KR101868146B1 - 무선 전력 송수신을 위한 공진기 - Google Patents

무선 전력 송수신을 위한 공진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송수신을 위한 공진기에 관한 것이다. 이와 관련해 본 발명의 무선 전력 송신을 위한 공진기는 입력 포트와 상기 공진기 사이의 임피던스를 정합하고, 상기 공진기의 공진 주파수를 조절하는 정합 회로 및 기 설정된 값 이상의 양호도를 갖는 공진 코일을 포함하며, 상기 정합 회로는, 상기 입력 포트와 상기 공진 코일 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터 및 상기 입력 포트와 접지 단자 사이에 병렬 연결된 제2 커패시터를 포함하며, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 등가 직렬 저항은 상기 공진 코일의 내부 저항보다 작은 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면, 무선 전력 송수신에 사용되는 공진기의 공진 주파수를 낮추어 전자기파가 인체에 미치는 영향을 최소화할 수 있으며, 공진기에 정합 회로를 부가함으로써, 공진기의 크기를 줄일 수 있다.

Description

무선 전력 송수신을 위한 공진기{RESONATOR FOR TRANSMITTING AND RECEIVING WIRELESS POWER}
본 발명은 무선 전력 송수신을 위한 공진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정합 회로를 이용한 무선 전력 송수신을 위한 공진기에 관한 것이다.
최근 다양한 휴대기기가 발달하고 광범위하게 사용되고 있다. 휴대기기의 기능이 향상되면서 요구되는 전력량은 증가하나, 소형화 및 경량화 추세로 인해 충전용량을 키우는 데는 제한이 있다.
그런데 무선으로 전력을 공급하면, 전기에너지가 전달되는 영역 내에서 가전기기를 자유롭게 이동하여 사용할 수 있고, 휴대기기의 재충전 주기가 짧아져도 쉽게 충전할 수 있으므로 휴대기기의 발달과 함께 무선 전력 전송 기술에 대한 관심도 높아지고 있다.
이러한 무선 전력 전송 기술로는 근거리에서 전자기파를 방사하여 비교적 작은 출력을 전달하는 근거리 전송 기술과, 자기 유도 현상을 이용한 비접촉식 전력 전송 기술, 최근 개발된 비방사형 무선 에너지 전송 기술 등이 있다.
이 중 비방사형 무선 에너지 전송기술은 근접장 효과를 이용하고, 송수신부의 공진 주파수를 일치시키는 방식으로, 자기 유도 방식에 비해 원거리 전송이 가능하며, 전자기파 방식에 비해서 높은 에너지 전달 효율을 갖는다. 또한, 비방사형 무선 에너지 전송 기술은 자기장을 기반으로 하고 있어, 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 때만 기기로 에너지가 직접 전달된다. 따라서 사용되지 않는 부분은 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 다른 기계나 신체에는 영향을 미치지 않는다.
비방사형 무선 에너지 전송기술은 전술한 바와 같이 기존 기술의 문제점을 보완하는 특징이 있어 그 파급력이 매우 광범위할 것으로 기대된다.
그러나 현재까지 개발된 비방사형 무선 전력 송수신 장치는 공진 코일의 반지름이 50cm 가량으로 매우 크고, 피딩 루프 코일을 포함하는 등 전체 공진기의 크기가 커서 실제 사용에는 적합하지 않다는 단점이 있다. 따라서, 비방사형 무선 에너지 전송기술의 상용화를 위해서는 전술한 문제점이 해결되어야 한다.
또한 종래 개발된 비방사형 무선 에너지 전송기술은 10MHz 정도의 공진 주파수를 사용하고 있는데, 전자기파가 인체에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 더 낮은 주파수의 사용이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선 전력 송수신에 사용되는 공진기의 공진 주파수를 낮추어 전자기파가 인체에 미치는 영향을 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.
또한 본 발명은 공진기에 정합 회로를 부가함으로써, 공진기의 크기를 줄이는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 전력 송신을 위한 공진기는, 입력 포트와 상기 공진기 사이의 임피던스를 정합하고, 상기 공진기의 공진 주파수를 조절하는 정합 회로, 기 설정된 값 이상의 양호도를 갖는 공진 코일을 포함하며, 상기 정합 회로는, 상기 입력 포트와 상기 공진 코일 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터; 및 상기 입력 포트와 접지 단자 사이에 병렬 연결된 제2 커패시터를 포함하며, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 등가 직렬 저항은 상기 공진 코일의 내부 저항보다 작은 것을 일 특징으로 한다.
