 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 설명으로서 의도된 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 실시형태들만을 나타내려고 의도된 것은 아니다. 본 설명에 걸쳐서 이용된 용어 "예시적인" 은 "예시, 일례, 또는 예증으로서 역할하는 것" 을 의미하며, 다른 예시적인 실시형태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리한 것으로서 해석될 필요는 없어야 한다. 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위한 특정한 상세사항들을 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시형태들은 이러한 특정한 상세사항들 없이 실시될 수도 있다는 것은 본 발명분야의 당업자에게 자명할 것이다. 몇몇 경우들에서는, 여기서 제시된 예시적인 실시형태들의 신규함을 불명료하게 하는 것을 막기 위해 잘 알려진 구조들과 디바이스들은 블록도 형태로 도시된다.
여기서 단어 "무선 전력" 은 전기장, 자기장, 전자기장, 또는 물리적인 전자기 컨덕터들의 이용없이 송신기로부터 수신기로 전송되는 기타의 것과 연관된 임의의 형태의 에너지를 의미하기 위해 이용된다.
도 1 은 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태들에 따른, 무선 전송 또는 충전 시스템 (100) 을 나타낸다. 에너지 전송을 제공하기 위한 방사장 (106) 을 발생시키기 위해 송신기 (104) 에 입력 전력 (102) 이 제공된다. 수신기 (108) 는 방사장 (106) 에 결합되고, 출력 전력 (110) 에 결합된 디바이스 (미도시) 에 의한 소비 또는 저장을 위한 출력 전력 (110) 을 발생시킨다. 송신기 (104) 와 수신기 (108) 모두는 거리 (112) 를 두고 떨어져 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 는 상호 공진 관계에 따라 구성되고, 수신기 (108) 의 공진 주파수와 송신기 (104) 의 공진 주파수가 매우 근접해 있을 때, 수신기 (108) 가 방사장 (106) 의 "근접장" 에 위치하는 경우, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 전송 손실들은 최소가 된다.
송신기 (104) 는 에너지 전송을 위한 수단을 제공하기 위한 송신 안테나 (114) 를 더 포함하고, 수신기 (108) 는 에너지 수신을 위한 수단을 제공하기 위한 수신 안테나 (118) 를 더 포함한다. 송신 및 수신 안테나들은 연관될 디바이스들 및 애플리케이션들에 따라 크기조정된다. 설명한 바와 같이, 효율적인 에너지 전송은 에너지의 대부분을 전자기파로 원거리장에 전파시키기 보다는 송신 안테나의 근접장에서 에너지의 많은 부분을 수신 안테나에 결합시킴으로써 발생한다. 이 근접장에 있을 때 송신 안테나 (114) 와 수신 안테나 (118) 사이에 결합 모드가 전개될 수도 있다. 이러한 근접장 결합이 발생할 수도 있는 안테나들 (114 및 118) 주변의 영역을 여기서는 근접장 결합 모드 영역이라고 부른다.
도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 개략도를 도시한다. 송신기 (104) 는 오실레이터 (122), 전력 증폭기 (124), 및 필터 및 정합 회로 (126) 를 포함한다. 오실레이터는 조정 신호 (123) 에 응답하여 조정될 수도 있는, 희망 주파수에서 신호를 발생하도록 구성된다. 오실레이터 신호는 제어 신호 (125) 에 응답한 증폭량으로 전력 증폭기 (124) 에 의해 증폭될 수도 있다. 고조파들 또는 다른 원하지않는 주파수들을 필터링하여 제거시키고 송신기 (104) 의 임피던스를 송신 안테나 (114) 에 정합시키기 위해 필터 및 정합 회로 (126) 가 포함될 수도 있다.
수신기 (108) 는 도 2 에서 도시된 바와 같이 배터리 (136) 를 충전하거나 또는 수신기 (미도시) 에 결합된 디바이스에 전력을 공급하기 위한 DC 전력 출력을 발생시키기 위한 정류기 및 스위칭 회로 (134) 및 정합 회로 (132) 를 포함할 수도 있다. 수신기 (108) 의 임피던스를 수신 안테나 (118) 에 정합시키기 위해 정합 회로 (132) 가 포함될 수도 있다. 수신기 (108) 및 송신기 (104) 는 별개의 통신 채널 (119) (예컨대, 블루투스, 지그비, 셀룰러 등) 을 통해 통신할 수도 있다.
도 3 에서 도시된 바와 같이, 예시적인 실시형태들에서 이용된 안테나들은 "루프" 안테나 (150) 로서 구성될 수도 있으며, 이러한 "루프" 안테나는 또한 여기서 "자기" 안테나로서 칭해질 수도 있다. 루프 안테나들은 에어 코어 또는 페라이트 코어와 같은 물리적 코어를 포함하도록 구성될 수도 있다. 에어 코어 루프 안테나들은 코어의 근방에 배치된 무관계한 물리적 디바이스들에 대해 보다 관용적일 수도 있다. 뿐만 아니라, 에어 코어 루프 안테나는 코어 영역 내에 다른 컴포넌트들의 배치를 가능하게 해준다. 추가로, 에어 코어 루프는 송신 안테나 (114) (도 2) 의 평면 내에 수신 안테나 (118) (도 2) 의 배치가 보다 손쉽게 가능할 수 있도록 하며, 이 경우 송신 안테나 (114) (도 2) 의 결합 모드 영역은 보다 강력해질 수도 있다.
설명한 바와 같이, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 효율적인 에너지 전송은 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 정합된 공진 또는 거의 정합된 공진 동안에 발생한다. 하지만, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 공진이 정합되지 않았을 때라도, 에너지는 보다 낮은 효율로 전송될 수도 있다. 에너지의 전송은 송신 안테나의 근접장으로부터의 에너지를 근처에 위치하는 수신 안테나에 결합시킴으로써 발생하며, 이 근접장은 송신 안테나로부터의 에너지를 자유공간으로 전파시키는 것이 아닌 다른 것을 통해 확립된다.
루프 또는 자기 안테나들의 공진 주파수는 인덕턴스 및 캐패시턴스에 기초한다. 일반적으로 루프 안테나에서의 인덕턴스는 단순히 루프에 의해 생성된 인덕턴스인 반면에, 캐패시턴스는 일반적으로 희망 공진 주파수에서 공진 구조를 생성하기 위해 루프 안테나의 인덕턴스에 추가된다. 비제한적인 예시로서, 캐패시터 (152) 및 캐패시터 (154) 는 안테나에 추가되어 공진 신호 (156) 를 발생시키는 공진 회로를 생성할 수도 있다. 따라서, 보다 큰 직경의 루프 안테나의 경우, 공진을 유도하는데 필요한 캐패시턴스의 크기는 루프의 직경 또는 인덕턴스가 증가함에 따라 감소된다. 뿐만 아니라, 루프 또는 자기 안테나의 직경이 증가할수록, 근접장의 효율적인 에너지 전송 영역은 증가한다. 물론, 다른 공진 회로들이 가능하다. 또 다른 비예시적인 예시로서, 캐패시터는 루프 안테나의 두 개의 단자들 사이에 병렬로 배치될 수도 있다. 또한, 송신 안테나들의 경우, 공진 신호 (156) 는 루프 안테나 (150) 에 대한 입력일 수도 있다는 것을 본 발명분야의 당업자는 알 것이다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은 서로의 근접장들에 있는 두 개의 안테나들 사이에서 전력을 결합시키는 것을 포함한다. 설명한 바와 같이, 근접장이란 자기장들은 존재하지만 안테나로부터 전파시키거나 또는 방사시킬 수 없는 안테나 주변의 영역이다. 일반적으로 자기장들은 안테나의 물리적 부피와 가까운 부피에 한정된다. 전기형 안테나 (예컨대, 작은 다이폴)의 전기적 근접장들과 비교하여 자기적 근접장 진폭들은 자기형 안테나들에서 보다 높은 경향이 있기 때문에, 본 발명의 예시적인 실시형태들에서, 단일 및 멀티 턴 루프 안테나들과 같은 자기형 안테나들은 송신 (Tx) 및 수신 (Rx) 안테나 시스템들 모두를 위해 이용된다. 이것은 페어간에 잠재적으로 보다 높은 결합을 가능하게 해준다. 뿐만 아니라, "전기" 안테나들 (예컨대, 다이폴들 및 모노폴들) 또는 자기 안테나와 전기 안테나의 조합이 또한 구상된다.
