KR101839382B1 - 무선 전력을 이용한 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

전력을 무선으로 전송하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하고, 상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하며, 상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하고, 상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어한다.

Description

무선 전력을 이용한 통신 시스템{COMMUNICATION SYSTEM USING WIRELESS POWER}
기술분야는 전력을 무선으로 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 변조부, 상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 전송부, 상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 에너지 보상부 및 상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 에너지 보상부는 상기 소스 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 타겟 공진기로 전송되지 않고, 상기 소스 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
상기 에너지 보상부는 상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 검출하는 검출부 및 기 설정된 보상 조건에 따라 상기 검출된 에너지를 보상하는 보상부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 보상부는 상기 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
상기 변조부는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 이용하여 상기 정보를 변조할 수 있다.
상기 변조부는 상기 소스 공진기에 저장되는 에너지의 레벨을 양자화하여 상기 정보를 변조할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전력 공급 장치와 상기 소스 공진기의 전기적 연결을 제어함으로써, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전력 공급 장치로부터 상기 에너지 보상부에 에너지가 공급되도록, 상기 전력 공급 장치와 상기 에너지 보상부의 전기적 연결을 제어할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 수신부 및 상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조하는 복조부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 변조부, 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 전송부, 상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 에너지 보상부 및 상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 제어부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 수신부 및 상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 소스 공진기가 전송한 정보를 복조하는 복조부를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 보상부는 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 소스 공진기로 전송되지 않고, 상기 타겟 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
상기 에너지 보상부는 상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 검출하는 검출부 및 기 설정된 보상 조건에 따라 상기 검출된 에너지를 보상하는 보상부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 보상부는 상기 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
상기 제어부는 상기 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경하여, 상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 에너지 보상부의 구동에 필요한 에너지를 공급하는 구동 전원부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 타겟 공진기에서 수신하는 에너지의 크기를 모니터링하는 모니터링 부, 상기 모니터링 한 에너지의 크기가 일정 기간 내에서, 피크 값을 가지는 경우, 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 캡쳐링하는 캡쳐링부, 상기 캡쳐링 한 에너지를 이용하여 상기 구동 전원부에서 공급된 에너지를 보상하는 보상부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 제1 변조부, 상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 제1 전송부, 상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 제1 에너지 보상부, 상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 제1 제어부, 상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 제1 수신부, 상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 소스 공진기가 전송한 정보를 복조하는 제1 복조부, 상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 제2 에너지 보상부 및 상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 제2 제어부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 제2 변조부 및 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 제2 전송부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 제2 수신부 및 상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조하는 제2 복조부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 에너지 보상부는 상기 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
상기 제2 에너지 보상부는 상기 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 단계, 상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계, 상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 단계 및 상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 단계를 포함한다.
상기 에너지를 보상하는 단계는 상기 소스 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 타겟 공진기로 전송되지 않고, 상기 소스 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 방법은 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 단계, 상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계, 상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 단계, 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 단계를 포함한다.
상기 에너지를 보상하는 단계는 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 소스 공진기로 전송되지 않고, 상기 타겟 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상할 수 있다.
무선 전력을 이용한 통신 장치에서, 소스 공진기 내부 저항 및 방사 저항으로 소모되는 에너지, 타겟 공진기의 내부 저항 및 방사 저항으로 소모되는 에너지를 음의 저항을 이용하여 보상함으로써, 소스 공진기의 Q값 및 타겟 공진기의 Q값을 높일 수 있다.
Q값이 높아짐으로써, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 데이터 전송 성능이 향상된다.