또한 본 발명의 무선 전력 수신을 위한 공진기는 출력 포트와 상기 공진기 사이의 임피던스를 정합하고, 상기 공진기의 공진 주파수를 조절하는 정합 회로; 및 기 설정된 값 이상의 양호도를 갖는 공진 코일을 포함하며, 상기 정합 회로는, 상기 출력 포트와 상기 공진 코일 사이에 직렬 연결된 제1 커패시터; 및 상기 출력 포트와 접지 단자 사이에 병렬 연결된 제2 커패시터를 포함하며, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 등가 직렬 저항은 상기 공진 코일의 내부 저항보다 작은 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 무선 전력 송수신에 사용되는 공진기의 공진 주파수를 낮추어 전자기파가 인체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명은 공진기에 정합 회로를 부가함으로써, 공진기의 크기를 줄일 수 있다.
도 1 내지 도 3은 임피던스 정합과 전달 특성 사이의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기를 포함하는 무선 전력 송수신 장치를 도시한 도면,
도 5는 공액 정합하지 않은 경우의 송수신 전달 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트,
도 6은 공액 정합한 경우의 송수신 전달 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신을 위한 공진기의 등가 회로를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신을 위한 공진기의 등가 회로를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기에 포함된 정합 회로에 의한 스미스 차트,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정합 회로를 부가한 경우의 송수신 전단 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트,
도 11은 공진기에 사용되는 공진 코일의 종류 및 특성을 나타낸 표,
도 12는 공진기에 포함된 정합 회로에 사용되는 커패시터의 커패시턴스와 커패시터의 로드 임피던스 값을 나타낸 표,
도 13은 일반 세라믹 커패시터를 사용하는 경우의 전달 특성을 도시한 그래프 및 스미스 차트,
도 14는 특수 제작된 커패시터를 사용하는 경우의 전달 특성을 도시한 그래프 및 스미스 차트이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다. 또한, 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치에 포함되는 공진기의 구성요소는 동일하므로, 도 7 및 도 8을 제외한 나머지 설명은 모두 송신 장치와 수신 장치의 구분 없이 송수신 공진기 모두에 적용 가능하다.
발명의 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명에 이용되는 기본 개념을 설명하기로 한다. 공진 상태가 되기 위해서는 인덕터(L)와 커패시터(C)가 존재해야 하고 임피던스의 허수부가 0이 되어야 하므로 공진 코일의 임피던스 Z 가 R+jX(Ω)인 경우, 공진 주파수는 아래와 같이 결정된다.
Figure 112011081655607-pat00001
Figure 112011081655607-pat00002
Figure 112011081655607-pat00003
종래의 일반적 공진기 제작에서는 높은 양호도(Quality Factor; Q)를 갖는 공진기 제작을 위해, 높은 인덕턴스와 기생 커패시턴스를 갖는 공진 코일을 사용한다. 즉, 높은 양호도를 갖는 공진기 구현에 있어서 자체 인덕턴스 값이 큰 공진 코일을 제작하는 것이 중요한 설계 인자가 된다.
위 수학식 1을 참조하면, 복소 임피던스의 허수부가 0이 될 때 공진 조건을 만족하므로, 공진 코일이 인덕터를 주요한 구성요소로 하는 경우, 커패시터를 추가적으로 부가하여 공진을 발생시킬 수 있다. 즉, 공진 코일의 임피던스 Z가 R+jX(Ω)인 경우 포트의 임피던스 값이 R-jX(Ω)이 되도록 회로를 구성하면 공진이 발생하며, 본 발명은 이러한 원리를 이용한다.
도 1 내지 3은 임피던스 정합과 전달 특성 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 3의 HFSS 구조 해석을 통해, 직경이 70mm 이며, 1 턴(turn)으로 구성된 공진 코일을 피딩 루프 코일 없이 50옴의 임피던스를 갖는 시스템과 직접연결한 경우의 실시 예이다. 여기서 공진 코일의 임피던스 값 Z는 1.7Mhz에서 0.3+j29.4(Ω)이다.