Tx 안테나는 이전에 언급한 유도성 접근법들 및 원거리장에 의해 허용된 것보다 상당히 큰 거리들에서 작은 Rx 안테나에 대한 양호한 결합 (예컨대, >-4 dB) 을 달성하는데 충분히 큰 안테나 크기를 가지면서 충분히 작은 주파수에서 동작될 수 있다. 만약 Tx 안테나가 정확하게 크기가 정해지면, 호스트 디바이스상의 Rx 안테나가 구동된 Tx 루프 안테나의 근접장 결합 모드 영역 내에 (즉, 근접장에서) 배치될 때 높은 결합 레벨들 (예컨대, -2 내지 -4 dB) 이 달성될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 송신기 (200) 의 단순화된 블록도이다. 송신기 (200) 는 송신 회로 (202) 와 송신 안테나 (204) 를 포함한다. 일반적으로, 송신 회로 (202) 는 오실레이팅 신호를 제공하여 송신 안테나 (204) 주변의 근접장 에너지의 생성을 불러일으킴으로써 RF 전력을 송신 안테나 (204) 에 제공한다. 예로서, 송신기 (200) 는 13.56 MHz ISM 대역에서 동작할 수도 있다.
예시적인 송신 회로 (202) 는 송신 회로 (202) 의 임피던스 (예컨대, 50 ohms) 를 송신 안테나 (204) 에 정합시키기 위한 고정형 임피던스 정합 회로 (206) 와 수신기들 (108) (도 1) 에 결합된 디바이스들의 자기 전파방해를 방지하기 위한 레벨들까지 고조파 방출들을 감소시키도록 구성된 로우 패스 필터 (LPF) (208) 를 포함한다. 다른 예시적인 실시형태들은 비제한적인 예시로서, 특정 주파수들을 감쇠시키면서 다른 주파수들을 통과시키는 노치 필터들을 비롯하여, 상이한 필터 토폴로지들을 포함할 수도 있고, 전력 증폭기에 의한 DC 전류 유출 또는 안테나에 대한 출력 전력과 같은, 측정가능한 송신 메트릭스들에 기초하여 변할 수 있는, 적응적 임피던스 정합을 포함할 수도 있다. 송신 회로 (202) 는 오실레이터 (212) 에 의해 결정된 바에 따라 RF 신호를 구동하도록 구성된 전력 증폭기 (210) 를 더 포함한다. 송신 회로는 개별적인 디바이스들 또는 회로들로 구성될 수도 있거나, 또는 대안적으로, 통합형 어셈블리로 구성될 수도 있다. 송신 안테나 (204) 로부터의 예시적인 RF 전력 출력은 2.5 Watts 정도일 수도 있다.
송신 회로 (202) 는 각자의 부착된 수신기들을 통해 이웃하는 디바이스들과 상호작용하기 위한 통신 프로토콜을 구현하기 위해 출력 전력 레벨을 조정하고, 오실레이터 (212) 의 주파수를 조정하며, 특정 수신기들에 대한 전송 페이즈들 (또는 듀티 싸이클들) 동안에 오실레이터 (212) 를 인에이블시키기 위한 제어기 (214) 를 더 포함한다.
송신 회로 (202) 는 송신 안테나 (204) 에 의해 발생된 근접장 근방에서의 활성 수신기들의 존재 또는 부재를 검출하기 위한 부하 감지 회로 (216) 를 더 포함할 수도 있다. 예로서, 부하 감지 회로 (216) 는 전력 증폭기 (210) 에 흐르는 전류를 모니터링하며, 이 전류는 송신 안테나 (204) 에 의해 발생된 근접장 근방에서의 활성 수신기들의 존재 또는 부재에 의해 영향을 받는다. 활성 수신기와 통신하기 위한 에너지를 전송하기 위해 오실레이터 (212) 를 인에이블시킬지 여부를 결정하는데 이용하기 위해 전력 증폭기 (210) 상의 부하에 대한 변경들의 검출이 제어기 (214) 에 의해 모니터링된다.
송신 안테나 (204) 는 저항 손실을 낮게 유지하도록 선택된 두께, 폭, 및 금속 유형을 갖는 안테나 스트립으로서 구현될 수도 있다. 통상적인 구현에서, 송신 안테나 (204) 는 일반적으로 테이블, 매트, 램프, 또는 보다 덜 휴대가능한 기타의 구성과 같은 보다 큰 구조와의 연계를 위해 구성될 수 있다. 따라서, 송신 안테나 (204) 는 일반적으로 실용적인 치수가 되기 위해 "턴들 (turns)" 을 필요로 하지 않을 것이다. 송신 안테나 (204) 의 예시적인 구현은 "전기적으로 작을 수 있으며" (즉, 파장의 일부), 공진 주파수를 정의하기 위해 캐패시터들을 이용함으로써 보다 낮은 사용가능한 주파수들에서 공진하도록 튜닝될 수도 있다. 송신 안테나 (204) 가 직경면에서, 또는 정방형 루프인 경우 변의 길이 (예컨대, 0.50 미터) 면에서 수신 안테나에 비해 보다 클 수 있는 예시적인 애플리케이션에서, 송신 안테나 (204) 는 적당한 캐패시턴스를 획득하기 위해 많은 수의 턴들을 반드시 필요로 하는 것은 아닐 것이다.
송신기 (200) 는 송신기 (200) 와 연계될 수도 있는 수신기 디바이스들의 상태 및 소재에 관한 정보를 수집하고 추적할 수도 있다. 따라서, 송신기 회로 (202) 는 제어기 (214) (여기서는 이것을 또한 프로세서라고도 칭한다) 에 연결된, 존재 검출기 (280), 인클로즈드 검출기 (290), 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 제어기 (214) 는 존재 검출기 (280) 및 인클로즈드 검출기 (290) 로부터의 존재 신호들에 응답하여 증폭기 (210) 에 의해 전달된 전력량을 조정할 수도 있다. 송신기는 예컨대 통상적인 DC 전력 소스들을 송신기 (200) 에 적합한 전압으로 변환시키기 위한 DC-DC 컨버터 (미도시), 건물에 존재하는 통상적인 AC 전력을 변환시키기 위한 AC-DC 컨버터 (미도시) 와 같은, 다수의 전력 소스들로부터 전력을 수신할 수도 있거나, 또는 통상적인 DC 전력 소스 (미도시) 로부터 직접 전력을 수신할 수도 있다.
