KR102031043B1 - 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

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아사프 마노바-엘시보니
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휴마복스 엘티디.
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Abstract

주변 환경들에서 전파하는 전자기 에너지를 하베스팅하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 안테나 유닛, 하베스팅 유닛, 및 입력 신호 조정 회로를 포함한다. 안테나 유닛은 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 대응하는 전기 출력을 생성하도록 구성된다. 하베스팅 유닛은 각각이 안테나 유닛의 출력을 나타내는 신호들을 수신하고 대응하는 전기 전하를 발생시키고 그리고 저장하도록 동작가능하게 구성된 적어도 하나의 에너지 하베스팅 회로를 포함하고, 하베스팅 회로는 각각이 AC 전기 신호들을 수신하고 대응하는 DC 전력을 발생시키도록 동작가능하게 구성된 복수개의 정류기들을 포함하는 정류 유닛; 및 정류 유닛으로부터 복수개의 DC 전력들을 수신하고 그것들을 하베스트된 에너지를 제공하는 전기 전하로 변환 및 축적하도록 동작가능하게 구성된 전하 수집 유닛을 포함한다. 입력 신호 조정 회로는 안테나 유닛에 연결된 입력부 및 정류 유닛에 연결된 출력부를 갖고, 입력 신호 조정 회로는 안테나 유닛 및 정류 유닛의 미리 결정된 전기적 특성을 조정하도록 동작가능하게 구성되고 그에 의해 상기 하베스팅 회로로 안테나 유닛의 전기 출력의 수신을 최적화한다.

Description

에너지 하베스팅 시스템 {ENERGY HARVESTING SYSTEM}
본 발명은 의료 디바이스들 (예를 들어, 삽입형 디바이스들), 뿐만 아니라 전기 차량들, 및 다양한 가정용 디바이스들를 포함하는 다양한 애플리케이션들에서 사용될 수 있는 에너지 하베스팅 시스템 및 하베스팅 기술들의 분야에 관한 것이다.
최근 20년에, 전자기파 통신, 예컨대 RF 통신의 사용량은 모바일/위성 통신, 의료 처리들, 및 유사한 것을 포함하는 인체 생명의 모든 측면들에서 극적으로 증가되어 왔고, 동시에 라디오 주파수 스펙트럼의 상이한 파트들은 상이한 라디오 송신 기술들 및 애플리케이션들을 (예를 들어, TV (텔레비전) 또는 셀룰러 애플리케이션들과 같은)위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 라디오 주파수 스펙트럼은 국제 텔레통신 연합 (ITU) 라디오 규정들에 따라 모든 국가들의 민간, 정부, 및 군인 유저들에 의해 공유된다. 따라서, 세계 도처에 사람들은 상이한 주파수들 및 세기를 가지고 대기중에서 전파하는 여러 가지 전자기 신호들 (방사)에 의해 둘러싸인다.
전력을 생성하기 위해서 대기중에서 전파하는 전자기 신호들을 수집하기 위한 관련 기술 분야에서의 몇몇의 시도들이 있어왔다. 지정된 종류의 일부 기술들이 예를 들어 이하의 출원들: EP 1,722,284, US 2009/105,782, 및 JP 10146077에서 설명된다.
최근에, 주입되고 부착되는 의료 디바이스들에서 빠른 기술상의 발전이 있어왔다. 그러나, 전부는 아니지만, 이들 디바이스들의 다수는 그것들의 에너지 소스로서 전기를 필요로 한다. 각각의 이런 의료 디바이스는 일회용 전기 소스로서 배터리들을 사용한다. 심장 페이스 메이커 또는 제세동기와 같은 주입되는 디바이스들에 관한 한 배터리 그 자체의 교환은 환자를 위태롭게 하고 및 그를 수술전 공포들, 불편한 절차, 및 뒤따르는 회복 기간와 함께 다양한 위험들에 노출시키는 반복적인 수술들을 필요로 한다. 보청기와 같이 부착되는 디바이스들에 관한 한, 디바이스 유형에 따라 하루에 한번에서부터 일주에 한번까지 변할 수 있는 배터리들의 교환은 그저 성가신 일이다.
따라서, 이런 디바이스들에서 배터리를 충전하고 어쩌면 배터리에 대한 요구를 배제시키는 것이 가능한 메커니즘이 원해지는 것은 명백하다.
관련 기술 분야에서 예를 들어, 가장 효율적인 방식으로 배터리를 충전하는 것 또는 전기 디바이스를 동작시키는 것을 가능하게 하는 재충전이 가능한 배터리 또는 전기 디바이스와 같은 전기 부하에 공급되도록 하기 위한 전자기 방사 (예를 들어, RF 신호들) 및 효율적인 수집 및 하베스트된 에너지의 저장을 가능하게 하는 에너지 하베스팅에 대한 새로운 접근법에 대한 요구가 있다. 전자기 에너지 하베스팅에 대한 기술은 그 전체가 참조로서 본 출원에 통합된 동일한 발명자의 U.S. 특허 출원 번호. 13/116554에 설명된다. 이런 시스템은 기능적으로 주변 환경(surrounding)으로부터 이미 현존하는 RF 방사를 끌어 모으고 그것을 사용 가능한 에너지 소스로 변환하는 것을 허용한다.
본 발명은 새로운 에너지 하베스팅 시스템 및 방법 뿐만 아니라 에너지 하베스팅 시스템에서의 사용을 위한 새로운 안테나 유닛을 제공한다. 본 발명의 안테나 유닛은 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 대응하는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성된다. 안테나 유닛은 상이한 전기 및/또는 자기 특성들을 갖는 상이한 전송 매체들과 관련된 (예를 들어, 그 안에 위치된) 적어도 두개의 전기적으로 전도성 엘리먼트들을 포함한다.
대기중에 이용 가능한 소스들로부터 RF 에너지를 하베스팅 할 때, 시스템의 효율은 수신된 신호들의 주파수들 및 세기의 다양성 때문에 매우 중요하다. 하베스팅 시스템의 효율을 결정하는 중요한 요인들 중 하나는 안테나 유닛의 미리 결정된 전기적 특성 및 정류 유닛의 전기적 특성의 매칭/조절의 정도이다. 보다 구체적으로, 이것은 정류 회로의 임피던스 및 입력 신호의 세기 사이의 매칭일 수 있다. 정류기 임피던스는 입력 신호 세기의 함수로서 동적으로 변화된다. 보다 구체적으로, 입력 신호가 정류기의 전도 임계값에 비하여 저파워 신호일때는, 정류기의 임피던스가 매우 높다. 입력 신호의 세기가 증가하고 정류기의 전도 임계값에 접근할수록, 정류기의 임피던스는 감소하고, 신호의 세기가 정류기의 전도 임계값을 초과할 때까지 정류기의 임피던스는 감소한다. 정적 시스템에서, 정류기는 그것의 임피던스가 입력 신호의 세기의 임의 레벨에 매칭되지만, 다른 세기에서는 그것은 매칭되지 않고 효율이 상당히 감소하도록 구성된다. 따라서, 안테나 유닛의 임피던스에 대한 입력 신호 세기 변화에 따라 정류기 임피던스를 동적으로/선택적으로 매칭시키도록 구성되고 동작 가능한 입력 신호 조정 유닛/회로, 예를 들어, 적응적 임피던스 매칭 유닛에 대한 요구가 있을 수 있다.
정류기 임피던스의 동적 변화에 대한 요건을 충족시키는 한가지 방법은 입력 임피던스의 동적 능동 변화를 제공함에 의한다. 그러나 이 기술은 에너지 낭비로 이어지는 에너지 소모를 겪는다.
따라서 일부 애플리케이션들에서는 이런 동적 임피던스 매칭이 수동 유닛에 의해 구현될것을 희망한다. 이것에 연결하여, 본 출원에서 사용되는 용어들 “능동 유닛” 및 “수동 유닛”은 각각 그것들의 미리 정의된 작동 파라미터들/상태들에 기초하여 자체적으로 동작가능하고 그리고 하나 이상의 작동 파라미터들/상태들을 변화시키기 위한 전용 제어기에 의해 동작가능한 유닛들/회로들을 지칭한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 상이한 입력 세기 신호들 (안테나 유닛로부터 수신된)에 관하여 정류기들의 임피던스들을 매칭시키고 및 모든 입력 세기 레벨들에서 하베스팅 시스템의 효율을 최대화하도록 동작하는 수동 필터링 유닛을 제공한다.
전자기 에너지를 하베스팅할 때, 각각의 정류기의 커패시터는 일반적으로 작다. 그러나, 시간이 흐르면서 동일한 정류기로부터 및 몇몇의 정류기들로부터 발원되는 전하의 큰 양들의 저장에 대한 요구가 있다. 본 발명은 하베스팅 프로세스동안에 획득된 작은 전하들을 큰 스토리지(storage)로 (즉, 상대적으로 큰 정전 용량을 갖는 커패시터) 끌어 모으기위한 두개의 다음의 새로운 접근접들 중 하나에 기초할 수 있는 새로운 전하 수집 유닛을 제공한다. 이것은 큰 전기 전하 저장을 가능하게 위해 획득된 작은 전하들을 큰 커패시터로 전송하는 것을 허용하는 전압 대 전류 적절한 변환을 이용함으로써 또는 스위칭 토폴로지 회로를 이용함으로써 본 발명에서 구현된다. 이 목적을 위해서, 본 발명은 정류 유닛의 다수의 정류기들로부터 복수개의 DC 전력들을 수신하고 그것들을 전기 전하 (전압 대 전류 변환 또는 스위칭 토폴로지 회로를 통하여)로 변환 및 축적하도록 동작 가능하게 구성된 신호 가산 유닛(signal summing unit)을 포함하는 전하 수집 유닛을 포함하고, 이 전하들이 하베스트된 에너지를 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 확장 측면에 따라, 시스템이 노출된 주변 환경들에서 전파하는 전자기 에너지를 하베스팅 하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 대응하는 전기 출력을 생성하도록 구성된 안테나 유닛; 하나 이상의 하베스팅 회로들을 포함하는 하베스팅 유닛으로서 각각의 하베스팅 회로는 안테나 유닛의 출력을 나타내는 신호들을 수신하고 하베스트된 에너지를 제공하는 대응하는 전기 전하를 발생 및 저장하도록 동작가능하게 구성되고; 및 안테나 유닛에 연결된 입력부 및 하베스팅 유닛의 상기 적어도 하나의 하베스팅 회로에 연결된 출력부를 갖고 안테나 유닛 및 상기 적어도 하나의 하베스팅 회로의 미리 결정된 전기적 특성을 조정하도록 동작가능한 입력 신호 조정 회로로서 그에 의해 상기 적어도 하나의 하베스팅 회로에 의해 안테나 유닛의 전기 출력의 수신을 최적화하는, 상기 입력 신호 조정 회로를 포함한다.