타겟 단에서 음의 저항을 사용하기 위해 필요한 에너지를 타겟 공진기에 저장된 에너지에서 캡쳐링함으로써 보상할 수 있다. 결과적으로 타겟 단에서 별도의 추가 에너지의 공급 없이 타겟 공진기에서 소모되는 에너지가 보상될 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치의 블록도이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치의 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 블록도이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 강하게 상호 결합한 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 상호 결합한 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리와 Q 값에 따른 상호 결합 동작의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 에너지의 보상을 통해 소스 공진기의 Q 값이 증가하는 경우에, 소스 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 에너지의 보상을 통해 타겟 공진기의 Q 값이 증가하는 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 타겟 공진기에서 음의 저항을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 저장되는 에너지를 나타낸 그래프이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 무선 전력 전송을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 핸드폰 또는 wireless TV 등 무선 전력 전송을 사용하는 시스템에서, 송수신단 간의 제어 정보 및 기타 정보 교환에 이용될수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 타입의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 전력을 이용한 통신 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 소스 공진기에 저장하고, 전원 공급 장치와 소스 공진기를 전기적으로 연결하는 스위치를 오프 시킴으로써, 소스 공진기의 자체 공진을 유도할 수 있다. 자체 공진 하는 소스 공진기와 상호 공진을 할 만큼 충분히 가까운 거리에 소스 공진기의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지는 타겟 공진기가 존재하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상이 발생한다. 소스 공진기는 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받는 공진기를 의미하고, 타겟 공진기는 상호 공진 현상을 통하여 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위치부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위치부(130)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 전력 입력부(110)에 연결되었던 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 스위치부(130)는 캐패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)은 수신부(130)의 수신 코일(L2)과의 상호 공진을 통해 전력을 전달한다. 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2) 간에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 캐패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 전력 전송부(120)에 대응하는 물리적 성질을 반영하여, 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위치부(130)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 캐패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위치부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위치부(160)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달하는 동안에는 수신부(140)에 연결되었던 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결한다. 스위치부(160)는 캐패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 상호 공진을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력을 통하여 수신 코일(L2)과 연결된 캐패시터가 충전될 수 있다. 전력 출력부(150)는 캐패시터에 충전된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
수신부(140)는 수신부(140)에 대응하는 물리적 성질을 기초 회로 소자(R2, L2, C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터(C2) 및 배터리로, 스위치부(160)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 캐패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
위와 같이 전력 입력부(110)와 전력 전송부(120), 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 분리하여 전력을 전송하는 이른바 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 방식에 비하여 여러 가지의 장점을 가진다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 수신단의 캐패시터에 충전된 전력에서 에너지를 채득(capture)하기 때문에, 정류기를 통한 정류작업이 필요 없다. 셋째, 임피던스 매칭을 할 필요가 없으므로 전송 효율이 송신단과 수신단 사이의 거리변화에 민감하지 않다. 또한, 복수의 송신단 및 복수의 수신단을 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함할 수 있다. 전력 충전부(210)는 전원 공급 장치(Vin)와 저항(Rin)으로 구성될 수 있다. 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성될 수 있다. 전송부(230)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지를 전송할 수 있다. 제어부(220)는 전력 충전부(210)로부터 소스 공진기에 전력을 공급하기 위해 스위치를 온(on) 할 수 있다. 전원 공급 장치(Vin)로부터 캐패시터(C1)에 전압이 인가되고, 인덕터(L1)에 전류가 인가될 수 있다. 정상 상태에 도달하게 되면, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류 는 Vin/ Rin의 값을 가지게 된다. 정상 상태에서 인덕터(L1)에는 인가되는 전류를 통하여 전력이 충전된다.
제어부(220)는 정상 상태에서 소스 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(220)에 설정될 수 있다. 전력 충전부(210)와 전송부(230)는 분리된다. 이때, 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 상호 인덕턴스 M(270)를 고려한, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 전달될 수 있다. 이때, 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 동일하다.
Figure 112018015366082-pat00001
Figure 112018015366082-pat00002
무선 전력 수신 장치는 충전부(240), 제어부(250) 및 전력 출력부(260)를 포함할 수 있다. 타겟 공진기는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)로 구성될 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 할 때는 소스 공진기는 전원 공급 장치(Vin)와 분리되어 있고, 타겟 공진기는 부하(LOAD) 및 캐패시터(CL)와 분리되어 있다. 타겟 공진기의 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)는 상호 공진을 통하여 전력을 충전할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 전력을 충전하기 위해, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치가 오프인 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수는 일치하여, 상호 공진이 발생할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 캐패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 변경된다.
Figure 112018015366082-pat00003
따라서, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 종료된다. 보다 구체적으로는 타겟 공진기의 Q를 고려하여, f2'이 f2보다 충분히 작다면, 상호 공진 채널이 소멸할 수 있다. 또한, 전력 출력부(260)는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)에 충전된 전력을 부하(LOAD)에 전달할 수 있다. 전력 출력부(260)는 부하(LOAD)의 필요에 적합한 방식으로 전력을 전달할 수 있다.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 충전부(240)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 다시 타겟 공진기에 전력을 충전할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 발생할 때는 스위치가 연결되지 않는다. 따라서, 스위치의 연결에 따른 전송 효율의 감소를 예방할 수 있다.
도 1의 경우와 비교하여, 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식에 비해 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식은 캐패시터에 충전된 에너지만 채득을 할 수 있지만, 공진 주파수를 변경하여 에너지를 채득하는 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 캐패시터에 저장된 에너지를 채득하므로, 에너지의 채득 시점에 대한 자유도가 향상된다.