도 5 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 수신기 (300) 의 단순화된 블록도이다. 수신기 (300) 는 수신 회로 (302) 와 수신 안테나 (304) 를 포함한다. 수신기 (300) 는 수신된 전력을 수신기 (300) 에 제공하기 위한 디바이스 (350) 에 추가로 결합된다. 수신기 (300) 는 디바이스 (350) 의 외부에 있는 것으로서 도시되지만 디바이스 (350) 내에 통합될 수도 있다는 것을 유념해야 한다. 일반적으로, 에너지는 수신 안테나 (304) 에 무선방식으로 전파되며, 그 후 수신 회로 (302) 를 통해 디바이스 (350) 에 결합된다.
수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (204) (도 4) 와 동일한 주파수, 또는 거의 동일한 주파수에서 공진하도록 튜닝된다. 수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (204) 와 유사하게 치수화될 수도 있거나 또는 연계된 디바이스 (350) 의 치수들에 기초하여 이와 다르게 크기가 정해질 수도 있다. 예로서, 디바이스 (350) 는 송신 안테나 (204) 의 직경 길이보다 작은 직경 또는 길이 치수를 가진 휴대형 전자 디바이스일 수도 있다. 이와 같은 예시에서, 수신 안테나 (304) 는 튜닝 캐패시터 (미도시) 의 캐패시턴스 값을 감소시키고 수신 안테나의 임피던스를 증가시키기 위해 멀티 턴 안테나로서 구현될 수도 있다. 예로서, 수신 안테나 (304) 는 안테나 직경을 최대화하고 수신 안테나의 루프 턴들 (즉, 권선들) 의 횟수와 권선간 캐패시턴스를 감소시키기 위해 디바이스 (350) 의 실질적인 원주 둘레에 배치될 수도 있다.
수신 회로 (302) 는 수신 안테나 (304) 에게 임피던스 정합을 제공한다. 수신 회로 (302) 는 수신된 RF 에너지 소스를 디바이스 (350) 에 의한 이용을 위한 충전 전력으로 변환시키기 위한 전력 변환 회로 (306) 를 포함한다. 전력 변환 회로 (306) 는 RF-DC 컨버터 (308) 를 포함하며, 또한 DC-DC 컨버터 (310) 를 포함할 수도 있다. RF-DC 컨버터 (308) 가 수신 안테나 (304) 에서 수신된 RF 에너지 신호를 비교류 전력으로 정류시키는 동안에, DC-DC 컨버터 (310) 는 정류된 RF 에너지 신호를 디바이스 (350) 와 양립가능한 에너지 포텐셜 (예컨대, 전압) 으로 변환시킨다. 선형 및 스위칭 컨버터들 뿐만이 아니라, 부분 및 완전 정류기들, 레귤레이터들, 브릿지들, 배율기들을 포함한, 다양한 RF-DC 컨버터들이 구상된다.
수신 회로 (302) 는 수신 안테나 (304) 를 전력 변환 회로 (306) 에 연결시키기 위하거나 또는 이와 달리 전력 변환 회로 (306) 에 연결해제시키기 위한 스위칭 회로 (312) 를 더 포함할 수도 있다. 전력 변환 회로 (306) 로부터 수신 안테나 (304) 를 연결해제시키는 것은 디바이스 (350) 의 충전을 중지시키는 것 뿐만이 아니라, 송신기 (200) (도 2) 에 의해 "보여지는" "부하" 를 변경시킨다.
위에서 개시된 바와 같이, 송신기 (200) 는 송신기 전력 증폭기 (210) 에 제공된 바이어스 전류에서의 요동들을 검출하는 부하 감지 회로 (216) 를 포함한다. 따라서, 송신기 (200) 는 수신기들이 송신기의 근접장에 존재하는 때를 결정하기 위한 메카니즘을 갖는다.
예시적인 실시형태에서, 송신기와 수신기간의 통신은 통상적인 양방향 통신보다는, 디바이스 감지 및 충전 제어 메카니즘을 나타낸다. 다시 말하면, 송신기는, 예컨대, 에너지가 근접장에서 이용가능한지 여부를 조정하기 위해 송신된 신호의 온/오프 키잉을 이용한다. 수신기들은 이러한 에너지 변경들을 송신기로부터의 메시지로서 해석한다. 수신기측으로부터, 수신기는 얼마나 많은 전력이 근접장으로부터 수용되고 있는지를 조정하기 위해 수신 안테나의 튜닝 및 튜닝해제를 이용한다. 송신기는 근접장으로부터 이용된 전력에서의 이러한 차이를 검출하고 이러한 변경들을 수신기로부터의 메시지를 형성하는 신호로서 해석할 수 있다.
수신 회로 (302) 는 수신된 에너지 요동들을 식별하기 위해 이용되는 시그널링 검출기 및 비컨 회로 (314) 를 더 포함할 수도 있으며, 시그널링 검출기 및 비컨 회로 (314) 는 송신기로부터 수신기로의 정보 시그널링에 대응할 수도 있다. 뿐만 아니라, 시그널링 검출기 및 비컨 회로 (314) 는 또한 무선 충전을 위한 수신 회로 (302) 를 구성하기 위해, 감소된 RF 신호 에너지 (즉, 비컨 신호) 의 전송을 검출하고, 감소된 RF 신호 에너지를 수신 회로 (302) 내의 전력공급없는 회로 또는 전력 고갈된 회로를 어웨이크닝하기 위한 공칭 전력으로 정류시키는데 이용될 수도 있다.
수신 회로 (302) 는 여기서 설명된 스위칭 회로 (312) 의 제어를 포함한, 여기서 설명된 수신기 (300) 의 프로세스들을 조정하기 위한 프로세서 (316) 를 더 포함한다. 수신기 (300) 의 클록킹이 또한 충전 전력을 디바이스 (350) 에 제공하는 외부 유선 충전 소스 (예컨대, 벽/USB 전력) 의 검출을 포함한 다른 이벤트들의 발생시에 발생할 수도 있다. 프로세서 (316) 는 또한, 수신기의 클록킹을 제어하는 것에 더하여, 비컨 상태를 결정하고 송신기로부터 보내진 메시지들을 추출하기 위해 비컨 회로 (314) 를 모니터링할 수도 있다. 프로세서 (316) 는 또한 개선된 성능을 위해 DC-DC 컨버터 (310) 를 조정할 수도 있다.