본 발명에서 용어들 “유닛” 및 “회로”는 그것들의 각각은 실제로 전기 입력에 영향을 미치고/프로세스하는 어떤 기능성을 정의하는 하나 이상의 전기의 회로들을 지칭하기 때문에 호환하여 사용된다는 것에 유의하여야 한다.
하베스팅 회로는 복수개의 정류기들을 포함하되 각각이 AC 전기의 신호들을 수신하고 대응하는 DC 전력을 발생시키도록 동작가능하게 구성된 정류 유닛; 및 상기 정류 유닛으로부터 상기 복수개의 DC 전력들을 수신하고 그것들을 하베스트된 에너지를 제공하는 전기 전하로 변환 및 축적하도록 동작가능하게 구성된 전하 수집 유닛을 포함한다.
일반적으로, 안테나 유닛은 임의의 알려진 적절한 구성을 가질 수 있다. 바람직하게는, 그러나, 본 발명의 새로운 안테나 구조가 사용될 수 있다. 이런 새로운 안테나 구조는 전기 및 자기 특성들 중 적어도 하나에서 다른 상이한 전송 매체들과 관련된 적어도 두개의 전기적으로 전도성 엘리먼트들을 포함한다. 본 출원에서는 단지 구조가 노출된 전자기 방사에 응답하고(전형적으로 RF 방사) 그리고 대응하는 전기 출력 (응답 신호)를 제공하는 의미에서 “안테나 유닛”으로 명칭된다는 것이 이해되어야 한다.
일부 실시예들에서, 이런 적어도 두개의 상이한 전송 매체들은 예를 들어 적어도 두개의 상이한 살아있는 조직들 (안테나 유닛이 피험자에 주입될 수 있는 경우에)을 포함할 수 있거나; 또는 살아있는 조직 및 공기 (안테나 유닛이 피험자에 부착된 경우에)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 안테나 유닛은 이들 예들에 제한되지 않고, 뿐만 아니라 임의의 특정 매체들에 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다.
상기 입력 신호 조정 유닛은 전기 파라미터, 예를 들어, 안테나 유닛 및 정류 유닛의 임피던스사이의 매칭에 의해 하베스팅 회로의 정류 유닛으로 안테나 출력의 수신을 최적화하도록 동작가능하게 구성된다.
일부 실시예들에서, 입력 신호 조정 유닛은 임피던스 매칭 유닛 및 임피던스 매칭 유닛에 연결된 필터링 유닛을 포함한다. 임피던스 매칭 유닛은 안테나 유닛 및 필터링 유닛의 임피던스들 사이에서 매칭시키도록 구성된다. 필터링 유닛은 주변 환경들에서 전파하는 수신된 RF 대역을 각각의 서브밴드에 대하여 대역폭 및 세기, 중심 주파수의 미리 결정된 값들을 갖는 미리 정의된 수의 서브밴드들로 정렬하도록 동작가능하게 구성된다. 미리 정의된 수의 서브밴드들은 정류 유닛내 정류기들의 수에 대응한다.
일부 실시예들에서, 입력 신호 조정 유닛은 적응적 임피던스 매칭 유닛 및 적응적 임피던스 매칭 유닛에 연결가능하고 그것의 동작을 동작가능하게 구성된 제어 유닛을 포함한다. 적응적 임피던스 매칭 유닛은 안테나 유닛에 의해 수신된 다수의 주파수 대역들의 신호 세기들에 정류 유닛의 정류기의 임피던스들을 제어 가능하게 조정하도록 동작가능하게 구성된다.
일부 실시예들에서, 전하 수집 유닛은 스위칭 토폴로지 회로 및 제어기를 포함하는 신호 가산 유닛을 포함한다. 스위칭 토폴로지 회로는 정류 유닛내 정류기들의 수에 대응하는 미리 결정된 수의 커패시터들을 포함하고, 모두는 전기적으로 스토리지 커패시터에 연결된다. 개개의 정류기들의 출력에 연결된 커패시터들은 상대적으로 작은 정전 용량 값들을 갖고, 반면 스토리지 커패시터는 상대적으로 큰 정전 용량 값을 가진다. 스위칭 토폴로지 회로는 “큰” 커패시터상에서의 대응하는 전하의 스토리지 및 파워 가산을 위해 대응하는 복수개의 “작은” 커패시터들과 개개의 상기 복수개의 정류기들로부터 수신된 상기 복수개의 DC 신호들사이에서 제어 가능하게 스위칭하도록 조정된다.
일부 실시예들에서, 전하 수집 유닛은 전압 대 전류 유닛을 포함하는 신호 가산 유닛을 포함한다. 전압 대 전류 유닛은 대응하는 수의 정류기들의 출력부들에 개별적으로 연결된 입력부들을 갖고 스토리지 커패시터에 연결된 출력부들을 갖는 미리 결정된 수의 전압 대 전류 변환 회로들을 포함한다. 전압 대 전류 유닛은 그에 의해 상기 복수개의 전압 대 전류 변환 회로들을 통하여 상기 복수개의 정류기들로부터 수신된 상기 복수개의 DC 신호들/파워들을 변환 및 가산하도록 조정된다.
상기 시스템은 추가로 적어도 하나의 입력 신호 조정 유닛 (예를 들어, 임피던스 매칭 유닛) 및 전하 수집 유닛 중 적어도 하나에 연결된 제어 유닛을 포함할 수 있다. 상기에서 설명된 스위칭 토폴로지 회로를 포함하는 최소한 전하 수집 유닛에 연결된 제어 유닛을 고려하면, 제어유닛은 스위칭 토폴로지 회로를 “큰” 커패시터상에서의 대응하는 전하의 스토리지 및 파워 가산을 위해 상대적으로 작은 정전 용량 값들의 대응하는 복수개의 “작은” 커패시터들와 개개의 상기 복수개의 정류기들로부터 수신된 상기 복수개의 DC 신호들사이에서 개별적으로 제어 가능하게 스위칭하도록 동작시킨다.
동일한 입력 신호 조정 유닛이 다수의 하베스팅 회로들과 관련될 수 있다는 것에 유의하어야 한다. 또한, 동일한 전하 수집 유닛은 전하 수집 유닛의 입력들의 수를 다수의 하베스팅 회로들에 의해 정의된 정류기들의 전체 수(total number)로 조정함으로써 다수의 하베스팅 회로들과 관련될 수 있다.
상기 하베스팅 유닛은 전하 수집 유닛의 (큰 커패시터의 형태로 전하 스토리지 유틸리티에 의해 정의된) 출력을 적어도 하나의 전기 부하에 연결하기 위한 연결 포트를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기 부하는 이하의: 재충전이 가능한 배터리, 의료 디바이스, 전기 전달수단 컴포넌트, 가정용 전기 디바이스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 의료 디바이스는 이하의: 페이스메이커(pacemaker), 제세동기(defibrillator), 및 보청기(hearing aid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전기 전달수단 컴포넌트는 이하의: 전기 액세서리, 오디오 시스템들 및 증폭기들, TV 및 DVD 시스템들, GPS 시스템들, 에어컨 시스템들, 알람 시스템들, 라이트(light)들 및 와이어링 시스템들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 광범위한 측면에 따라 주변 환경으로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 및 대응하는 출력 전기 신호를 생성하도록 동작가능하게 구성된 안테나 유닛이 제공된다. 안테나 유닛은 전기 및/또는 자기 특성들에서 다른 적어도 두개의 상이한 전송 매체들에 위치된 적어도 두개의 전도성 엘리먼트들을 포함한다. 수신된 외부 전자기 방사는 출력 전기 신호를 생성하는 적어도 두개의 전도성 엘리먼트들사이에서 전위 차이를 창설하고, 그에 의해 주변 환경들로부터의 외부 전자기 방사의 흡수를 허용한다.
상기에서 언급된 바와 같이, 일부 특정되지만 제한적이 아닌 예들에서, 상이한 전송 매체들은 상이한 살아있는 조직들; 또는 살아있는 조직 및 공기를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 광범위한 측면에 따라, 주변 환경들에서 전파하는 RF 대역의 전자기 방사에 노출된 안테나와의 사용을 위한 입력 신호 조정 유닛이 제공된다. 입력 신호 조정 유닛은 임피던스 매칭 유닛 및 임피던스 매칭 유닛에 연결된 필터링 유닛을 포함한다. 임피던스 매칭 유닛은 안테나 유닛 및 필터링 유닛 사이의 임피던스들을 매칭하도록 동작가능하게 구성되고, 필터링 유닛은 RF 대역을 각각의 서브밴드에 대한 대역폭 및 세기 및 미리 결정된 중심 주파수를 갖는 미리 정의된 수의 서브밴드들로 정렬하도록 조정된다.
추가의 광범위한 측면에서 본 발명은 복수개의 DC 전력들을 수신하고 스토리지 커패시터상에 전기 전하의 형태로 가산하도록 조정되는 신호 가산 유닛을 포함하는 전하 수집 유닛에 관한 것이고, 신호 가산 유닛은 스위칭 토폴로지 유닛 및 전압 대 전류 유닛 중 적어도 하나를 포함한다.