도 2의 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서는, 정보를 전달하기 위해, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 동작을 이용할 수 있다. 소스는 타겟과 상호 약속되어 정해진 시간 구간 동안(예를 들면, 하나의 심볼 구간) 소스 공진기에 에너지를 주입하거나, 주입하지 않는 동작을 통하여, 해당 시간 구간 동안 상호 공진을 발생시키거나, 발생시키지 않을 수 있다. 이때, 소스는 상호 공진의 발생/미발생에 따라 정보를 할당할 수 있다. 타겟은 정해진 시간 구간 동안 타겟 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수와 일치/불일치의 동작을 통하여 상호 공진을 발생시키거나, 발생시키지 않을 수 있다. 이때, 타겟은 상호 공진의 발생/미발생에 따라 정보를 할당할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 강하게 일어날 경우, 소스와 타겟, 각각에서 정보의 변조 및 복조 성능은 향상된다. 상호 공진이 강하게 일어나는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 에너지 교환이 빠른 시간에 이루어지며, 정해진 시간 구간 동안 할당할 수 있는 정보의 양도 늘어날 수 있다. 또한, 상호 공진이 강하게 일어나면, 소스와 타겟 간에 정보를 전달할 수 있는 물리적 거리도 증가할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 강하게 하는 것은 정보 전송 성능의 향상에 있어서 중요한 요소라고 할 수 있다. 상호 공진을 강하게 하기 위해서는, 각 공진기의 Q-factor(Quality factor)를 증가시키거나, 두 공진기 간의 상호 인덕턴스 M을 증가시켜야 한다. 상호 인덕턴스 M은 공진기의 물리적 크기에 좌우되는 값으로, 공진기의 물리적 크기가 시스템에서 정해지면, 성능은 어느 정도 결정된다고 할 수 있다. Q-factor는 공진기의 에너지 손실(energy loss) 정도를 나타내는 값이다. Q-factor도 공진기의 물리적 크기가 결정되면, 어느 정도 값이 결정된다. 그런데 Q-factor의 경우, 음의 저항을 이용하면, 그 값이 증가할 수 있다. 이하에서, 음의 저항이 무엇을 의미하는지 설명하고, 음의 저항을 구성하기 위한 구조를 설명하며, 음의 저항을 이용함으로써, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 발생하는 효과를 설명한다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치는 변조부(310), 복조부(320), 제어부(330), 전송부(340), 수신부(350) 및 에너지 보상부(360)를 포함한다. 도 3의 무선 전력을 이용한 통신 장치는 에너지를 전송하는 TX단에 대응한다.
변조부(310)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조한다. 상호 공진여부는 전력 공급 장치로부터 소스 공진기에 에너지가 전달되는지 여부에 따라 결정될 수 있다. 변조부(310)는 상호 공진 여부에 따라 정보를 할당하여, 정보를 변조할 수 있다. 또는 변조부(310)는 소스 공진기에 저장되는 에너지의 레벨을 양자화하여 정보를 변조할 수도 있다.
전송부(340)는 소스 공진기에 저장된 에너지를 상호 공진을 통하여 타겟 공진기로 전송한다. 전력 공급 장치로부터 에너지의 전달을 통해 소스 공진기에 에너지가 저장될 수 있다.
에너지 보상부(360)는 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상한다. 소스 공진기에 저장된 에너지 중에서 일부는 소스 공진기 자체의 내부 저항과 방사 저항으로 인하여 소모된다. 방사 저항은 소스 공진기에서 전력이 방사될 때, 발생하는 저항 성분이다. 내부 및 방사 저항은 소스 공진기에서 전력이 방사될 때 등가회로로 표시되는 임피던스의 실수부에 해당한다. 에너지 보상부(360)는 소스 공진기의 내부 저항과 방사 저항으로 소모되는 에너지를 보상한다. 에너지 보상부(360)는 전력 공급 장치로부터 에너지를 제공 받아 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 에너지 보상부(360)는 능동소자(Active Element)를 이용하여 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 능동소자에는 트랜지스터, 연산 증폭기, 다이오드 등이 포함될 수 있다. 또한, 에너지 보상부(360)는 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상이 되도록 소모되는 에너지를 보상할 수 있다. Q-factor는 소스 공진기에서 소모되는 에너지의 비율에 따라 결정된다. 에너지의 보상을 통해 소모되는 에너지를 줄이면, Q-factor가 증가할 수 있다.
에너지 보상부(360)는 검출부(361) 및 보상부(363)를 포함할 수 있다. 검출부(361)는 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 검출할 수 있다. 소모되는 에너지는 소스 공진기에 저장된 에너지 중, 상호 공진을 통해 전달되는 에너지를 제외한 나머지 부분이다. 보상부(363)는 기 설정된 보상 조건에 따라 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 기 설정된 보상 조건이란, Q-factor가 어느 이상의 값이 되는 조건을 의미할 수 있다.