도 1은 공진 코일 임피던스 값 0.2+ j29.4(Ω)과 동일한 값을 입력 포트(P1)의 임피던스로 설정한 경우이다. 그리고 출력 포트(P2)의 임피던스는 1(Ω)으로 설정하였다. 이 경우, 그래프에 나타난 바와 같이 전달 특성은 매우 나쁘고, 자기장 필드에서도 에너지 전달이 제대로 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 입력 포트(P1)의 임피던스를 공진 코일의 임피던스의 공액복소수로 설정하고, 출력 포트(P2)의 임피던스를 1(Ω)으로 설정한 경우이다. 자기장의 분포에 나타나는 바와 같이, 상부의 수신부 공진기에서 자기장 필드가 형성되면서 전달 특성이 -10dB 수준으로 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 3은 입력 포트(P1)의 임피던스를 공진 코일의 임피던스의 공액복소수로 설정하고, 출력 포트(P2)의 임피던스를 50(Ω)으로 설정한 경우이다. 즉, 입력 포트와 출력 포트 간에 완전한 임피던스 정합이 이루어진 경우로써, 전달 특성이 -0.07dB로 거의 대부분의 에너지가 전달되고 있음을 확인할 수 있다.
즉 위와 같은 실험 결과를 통해 포트 간 임피던스 정합만 제대로 이루어진다면, 공진기 자체의 공진 주파수를 원하는 대로 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기를 포함하는 무선 전력 송수신 장치를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도면에 도시된 무선 전력 송신 장치(100)는 종래 기술에 의한 것이며, 무선 전력 수신 장치(200)는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것이다.
종래 기술에 따른 무선 전력 송신 장치(100)는 자성체 시트(110), 피딩 루프 코일(130), 공진 코일(150)을 포함하며, 본 발명에 따른 무선 전력 수신 장치(100)는 자성체 시트(110), 공진 코일(250)을 포함한다.
자성체 시트(110, 210)는 공진기의 패키징 상에서 발생하는 저항 손실을 막기 위해 공진기를 덮는 형태로 장치에 포함될 수 있으며, 비어있는 육면체 형태를 가지므로, 아래 위는 열려 있는 구조일 수 있다.
종래 기술에 따른 송신 장치(100)는 공진 코일의 자체 공진 주파수에서 공진하도록 설계된다. 또한 임피던스 정합은 피딩 루프 코일(130)과 공진 코일(150) 사이의 거리 등을 조절하여 이루어지므로 크기가 크다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 장치(200)는 정합 회로를 이용하여 임피던스 정합이 이루어지며, 정합 회로로 공진 주파수가 조절되므로 작은 크기의 공진 코일(250)을 사용할 수 있어 도면에 도시된 바와 같이 그 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 도면에는 수신 장치(200)만을 본 발명의 실시 예로 구성하였으나, 본 발명에 따른 공진기가 송신 장치에도 사용될 수 있음은 자명하다.
이하에서는 도 4에 도시된 송수신 장치의 전송 특성을 도 3을 참조하여 설명하고자 한다. 도 5 및 도 6은 Agilent Network 분석기를 통해 측정한 결과로, 송신 장치에는 공진 주파수 1.72MHz, 직경 300mm, 양호도 300이상의 큰 Q를 갖는 공진 코일을 사용하였다. 반면 수신 장치에는 크기가 매우 작은 대신 14.8MHz의 공진 주파수를 갖는 공진 코일을 사용하였다. 이 측정에서 포트의 임피던스는 모두 50(Ω)으로 설정되어 있다.
도 5는 공액 정합하지 않은 경우의 송수신 전달 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트이다.
도 5를 참조하면, 본 측정에서는 수신 공진기가 공액 정합 되지 않은 바, 좌측의 전달 특성 그래프에 나타난 바와 같이 S21 전달 특성은 -11dB 근처에서 형성된다. 오른쪽 스미스 차트는 각 송수신 공진기 입력 포트에서 바라본 S-parameter를 나타내는 것으로, 수신 공진기에 포함되는 공진 코일의 임피던스 값이 1.72MHz에서 11.14+j137.8(Ω)임을 확인 할 수 있다.
도 6은 공액 정합한 경우의 송수신 전달 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트이다.