스위칭 토폴로지 유닛은 정류기들의 상기 대응하는 수의 출력에 개별적으로 연결가능하고 상대적으로 큰 정전 용량 값의 상기 스토리지 커패시터에 연결되는 상대적으로 작은 정전 용량 값들을 갖는 미리 결정된 수의 커패시터들을 포함할 수 있다. 스위칭 토폴로지 유닛은 파워 가산을 위해 미리 결정된 수의 커패시터들과 정류기들로부터 수신된 DC 소스들 사이에서 스위칭하도록 제어 가능하게 조정된다.
전압 대 전류 유닛은 대응하는 수의 정류기들의 출력부들에 개별적으로 연결가능한 입력부들을 갖고 스토리지 커패시터에 연결된 출력부들을 갖는 미리 결정된 수의 전압 대 전류 변환 회로들을 포함할 수 있다. 전압 대 전류 유닛은 그에 의해 전압 대 전류 변환 회로들을 통하여 상기 복수개의 정류기들로부터 수신된 복수개의 DC 신호들/파워들을 변환 및 가산하도록 동작가능하게 구성된다.
본 발명의 변형예들을 예시하는 예제들이 본 출원에 부가된 도면들을 참고로 하여 이하에서 설명된다. 도면들에서, 하나보다 많은 도면에서 나타나는 같은 구조들, 엘리먼트들 또는 파트들은 일반적으로 그것들이 도시된 모든 도면들에서 동일한 숫자로 라벨된다. 도면들에 도시된 컴포넌트들 및 특징부들의 치수들은 일반적으로 표현의 편의 및 명확성을 위해 선택되고 반드시 축적에 맞게 도시될 필요는 없다. 제시된 도면들은 개략적인 예시들의 형태이고 이와 같이, 어떤 엘리먼트들은 명확성을 나타내기 위해 축적에 맞지 않거나 크게 간략화되어 도시될 수 있다. 도면들은 제작 도면들인것으로 의도되지 않는다.
도면들이 이하에 열거된다.
도 1a-1d는 본 발명의 에너지 하베스팅 시스템 구성의 몇몇의 예들을 개략적으로 예시하는 블럭 다이어그램들이고; 도 1a의 예시에서 시스템의 주요 컴포넌트들의 동작 모드가 하베스팅 시스템의 적절한 동작을 획득하기 위해 추가의 조정들을 필요로 하지 않는 수동 모드이고; 도 1b의 예시에서 시스템의 주요 컴포넌트들의 동작 모드는 하베스팅 프로세스의 현재 상태에 대하여 시스템의 특정 유닛들의 동작 조절을 필요로 하는 능동 모드이고; 및 도면들 1c 및 1d는 시스템의 주요 컴포넌트들의 동작 모드의 반-능동 모드를 활용하는 시스템의 두개의 예들을 예시한다.
도 2 는 인체내에 주입된 심장 페이스메이커 디바이스와 함께 사용되는 본 발명의 안테나 유닛의 예제의 개략적인 예시이다.
도 3 은 각각의 귀내에 삽입되는 보청기와 함께 사용되는 본 발명의 안테나 유닛의 다른 예제의 개략적인 예시이다.
도면들 4a-4b 주변 (도 4a)으로부터 에너지를 수신하도록 동작가능하게 구성되거나 또는 전송 유닛 (도 4b)에 연결된 본 발명의 두개의-엘리먼트들 안테나 시스템의 예제를 개략적으로 예시하는 블럭 다이어그램들이다.
도 5 는 RF 하베스팅 시스템에서 효율을 최대화하도록 구성된 필터링 유닛의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 6 은 정류 엘리먼트들로부터 커패시터들을 충전하기 위한 표준 회로의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 7 은 작은 커패시터들로부터 큰 커패시터로 전하를 축적하기 위한 시스템의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 8 은 충전 스위치들 위치에서 작은 커패시터들로부터 큰 커패시터로 전하를 축적하기 위한 시스템의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 9 는 방전 스위치들 위치에서 작은 커패시터들로부터 큰 커패시터로 전하를 축적하기 위한 시스템의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 10 은 단일 방전 스위치 위치에서 작은 커패시터들로부터 큰 커패시터로 전하를 축적하기 위한 시스템의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
도 11 은 저장된 전기 전하를 전기 전류 소스로 변환함으로써 작은 커패시터들로부터 큰 커패시터로 전하를 축적하기 위한 시스템의 개략적인 블럭 다이어그램 예시이다.
비록 본 발명의 다양한 특징부들이 단일 실시예의 상황하에서 설명될 수 있지만, 특징부들은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 조합으로 제공될 수 있다. 반대로, 비록 본 발명은 명확성을 위하여 별개의 실시예들의 상황하에서 본 출원에서 설명되지만, 본 발명은 또한 단일 실시예로 구현될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 다양한 방식들로 실행되거나 또는 수행될 수 있고, 본 발명은 이하의 본 출원에서 설명된 대표적인 것들 외에 실시예들로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 상세한 설명에서뿐만 아니라 청구항들에서 제공된 설명들, 예시들 및 재료들은 제한하는 것이 아닌, 다만 예시적인 것으로 해석되지 않아야 한다.
블럭 다이어그램들의 방식으로 본 발명의 에너지 하베스팅 시스템 구성의 몇몇 실시예들을 도시하는 참조가 도면들 1a-1d에 제공된다. 시스템은 안테나 유닛 (110) 및 각각 안테나 유닛 (110)의 출력을 수신 및 프로세싱하는 하나 이상의 하베스팅 회로들을 포함하는 에너지 하베스팅 유닛 (90); 및 입력 신호 조정 유닛 (125)과 같은 주 구성 파트들을 포함한다. 하베스팅 회로들은 정류 유닛 (140), 및 하베스트된 에너지를 제공하는 전하를 축적하기 위한 스토리지 커패시터를 포함하거나, 또는 이런 스토리지 커패시터를 갖는 개별 스토리지 유닛 (170)에 연결된 전하 수집 장치 (150)를 포함한다.
도 1a는 주요 컴포넌트들의 동작 모드가 수동 모드인, 즉, 하베스팅 시스템의 적절한 동작을 획득하기 위해서 추가의 조정들을 필요로 하지 않는 모드인 에너지 하베스팅 시스템 구성 (100)을 예시한다. 시스템 (100)은 안테나 유닛 (110), 에너지 하베스팅 유닛 (90), 및 입력 신호 조정 유닛 (125)을 포함한다. 하베스팅 유닛 (90)은 정류 유닛 (140) 및 전하 수집 장치 (150)를 포함한다. 이 예에서, 입력 신호 조정 유닛 (125)은 임피던스 매칭 유닛 (120) 및 필터링 유닛 (130)을 포함하고, 그것들의 동작은 이하에서 설명될 것이다. 또한, 이 예에서, 전하 수집 장치 (150)는 전압 대 전류 컨버터 (152)를 포함하고, 보다 구체적으로 더 이하에서 설명될 것이다.
일반적으로, 안테나 유닛은 임의의 알려진 적절한 종류를 가질 수 있다. 바람직하게는, 시스템 (100)에서 사용되는 안테나 유닛 (110)은 본 발명의 새로운 안테나 구성을 활용한다. 이 새로운 구성의 안테나 유닛 (110)은 적어도 두개의 전기 도전체들 (전도성 엘리먼트들) (112 및 113)를 포함하고, 이것들은 상이한 전기 및/또는 자기 특성들을 갖는 전송 매체들 (115 및 116)를 구성하는 적어도 두개의 상이한 물질들에 위치된다. 물질들 (115 및 116)의 상이한 전기 및/또는 자기 특성들 때문에, 안테나 유닛의 주변에서의 RF 방사는 전도성 엘리먼트들 (112 및 113)상에 상이한 전위들을 창설한다. 두개의 전도성 엘리먼트들 사이의 전위 차이는 하베스팅 회로를 통하여 하베스팅 유닛 (90)에 의해 수신되고 그런다음 입력 조정 유닛 (125)에 의해 프로세스된다. 이 목적을 위해서, 신호는 안테나 유닛 (110)의 임피던스를 정류 유닛 (140)의 임피던스에 맞추기 위해서 함께 동작하는 유닛(120)에 의해 임피던스 매칭을 그리고 유닛 (130)에 의해 필터링을 경험하고 그에 의해 수신된 신호의 최적의 전달을 허용한다.
일반적으로, 임피던스 매칭 유닛 (120)는 안테나 유닛으로부터 하베스팅 유닛으로 최대 전자기 에너지/파워를 전송하는 것을 가능하게 하는데 사용된다. 이 도면에 예시된 구성에서, 안테나 유닛 (110)의 임피던스는 수신된 에너지를 하베스팅 유닛으로 전송하는 전송 매체들 및 전도성 엘리먼트들의 임피던스들을 포함한다. 안테나로부터 하베스팅 유닛으로 최대의 전자기 파워를 전송하기 위해서, 안테나의 임피던스, Z안테나,는 하베스팅 유닛 임피던스, Z* 하베스팅 유닛,의 복소 공액에 같아야 한다(일반적으로, 가능한 한 근접한) 즉 이하의 상태가 만족되어야 한다:
Z안테나 = Z* 하베스팅 유닛
임피던스 매칭 유닛 (120)은 정전용량성 엘리먼트들 및 유도성 엘리먼트들의 조합을 수용할 수 있는 적절한 전기 회로들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 임피던스 매칭 유닛 (120)은 관련 기술 분야에서 알려진 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다.