제어부(330)는 소스 공진기와 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어한다. 전력 공급 장치는 소스 공진기에 에너지를 전달할 수 있다. 소스 공진기와 전력 공급 장치는 스위치를 통해 전기적으로 단락될 수도 있고, 개방될 수도 있다. 스위치가 온(on)되는 경우에 소스 공진기와 전력 공급 장치는 전기적으로 연결될 수도 있고, 스위치가 오프(off)되는 경우에, 소스 공진기와 전력 공급 장치는 전기적으로 분리될 수도 있다. 제어부(330)는 소스 공진기와 전력 공급 장치를 연결하는 스위치를 제어할 수 있다. 제어부(330)는 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진 할 수 있도록 소스 공진기와 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 예를 들면, 소스 공진기와 전력 공급 장치가 분리된 경우에, 소스 공진기가 상호 공진을 하는 경우라면, 제어부(330)는 소스 공진기와 전력 공급 장치를 분리시킬 수 있다.
제어부(330)는 에너지 보상부(360)에 에너지가 공급되도록 전력 공급 장치와 에너지 보상부(360)의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 에너지 보상부(360)는 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하기 위해 에너지가 필요한데, 이 에너지는 전력 공급 장치로부터 제공될 수 있다.
수신부(350)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신할 수 있다. 타겟은 타겟 공진기의 공진 주파수를 제어하여, 상호 공진 여부를 제어할 수 있다. 상호 공진 여부에 따라 수신부(350)는 타겟 공진기로부터 에너지를 수신할 수도 있고, 수신하지 못할 수도 있다. 타겟은 상호 공진 여부를 통해 정보를 변조할 수 있다.
복조부(320)는 수신부(350)에서 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단할 수 있다. 상호 공진 하는 경우와, 상호 공진 하지 않는 경우의 에너지의 파형은 다른 모양을 가진다. 복조부(320)는 상호 공진 여부에 기초하여 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조할 수 있다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치는 전송부(410), 수신부(420), 에너지 보상부(430), 제어부(440), 변조부(450), 복조부(460) 및 구동 전원부(470)를 포함한다. 도 4의 무선 전력을 이용한 통신 장치는 에너지를 수신하는 RX단에 대응한다.
변조부(450)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조한다. 상호 공진은 타겟 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기와 일치시키는지 여부에 따라 결정될 수 있다. 변조부(450)는 상호 공진 여부에 따라 정보를 할당하여, 정보를 변조할 수 있다.
수신부(420)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신한다. 수신한 에너지는 타겟 공진기에 저장된다. 타겟 공진기에 저장된 에너지는 캡쳐링(capturing)을 통해 부하에 전달될 수 있다. 캡쳐링이 이루어지기 전까지, 타겟 공진기는 소스 공진기와 계속하여 상호 공진할 수 있다.
복조부(460)는 수신부(420)에서 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단할 수 있다. 상호 공진 하는 경우와, 상호 공진 하지 않는 경우의 에너지의 파형은 다른 모양을 가진다. 복조부(460)는 상호 공진 여부에 기초하여 소스 공진기가 전송한 정보를 복조할 수 있다. 또는 복조부(460)는 타겟 공진기에 저장된 에너지의 양에 기초하여 소스 공진기가 전송한 정보를 복조할 수 있다. 소스는 소스 공진기에 저장된 에너지의 레벨을 양자화하여 정보를 변조할 수 있기 때문이다. 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지가 타겟 공진기로 전달되면, 타겟 공진기에 저장된 에너지의 레벨에 따라 복조부(460)는 정보를 복조할 수 있다. 소스와 타겟은 변조 방식 및 복조 방식에 대한 정보를 미리 약속할 수 있다.
전송부(410)는 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상호 공진을 통하여 소스 공진기로 전송한다. TX단은 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하여 RX단에서 전송된 정보를 수신할 수 있다. 보다 구체적으로, TX단은 타겟 공진기로부터 전송된 에너지의 파형에 따라 RX단에서 전송된 정보를 해석할 수 있다.
에너지 보상부(430)는 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상한다. 타겟 공진기에 저장된 에너지 중에서 일부는 타겟 공진기 자체의 내부 저항과 방사 저항으로 인하여 소모된다. 방사 저항은 타겟 공진기에서 전력이 방사될 때, 발생하는 저항 성분이다. 내부 및 방사 저항은 타겟 공진기에서 전력이 방사될 때 등가회로로 표시되는 임피던스의 실수부에 해당한다. 에너지 보상부(430)는 타겟 공진기의 내부 저항과 방사 저항으로 소모되는 에너지를 보상한다. 에너지 보상부(430)는 구동 전원부(470)로부터 에너지를 제공 받아 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 구동 전원부(470)는 에너지 보상부(430)의 초기 구동에 필요한 에너지를 제공할 수 있다. 구동 전원부(470)로는 충전 가능한 간이 배터리가 사용될 수도 있다. 에너지 보상부(430)는 능동소자(Active Element)를 이용하여 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 능동소자에는 트랜지스터, 연산 증폭기, 다이오드 등이 포함될 수 있다. 또한, 에너지 보상부(430)는 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상이 되도록 소모되는 에너지를 보상할 수 있다. Q-factor는 타겟 공진기에서 소모되는 에너지의 비율에 따라 결정된다. 에너지의 보상을 통해 소모되는 에너지를 줄이면, Q-factor가 증가할 수 있다.