도 6은 수신 공진기가 공액 정합 되도록, 수신 공진기 포트 2의 임피던스를 공진 코일의 임피던스 값의 공액 복소수에 가깝게 12-j138(Ω)으로 설정한 경우의 특성을 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 송수신 전달 특성이 -1.1899dB로 거의 대부분의 전력이 송신장치에서 수신장치로 전달되며, 수신 공진기에서는 공진이 형성됨을 확인할 수 있다.
그러나, 실제로 시스템에서 포트 임피던스를 변환하여 공액 정합을 구현하는 것은 어려우므로, 본 발명에서는 후술하는 정합 회로를 이용하여 유사한 효과를 도출하고자 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신을 위한 공진기의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 송신을 위한 공진기(700)는 정합 회로(710)와 공진 코일(750)을 포함한다.
정합 회로(710)는 입력 포트(730)와 공진 코일(750)사이에 직렬 연결된 제1 커패시터(이하 'C1'이라 함), 입력 포트와 접지 단자 사이에 병렬 연결된 제2 커패시터(이하 'C2'라 함)를 포함한다.
여기서, 정합 회로(710)는 입력 포트(730)와 공진기(700) 사이의 임피던스를 정합하고, 공진기(700)의 공진 주파수를 조절한다. 정합 회로(710)는 전술한 바와 같이 포트의 임피던스를 변환하여 공액 정합하는 것이 실질적으로 어려우므로, 원하는 주파수에서 공진기(700)가 공진할 수 있도록 공진 주파수를 조절하면서, 입력 포트와 공진기 사이의 임피던스를 정합하기 위한 것이다.
정합 회로(710)를 부가함으로써, 공진 코일(750)에서 입력단을 바라보는 임피던스는 공진 코일(750)의 임피던스의 공액 복소수 값을 갖게 되어, 공진기(700)는 원하는 주파수에서 공액 정합된다. 또한 입력 포트(730)에서 바라본 임피던스는 포트의 임피던스 값과 동일해 지므로, 입력 포트(730)와 공진기(700) 사이의 임피던스가 정합된다.
이때, 정합 회로에 포함된 C1(713) 및 C2(715)의 등가 직렬 저항이 작을수록 공진기(700)의 양호도가 높아져, 전달 특성이 우수해진다.
C1(713) 및 C2(715) 값을 결정할 때는, 공진 코일(750)의 임피던스가 R+jX(Ω)일때, 코일에서 정합 회로(710)를 바라봤을 때의 임피던스가 R-jX(Ω)이 되도록 한다. 이때, C1(713) 및 C2(715)의 등가 직렬 저항의 합을 RCT 라고 하면, RCT 는 공진 코일(750)의 내부 저항보다 작아야 하고, 보다 자세하게는 공진 코일(750)의 내부 저항의 0.5배 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 정합 회로(710)의 C1(713) 및 C2(715)의 양호도의 측면에서 살펴보면, 합성 커패시터의 양호도가 400이상이 되도록 C1(713) 및 C2(715) 값을 설정함이 바람직하다.
입력 포트(730)와 공진기(700)사이의 임피던스가 공액 정합 되는 경우 공진이 형성 되는데, 무선 전력 전송을 위해서는 순방향전달계수(S21-transmission coefficient)가 -1.4dB 이내인 것이 바람직하다. 즉, 이러한 조건은 공진 코일(750)의 양호도를 기 설정된 값 이상이 되도록 설정함으로써 만족시킬 수 있다. 예를 들면, 공진 코일(750)의 임피던스를 Z=R+jX(Ω)라고 할때, 공진 코일(750)의 양호도 Q=X/R 에서, 공진 코일(750)의 양호도가 100이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 양호도를 높이기 위해 공진 코일(750)의 내부 저항인 R의 값을 작게 할 수 있다. 즉, 공진기(700)를 구현함에 있어서, 높은 인덕턴스를 유지하고 낮은 저항을 갖는 공진 코일(750)을 사용하는 것이 바람직하다. 높은 인덕턴스를 유지하기 위해서는 코일의 2층 구조를 이용할 수 있는데, 양호도와 공진 코일(750)의 특성에 대한 상세한 실시 예는 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신을 위한 공진기의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 수신을 위한 공진기(800)는 정합 회로(810)와 공진 코일(850)을 포함한다.