그런다음 수신된 신호들은 필터링 유닛 (130)에 전달된다. 필터링 유닛 (130)은 스펙트럼 필터로 동작가능하게 구성되고 안테나 유닛 (110)로부터 수신된 신호들을 미리 정의된 주파수 대역들로 정렬/분할하는 하나 이상의 필터들의 어레이들/세트들을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 필터링 프로세스는 주로 상이한 세기들을 갖는 것에 의해 특성화되는 상이한 신호 주파수들을 정렬하는 것에 관련되는 의미에서 비능동 프로세스이다. 특정되지만 제한하는 것이 아닌 필터링 유닛의 예가 도 5를 참고로 하여 이하에서 더 세부적으로 설명된다. 필터들의 세트들/어레이들내 각각의 최종 필터들의 출력은 정류 유닛 (140)내에 포함된 복수개의 정류기들의 전용 정류기에 연결가능하다. 정류기는 개별 필터링된 RF 신호를 미리 예상된 신호 세기에 따라 DC 신호로 변환하도록 구성되고, 따라서, 일반적으로 에너지를 소모하는 능동 매칭 프로세스에 대한 요구를 배제시킨다.
정류 유닛 (140)은 전하 수집 유닛의 신호 가산 유틸리티와 관련된 정류기들의 어레이를 포함한다. 각각의 정류기의 출력은 복수개의 DC 전기의 신호들을 수신하고 스토리지 커패시터/유닛 (170)내에 그것들의 저장을 허용하기 위해서 그것들의 가산을 수행하도록 조정되는 신호 가산 유틸리티에 연결된다.
도 1a의 이 특정된 그러나 비 제한적인 예제에서, 정류 유닛 (140)내 각각의 정류기의 출력은 전압 대 전류 유닛 (152)내 각각 전압 대 전류 변환 회로에 연결된다. 전압 대 전류 컨버터 유닛 (152)은 몇몇의 DC 소스들을 하나의 스토리지 유닛 (170)내로 가산하도록 동작가능하게 구성된다. 전압 대 전류 유닛 (152)은 바람직하게는 도 11를 참고로 하여 이하에서 자세하게 설명될 몇몇의 DC 전압 소스들을 직접 연결하는 동안 정상적으로 발생하는 가산되는 DC 소스들사이의 다른 간섭 영향들 및/또는 숏컷(shortcut)들 야기함이 없이 그리고 능동 동작들에 대한 요구없이 몇몇의 DC 소스들을 공통 스토리지내로 수동으로 축적하는 것을 허용하도록 구성된다는 것에 주목되어야 한다. 스토리지 유닛 (170)은 전체 하베스트된 에너지를 수집하도록 구성되고, 그것은 하나 이상의 전기 부하들 (미도시) 예컨대 재충전이 가능한 배터리 또는 전기 디바이스에 추가로 연결될 수 있다.
도 1b는 주요 컴포넌트들의 동작 모드가 하베스팅 프로세스의 현재 상태에 대한 시스템의 특정 유닛들의 동작을 조절하기 위한 제어 유닛을 필요로 하는 능동 모드인 에너지 하베스팅 시스템 구성 (102)을 예시한다. 시스템 (102) 그것은 바람직하게는 본 발명에 따라 구성된 안테나 유닛 (110)을 포함하고, 즉 상이한 전송 매체들 (115 및 116)내에 위치된 두개의 도전체들 (112 및 113)을 포함하고 그리고 하베스팅 유닛 (92) 및 입력 신호 조정 유닛 (125)를 포함한다라는 점에서 전체적으로 상기 설명된 시스템 (100)에 유사하게 구성된다. 상기-설명된 예에 유사한 하베스팅 유닛 (92)은 정류 유닛 (140), 및 전하 수집 장치 (150)를 포함한다. 이 예에서, 입력 신호 조정 유닛 (125)은 적응적 임피던스 매칭 유닛 (122) 및 제어 유틸리티 (180)를 포함한다. 적응적 임피던스 매칭 유닛(122)은 정류 유닛(140)의 임피던스에 대하여 안테나 유닛 (110)의 임피던스를 조절하도록 구성되고 그에 의해 수신된 신호의 최적의 전달을 허용한다.
일반적으로, 전자기파들로부터 에너지를 하베스트 하기 위해 안테나 유닛으로부터 수신된 하베스트된 에너지를 정류하는 것이 요구되고 그에 의해 에너지 소스로서 재사용될 수 있는 DC 전기 에너지를 수신한다. 정류 유닛의 입력 특성 임피던스는 정류기 입력인 입력 RF 레벨의 함수로서 몇 오옴으로부터 메가 오옴까지 안정하지 않고 변화될 수 있다. 더욱이, 안테나 유닛 특성 임피던스는 안정하거나 또는 불안정할 수 있다. 안정하거나 또는 불안정한 안테나 대 불안정한 입력 임피던스 프론트 엔드 회로를 고려하는 하나의 기술이 적응적 임피던스 매칭 기술이다.
적응적 임피던스 매칭 유닛 (122)은 하베스팅 회로의 불안정한 특성 임피던스내로 안테나 임피던스를 일정하게 조정하도록 제어 유닛 (180)에 의해 동작가능하게 구성된다. 이 목적을 위해서, 제어 유닛 (180)은 정류기의 임피던스를 안테나 유닛의 임피던스에 매칭시키기 위해 임피던스 매칭 유닛의 제어 파라미터들로 동작한다. 제어 유닛 (180)은 하베스팅 회로의 입력 전압에 따라 임피던스 매칭 유닛 (122)의 임피던스를 변화시키도록 동작가능하다. 제어 유닛 (180)은 회로를 가로질러 미리 결정된 위치들에서 측정된 전기적 특성들에 따라 임피던스 매칭 유닛 (122)의 임피던스를 변화시킴으로써 전기 시스템의 효율을 최대화하도록 동작가능하게 구성된다. 제어 유닛 (180)은 미리 결정된 위치들에서 전압을 최대화하기 위해서 임피던스 매칭 유닛의 입력 및 출력 임피던스 값들 중 적어도 하나를 변화시키도록 동작한다. 제어 유닛은 바람직하게는 선형 전자 엘리먼트들로 구성된 전자 유닛 또는 전자 디바이스 상에서 동작하는 소프트웨어 유틸리티일 수 있다. 제어 유닛은 미리 결정된 위치들에서 전기 파라미터들을 감지하기 위한 적어도 두개의 입력 포트들, 감지된 파라미터들을 비교하기 위한 비교기 모듈, 및 임피던스 매칭 유닛으로 제어 신호를 제공하고 그에 의해 그것의 임피던스를 변화시키기 위한 적어도 하나의 출력 포트를 가진다. 도 1b에 예시된 특정 예제에서, 제어 유닛 (180)은 수신된 신호의 세기에 따라 임피던스의 조정을 제어하도록 조정된다.
수신된 신호는 그런다음 RF 신호를 DC 신호로 변환하기 위해 조절되는 정류 유닛 (140)내 정류기로 전달된다. 정류 유닛 (140)의 각각의 정류기의 출력은 전하 수집 장치 (150)에 연결된다. 도 1b의 예제에서, 전하 수집 장치 (150)는 스위칭 토폴로지 유닛 (190) 및 제어 유틸리티를 포함하고 몇몇의 DC 소스들을 하나의 스토리지 커패시터 유닛 (170)내에 가산하는 것을 허용하도록 동작가능하게 구성된다. 전하 수집 장치 (150)의 제어 유틸리티 및 입력 신호 조정 유닛 (125)의 제어 유틸리티는 별개로된 제어기들로 통합될 수 있거나 또는 동일한 제어 유닛 (180)의 부분들일 수 있다. 스위칭 토폴로지 유닛 (190)은 몇몇의 스위칭 회로들을 포함하고, 그것들의 동작은 개개의 제어 유틸리티 (예를 들어, 제어 유닛 (180)으로)에 의해 제어된다. 스위칭 토폴로지 유닛의 예제에 관한 상세한 설명이 도 6-10를 참고로 하여 이하에서 설명된다. 스토리지 유닛 (170)은 전체 하베스트된 에너지를 수집하고, 상기에서 언급된 바와 같이 재충전이 가능한 배터리에 또는 전기 디바이스에 추가로 연결될 수 있다.
도 1c는 주요 컴포넌트들의 동작 모드가 하베스팅 프로세스의 전류 스테이지에 대한 시스템의 동작을 조절하기 위해 제어 유닛을 필요로 하는 반능동 모드인 하베스팅 시스템 구성 (103)을 예시한다. 시스템 (103)은 바람직하게는 상이한 전송 매체들 (115 및 116)내에 위치된 두개의 도전체들 (112 및 113)을 포함하는 안테나 유닛 (110), 하베스팅 유닛 (93) 및 입력 신호 조정 유닛 (125)을 포함하는 상기 설명된 시스템 (100 및 102)에 전체적으로 유사하게 구성된다. 하베스팅 유닛 (93)은 안테나 유닛의 RF 출력을 수신하기 위해 적어도 하나의 하베스팅 회로를 가진다. 상기-설명된 예들에 유사한 하베스팅 유닛 (93) 그것의 각각의 하베스팅 회로는 정류 유닛 (140) 및 에너지 스토리지 커패시터 유닛 (170)에 연결되거나 포함하는 전하 수집 장치 (150)를 포함한다. 시스템(103)은 입력 신호 조정 유닛 (125)이 적응적 임피던스 매칭 유닛 (122) 및 제어 유닛 (180)으로 구성되는 제어 유틸리티를 포함한다라는 점에서 상기 설명된 유닛(102)(도 1b)에 유사하다.적응적 임피던스 매칭 유닛(122)은 하베스팅 유닛(93)(정류 유닛)의 임피던스에 대하여 안테나 유닛 (110)의 임피던스를 조절하기 위해 제어 유닛(180)에 의해 제어되도록 구성되고 그에 의해 예를 들어, 수신된 신호의 세기에 따라 임피던스의 조정을 제어함으로써 수신된 신호의 최적의 전달을 허용한다. 하베스팅 유닛 (93)은 그것의 전하 수집 장치 (150)가 전압 대 전류 컨버터로서 구성된다는 점에서 상기-설명된 유닛 (90) (도 1a)에 유사하다. 따라서, 수신된 안테나 신호는 RF 신호를 DC 신호로 변환하기 위해 조절되는 정류 유닛 (140)내 정류기로 전달된다. 각각의 정류기의 출력은 몇몇의 DC 소스들을 전체 하베스트된 에너지를 수집하도록 구성된 하나의 스토리지 유닛 (170)내로 가산하는 것을 허용하는 전압 대 전류 유닛 (152)에 연결된다. 상기에서 나타낸바와 같이, 스토리지 유닛은 재충전이 가능한 배터리에 또는 전기 디바이스(미도시)에 추가로 연결될 수 있다.