에너지 보상부(430)는 검출부(431) 및 보상부(433)를 포함할 수 있다. 검출부(431)는 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 검출할 수 있다. 소모되는 에너지는 타겟 공진기에 저장된 에너지 중, 상호 공진을 통해 전달되는 에너지를 제외한 나머지 부분이다. 보상부(433)는 기 설정된 보상 조건에 따라 소모된 에너지를 보상할 수 있다. 기 설정된 보상 조건이란, Q-factor가 어느 이상의 값이 되는 조건을 의미할 수 있다.
제어부(440)는 타겟 공진기와 부하의 전기적 연결을 제어할 수 있다. 부하는 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받을 수 있다. 제어부(440)는 타겟 공진기의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 타겟 공진기의 공진 주파수가 소스 공진기의 공진 주파수와 일치하지 않는 경우, 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진은 종료된다. 제어부(440)는 타겟 공진기의 공진 주파수를 제어함으로써, 상호 공진 여부를 결정할 수 있다.
또한, 제어부(440)는 타겟 공진기에 저장된 에너지로부터 구동 전원부(470)에서 사용한 에너지를 보상할 수 있다. 제어부(440)는 모니터링부(441), 캡쳐링부(443) 및 보상부(445)를 포함할 수 있다. 모니터링부(441)는 타겟 공진기에서 수신하는 에너지의 크기를 모니터링한다. 캡쳐링부(443)는 일정 기간 동안 모니터링 한 에너지의 크기가 피크 값을 가지는 경우의 에너지를 캡쳐링한다. 즉, 캡쳐링부(443)는 타겟 공진기에 에너지가 가장 많이 저장된 때의 에너지를 캡쳐링한다. 캡쳐링시 제어부(440)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 종료할 수 있다. 보상부(445)는 캡쳐링 한 에너지를 이용하여 구동 전원부(470)에서 사용된 에너지를 보상할 수 있다. 에너지 보상부(430)는 초기 구동 시, 구동 전원부(470)로부터 에너지를 공급 받는다. 제어부(440)는 상호 공진 후, 캡쳐링 한 에너지를 이용하여 구동 전원부(470)에서 공급된 에너지를 보상함으로써, 에너지 보상부(430)의 구동을 위해 필요한 에너지를 작게 유지할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 TX단과 RX단을 포함한다. TX단은 변조부(505), 복조부(510), 제어부(515), 전송부(520), 수신부(525) 및 에너지 보상부(530)를 포함한다. RX단은 전송부(535), 수신부(540), 에너지 보상부(545), 제어부(550), 변조부(555) 및 복조부(560)를 포함한다.
TX단에서 변조부(505)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조한다. 전송부(520)는 소스 공진기에 저장된 에너지를 상호 공진을 통하여 타겟 공진기로 전송한다. 에너지 보상부(530)는 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상한다. 에너지 보상부(530)는 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상이 되도록 능동 소자를 이용하여 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상할 수 있다. 제어부(515)는 소스 공진기와 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어한다. 수신부(525)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신한다. 복조부(510)는 수신부(525)에서 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단할 수 있다. 복조부(510)는 상호 공진 여부에 기초하여 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조할 수 있다.
RX단에서 수신부(540)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신한다. 복조부(560)는 수신부(540)에서 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단할 수 있다. 상호 공진 하는 경우와, 상호 공진 하지 않는 경우의 에너지의 파형은 다른 모양을 가진다. 복조부(560)는 상호 공진 여부에 기초하여 소스 공진기가 전송한 정보를 복조할 수 있다. 에너지 보상부(545)는 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상한다. 에너지 보상부(545)는 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상이 되도록 능동 소자를 이용하여 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상할 수 있다. 제어부(550)는 타겟 공진기와 부하의 전기적 연결을 제어한다. 제어부(550)는 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 변조부(555)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조할 수 있다. 전송부(535)는 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상호 공진을 통하여 소스 공진기로 전송할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
DC source로부터 에너지를 충전하고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상을 이용하여 신호를 전달하는 RI(Resonator Isolation) 시스템은 공진기 사이의 물리적 거리에 따라 강한 상호 결합과 약한 상호 결합의 두 가지 공진 현상을 가질 수 있다. 두 공진기가 상호 공진 할 때, 각각의 공진기에서 소모되는 에너지의 비율을 나타내는 값이 Q-factor이다. Q는 저장된 에너지/소모된 에너지의 비율로 계산될 수 있다. Q는 각 공진기에 저장된 에너지와 소모되는 에너지의 비율이다. 따라서, Q가 클수록 공진기에서 소모되는 에너지의 양이 적음을 알 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 결합 계수(coupling coefficient, k)가 다음의 값보다 크면, 두 공진기는 강한 상호 결합을, 그렇지 않으면, 약한 상호 결합을 한다.