여기서 개시된 다양한 예시적인 실시형태들은 상이한 전력 변환 접근법들에 기초한 상이한 결합 변형들과, 디바이스 포지셔닝 유연성 (예컨대, 가상적으로 제로 거리에서의 충전 패드 솔루션을 위한 밀접한 "근접형" 결합 또는 단거리 범위 무선 전력 솔루션을 위한 "근방형" 결합) 을 포함한 전송 범위를 식별한다. 밀접한 근접형 결합 애플리케이션들 (즉, 강결합 방식, 결합 계수는 일반적으로 k > 0.1) 은 안테나들의 크기에 따라 일반적으로 수 밀리미터 정도 또는 수 센치미터 정도의 짧은 거리 또는 매우 짧은 거리에 걸친 에너지 전송을 제공한다. 근방형 결합 애플리케이션들 (즉, 약결합 방식, 결합 계수는 일반적으로 k < 0.1) 은 안테나들의 크기에 따라 일반적으로 10 cm 에서 2 m 까지의 범위의 거리들에 걸친 비교적 낮은 효율의 에너지 전송을 제공한다. 송신기와 수신기간의 "근방형" 결합은 높은 효율의 에너지 전송을 제공하지 않을 수도 있지만, "근방형" 결합은 송신기 안테나에 대한 (디바이스가 부착된) 수신기의 포지셔닝에서의 유연성을 제공한다.
여기서 설명된 바와 같이, "근접형" 결합과 "근방형" 결합은 안테나/결합 네트워크에 대해 전력 소스/싱크를 적응시키기 위해 상이한 정합 접근법들을 필요로 할 수도 있다. 또한, 다양한 예시적인 실시형태들은 LF 와 HF 애플리케이션들 모두 및 송신기와 수신기 모두를 위한 시스템 파라미터들, 설계 타겟들, 구현 변형들, 및 사양들을 제공한다. 이러한 파라미터들 및 사양들 중 몇몇은, 예컨대 특정한 전력 변환 접근법과 보다 잘 정합하기 위해 필요한 바에 따라 달라질 수도 있다.
도 6 은 예시적인 실시형태에 따른, 송신 안테나와 수신 안테나간의 제 1 결합 변형의 기능 블록도를 나타낸다. 도 6 의 결합 변형 (350) 은 "근방형" 결합 변형을 나타내며, 이것은 "근방형" 결합을 위해 이용된 하이-Q 공진 탱크 회로에 결합하기 위해 이용될 수도 있다. 결합 변형 (350) 은 임피던스들을 전력 변환 회로와 정합하도록 변환시켜서 개선되거나 또는 높은 전송 효율을 불러일으킨다. 구체적으로, 결합 변형 (350) 은 공진하도록 구성된 송신 안테나 (352), 공진 주파수 및 동일한 공진 주파수에서 공진하도록 구성된 수신 안테나 (354) 를 포함한다.
송신 안테나 (352) 는 캐패시터 C1 과 인덕터 L1 을 포함한, 하이-Q 탱크 공진기 (356) 를 포함한다. 수신 안테나 (354) 는 캐패시터 C2 과 인덕터 L2 을 포함한, 하이-Q 탱크 공진기 (358) 를 포함한다. 근방형 결합 애플리케이션들 (즉, 일반적으로 k < 0.1 인 결합 계수를 갖는 약결합 방식) 은 안테나들의 크기에 따라 일반적으로 10 cm 에서 2 m 까지의 범위의 거리들 (d) 에 걸친 비교적 낮은 효율의 에너지 전송을 제공한다.
도 7 은 예시적인 실시형태에 따른, 송신 안테나와 수신 안테나간의 제 2 결합 변형의 기능 블록도를 나타낸다. 도 7 의 결합 변형 (380) 은 예시적인 실시형태에 따른, "근접형" 결합 변형을 나타낸다. 결합 변형 (380) 은 하이-Q 탱크 공진기 (356) 를 포함한 송신 안테나 (352) 와 하이-Q 탱크 공진기 (358) 를 포함한 수신 안테나 (354) 를 포함한, 도 6 의 수신 안테나 (354) 및 송신 안테나 (352) 를 포함한 직렬결합된 탱크 회로들을 포함하며, 하이-Q 탱크 공진기 (356) 는 캐패시터 C1 과 인덕터 L1 을 포함하고, 하이-Q 탱크 공진기 (358) 는 캐패시터 C2 와 인덕터 L2 를 포함한다. 밀접한 근접형 결합 애플리케이션들 (즉, 일반적으로 k > 0.1 인 결합 계수를 갖는 강결합 방식) 은 안테나들의 크기에 따라 일반적으로 수 밀리미터 정도 또는 수 센티미터 정도의 짧은 거리 또는 매우 짧은 거리 (d) 에 걸친 에너지 전송을 제공한다.
일반적으로, 공진 유도에 따른 무선 전력 전송은 주어진 안테나 파라미터들 (예컨대, 무부하 Q-계수들, L-C 비들, 및 송신기 소스 임피던스) 에 대한 최대화된 전송 효율을 불러일으키는 최적의 부하 저항을 결정함으로써 개선된다. 최적의 부하는 결합 계수 k 에 좌우된다. 반대로, 주어진 부하 저항에 대한 최적의 수신 L-C 비 또는 부하 변환 최대화 효율이 존재한다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은 근접장 전력 전송 시스템에서의 송신 안테나와 수신 안테나간의 결합을 강화시키기 위한 방법들, 시스템들, 및 디바이스들을 포함한다. 보다 구체적으로, 송신 안테나와 수신 안테나간의 결합은 하나 이상의 추가적인 안테나들의 도입을 통해 강화될 수도 있으며, 이것은 송신 안테나로부터의 수신 안테나를 향한 전력의 흐름을 강화시킬 수도 있다. 이러한 추가적인 안테나들은 "에너지 릴레이" 코일/안테나/루프, "리피터" 코일/안테나/루프, 또는 수동 코일/안테나/루프로서도 알려진, 기생 안테나들과 같은, 리피터 안테나들을 포함할 수도 있다. 기생 안테나는 안테나의 공진 주파수를 튜닝하기 위한 용량성 엘리먼트 및 안테나 루프를 단순히 포함할 수도 있다.
종단 부하들, 튜닝 컴포넌트들, 공진 주파수들, 및 송신 안테나에 대한 기생 안테나들의 배치와 같은 인자들에 기초하여 수신 안테나들에 대한 전력의 결합이 강화되도록 전력 전송 시스템에서의 송신 안테나와 기생 안테나의 결합은 최적화될 수도 있다. 기생 안테나는 수신 안테나에 대해 에너지를 결합시키는 것에 잘 적합할 수도 있는, 기생 안테나 주변에 제 2 근접장 결합 모드 영역을 생성하기 위해 송신 안테나로부터 근접장 결합 모드 영역을 리포커싱 (refocus) 하고 및/또는 리쉐이핑 (reshape) 할 수도 있다.
도 8 은 예시적인 실시형태에 따른, 송신기, 기생 에너지 릴레이 및 수신기간의 간접장 결합을 위해 구성된 무선 전력 전송 시스템의 기능 블록도를 나타낸다. 무선 전력 전송 시스템 (500) 은 송신기 (504), 수동 에너지 릴레이 (기생 공진 탱크 또는 수동 공진 탱크) (512) 및 수신기 (508) 를 포함한다. 입력 전력 (PTXin) 이 송신기 (504) 에 제공되고 송신기 (504) 는 수동 에너지 릴레이 (512) 에게 에너지 전송을 제공하기 위해 필드 결합 k (506) 를 가지면서 지배적 비방사장을 발생시키고 수동 에너지 릴레이 (512) 는 수신기 (508) 에 대해 필드 결합 (507) 을 가지면서 지배적 비방사장을 발생시킨다. 수신기 (508) 는 수동 에너지 릴레이 (512) 에 의해 발생된 비방사장에 결합되고, 출력 포트 (510) 에 결합된 배터리 또는 부하 (536) 에 의한 소비 또는 저장을 위한 출력 전력 (PRXout) 을 발생시킨다.