도 1d는 시스템의 주요 컴포넌트들에 관한 동작이 반-능동 모드를 사용하는 에너지 하베스팅 시스템 (104)의 또 다른 예제를 예시한다. 시스템 (103)은 바람직하게는 상이한 전송 매체들 (115 및 116)내에 위치된 두개의 도전체들 (112 및 113)을 포함하는 안테나 유닛 (110), 안테나 유닛의 RF 출력을 수신하기 위한 적어도 하나의 하베스팅 회로를 갖는 하베스팅 유닛 (94) 및 입력 신호 조정 유닛 (125)을 포함하는 상기 설명된 시스템 (100, 102 및 103)에 전체적으로 유사하게 구성된다. 상기-설명된 예들에 유사한 하베스팅 유닛 (94)(그것의 각각의 하베스팅 회로)는 정류 유닛 (140) 및 에너지 스토리지 커패시터 유닛 (170)에 연결되거나 포함하는 전하 수집 장치 (150)를 포함한다. 시스템(104)는 그것의 입력 신호 조정 유닛(125)이 안테나 유닛 (110)의 임피던스를 정류 유닛 (140)의 임피던스에 맞추도록 구성되고 그에 의해 수신된 신호의 최적의 전달을 허용하는 임피던스 매칭 유닛 (120) 및 필터링 유닛 (130)를 포함한다는 점에서 상기-설명된 유닛 (100) (도 1a)에 유사하다. 하베스팅 유닛(94)는 그것의 전하 수집 장치(150)가 스위칭 토폴로지 유닛 (190) 및 제어 유닛(180)으로 구성되는 제어 유틸리티를 포함하고 몇몇의 DC 소스들을 하나의 스토리지 유닛 (170)내에 가산하는 것을 허용하도록 동작가능하게 구성된다는 점에서 상기-설명된 유닛 (92) (도 1b)에 유사하다.
수신된 신호는 RF 신호를 DC 신호로 변환하기 위해 조절되는 정류 유닛 (140)내에 포함되는 정류기로 전달된다. 이 도면에 예시된 변형예에 따라, 정류 유닛 (140)의 각각의 정류기의 출력은 몇몇의 DC 소스들을 하나의 스토리지 커패시터 유닛 (170)내에 가산하는 것을 허용하는 스위칭 토폴로지 유닛 (190)내 스위칭 토폴로지 회로에 기능적으로 연결된다. 충전/방전 구성을 위한 스위치들 위치는 제어 유닛 (180)에 의해 결정된다.
본 발명의 원리들은 상기 언급된 유닛들 중 임의의 것의 임의 특정 구성에 제한되지 않고 및 본 발명의 기술을 구현하기 위해 상기 설명된 기능적 특징부들을 갖는 이들 유닛들이 제공된다면 임의의 알려진 적절한 구성은 마치 당업자가 구성할 수 있는 것처럼 본 발명의 시스템내에 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 더욱이, 본 출원에 제공된 하베스팅 시스템은 쉘프 안테나(shelf antenna)를 포함할 수 있고, 바람직하게는 적어도 두개의 안테나 엘리먼트들은 상이한 물질 (전송 매체들)내 위치된다. 상기에서 설명된 것 처럼, 이런 본 발명의 안테나 유닛은 주변 환경들로부터 전자기 방사의 흡수를 허용하는 안테나 효과를 기능적으로 창설하는 전도성 엘리먼트들을 에워싸는 상이한 전송 매체들 때문에 최대의 게인 증강을 제공한다.
전도성 엘리먼트들은 더 나은 안테나의 성능을 기능적으로 허용하는 안테나의 최대 게인을 증가시키기 위해서 상이한 전기 및/또는 자기 특성들 (예를 들어, 투자율, 유전율, 및 전도도)을 갖는 적어도 두개의 상이한 전송 매체들에 부착되거나 삽입된다. 본 발명의 일부 애플리케이션들에서, 이런 새로운 안테나 유닛의 적어도 하나의 전도성 엘리먼트는 유저의 신체와 접촉하게 위치된다. 상이한 전송 매체들은 따라서, 한정되는 것은 아니지만, 안테나가 신체에 부착된다면 피부 및 공기일 수 있거나 또는 그것은, 한정되는 것은 아니지만, 안테나가 신체내에 주입된 때 두개의 상이한 조직 유형들 예컨대 근육 및 지방, 근육 및 세포내 유동체, 근육 및 지방 조직, 진피 및 지방 조직, 및 그것들의 임의의 다른 조합일 수 있다. 전도성 엘리먼트들이 서로 그것들의 전기 및/또는 자기 특성들에서 다른 적어도 두개의 상이한 물질들에 위치되는 한 새로운 안테나는 또한 외부의 살아있는 물체들의 사용을 위해 적용가능할 수 있다.
전자기 현상들의 기본 이론은 맥스웰 방정식들에 기초하고, 그것은 전기 및 자기장들의 스칼라 소스 밀도들 (다이버전스(divergence)) 및 벡터 소스 밀도들 (컬(curl))에 대한 그것들의 공간 및 시간 변화들의 결과인 일련의 네개의 결합된 제 1 차 편-미분 방정식들을 구성한다. 정적상태 매체들에 대하여는, 미분 형태의 맥스웰 방정식들은:
(1)
Figure 112014083871242-pct00001
(가우스 전기 법칙)
(2)
Figure 112014083871242-pct00002
(가우스 자기 법칙)
(3)
Figure 112014083871242-pct00003
(패러데이 법칙)
(4)
Figure 112014083871242-pct00004
(암페어 법칙)
여기서 E는 전기장 세기 [볼트/미터]이고; H는 자기장 세기 [암페어/미터]이고; D는 전기 플럭스 밀도 [쿨롱/제곱 미터]이고; B는 자기 플럭스 밀도 [테슬라 또는 웨버/제곱 미터]이고;
Figure 112014083871242-pct00005
는 자유 전기 전하 밀도 [쿨롱/입방 미터]이고; 및 J는 자유 전기 전류 밀도 [암페어/제곱 미터]이다.
맥스웰 방정식들은 단지 매크로스코픽 전자기장들만 명백하게, 자유 전류 밀도 J(r,t)를 일으키는 자유 전하
Figure 112014083871242-pct00006
의 매크로스코픽 밀도들만을 포함하고 있다. 매체의 분자들에 구속되는 매크로스코픽 전하들 및 전류 밀도들의 영향은 매체의 행동을 설명하는 소위 구성 방정식들에 의한 전기 및 자기장들 E 및 H 에 관련되는 대용 크기들 D 및 H에 의해 표시된다. 일반적으로, 이들 방정식들에서의 양들은 위치 (r) 및 시간 (t)의 함수들이다.
전자기장이 자유 공간에서 전송하는 파워 밀도는 포인팅 벡터에 의해 정의된다:
(5)
Figure 112014083871242-pct00007
이것은 전파 벡터 r에 수직인 단위 면적을 통과하는 파워를 나타낸다. 물질내부에서, 파워 밀도 S v [와트/입방 미터]는 주울의 법칙의 포인트 형태(point form)로서 알려진
(6)
Figure 112014083871242-pct00008
전하 분포에 대한 공급되는 일 (또는 열)에 관련된다.
물질 내부에서, 추가 물리적 양들은 분자들과 파동들의 상호작용을 설명하는데 도입된다. 전기 유전율
Figure 112014083871242-pct00009
은 예컨대:
(7)
Figure 112014083871242-pct00010
전기장 및 전기 플럭스에 연결되고, 또한 새로운 매크로스코픽 벡터 P [쿨롱/제곱 미터] 소위 전기 분극 벡터에 연결된다.
선형 등방성 매체들인, 특별히 인체 조직들의 대부분의 재료들에 대하여, 매크로스코픽 벡터 P는 인가된 전기장에 수직이고 그리고 상호-선형(co-linear)으로 간주될 수 있다. 따라서,
(8)
Figure 112014083871242-pct00011
을 얻을 수 있고
여기서
Figure 112014083871242-pct00012
는 물질의 전기 분극율 (즉, 분극되는 물질의 용량)이고 및 D는
(9)
Figure 112014083871242-pct00013
로 적을 수 있다.
물질 내에서의 자기 행동은 이하의 관계들과 유사한 처리를 포함한다:
(10)
Figure 112014083871242-pct00014
(11)
Figure 112014083871242-pct00015
(12)
Figure 112014083871242-pct00016
여기서,
Figure 112014083871242-pct00017
는 자기 투자율이고 및
Figure 112014083871242-pct00018
은 자화율이다. 인체는 매우 작은 자기 영향들을 가지기 때문에 우리는 여기서 조직들의 자기적 성질을 무시하고 단지 그것들의 전기적 성질만을 고려한다. 전기장 E 및 전류 밀도 J 사이의 관계는 때때로 임의의 특정 지점에서 옴의 법칙에 의해 주어진다:
(13)
Figure 112014083871242-pct00019
여기서,
Figure 112014083871242-pct00020
[모/미터]는 물질의 전도도이다.