Figure 112018015366082-pat00004
이때, ksp는 강한 상호 결합과 약한 상호 결합의 기준이 되는 상호 결합 계수를 의미하고, Q1은 소스 공진기의 Q값, Q2는 타겟 공진기의 Q값을 의미한다. 예를 들어, 소스 공진기와 타겟 공진기 모두 Q값이 100인 경우, k가 0.01보다 크면, 두 공진기는 강한 상호 결합을 하고, 0.01보다 작으면, 두 공진기는 약한 상호 결합을 한다. Q가 클수록 낮은 k값에서 강한 상호 결합을 할 수 있다. 일반적을 k는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리의 세제곱에 반비례한다고 알려져 있다. 따라서, Q가 클수록 원거리에서도 강한 상호 결합을 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 등가회로는 TX단(610)과 RX단(620)을 포함한다. TX단(610)에서 삼각형으로 형상화 된 부분은 능동 소자(611) 이다. 또한, RX단(620)에서 삼각형으로 형상화 된 부분은 능동 소자(621)이다. 능동 소자는 소스 공진기에서 저항 성분에 의해 소모되는 에너지를 보상함으로써, 소스 공진기의 Q를 증가시킬 수 있다. Q는 RLC 직렬 등가회로일 경우, 다음의 관계식을 갖는다.
Figure 112018015366082-pat00005
위 식을 살펴보면, 공진기의 저항 성분이 작을수록 Q값이 커짐을 알 수 있다. 능동 소자를 통해 소스 공진기의 저항 성분에 의해 소모되는 에너지를 보상함으로써, 소스 공진기의 유효한 저항 성분을 작게 할 수 있고, 따라서, Q값이 커질 수 있다. 유효한 저항 성분을 작아지게 한다는 의미에서, 능동 소자는 음의 저항으로 표현될 수도 있다. 음의 저항을 두 공진기에 연결함으로써, 두 공진기의 Q값을 증가시킬 수 있다. 공진기의 Q값이 커짐에 따라, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 강한 상호 결합을 할 수 있는 물리적 거리도 증가한다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 강하게 상호 결합한 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
소스 공진기와 타겟 공진기가 강하게 상호 결합하는 경우에, 소스 공진기에 충전된 최초 에너지는 타겟 공진기에 일정시간 후 모두 전달되고, 전달된 에너지는 다시 소스 공진기로 되돌아온다. 이러한 에너지 되튕김 현상은 두 공진기에 남아있는 에너지가 모두 소모될 때까지 반복된다. 공진기에서 소모되는 에너지는 공진기의 내부 저항 및 방사 저항 성분에 기인한다. 이러한 저항 성분에 의하여, 두 공진기에 저장되는 에너지는 점점 감소하게 되고, 공진기에 저장된 에너지가 모두 소모되었을 때, 상호 공진은 종료된다.
소스 공진기에 최초에 저장된 에너지는 1) 내부 저항 및 방사 저항에 의해 소모되는 부분과 2) 상호 공진을 통해 타겟 공진기로 전달되는 부분으로 구분될 수 있다. 강한 상호 결합인 경우, 두 공진기가 에너지를 상대방 공진기로 전달하는 속도가 저항 성분에 의해 소모되는 속도보다 월등히 빠르므로, 두 공진기 간 에너지 되튕김 현상이 발생한다.
TX 단에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 강하게 상호 공진하는 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 상호 공진 하지 않은 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 차이가 있다. 타겟 공진기의 공진 주파수가 소스 공진기의 공진 주파수와 일치하면, 두 공진기 간에 상호 공진이 발생하고, 에너지 되튕김 현상이 발생한다. 타겟 공진기가 상호 공진하지 않으면, 소스 공진기에 저장된 에너지는 저항 성분에 의해 서서히 소모된다. RX 단은 상호 공진 여부를 통하여 데이터를 변조할 수 있고, TX 단은 상호 공진하는 경우의 신호 파형과 상호 공진하지 않는 경우의 신호 파형을 비교하여, 비교 결과에 따라 RX 단에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
RX 단에서도 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 강하게 상호 공진하는 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 상호 공진하지 않은 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 큰 차이가 있다. 소스 공진기에 에너지가 공급 되었는지 여부에 따라 상호 공진 여부 및 에너지 되튕김 현상의 발생여부가 결정될 수 있다. RX 단은 신호의 파형을 해석하여 TX단으로부터 전송된 데이터를 복조할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 상호 결합 한 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
소스 공진기와 타겟 공진기가 약하게 상호 결합하는 경우에, 초기에 소스 공진기에 저장된 에너지는 저항 성분에 의해 소모되는 속도가 타겟 공진기에 전달하는 속도보다 빨라서, 에너지 되튕김 현상이 발생하지 않는다.