송신기 (504), 수동 에너지 릴레이 (512) 및 수신기 (508) 각각은 거리를 두고 떨어져 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 송신기 (504) 와 수동 에너지 릴레이 (512) 는 상호 공진 관계에 따라 구성되고, 수동 에너지 릴레이 (512) 의 공진 주파수
Figure 112011092604243-pct00001
와 송신기 (504) 의 공진 주파수가 정합될 때, 수동 에너지 릴레이 (512) 가 송신기 (504) 에 의해 발생된 방사장의 "근접장" 에 위치하는 동안에, 송신기 (504) 와 수동 에너지 릴레이 (512) 간의 전송 손실들은 최소가 된다. 뿐만 아니라, 수동 에너지 릴레이 (512) 와 수신기 (508) 는 상호 공진 관계에 따라 구성되고, 수신기 (508) 의 공진 주파수
Figure 112011092604243-pct00002
와 수동 에너지 릴레이 (512) 의 공진 주파수가 정합될 때, 수신기 (508) 가 수동 에너지 릴레이 (512) 에 의해 발생된 방사장의 "근접장" 에 위치하는 동안에, 수동 에너지 릴레이 (512) 와 수신기 (508) 간의 전송 손실들은 최소가 된다.
송신기 (504) 는 에너지 전송을 위한 수단을 제공하기 위한 송신 안테나 (514) 를 더 포함하고, 수동 에너지 릴레이 (512) 는 수동적으로 에너지를 전달하기 위한 수단을 제공하기 위한 기생 안테나 (516) 를 더 포함하며, 수신기 (508) 는 에너지 수신을 위한 수단을 제공하기 위한 수신 안테나 (518) 를 더 포함한다. 송신기 (304) 는 AC-AC 컨버터로서 적어도 부분적으로 기능을 하는 송신 전력 변환 유닛 (520) 을 더 포함한다. 수신기 (308) 는 AC-DC 컨버터로서 적어도 부분적으로 기능을 하는 수신 전력 변환 유닛 (522) 을 더 포함한다. 동작시, 송신기 (504) 는 기생 안테나 (516) 주변의 자기 근접장의 생성을 위한 에너지 릴레이 (512) 의 "익사이터" 로서 기능을 한다. 그 후, 에너지 릴레이 (512) 의 자기 근접장은 수신기 (508) 의 수신 안테나 (518) 에 결합된다. 이에 따라, 중간 에너지 릴레이 (512) 는 수신기 안테나 (518) 에서 효율적으로 수신될 송신 안테나 (514) 에서 나타난 에너지의 전송을 용이하게 해준다.
본 발명분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 특정 전자 디바이스 (예컨대, 셀룰러 전화기 또는 휴대형 미디어 플레이어) 내에 통합된 수신기는 밀접한 근접형 결합을 위해 설계 (즉, 정합) 될 수도 있다. 단지 예시일 뿐으로서, 셀룰러 전화기 내에 통합된 수신기는 강결합 방식에서 매우 짧은 거리에 걸쳐 충전 패드로부터 무선 전력을 수신하도록 설계될 수도 있다. 한편, 몇몇의 무선 전력 시스템들, 및 보다 구체적으로는, 무선 전력 시스템들 내의 무선 충전기들은 "근방형" 결합 애플리케이션들 (즉, 약결합 방식) 에 보다 잘 적합할 수도 있다. 단지 예시일 뿐으로서, 천장이나 또는 벽에 설치된 무선 충전기를 포함한 무선 전력 시스템은 무선 충전기의 근방 (예컨대, 10 cm 내지 2 m) 에서 테이블상에 위치한 수신기들에 무선 전력을 전송하는데 적합할 수도 있다. 따라서, 밀접한 근접형 결합을 위해 설계된 수신기를 약결합 방식 내에서 충전하려는 시도는 부적당한 충전 효율을 불러일으킬 수도 있다.
여기서 설명한 다양한 예시적인 실시형태들은 적어도 하나의 기생 안테나가 결합되어 있고, 하나 이상의 수신 안테나들을 포함할 수도 있는 충전가능한 디바이스를 수용하도록 구성된 디바이스에 관한 것이다. 도 9 및 도 10 은 하우징 (804) (예컨대, 슬리브, 케이스, 또는 케이지) 및 상술한 기생 안테나 (516) 와 같은, 기생 안테나로서 구성될 수도 있는 적어도 하나의 안테나 (802) 를 포함한 디바이스 (800) 를 도시한다. 보다 구체적으로, 안테나 (802) 는 근접장을 통해 에너지를 수신 및 재송신하도록 구성된 기생 안테나를 포함할 수도 있다. 단지 예시일 뿐으로서, 안테나 (802) 는 용량적으로 부하가 걸리는 (capacitively loaded) 루프 안테나, 용량적으로 부하가 걸리는 멀티 턴 코일, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 본 발명분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 안테나 (802) 는 안테나의 공진 주파수 (예컨대, 13.56 MHz) 를 튜닝하기 위한 LC 상수를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 안테나 (802) 는 수신 안테나에 대해 에너지를 결합시키는 것에 잘 적합할 수도 있는, 근접장 결합 모드 영역을 리포커싱하고 및/또는 안테나 (802) 주변의 제 2 근접장 결합 모드 영역을 생성하기 위해 송신 안테나로부터의 근접장 결합 모드 영역을 리쉐이핑하도록 구성될 수도 있다.
도 10 에서 도시된 하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 안테나 (802) 는 그 자신의 적어도 일부분이 하우징 (804) 의 외면 내에 위치될 수 있도록 하고 (즉, 안테나 (802) 의 적어도 일부분이 적어도 부분적으로 하우징 (804) 에 의해 둘러싸여짐) 적어도 일부분이 하우징 (804) 의 외면을 넘어서 연장할 수 있도록 구성될 수도 있다. 안테나 (802) 는 하우징 (804) 에 대해 이동가능해질 수도 있고, 이에 따라 하우징 (804) 의 외면을 넘어서 연장하는 안테나 (802) 의 일부분의 크기가 조정가능해질 수도 있다는 것을 유념한다. 도 9 에서 도시된 바와 같이, 안테나 (802) 는 하우징 (804) 의 외면 내로 완전히 안으로 넣어지는 것으로서 도시된다. 이와 대비되어, 도 10 에서는 안테나 (802) 의 적어도 일부분이 하우징 (804) 으로부터 연장되어 나온 것이 도시된다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 안테나 (802) 는 하우징 (804) 의 표면에 결합될 수도 있다.
도 9 내지 도 13 과 관련하여, 하우징 (804) 은 임의의 비도전성 물질을 포함할 수도 있다. 단지 예시일 뿐으로서, 하우징 (804) 은 플라스틱, 고무, 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 뿐만 아니라, 하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 하우징 (804) 은 단지 예시일 뿐으로서, 셀룰러 전화기, 휴대형 미디어 플레이어, 카메라, 또는 이들의 임의의 조합과 같은, 전자 디바이스를 수용하도록 구성되고 크기조정될 수도 있다. 달리 말하면, 하우징 (804) 은 전자 디바이스 둘레에 적어도 부분적으로 고정된 방식으로 끼워맞춰지도록 구성될 수도 있다. 보다 구체적으로, 단지 예시일 뿐으로서, 전자 디바이스에 결합되고 이에 연계되는 수신 안테나에 안테나 (802) 가 근접하여 위치될 수 있도록 하는 방식으로 하우징 (804) 은 전자 디바이스를 수용하도록 구성되고 크기조정될 수도 있다. 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따르면, 하우징 (804) 은 전자 디바이스 둘레에 꽉 끼워맞춰지도록 구성될 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 하우징 (804) 의 표면은 전자 디바이스의 표면에 탈착가능하게 부착될 수도 있다.