여기서 공기 ("전송 매체 A") 및 물질 ("전송 매체 B")사이의 경계들에서 전자기파들의 구성이 고려된다. 자유 공간에서, 존재하는 필드들은 순수 전기장 E 및 자기장 H 이고 파워 밀도는
Figure 112014083871242-pct00021
및
Figure 112014083871242-pct00022
를 갖는 포인팅 법칙을 따른다. 인체에서, 필드들은 전기 플럭스 밀도 D 및 자기장 세기 H (자기 영향들이 없는 경우이기 때문에 B = H)에 의해 표현되고, 및 로컬 파라미터들은 전기 유전율
Figure 112014083871242-pct00023
(실제로 복소수
Figure 112014083871242-pct00024
로 기록되는) 및 물질의 전도도
Figure 112014083871242-pct00025
이다.
자유 공간에서 진행하는 평면파가 인체와 상호 작용할 때, 파동의 일부 에너지는 공기중으로 다시 반사되고 에너지의 일부는 신체내로 침투한다. 관통 부분으로부터, 일부 부분은 신체내부에서 계속 전파하고 일부 부분은 조직들 및 뼈들에 의해 흡수된다. 흡수된 파워는 많은 로컬 상호작용들의 통합으로서 가산될 수 있다:
(14)
Figure 112014083871242-pct00026
0.5의 인수는 소산(dissipation)이 평균 파워에 관련되고 피크 파워에 관련되지 않은 것을 나타낸다. 인체에 흡수되는 파워는 용어 SAR (비흡수율(Specific Absorption Rate))에 의해 종종 표현되고 그것은 다름 아닌 바로:
(15)
Figure 112014083871242-pct00027
여기서,
Figure 112014083871242-pct00028
는 임의의 특정 영역에서 전도도 [모/미터]이고
Figure 112014083871242-pct00029
는 임의의 특정 영역에서 질량 밀도 [kg/입방 미터]이다. SAR 양의 단위는 따라서 [와트/kg]이다. SAR는 가장 흔하게 사용되는 표시자이고 RF 노출에서 안정 표준들을 위한 측정이다.
다음 테이블은 900MHz에서 몇몇 조직들에 대한 조직들 유전상수 및 전도도를 예증한다:
Figure 112014083871242-pct00030
상기에서 설명된 새로운 안테나 유닛은 바람직하게는 소형 안테나 엘리먼트들을 사용한다. 예를 들어, 안테나의 도전 엘리먼트의 최대 사이즈는 파장보다-그 파장에 대하여 안테나가 디자인된다 - 상당히 적다. 따라서, 그것은 안테나의 형상 계수(form factor)를 실질적으로 축소시키고 따라서 그것을 휴대하는 부담을 줄인다. 게다가, 전도성 엘리먼트들의 소형 사이즈는 일반적으로 살아있는 물체내에 그리고 특별히 인체내에 이식되는 것을 허용한다.
전도성 엘리먼트들은 임의의 적절한 형상, 예컨대 한정되는 것은 아니지만 링 형상 (예를 들어, 전도성 패드) 또는 라인 형상들 (예를 들어, 전도성 와이어)을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 애플리케이션들에서, 안테나 유닛은 의료 디바이스와 함께 사용된다. 안테나는 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 의료 디바이스를 동작시키기 위한 상당하는 출력 전기 신호를 생성한다.
비록 상기 설명된 예들에서 본 발명의 새로운 안테나 유닛은 개선된 에너지의 흡입을 위해 전자기 하베스팅 시스템들에서 사용되는 것으로 도시되었지만, 이 안테나 유닛은 통신을 위한 예를 들어, 주입된 의료 디바이스 및 외부 엘리먼트/시스템사이의 데이터/신호 교환을 위한 의료 애플리케이션들 뿐만 아니라 데이터를 송신 및 수신하는 통신 시스템들에서 활용될 수 있다는 것에 주목되어야 한다.
제한하는 것이 아닌 본 발명의 특정 예제에서, 새로운 안테나 유닛은 의료 디바이스 예컨대 페이스메이커, 심장의 제세동기, 보청기, 정형외과의 전기 펄스 생산 디바이스, 및 살아있는 신체에 부착되거나 또는 그 내부에 주입될 수 있는 임의의 다른 전기 디바이스와 함께 사용되는 인체에 부착되고/부착되거나 그 안에 주입될 수 있다.
이것에 연결하여, 주입된 의료 디바이스와 함께 본 발명의 시스템의 사용을 개략적으로 예시하는 참조가 도2에 제공되고, 안테나 유닛 (210)은 인체 (200)에 내부 장기에 연결된다. 이 예에서, 안테나 유닛 (210)은 인체 (200)의 심장 (201)에 주입되고 및 하베스팅 유닛 (90)은 제세동기 (270)와 관련된다 (그안에 통합되거나 또는 그것에 연결되는). 안테나 유닛 (210)의 전도성 엘리먼트들 (212 및 213)은 두개의 상이한 전송 매체들 (215 및 216)에 개별적으로 내장되고, 그것들은 예를 들어, 심장을 에워사는 지방층 및 심장 근육일 수 있다. 이들 두개의 매체들 (215 및 216)의 전기적 특성들에 차이 때문에, 그것들은 주변 환경에서의 RF방사와 상이하게 상호 작용하고 및 결과적으로 상이한 전위들이 물질들내에서 획득되고 부응해서 도전체들 (212 및 213) 위에 획득되어 그에 의해 안테나 효과를 창설하고 및 주변환경으로부터 하베스팅 유닛 (290)으로 전자기 방사를 전송한다. 비록 도면에 예시에서 입력 신호 조정 유닛이 하베스팅 유닛 (290)에 연결된 별개의 유닛으로 도시되었지만, 입력 신호 조정 회로는 도면들 1a-1d의 비제한적인 예들에 도시된 바와 같이 하베스팅 유닛과 통합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 비록 이 예에서, 입력 신호 조정 유닛은 임피던스 매칭 유닛 (220)으로 지칭되었지만, 입력 신호 조정 유닛, 뿐만 아니라 전체 하베스팅 유닛 (수신기) (290)는 도면들 1a-1d의 임의의 상기-설명된 예들에 따라 동작가능하게 구성될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 대안적으로, 상기에서 언급된 바와 같이, 시스템은 임의의 알려진 적절한 임피던스 매칭 회로를 갖는 임의의 알려진 적절한 에너지 하베스팅 디바이스에 연결된 본 발명의 새로운 안테나 유닛을 사용할 수 있다. 따라서, 안테나 유닛 (210)은 하베스팅 유닛 (290)를 통하여 제세동기 (270)에 연결된다. 이 도면에서 설명되는 모든 회로들 및 디바이스들은 전체 구성을 강조하기 위해서 개략적으로 도시된다는 것을 확실히하여야 한다.
본 발명이 다른 의료 애플리케이션에 어떻게 사용될 수 있는 지를 개략적으로 예시하는 참조가 도3에 제공된다. 여기에서, 본 발명의 시스템은 보청기 (380)와 관련된다. 도면에 도시된 바와 같이, 안테나 유닛 (310)은 귀 (300)에 부착되어 안테나 유닛의 전도성 엘리먼트 (312)는 대기중에 유지되고(전송 매체 (315)를 구성하는), 반면에 전도성 엘리먼트 (313)는 그것의 일단에 의해 귀 (300) (상이한 전송 매체 (316)를 구성하는)에 부착된다. 전도성 엘리먼트들 (312 및 313)은 그것들의 자유 말단(free end)들에 의해 하베스팅 유닛 (390)에 연결되고; 제공되는 비제한적인 예에서, 연결은 임피던스 매칭 회로 (320)를 갖는 개별 입력 신호 조정 유닛을 통한다. 하베스팅 유닛 (390)의 출력은 (예를 들어, 그것의 스토리지 유닛) 보청기 (380)에 연결된다. 모든 회로들 및 디바이스들은 전체 구성을 강조하기 위해서 개략적으로 도시된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 임피던스 매칭 회로와 함께 하베스팅 유닛은 임의의 알려진 적절한 구성을 가질 수 있지만 바람직하게는 도면들 1a-1d를 참고로 하여 상기에서 예증된바와 같이 구성된다는 것이 이해되어야 한다.
각각 400 및 400'으로 나타낸 본 발명의 안테나 시스템들의 두개의 예들을 예시하는 참조가 도면들 4a 및 4b에 제공된다. 시스템들은 두개의-엘리먼트 수신 안테나로 구성되고, 안테나 유닛 (410)은 개별적으로 상이한 전송 매체들 (415 및 416)내에 내장된 전도성 엘리먼트들 (412 및 413)를 포함한다. 이들 특정 비-제한적인 예들에서, 전도성 엘리먼트 (412)는 폐쇄된-루프 구성을 가지거나 또는 링-유사 엘리먼트이지만 (예를 들어, “전도성 패드”로 명명된), 반면 전도성 엘리먼트 (413)는 실질적으로 직선 스트립-유사 엘리먼트이다 (예를 들어, “전도성 와이어”로 명명된). 전도성 엘리먼트들은 임의의 형상/기하학적 구조를 가질 수 있고, 예를 들어, 둘 모두 전도성 패드들 또는 전도성 와이어들의 형태일 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 4a의 예제에서, 전도성 엘리먼트들 (412 및 413)은 임피던스 매칭 유닛/회로 (420)를 통하여 하베스팅 유닛 (490) (예를 들어, 상기에서 설명된 것 처럼 본 발명에 따라 구성되거나, 또는 임의의 다른 에너지 수집 유닛)에 연결되고 그것의 출력은 추가로 전기 부하에(미도시) 연결될 수 있다. 도 4b의 예에서, 전도성 엘리먼트들 (412 및 413)은 임피던스 매칭 유닛/회로 (420)를 거쳐 데이터 송신을 위해 구성된 전송 유닛 (460)에 연결된다.
임피던스 매칭 유닛 (420)은 도면들 1b 및 1c를 참고로 하여 예증된 적응적 임피던스 매칭 회로를 포함할 수 있거나, 또는 대안적으로 도면들 1a 및 1d를 참고로 하여 상기에서 일반적으로 예증되고 및 이제 도 5를 참고로 하여 보다 구체적으로 설명될 필터링 유닛에 연결된 임피던스 매칭 회로를 포함할 수 있다.