정합 회로(810)는 출력 포트(830)와 공진 코일(850)사이에 직렬 연결된 제1 커패시터(이하 'C1'이라 함), 출력 포트(830)와 접지 단자 사이에 병렬 연결된 제2 커패시터(이하 'C2'라 함)를 포함한다.
여기서, 정합 회로(810)는 출력 포트(830)와 공진기(800) 사이의 임피던스를 정합하고, 공진기(800)의 공진 주파수를 조절한다. 정합 회로(810)는 전술한 바와 같이 포트의 임피던스를 변환하여 공액 정합하는 것이 실질적으로 어려우므로, 원하는 주파수에서 공진기(800)가 공진할 수 있도록 공진 주파수를 조절하면서, 출력 포트(830)와 공진기 사이의 임피던스를 정합하기 위한 것이다.
정합 회로(810)를 부가함으로써, 공진 코일(850)에서 입력단을 바라보는 임피던스는 공진 코일(850)의 임피던스의 공액 복소수 값을 갖게 되어, 공진기(800)는 원하는 주파수에서 공액 정합된다. 또한 출력 포트(830)에서 바라본 임피던스는 포트의 임피던스 값과 동일해 지므로, 출력 포트(830)와 공진기(800) 사이의 임피던스가 정합된다.
이때, 정합 회로에 포함된 C1(813) 및 C2(815)의 등가 직렬 저항이 작을수록 공진기(800)의 양호도가 높아져, 전달 특성이 우수해진다.
C1(813) 및 C2(815) 값을 결정할 때는, 공진 코일(850)의 임피던스가 R+jX(Ω)일때, 코일에서 정합 회로(810)를 바라봤을 때의 임피던스가 R-jX(Ω)이 되도록 한다. 이때, C1(813) 및 C2(815)의 등가 직렬 저항의 합을 RCT 라고 하면, RCT 는 공진 코일(850)의 내부 저항보다 작아야 하고, 보다 자세하게는 공진 코일(850)의 내부 저항의 0.5배 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 정합 회로(810)의 C1(813) 및 C2(815)의 양호도의 측면에서 살펴보면, 합성 커패시터의 양호도가 400이상이 되도록 C1(813) 및 C2(815) 값을 설정함이 바람직하다.
출력 포트(830)와 공진기(800)사이의 임피던스가 공액 정합 되는 경우 공진이 형성 되는데, 무선 전력 수신을 위해서는 순방향전달계수(S21-transmission coefficient)가 -1.4dB 이내인 것이 바람직하다. 즉, 이러한 조건은 공진 코일(850)의 양호도를 기 설정된 값 이상이 되도록 설정함으로써 만족시킬 수 있다. 예를 들면, 공진 코일(850)의 임피던스를 Z=R+jX(Ω)라고 할때, 공진 코일(850)의 양호도 Q=X/R 에서,공진 코일(850)의 양호도가 100이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 양호도를 높이기 위해 공진 코일(850)의 내부 저항인 R의 값을 작게 할 수 있다. 즉, 공진기(800)를 구현함에 있어서, 높은 인덕턴스를 유지하고 낮은 저항을 갖는 공진 코일(850)을 사용하는 것이 바람직하다. 높은 인덕턴스를 유지하기 위해서는 코일의 2층 구조를 이용할 수 있는데, 양호도와 공진 코일(850)의 특성에 대한 상세한 실시 예는 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.
무선 전력 수신 장치의 공진기(800)는 무선 전력 송신 장치의 공진기(700)와 동일한 공진 주파수를 갖고, 무선 전력 송신 장치의 공진기(700)와 커플링 되어 전력을 수신한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정합 회로를 추출하기 위한 스미스 차트이다. 도시된 스미스차트는 공진 코일의 임피던스가 12.5+j138(Ω)인 경우의 실시 예이다.
도 9를 참조하면, 공진 코일에서 정합 회로를 바라본 임피던스가 공진 코일의 임피던스와 공액 값을 갖도록 하기 위해서, 공진 코일과 C1을 직렬로 연결한다. 스미스 차트에서 임피던스 점은 직렬 커패시터의 궤적을 따라 포인트 1에서 포인트 2로 이동한다. 다음으로, 입력 포트의 임피던스는 50(Ω)으로 설정되어 있으므로, 병렬로 C2를 연결하여 2차 임피던스 점을 포인트 3으로 이동시킨다.