뿐만 아니라, 하우징 (804) 은 디바이스 사용자가 하나 이상의 입력 또는 출력 디바이스들에 액세스할 수 있도록 해주도록 구성된 하나 이상의 액세스 개구들 (810) 을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하우징 (804) 은 디바이스 사용자가 하우징 (804) 내에 위치한 전자 디바이스의 디스플레이 패널, 커넥터, 또는 임의의 다른 주변장치들 (예컨대, 버튼들) 에 액세스할 수 있도록 하기 위한 하나 이상의 액세스 개구들 (810) 을 포함할 수도 있다. 하우징 (804) 은 전자 디바이스의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된 임의의 공지된 적절한 디바이스를 포함할 수도 있음을 유념한다. 단지 예시일 뿐으로서, 하우징 (804) 은 슬리브, 쉘, 케이지, 케이스, 커버, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 도 13 에서 도시된 안테나 (802) 는, 도 11 또는 도 12 에서 도시된 안테나 (802) 보다 더 안으로 넣어진 상태로 있는 것이 도시된다. 완전히 안으로 넣어지는 것과 비교하여, 하우징 (804) 으로부터 적어도 부분적으로 연장하는 안테나 (즉, 안테나 (802)) 는 디바이스 사용자에 의해 보다 손쉽게 잡아 당겨질 수 있다는 것을 유념한다.
도 14 는 임의의 공지된 적절한 충전가능한 디바이스를 포함할 수도 있는, 전자 디바이스 (820) 를 포함한 시스템 (813) 을 나타낸다. 전자 디바이스 (820) 는 또 다른 안테나 (예컨대, 안테나 (802)) 로부터 무선방식으로 전송된 전력을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신 안테나 (822) 를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 안테나 (822) 및 도 8 의 수신기 (508) 와 같은, 연계된 수신기는 연계된 근접장 영역 내에 위치한 또 다른 안테나로부터 전송된 무선 전력을 수신하도록 구성될 수도 있다. 추가적으로, 전자 디바이스 (820) 는 전자 디바이스 (820) 의 배터리 (예컨대, 도 8 의 배터리 (536)) 내에 수신된 전력을 저장하도록 구성될 수도 있다. 화살표 (824) 에 의해 도시된 바와 같이, 전자 디바이스 (820) 는 디바이스 (800) 의 하우징 (804) 내에 위치되도록 구성될 수도 있다. 도 15 는 하우징 (804) 내에 위치한 전자 디바이스 (820) 를 포함한 시스템 (811) 을 도시하며, 안테나 (822) 의 적어도 일부분은 안테나 (802) 의 적어도 일부분에 근접하여 위치된다.
도 15 를 참조하면, 안테나 (802) 의 부재시, (예컨대 수신 전력 변환에 의한) 수신 안테나 (822) 의 부하는 약결합 방식에서 에너지를 수신하기에 최적화되지 않을 수도 있으며 이로써 매우 불량한 에너지 전송 효율을 불러일으킬 수도 있다. 하지만, 강결합 방식에서는 최적화되거나 또는 거의 최적화될 수도 있다. 시스템 (811) 에 대한 안테나 (802) 의 추가로, 만약 약결합 방식에서 동작되는 경우에 전력 변환에 의해 나타난 부하 저항이 최적화 또는 거의 최적화된 최대 전송 효율일 수도 있도록 임피던스 변환이 실시될 수도 있다. 달리 말하면, 만약 안테나 (822) 가 연계된 수신 전력 변환 유닛 (예컨대, 수신 전력 변환 유닛 (522)) 에 의해 로딩되면, 안테나 (802) 의 추가는, 최적으로 또는 거의 최적으로 안테나 (802) 를 로딩하는 결합 및 임피던스 변환 네트워크에 대한 안테나 (822) 의 효과 및 기능을 변경시킬 수도 있다. 도 15 에서 나타난 실시형태에서, 안테나 (802) 는 1차 에너지 수신 안테나로서 간주될 수도 있고, 안테나 (822) 는 결합 및 임피던스 변환 네트워크로서 간주될 수도 있다.
도 16 은 무선 충전기 (852) 와 디바이스 (800) 를 포함한 시스템 (850) 을 나타내며, 디바이스 (800) 는 연계된 하우징 (804) 내에 위치한 전자 디바이스 (820) 를 포함한다. 무선 충전기 (852) 는 연계된 근접장 영역 내에서 무선방식으로 전력을 전송하도록 구성된 적어도 하나의 송신 안테나 (854) 를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 송신 안테나 (854) 및 도 8 의 송신기 (304) 와 같은, 연계된 송신기는 연계된 근접장 영역 내의 수신기에게 무선 전력을 전송하도록 구성될 수도 있다. 도 17 은 무선 충전기 (852) 와, 디바이스 (800) 의 하우징 (804) 내에 위치한 전자 디바이스 (820) 를 포함한 시스템 (850) 의 또 다른 도면이다. 하나의 예시적인 실시형태에 따르면, "근접형" 결합에 대체적으로 정합될 수도 있는 전자 디바이스 (820) 는 무선 충전기 (852) 로부터 무선방식으로 전력을 수신할 수도 있으며, 무선 충전기 (852) 는 임피던스 변환을 위해 안테나 (802) 를 이용함으로써 근방형 결합에 대체로 정합될 수도 있다는 것을 유념한다.
안테나 (822) 와 비교하여, 안테나 (802) 는 전자 디바이스 (820) 내의 전자장치로부터 더 멀리 떨어져서 위치될 수도 있으며, 이에 따라, 동작 동안에, 안테나 (802) 는 안테나 (822) 에 비해 덜 감쇠될 수도 있고 연계된 자기장은 전자장치에 의해 덜 방해받을 수도 있으며 그 결과 성능 이득을 초래시킨다. 뿐만 아니라, 상기와 같이, 안테나 (802) 는 하우징 (804) 에 대해 이동되도록 구성될 수도 있고, 이에 따라, 하우징 (804) 으로부터 멀리 연장될 수도 있고 전자 디바이스 (820) 로부터 멀어질 수도 있다. 그 결과로, 전자 디바이스 (820) 내의 전자장치들에 의해 야기된 안테나 (802) 의 감쇠는 한층 감소될 수도 있고 이에 따라 성능을 한층 증가시킨다.