본 발명은, 그것의 다른 측면에서, 에너지 수집 시스템의 효율을 최대화하기 위해 구성된 새로운 입력 신호 조정 유닛을 제공한다. 이 목적을 위해서, 입력 신호 조정 유닛은 임피던스 매칭 유닛/모듈 및 필터링 유닛/모듈에 의해 형성된 전용 수동 임피던스 매칭 필터링 회로로 구성된다. 필터링 유닛의 구성 및 동작은 환경으로부터의 RF 하베스팅 시스템에서, 대부분의 하베스트된 신호들의 주파수 및 세기(강도)는 미리 정의될 수 있고, 즉, 사전에 알려지거나 또는 예측할 수 있고, 따라서 주파수 필터링을 이용함으로써 실제로 상이한 세기들 (강도들)에 대하여 수신된 신호들을 구별하고/정렬할 수 있다는 사실에 기초한다.
예를 들어, 환경으로부터의 RF 하베스팅 시스템에 대한 입력 신호들로 예상되는 신호들의 두개의 주요 카테고리들이 있고, 둘 모두는 이동 전화 RF 시스템으로부터 발원된다. 첫번째는 기지국으로부터 셀룰러 폰 (다운링크)으로의 신호이고 및 두번째는 셀룰러 폰으로부터 기지국 (업링크)으로의 신호이다. 다운링크 신호는 더 높은 세기를 업링크 신호보다 상대적으로 낮은 레벨 신호 및 상이한 주파수에 의해 특성화된다. RF 라디오 신호들은 또한 다운링크 신호들로서 동일한 주파수 및 세기 특성들을 갖는 것으로 예상된다.
필터링 유닛은 업링크 및 다운링크 주파수 대역들을 포함하기 위해 충분히 넓은 주파수 대역을 갖는 사전(preliminary)의 폭넓은 대역 통과 필터 회로, 및 두개 이상의 협대역 필터 회로들 (적어도 한쌍의 이런 협대역 필터들을 정의하는)을 포함할 수 있고, 그것들 중 하나 이상은 업링크 주파수 대역(들)을 위해 구성되고 및 그것들 중 하나 이상의 나머지는 다운링크 주파수 대역(들)을 위해 구성된다. 제 1 광대역 필터는 업링크 및 다운링크 주파수들 양자의 신호들의 통과를 허용하고 하베스팅 안테나로부터의 RF 신호를 수신하는 책임이 있다. 각각의 협대역 필터들은 적절한 주파수 대역내의 부합하여 적절한 상응하는 세기로, 예상되는 입력 세기에 따라 정류기의 임피던스를 매칭시키기 위해서 전용 정류기로의 AC 신호들의 통과를 허용하는데 책임이 있다. 협대역 필터들은 상이한 좁은 주파수 대역들내 AC 신호들의 통과를 동시에 허용하기 위해서 병렬로 동작가능할 수 있다.
상이한 지리적 위치들에서 예상되는 주파수 범위 및 예상되는 세기는 상이할 수 있고 따라서 광대역 필터 및 협대역 필터들의 선택은 나라마다 그리고 영역마다 변화할 수 있고 및/또는 필터 회로는 광대역 필터 및 협대역 필터들의 다수의 조합들을 커버하기 위해서 하나 초과의 쌍의 (예를 들어, 많은 쌍들) 필터들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
모바일 (셀룰러) 기술 및/또는 모바일 (셀룰러) 송신 프로토콜들에서의 변화가 환경으로부터 하베스팅을 위해 이용 가능한 다양한 주파수 대역들을 정의할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 그것들의 주파수 및 세기를 예측하는 능력에 기인하여, 전용 협대역 필터 및 대응하는 정류기가 디자인될 수 있다.
상기에서 논의된 셀룰러 업링크 및 다운링크 RF 신호들은 단지 대기중에 이용 가능한 RF 신호들의 예들이고, 다른 신호들이 본 발명의 범위내에 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 상기의 측면은 RF 하베스팅 시스템에서 효력을 최대화하기 위한 본 발명의 필터링 유닛(500)의 개략적인 블럭 다이어그램 예시인 도 5에 예증된다. 필터링 유닛 (500)은 하베스팅 시스템 안테나 (미도시)로부터 교류 라디오주파수 신호를 수신할 수 있는 입력부 및 협대역 필터들 - 도 5의 예에 도시된 두개의 이런 필터들 (521 및 522)에 연결된 출력부를 갖는 광대역 필터 (510)를 포함한다. 협대역 필터 (521)는 셀룰러 시스템의 업링크 주파수 범위의 통과를 허용하기 위해 디자인되고 및 셀룰러 시스템의 다운링크 주파수 범위내 신호들의 통과를 허용하도록 디자인된 협대역 필터 (522)에 병렬로 연결된다. 광대역 필터 (510)는 업링크 및 다운링크 주파수 대역들 양자의 통과를 위해 구성된다.
협대역 필터 (521)는 예상되는 세기의 신호들을 수신하기 위해 디자인된 전용 정류기 (531)에 연결되고, 협대역 필터 (522)는 필터 (522)로부터 예상되는 주파수 및 세기의 신호들을 최적으로 획득하기 위해 유사하게 디자인된 다른 전용 정류기 (532)에 연결된다. 각각의 정류기들 (531 및 532)의 임피던스는 RF 시스템으로부터 발원된 특정 주파수 대역내 예상되는 세기 파라미터들 (강도)에 맞춰서 매칭된다.
상기에서 설명된 대표적인 필터링 유닛의 실현을 위해, 수치 예가 본 출원에 제공되고: 1 GHz의 중심 주파수 및 800 MHz의 대역폭 (BW)을 갖는 방사 대역이 안테나에 의해 수신된다. 이 대역은 하베스트 될 필요가 있는 희망하는 주파수들을 수용한다. 이 특정 예에 따른 주파수들은 915 MHz 및 950 MHz이다. 수신된 대역은 안테나로부터 930 MHz에서 중심인 60 MHz 대역의 송신을 허용하는 제 1 광대역 필터로 전달된다. 제 1 필터로부터 획득된 수신된 신호들은 따라서 900 MHz 내지 960 MHz 사이의 주파수들이다. 병렬인 제 2 및 제 3 협대역 필터들은 이제 900 MHz 내지 960 MHz 사이의 신호들을 수신하지만, 제 2 필터는 30 MHz 의 BW를 갖는 중심 주파수 915 MHz로 설정되고 제 3 필터는 30 MHz의 BW를 갖는 945 MHz의 중심 주파수로 설정된다. 915 MHz의 대역에서 수신된 신호들의 세기는 (-30) dbm 내지 (-20) dbm의 범위내 일 것으로 예견되고, 950 MHz의 대역에서 수신된 신호들 세기는 (-5) dbm 내지 5 dbm의 범위내 일 것으로 예견된다.
필터링 유닛에 연결된 정류기 유닛은 정류기들에 대응하는 수를 포함하고, 제 2 대역 통과 필터에 연결된 정류기는 (-30) dbm 내지 (-20) dbm 사이 범위의 신호 세기를 정류하기 위해 매칭되고 및 제 3 대역 통과 필터에 연결된 정류기는 (-5) dbm 내지 5 dbm사이 범위의 신호 세기를 정류하기 위해 매칭된다.
본 발명은 상기에서 설명된 필터링 유닛내 필터들의 수에도 또한 임의의 특정 주파수 대역들에도 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이런 필터링 회로에 의해 사용되기 적절하고 안테나의 주변 환경들로 전파하는 추가의 신호들은 민간 라디오 채널의 사전에 알려진 주파수 및 세기를 갖는 것들을 포함한다. 민간 라디오 채널로부터 수신된 예상되는 신호 세기는 (-50) dbm로부터 -40 dbm까지이다. 이 경우에서, 필터는 채널 주파수에 대해 설정될 수 있고 대응하는 정류기는 (-50) 내지 (-40) dbm의 세기 범위에 매칭될 수 있다. 예를 들어, 88 MHz와 108 MHz사이의 병렬 라디오 채널들의 경우에 수신기 (예를 들어, 하베스팅 유닛)는 대역 통과 필터로부터 수신된 전체 대역의 세기에 매칭될 수 있다.
또 추가의 측면에서 본 발명은 에너지 하베스팅 시스템에 사용되기에 적절한 새로운 전하 수집 유닛을 제공한다. 본 발명의 전하 수집 유닛은 상대적으로 작은 커패시터 유닛들로부터 큰 커패시터 유닛으로 전하를 축적하기 위해 적합한 신호 가산 유틸리티로 구성된다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 이런 신호 가산 유틸리티는 유닛의 다양한 컴포넌트들 토폴로지를 바꿈으로써 바람직하게는 주로 전하를 축적하도록 구성된다. 이 경우에서, 가산 유틸리티는 상대적으로 큰 스토리지 충전 회로 (하베스팅 시스템내 스토리지 유닛의 회로일 수 있는)에 연결된 상대적으로 작은 스토리지 충전 회로, 및 스위칭 회로와 같은 기능적 모듈들/회로들을 포함할 수 있다.
작은 스토리지 충전 회로는 복수개의 커패시터 유닛들을 포함한다. 작은 스토리지 충전 회로는 예를 들어 다수의 커패시터 유닛들상에 생성된 전하를 저장하기 그리고 정류 유닛 (즉, 복수개의 정류기들)의 출력으로부터 획득된 전하를 축적하기 적합할 수 있다. 작은 스토리지 충전 회로내 각각의 커패시터 유닛들은 직렬 및/또는 병렬 연결들인 복수개의 커패시터들을 포함할 수 있다.