따라서, 공진 코일에서 정합 회로를 바라본 임피던스는 12.5-j138(Ω)으로, 공진기의 리액턴스 성분은 제거되고 결과적으로 공진이 형성된다.
이때, 정합 회로에 사용되는 소자들은 대부분 일정한 값 이상의 내부 저항을 갖고 있으며, 이로 인해 공진기의 양호도가 감소할 수 있다. 예를 들어, 세라믹으로 만든 800pF과 3.2nF의 커패시터를 이용하여 정합 회로를 구현하는 경우 삽입 손실이 -3dB 이상 발생한다.
이러한 커패시터의 내부 저항을 줄이기 위해서는 얇은 기판으로 형성된 커패시터를 사용할 수 있다. 이때, 같은 커패시터 값을 갖도록 기판을 병렬로 구성하는 것도 가능하다. 보다 얇은 병렬 구조의 커패시터를 사용하면, 정합 회로를 보다 소형화하여 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정합 회로를 부가한 경우의 송수신 전단 특성을 나타내는 그래프 및 스미스 차트이다.
도 10은 전술한 얇은 기판으로 형성된 병렬 구조의 커패시터를 사용하여 정합 회로를 구현하고, 이를 공진기에 부가한 경우의 송수신 공진기 간 전력 전달 특성을 나타낸 것이다. 그래프를 통해 삽입 손실이 -1.35dB 수준임을 확인할 수 있다. 또한 우측의 스미스 차트를 살펴보면, 공진기가 정확히 50(Ω)로 임피던스 정합이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 즉, 얇은 기판으로 형성된 병렬 구조의 커패시터를 사용하면, 보다 소형의 공진기를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 공진기에 사용되는 공진 코일의 종류 및 특성을 나타낸 표이다.
각 코일의 특성을 설명하기에 앞서, 표에 기재된 Z값은 수신 장치의 공진 코일의 임피던스이고, Z'는 수신 공진기가 송신 공진기와 커플링 된 후의 수신 공진기 공진 코일의 임피던스이다. 또한, Q값은 수신 코일의 양호도이다.
도 11을 참조하면, 공진 코일의 양호도가 100에 가깝거나 그 이상인 경우, 즉 제 2 코일 내지 제 4 코일은 전달 특성이 -1dB 이상으로 좋은 것을 확인할 수 있다. 그러나 양호도가 작은 공진 코일을 사용한 경우에는, 전달 특성이 낮으므로 전력 전달 효율이 낮다.
또한, 공진 코일의 저항값이 작아질수록 전달 특성이 좋아진다고 전술한 바 있는데, 이는 제 3 코일과 제 4 코일의 공진 코일의 저항 값이 0.8(Ω)에서 0.4(Ω)으로 줄어드는 경우, 전달 특성이 좋아지는 것을 통해 확인 가능하다.
제 1 코일을 살펴 보면 리액턴스 값이 538(Ω)로 제 2 내지 제 4 코일보다 훨씬 큰 값을 가지고 있음에도 불구하고, 저항 값이 14(Ω)으로 매우 커서 전달 특성이 좋지 않다.
이러한 특성을 통해, 100 이상의 양호도를 갖고, 저항 값이 작은 공진 코일을 사용하는 것이 공진기의 전달 특성을 향상시킬 수 있는 조건임을 알 수 있다. 즉, 공진 주파수에서 높은 인덕턴스를 유지하면서 낮은 저항을 갖는 적절한 코일을 선택하는 것이 공진기를 소형화 함에 있어 중요한 요소가 될 것이다. 또한 2층 구조를 이용하여 적은 코일로 높은 인덕턴스를 유지하는 것도 중요한 요소일 것이다.
도 12는 공진기에 포함된 정합 회로에 사용되는 커패시터의 커패시턴스와 커패시터의 로드 임피던스 값을 나타낸 표이다.