강하게 상호 결합하는 경우보다 그 차이가 작기는 하지만, TX 단에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 약하게 상호 공진하는 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 상호 공진하지 않는 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 차이가 있다. RX 단에서도 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 약하게 상호 공진하는 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 상호 공진하지 않는 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 차이가 있다.
약한 상호 결합에서는 에너지 되튕김 현상이 발생하지 않기 때문에, 상호 공진 여부에 따른 파형 차이가 강한 상호 결합의 경우보다 명확하지 않다.
도 9는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리와 Q 값에 따른 상호 결합 동작의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, Low Q는 공진기에 음의 저항을 연결하지 않은 경우의 Q값이고, High Q는 공진기에 음의 저항을 연결하여 Q값을 증가시킨 경우이다. 공진기에 음의 저항을 연결하였다는 것은 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하였다는 것과 동일한 의미이다. 즉, Low Q의 공진기에서 소모되는 에너지를 능동 소자를 이용하여 보상하는 경우, Hihg Q의 공진기가 될 수 있다.
그래프를 참조하면, Q값이 증가함에 따라 강한 상호 결합을 하는 거리가 증가한다. 즉, 강하게 상호 결합할 수 있는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 증가할 수 있다. 또한, Q값이 증가함에 따라 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 정보의 송수신 성능이 향상될 수 있음을 의미한다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 에너지의 보상을 통해 소스 공진기의 Q 값이 증가하는 경우에, 소스 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10의 그래프는 소모되는 에너지를 보상하기 전, Low Q의 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 소모되는 에너지의 보상 후, High Q의 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형을 나타낸다. Low Q인 경우, 약한 상호 공진 현상이 발생하고 있고, 상호 공진 여부에 따른 파형의 변화가 크지 않다. High Q인 경우, 강한 상호 공진 현상에 의해, 상호 공진 여부에 따른 파형 변화가 확실하다. 따라서, TX단은 파형의 변화를 통해 상호 공진 여부를 검출하고, RX단에서 전송한 정보를 복조할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 에너지의 보상을 통해 타겟 공진기의 Q 값이 증가하는 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11의 그래프는 소모되는 에너지를 보상하기 전, Low Q의 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 소모되는 에너지의 보상 후, High Q의 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형을 나타낸다. Low Q인 경우, 약한 상호 공진 현상이 발생하고 있고, 상호 공진 여부에 따른 파형의 변화가 크지 않다. High Q인 경우, 강한 상호 공진 현상에 의해, 상호 공진 여부에 따른 파형 변화가 확실하다. 따라서, RX단은 파형의 변화를 통해 상호 공진 여부를 검출하고, TX단에서 전송한 정보를 복조할 수 있다.
도 12는 타겟 공진기에서 음의 저항을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 저장되는 에너지를 나타낸 그래프이다.
음의 저항을 사용하였다는 것은 타겟 공진기에서 저항 성분에 의해 소모되는 에너지를 보상하였다는 것과 동일한 의미이다. 데이터 전송 성능의 개선을 위해 소스 공진기와 타겟 공진기에 음의 저항을 연결하면, 음의 저항으로 동작하게 하기 위한 추가적인 에너지가 필요하다. TX단은 모바일 폰 등과 같이 추가적으로 에너지를 사용하는데 어느 정도 자유도를 가지는 디바이스일 수 있고, RX단은 tiny sensor와 같이 추가적인 에너지 사용에 강한 제약을 받는 디바이스가 될 수 있다. 따라서, TX단은 전력 공급장치로부터 에너지를 공급 받으면 되지만, RX단은 음의 저항을 사용함에 있어서 필요한 추가 에너지의 공급원이 필요하고, 또 이 공급원에서 사용되는 에너지를 보상할 필요가 있다.