시스템 (850) 의 하나의 구상된 동작에서, 송신 안테나 (854) 는 무선방식으로 전력을 전송할 수도 있으며, 이 전력은 안테나 (802) 에 의해 수신될 수도 있고, 안테나 (802) 는 송신 안테나 (854) 와 동일한 주파수, 또는 거의 동일한 주파수에서 공진하도록 튜닝된다. 전력의 수신시, 안테나 (802) 는 안테나 (802) 의 근접장 내에서 전력을 전송할 수도 있다. 안테나 (802) 에 의해 전송된 전력은 수신 안테나에 의해 수신될 수도 있고, 수신 안테나는 연계된 근접장 결합 모드 영역 내에 위치되어 안테나 (802) 와 동일한 주파수, 또는 거의 동일한 주파수에서 공진하도록 튜닝된다. 예를 들어, 안테나 (802) 로부터 무선방식으로 전송된 전력은 전자 디바이스 (820) 내의 배터리 (예컨대, 도 8 의 배터리 (336)) 에 결합된 안테나 (822) 에 의해 수신될 수도 있다. 보다 구체적으로, 안테나 (802) 로부터 무선방식으로 전송된 전력은 안테나 (822) 및 수신기 (308) (도 8 참조) 와 같은 연계된 수신기에 의해 수신될 수도 있고, 수신기는 전자 디바이스 (820) 내의 배터리에 결합될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 기생 안테나를 이용하는 것은 근접장 결합 모드 영역을 리포커싱하거나, 근접장 결합 모드 영역을 리쉐이핑하거나, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 디바이스의 충전 레이트를 증가시킬 수도 있다.
도 18 은 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따른, 방법 (680) 을 나타내는 흐름도이다. 방법 (680) 은 충전가능한 디바이스가 내부에 위치한 하우징에 결합된 적어도 하나의 기생 안테나로 제 1 근접장 결합 모드 영역에서의 근접장으로부터 무선방식으로 전력을 수신하는 단계 (참조번호 682 로 도시됨) 를 포함할 수도 있다. 방법 (680) 은 적어도 하나의 기생 안테나로 근접장으로부터 강화된 근접장을 발생시키는 단계 (참조번호 684 로 도시됨) 를 더 포함할 수도 있다. 뿐만 아니라, 방법 (680) 은 충전가능 디바이스에 결합된 적어도 하나의 수신 안테나에서 강화된 근접장으로부터 전력을 무선방식으로 수신하는 단계 (참조번호 686 으로 도시됨) 를 포함할 수도 있다.
여기서 설명된 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태들은 전자 디바이스와 연계된 수신기의 강화된 무선 충전 효율을 가능하게 해줄 수도 있다. 보다 구체적으로, 밀접한 "근접형" 결합을 위해 설계될 수도 있는, 수신기의 무선 충전 효율은 수신기에 근접하여 위치하고 무선 충전기로부터 무선 전력을 수신하고 수신된 전력을 재방사하도록 구성된 기생 안테나의 이용을 통해 강화될 수도 있다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시형태들은 전자 디바이스에 의해 야기된 기생 안테나의 감쇠를 감소시키는 것을 가능하게 해준다.
본 발명분야의 당업자는 여러 가지 다양한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 이용하여 정보와 신호를 나타낼 수도 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 상기의 설명 전반에 걸쳐 참조될 수도 있는 데이터, 명령, 커맨드, 정보, 신호, 비트, 심볼, 및 칩은 전압, 전류, 전자기파, 자계 또는 자성 입자, 광계 또는 광자, 또는 이들의 임의의 조합으로 나타낼 수도 있다.
본 발명분야의 당업자는 본 명세서에서 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및/또는 알고리즘 단계들은 전자적 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다는 것을 또한 알 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호교환가능성을 명확히 설명하기 위하여, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 단계들을 일반적으로 각자의 기능의 관점에서 상술하였다. 그러한 기능이 하드웨어로 구현될지 소프트웨어로 구현될지 여부는 전체 시스템에 부과된 특정한 애플리케이션 및 설계 제약들에 좌우된다. 당업자는 설명된 기능을 각각의 특정한 애플리케이션에 대하여 다양한 방식으로 구현할 수도 있지만, 그러한 구현 결정은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 범위를 벗어나도록 하는 것으로 해석되어서는 안된다.
여기서 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 애플리케이션 특정 집적 회로 (ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능한 논리 디바이스, 별도의 게이트 또는 트랜지스터 로직, 별도의 하드웨어 컴포넌트들, 또는 여기서 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수 있지만, 대안으로서, 프로세서는 임의의 통상적인 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 결합, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 결합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합된 하나 이상의 마이크로프로세서들 또는 임의의 그러한 다른 구성으로서 구현될 수도 있다.
여기에 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접적으로 구현될 수도 있고, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현될 수도 있고, 또는 그 둘의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM (Random Access Memory), 플래시 메모리, ROM (Read Only Memory), EPROM (Electrically Programmable ROM), EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM), 레지스터, 하드 디스크, 착탈가능형 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있도록 프로세서에 결합된다. 대안으로서, 저장 매체는 프로세서와 일체적일 수 있다. 프로세서와 저장 매체는 ASIC 내에 상주할 수 있다. ASIC 은 사용자 단말기에 상주할 수 있다. 대안으로서, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내의 개별 컴포넌트로서 상주할 수 있다.
하나 이상의 예시적인 실시형태들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 만약 소프트웨어로 구현되면, 기능들은 컴퓨터 판독가능한 매체 상에서 하나 이상의 명령들 또는 코드로 저장되거나 또는 이러한 명령들 또는 코드를 통해서 송신될 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 하나의 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전달을 용이하게 해주는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 및 컴퓨터 저장 매체 모두를 포함한다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체일 수 있다. 비제한적인 예시로서, 이와 같은 컴퓨터 판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장 장치, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 디바이스, 또는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있고, 명령 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 운송하거나 또는 저장하는데 이용될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 어떠한 연결체라도 컴퓨터 판독가능한 매체로 적절하게 칭한다. 예를 들어, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스티드 페어, 디지털 가입자 회선 (DSL) 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들을 이용하여 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 송신된다면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스티드 페어, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 이용된 disk 또는 disc는 컴팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, DVD (digital versatile disc), 플로피 디스크, 및 블루레이 디스크를 포함하며, 여기서 disk는 통상 데이터를 자기적으로 재현시키며, disc는 레이저를 이용하여 광학적으로 데이터를 재현시킨다. 위의 조합들은 또한 컴퓨터 판독가능한 매체의 범위 내에 포함될 수 있다.
개시된 예시적인 실시형태들의 이전 설명은 본 발명분야의 임의의 당업자가 본 발명을 실시하거나 이용할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 이러한 예시적인 실시형태들에 대한 다양한 변형들은 본 발명분야의 당업자에게 손쉽게 명백해질 것이며, 본 명세서에 정의된 일반 원리들은 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고서 다른 실시형태들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기서 도시된 예시적인 실시형태들로 제한되는 것을 의도하지 않으며, 여기서 개시된 신규한 특징들 및 원리들에 부합하는 최광의의 범위로 주어져야 한다.