전술한 바와 같이 커패시터의 내부 저항 값은 작을 수록 좋으며, 예를 들어 공진 코일의 리액턴스 값이 100 정도인 경우에는, 커패시터와 공진 코일의 등가 직렬 저항의 합은 1(Ω)이하로 유지하는 것이 좋다. 다시 말해, 커패시터의 등가 직렬 저항의 합이 공진 코일의 내부 저항보다 작은 것이 바람직하다. 표에 커패시터의 내부 저항 값과 양호도가 나타나 있는데, 특수 제작된 커패시터의 경우 커패시터의 내부 저항이 매우 작고, 이에 따라 커패시터의 양호도는 매우 큰 값을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 실제로 정합 회로를 구현하는 경우, 커패시터의 양호도는 400 이상이 되도록 커패시터 값을 설정하는 것이 바람직하다.
도 13은 일반 세라믹 커패시터를 사용하는 경우의 전달 특성을 도시한 그래프 및 스미스 차트이고, 도 14는 특수 제작된 커패시터를 사용하는 경우의 전달 특성을 도시한 그래프 및 스미스 차트이다.
도 13은 C1은 630.8pF, C2는 3.33nF 인 커패시터를 사용한 경우의 측정 결과이다. 이 경우 1.738MHz에서 S21은 -2.8468dB로 측정되었다.
도 14는 C1은 674pF, C2는 3.38nF인 커패시터를 사용한 경우의 측정 결과이다. 이 경우 1.6985MHz에서 S21는 -1.0599dB로 측정되었다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 정합 회로에 사용된 커패시터의 커패시턴스 값은 유사하나 특수 제작된 커패시터를 사용하는 경우의 전송 특성이 두 배 이상 향상되었다. 이는 커패시턴스의 내부 저항 값에 있어서 일반 세라믹 커패시터와 특수 제작된 커패시터가 큰 차이를 갖고 있기 때문이다. 도 13 및 도 14의 측정 결과를 통해, 정합 회로에 사용되는 커패시터의 내부 저항이 작아야 전송 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

  1. 무선 전력 송신을 위한 공진기에 있어서,
    입력 포트와 상기 공진기 사이를 직접 연결하여 상기 입력 포트와 상기 공진기 사이의 임피던스를 정합하고, 상기 공진기의 공진 주파수를 조절하는 정합 회로; 및
    기 설정된 값 이상의 양호도를 갖는 공진 코일을 포함하며,
    상기 정합 회로는,
    상기 입력 포트와 상기 공진 코일 사이에 위치하여 상기 공진 코일에 직렬 연결되는 제1 커패시터; 및
    상기 입력 포트와 접지 단자 사이에 위치하여 상기 공진 코일에 병렬 연결되는 제2 커패시터를 포함하며,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 등가 직렬 저항은 상기 공진 코일의 내부 저항보다 작고,
    상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터는, 공진 코일의 임피던스가 R+jX(Ω)일때, 공진 코일에서 정합 회로를 바라봤을 때의 임피던스가 R-jX(Ω)되는 커패시터 값을 가지는 무선 전력 송신을 위한 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스는 상기 정합 회로의 양호도가 400 이상이 되도록 설정된 값인
    무선 전력 송신을 위한 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 값은 100인
    무선 전력 송신을 위한 공진기.
  4. 무선 전력 수신을 위한 공진기에 있어서,
    출력 포트와 상기 공진기 사이를 직접 연결하여 상기 출력 포트와 상기 공진기 사이의 임피던스를 정합하고, 상기 공진기의 공진 주파수를 조절하는 정합 회로; 및
    기 설정된 값 이상의 양호도를 갖는 공진 코일을 포함하며,
    상기 정합 회로는,
    상기 출력 포트와 상기 공진 코일 사이에 위치하여 상기 공진 코일에 직렬 연결되는 제1 커패시터; 및
    상기 출력 포트와 접지 단자 사이에 위치하여 상기 공진 코일에 병렬 연결되는 제2 커패시터를 포함하며,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 등가 직렬 저항은 상기 공진 코일의 내부 저항보다 작고,
    상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터는, 공진 코일의 임피던스가 R+jX(Ω)일때, 공진 코일에서 정합 회로를 바라봤을 때의 임피던스가 R-jX(Ω)되는 커패시터 값을 가지는 무선 전력 수신을 위한 공진기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스는 상기 정합 회로의 양호도가 400 이상이 되도록 설정된 값인
    무선 전력 수신을 위한 공진기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기 설정된 값은 100인
    무선 전력 수신을 위한 공진기.


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