도 12를 참조하면, RX단은 타겟 공진기에 최대 에너지가 저장되었을 때, 상호 공진 현상을 중단시키고, 저장된 에너지를 캡쳐링(Capturing)할 수 있다. 음의 저항이 타겟 공진기에 연결되지 않은 경우, 타겟 공진기에는 ER의 에너지가 저장된다. 음의 저항이 타겟 공진기에 연결된 경우, 타겟 공진기에는 추가로 EN의 에너지가 저장된다. 추가로 저장되는 에너지 EN은 타겟 공진기에서 음의 저항을 사용함에 있어서 필요한 에너지임을 예측할 수 있다. EN은 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 음의 저항을 통해 보상함으로써 타겟 공진기에 추가로 저장된 것이다. RX단은 캡쳐링 한 에너지에서 타겟 공진기에 추가로 저장된 에너지 EN만큼을 음의 저항의 구동에 사용한 에너지로 보상할 수 있다. 이때, 음의 저항의 구동에 필요한 에너지는 간이 배터리에서 제공될 수 있다. RX단은 간이 배터리에 타겟 공진기로부터 캡쳐링 한 에너지를 이용하여, 음의 저항의 구동에 사용한 에너지를 보상할 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 변조부;
    상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 전송부;
    상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 에너지 보상부;
    상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 제어부;
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 수신부; 및
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조하는 복조부
    를 포함하고,
    상기 에너지 보상부는
    상기 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 보상부는
    상기 소스 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 타겟 공진기로 전송되지 않고, 상기 소스 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 보상부는
    상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 검출하는 검출부; 및
    기 설정된 보상 조건에 따라 상기 검출된 에너지를 보상하는 보상부
    를 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 이용하여 상기 정보를 변조하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는
    상기 소스 공진기에 저장되는 에너지의 레벨을 양자화하여 상기 정보를 변조하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전력 공급 장치와 상기 소스 공진기의 전기적 연결을 제어함으로써, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 결정하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전력 공급 장치로부터 상기 에너지 보상부에 에너지가 공급되도록, 상기 전력 공급 장치와 상기 에너지 보상부의 전기적 연결을 제어하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  8. 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 변조부;
    상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 전송부;
    상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 에너지 보상부; 및
    상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 제어부;
    상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 수신부; 및
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 소스 공진기가 전송한 정보를 복조하는 복조부
    를 포함하고,
    상기 에너지 보상부는
    상기 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 보상부는
    상기 타겟 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 소스 공진기로 전송되지 않고, 상기 타겟 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 보상부는
    상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 검출하는 검출부; 및
    기 설정된 보상 조건에 따라 상기 검출된 에너지를 보상하는 보상부
    를 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경하여, 상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 결정하는
    무선 전력을 이용한 통신 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 보상부의 구동에 필요한 에너지를 공급하는 구동 전원부
    를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 타겟 공진기에서 수신하는 에너지의 크기를 모니터링하는 모니터링 부;
    상기 모니터링 한 에너지의 크기가 일정 기간 내에서, 피크 값을 가지는 경우, 상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 캡쳐링하는 캡쳐링부;
    상기 캡쳐링 한 에너지를 이용하여 상기 구동 전원부에서 공급된 에너지를 보상하는 보상부
    를 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 장치.
  14. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 제1 변조부;
    상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 제1 전송부;
    상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 제1 에너지 보상부;
    상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 제1 제어부;
    상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 제1 수신부;
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 소스 공진기가 전송한 정보를 복조하는 제1 복조부
    상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 제2 에너지 보상부; 및
    상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 제2 제어부
    를 포함하고,
    상기 제1 에너지 보상부는
    상기 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하고,
    상기 제2 에너지 보상부는
    상기 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 제2 변조부; 및
    상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 제2 전송부
    를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 제2 수신부; 및
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조하는 제2 복조부
    를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 통신 시스템.
  17. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 단계;
    상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계;
    상기 소스 공진기와 상기 소스 공진기에 에너지를 공급하는 전력 공급 장치의 전기적 연결을 제어하는 단계;
    상기 소스 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로 전송하는 단계;
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 타겟 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 단계; 및
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 타겟 공진기가 전송한 정보를 복조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 소스 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계는,
    상기 소스 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 에너지를 보상하는 단계는
    상기 소스 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 타겟 공진기로 전송되지 않고, 상기 소스 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 방법.
  19. 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진을 이용하여 정보를 변조하는 단계;
    상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계;
    상기 타겟 공진기와 상기 타겟 공진기로부터 에너지를 공급받는 부하의 전기적 연결을 제어하는 단계;
    상기 타겟 공진기에 저장된 에너지를 상기 상호 공진을 통하여 상기 소스 공진기로 전송하는 단계;
    상기 타겟 공진기와 상기 소스 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 상기 소스 공진기로부터 전송된 에너지를 수신하는 단계; 및
    상기 수신하는 에너지의 파형을 검출하여 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여, 상기 소스 공진기가 전송한 정보를 복조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 타겟 공진기에서 소모되는 에너지를 보상하는 단계는
    상기 타겟 공진기의 Q-factor가 소정의 값 이상을 갖도록, 능동 소자를 이용하여 상기 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 에너지를 보상하는 단계는
    상기 타겟 공진기에 저장된 에너지 중에서, 상기 소스 공진기로 전송되지 않고, 상기 타겟 공진기의 내부저항 및 방사저항으로 인하여 소모되는 에너지를 보상하는
    무선 전력을 이용한 통신 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20070082611A1 (en) * 2001-03-16 2007-04-12 Terranova Domenic F Wireless communication over a transducer device
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US20110043049A1 (en) * 2008-09-27 2011-02-24 Aristeidis Karalis Wireless energy transfer with high-q resonators using field shaping to improve k

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