Claims (42)

  1. 무선방식으로 전력을 전달 (relay) 하도록 구성된 디바이스로서,
    충전가능한 전자 디바이스를 수용하도록 구성된 슬리브 또는 케이스를 포함한 하우징; 및
    상기 하우징에 결합된 리피터 안테나로서, 상기 리피터 안테나의 적어도 일부분은 상기 하우징 내에 위치하고, 상기 리피터 안테나는 송신 안테나에 의해 생성된 제 1 결합 모드 영역으로부터 충전 전력을 수신하도록 구성되며, 상기 충전가능한 전자 디바이스를 구동하거나 충전하기 위해서 수신된 상기 충전 전력을 상기 충전가능한 전자 디바이스의 수신 안테나에 결합하기 위한 제 2 결합 모드 영역을 생성하도록 구성된, 리피터 안테나를 포함하는, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 상기 하우징에 대해 이동가능한, 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 비도전성 물질을 포함하는, 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비도전성 물질은 플라스틱과 고무 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 커버 (cover), 쉘 (shell), 및 케이지 (cage) 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 용량적으로 부하가 걸리는 루프 코일 (capacitively loaded loop coil) 및 용량적으로 부하가 걸리는 멀티 턴 코일 (capacitively loaded multi-turn coil) 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전가능한 전자 디바이스는 셀룰러 전화기, 휴대형 미디어 플레이어, 및 카메라 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 충전가능한 전자 디바이스 둘레에 적어도 부분적으로 끼워맞춰지도록 구성되는, 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 입력 디바이스와 출력 디바이스 중 적어도 하나에 디바이스 사용자가 액세스할 수 있게 하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 개구를 포함하는, 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 연계된 근접장 결합 모드 영역을 리포커싱 (refocuse) 하는 것과 상기 연계된 근접장 결합 모드 영역을 리쉐이핑 (reshape) 하는 것 중 적어도 하나를 행하는, 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나는 약결합 방식 (loosely coupled regime) 을 위해 구성되는, 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 상기 수신 안테나로부터 10 센티미터 미만에 위치하도록 구성되는, 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 상기 하우징의 외부 가장자리를 넘어서 연장하는 부분을 포함하는, 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 안테나는 강결합 방식 (strongly coupled regime) 을 위해 구성되는, 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 근접장 결합 영역을 강화시키도록 구성되는, 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 상기 송신 안테나로부터 상기 수신 안테나에 의해 수신될 수도 있는 전력량을 증가시키도록 구성되는, 디바이스.
  17. 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법으로서,
    충전가능한 전자 디바이스를 수용하도록 구성된 슬리브 또는 케이스를 포함한 하우징에 결합된 리피터 안테나에서 송신 안테나에 의해 생성된 제 1 결합 모드 영역으로부터의 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계로서, 상기 리피터 안테나의 적어도 일부분은 상기 하우징 내에 위치하는, 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계;
    상기 리피터 안테나를 통해 제 2 결합 모드 영역을 생성하는 단계; 및
    상기 충전가능한 전자 디바이스를 구동하거나 충전하기 위해서 상기 제 2 결합 모드 영역을 통해 상기 충전가능한 전자 디바이스의 수신 안테나에 상기 충전 전력을 무선방식으로 결합하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나를 상기 하우징에 대해 이동시키는 단계를 더 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계는 비도전성 물질을 포함한 상기 하우징에 결합된 상기 리피터 안테나에서 전력을 무선방식으로 수신하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계는 고무 물질과 플라스틱 물질 중 적어도 하나를 포함한 상기 하우징에 결합된 상기 리피터 안테나에서 전력을 수신하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계는 커버, 쉘, 시스 (sheath) 및 케이지 중 적어도 하나를 포함한 상기 하우징에 결합된 상기 리피터 안테나에서 전력을 무선방식으로 수신하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계는 용량적으로 부하가 걸리는 루프 코일 및 용량적으로 부하가 걸리는 멀티 턴 코일 중 적어도 하나를 포함한 상기 리피터 안테나에서 전력을 무선방식으로 수신하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전가능한 전자 디바이스는 셀룰러 전화기, 휴대형 미디어 플레이어, 및 카메라 중 적어도 하나를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나는 상기 리피터 안테나와 연계된 근접장 결합 모드 영역을 리포커싱하는 것과 상기 근접장 결합 모드 영역을 리쉐이핑하는 것 중 적어도 하나를 행하도록 구성된, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하는 단계는 약결합 방식에 정합된 상기 송신 안테나로부터 전력을 무선방식으로 수신하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 전력을 무선방식으로 결합하는 단계는 강결합 방식에 정합된 상기 수신 안테나에 상기 충전 전력을 전달하는 단계를 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나를 이용하여 근접장 결합 영역을 강화시키는 단계를 더 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  28. 제 17 항에 있어서,
    상기 리피터 안테나를 이용하여 상기 송신 안테나로부터 상기 수신 안테나에 의해 수신될 수도 있는 전력량을 증가시키는 단계를 더 포함하는, 무선방식으로 전력을 전달하기 위한 방법.
  29. 충전가능한 전자 디바이스를 충전하는 것을 용이하게 하는 디바이스로서,
    상기 충전가능한 전자 디바이스를 선택적으로 인케이싱 (encasing) 하기 위한 수단; 및
    송신 안테나에 의해 생성된 제 1 결합 모드 영역으로부터 충전 전력을 무선방식으로 수신하기 위한 수단으로서, 상기 수신하기 위한 수단은 상기 충전가능한 전자 디바이스를 구동하거나 충전하기 위해서 수신된 상기 충전 전력을 상기 충전가능한 전자 디바이스의 수신 안테나에 결합하기 위한 제 2 결합 모드 영역을 생성하도록 구성되며, 상기 수신하기 위한 수단은 상기 인케이싱하기 위한 수단에 결합되고, 상기 수신하기 위한 수단의 적어도 일부분은 상기 인케이싱하기 위한 수단 내에 위치하는, 상기 충전 전력을 무선방식으로 수신하기 위한 수단을 포함하는, 디바이스.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 리피터 안테나를 포함하는, 디바이스.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 인케이싱하기 위한 수단은 하우징을 포함하는, 디바이스.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 상기 인케이싱하기 위한 수단에 대해 이동가능한, 디바이스.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 인케이싱하기 위한 수단은 비도전성 물질을 포함하는, 디바이스.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 비도전성 물질은 플라스틱과 고무 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  35. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 용량적으로 부하가 걸리는 루프 코일 및 용량적으로 부하가 걸리는 멀티 턴 코일 중 적어도 하나를 포함하는, 디바이스.
  36. 제 29 항에 있어서,
    상기 인케이싱하기 위한 수단은 상기 충전가능한 전자 디바이스 둘레에 적어도 부분적으로 끼워맞춰지도록 구성되는, 디바이스.
  37. 제 29 항에 있어서,
    상기 인케이싱하기 위한 수단은 입력 디바이스와 출력 디바이스 중 적어도 하나에 디바이스 사용자가 액세스할 수 있게 하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 개구를 포함하는, 디바이스.
  38. 제 29 항에 있어서,
    상기 송신 안테나는 약결합 방식을 위해 구성되는, 디바이스.
  39. 제 29 항에 있어서,
    상기 수신 안테나는 강결합 방식을 위해 구성되는, 디바이스.
  40. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 상기 인케이싱하기 위한 수단의 외부 가장자리를 넘어서 연장하는 부분을 포함하는, 디바이스.
  41. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 상기 송신 안테나의 근접장 결합 영역을 강화시키도록 구성된, 디바이스.
  42. 제 29 항에 있어서,
    상기 무선방식으로 수신하기 위한 수단은 상기 송신 안테나로부터 상기 수신 안테나에 의해 수신되는 전력량을 증가시키도록 구성되는, 디바이스.
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