스위칭 회로는 그것의 기능을 충전 기능으로 또는 방전 기능으로 정의하는 회로의 모드를 결정하는데 적합할 수 있다. 작은 스토리지 충전 회로의 방전은 동시에 또는 한번에 단일 충전 유닛을, 또는 다수의 스토리지 충전 유닛들에 대하여 미리 결정된 시간 패턴에 따라 수행될 수 있다. 스위칭 회로의 복수개의 스위치들은 독립적으로 동작될 수 있고 뿐만 아니라 예를 들어 어떤 스위치는 국부적으로 인접한 스위치들의 동작 상태에 의존하여 활성화되는 미리 결정된 스위칭 패턴에 따라 스위치되고(동작되고) 연결될 수 있다. 스위칭 회로내 복수개의 스위치들은 도면들 1b 및 1d를 참고로 하여 상기에서 예증된 바와 같이 제어 가능하게 동작될 수 있다.
본 발명의 전하 수집 유닛은 복수개의 하베스팅 유닛들와 관련되어 디자인될 수 있다. 각각의 하베스팅 유닛은 RF 에너지를 포획할 수 있고, 에너지를 커패시터 유닛상의 전하로 정류하고 저장할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서 복수개의 하베스팅 유닛들은 복수개의 주파수 대역들을 포획할 수 있고, 각각의 하베스팅 유닛이 특정 주파수 대역을 포획하도록 조정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적어도 두개의 하베스팅 유닛들이 유사한 주파수 대역을 포획하도록 조정될 수 있다 .
큰 스토리지 충전 회로는 추가 사용을 위해 각각의 복수개의 작은 커패시터 유닛들에 선-저장된 전하를 큰 스토리지 충전 유닛에 저장 및 축적하기에 적합하게 될 수 있다. 큰 스토리지 충전 회로는 직렬 및/또는 병렬 연결들의 복수개의 커패시터들을 포함할 수 있다. 큰 스토리지 충전 회로의 출력은 예를 들어 이하의: 스텝 업 컨버터(step up convertor); 전압 안정기; 배터리 충전 회로; 커패시터 어레이, 전기 부하 중 하나이상에 의해 이어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 큰 스토리지 충전 서브유닛의 출력은 상기 회로에 스위치되거나 또는 일정하게 쇼트(short)될 수 있다.
다양한 스위칭 옵션들의 일부 예들이 도면들 6-10를 참고로 하여 이하에 제공된다.
도 6 은 본 발명의 에너지 하베스팅 시스템에 사용될 수 있는 표준 전하 수집 회로 (600)를 예시하는 개략적인 블럭 다이어그램이다. 수집 회로 (600)는 복수개의 충전 커패시터 유닛들 - 이 비제한적인 예로 도시된 세개의 유닛들 (621,622 및 623)을 포함한다. 이 예에서, 전하 수집 회로 (600)는 복수개의 정류기 엘리먼트들 - 이 비제한적인 예로 도시된 세개의 이런 엘리먼트들 (611,612 및 613)를 포함하여 정류 유닛으로부터 전하를 수집하기 위해 동작한다. 각각의 충전 커패시터 유닛은 대응하는 정류기 엘리먼트들 중 하나에 연결되고 및 접지에 연결된다. 각각의 정류기들 (611,612 및 613)은 하베스팅 안테나 유닛으로부터 또는 안테나 유닛 및 정류기 (예를 들어, 입력 신호 조정 유닛, 예를 들어, 임피던스 어댑터)사이의 위치된 임의의 다른 엘리먼트로부터 AC 신호를 수신하고, 신호를 정류하고, 및 대응하는 에너지는 대응하는 커패시터 유닛 (621,622 및 623) 중 하나에 전기 전하로 저장된다. 각각의 커패시터 유닛은 단일 커패시터 유닛으로 또는 다수의 커패시터들이 임의의 직렬 및/또는 병렬 연결들로 연결될 수 있는 멀티-커패시터 유닛으로 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 정류기 엘리먼트는 유사하거나 또는 상이한 주파수 대역내의 AC 신호를 수신할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 회로 (600)는 정류기-커패시터 배열들의 특정 수에도 커패시터들의 특정 전기 연결에도 제한되지 않고, 도 6 은 단지 전하 수집 유닛의 동작상의 원리들의 예이다는 것이 유의되어야 한다.
이제 본 발명에 따라 동작가능하게 구성된 전하 수집 유닛 (700)의 개략적인 블럭 다이어그램 예시인 도 7에 참조가 제공된다. 수집 회로 (700)는 신호 가산 유닛으로 동작가능하고 그리고 복수개의 작은 커패시터 유닛들 - 이 비제한적인 예로 도시된 세개의 이런 유닛들 (721,722 및 723)을 포함한다. 커패시터 유닛들 (721,722 및 723)은 일단들에서 스위칭 회로들을 통하여 각각의 정류기들 (711,712 및 713)에 연결되고 타단들에서 접지 (750)에 연결된다. 또한 스위칭 회로들을 통하여 커패시터 유닛들 (721,722 및 723)에 연결된 큰 커패시터 유닛 (740)이 전하 수집 유닛 (700)에 제공된다. 스위칭 회로들은 각각이 두개의 작동/동작 위치들 1 및 2로 구성된 복수개의 스위치들 (731,732,733,734 및 735)을 포함한다. 위치들 1 및 2 사이의 스위치들 위치들의 분포가 도면들 8 및 9를 참고로 하여 설명될 것처럼 스위칭 회로의 기능을 결정한다. 도면에서 도시된 바와 같이, 스위치들 (731,733 및 735)은 전하 수집 유닛 (700)을 정류 유닛에 선택적으로 연결한다.
따라서, 각각의 정류기는 하베스팅 안테나로부터 또는 안테나 신호를 정류기로 통신하는 임의의 다른 매개 회로로부터 AC 신호를 수신한다. 정류 유닛의 각각의 다수의 정류기들에 의해 정류된 에너지는 전하 수집 유닛 (700)의 대응하는 커패시터 유닛에 전기 전하로 저장된다. 자명한 방식으로 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 커패시터 유닛은 대응하는 두개의-상태 스위치들을 통하여 그것의 타단상에서 접지 (750)에 또는 큰 커패시터 유닛 (740)에 선택적으로 연결가능하고 그리고 다른 두개의-상태 스위치들을 통하여 그것의 타단상에서 각각 정류기에 또는 큰 커패시터 유닛 (740)에 선택적으로 연결가능하다.
전하 수집 유닛은 이하의 방식으로 동작한다. 스위치들 (731 - 735)은 정류기들의 출력들에 연결된 각각의 커패시터들 (721 - 723)의 실시간 모니터링에 기반하여 그것들을 임의의 주어진 모드(충전/방전)로 전환할 수 있는 제어기에 의해 제어된다. 각각의 커패시터로부터 수신된 정보 (전압 레벨)에 기반하여, 제어기는 회로를 충전 모드로 유지할 것인지 또는 그것이 스토리지 커패시터로 방전하는 것이 준비된지에 관해서 결정할 수 있다. 커패시터들 (721 - 723)로부터 수신된 정보는 또한 하베스팅 프로세스가 진행중인지 그리고 도달된 전압 레벨이 그 시간에 최대인지를 나타낼 수 있다. 이 정보에 기반하여, 제어기는 스위치들을 충전 또는 방전 모드로 전환한다.
더구나, 제어기는 완전 방전 모드 (모든 커패시터들이 함께 방전되는 때), 반 방전 모드 (커패시터들 중 단지 일부가 방전되고 나머지 것들은 충전 모드로 남아있는), 및 충전 모드 (모든 커패시터들이 충전되는)를 정의할 수 있다.
제어기 동작을 위한 다른 옵션은 프로그램 가능한 패턴 (즉, 미리 정의된 값들)에 기초한다. 커패시터 (721 - 723)의 전압이 어떤 전압 레벨 (정의된)에 도달할 때, 스위치들은 방전 모드로 전환된다. 방전이 완성될 때 (또한 정의될 수 있는), 스위치들은 충전 모드로 다시 전환된다. 이 방법은 세개의 모드들: 완전 방전, 반 방전 및 완전 충전을 허용한다.
각각의 커패시터 유닛(721,722 및 723)은 단일 커패시터 유닛으로 또는 커패시터들의 어레이가 직렬 및/또는 병렬 연결들의 일부 조합으로 연결되는 멀티-커패시터 유닛으로 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 유사하게, 큰 커패시터 유닛 (740)은 단일-커패시터 구성을 가질 수 있거나 또는 커패시터들사이에서 적절한 직렬 및/또는 병렬 연결을 활용하여 멀티-커패시터 회로일 수 있다.
본 출원에서 예증되는 구성은 정류 유닛의 많은 정류기들에도 전하 수집 유닛 (700)의 많은 작은 용량 유닛들에도 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이 도면에서 설명되는 모든 회로들 및 디바이스들은 전체 구성을 강조하기 위해서 개략적으로 도시된다는 것이 또한 확실히하여야 한다.
도면들 8 및 9 은 본 발명의 전하 수집 또는 신호 가산 유닛 (800)의 다른 예를 개략적으로 예시한다. 전하 수집 유닛 (800)은 상기 설명된 유닛 (700)에 전체적으로 유사하게 구성되고, 즉 다수의 스위치들 (831,832,833,834 및 835)를 포함하는 스위칭 회로를 통하여 충전 구성의 큰 커패시터 유닛 (840)에 연결가능하고 정류 유닛의 다수의 정류기들 (811,812,813)에 개별적으로 연결된 (821,822 및 823)로 나타낸 다수의 작은 커패시터 유닛들을 포함한다. 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)은 일단들에서 정류기들에 연결되고 타단들에서 접지 (850)에 연결된다.
상기에서 언급된 바와 같이, 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823) 뿐만 아니라 큰 커패시터 유닛 (840)은 단일-커패시터 구성(들) 또는 서로에 직렬 및/또는 병렬 연결들로 연결되는 멀티-커패시터 구성(들)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 정류 유닛내 정류기들의 수에 제한되지 않고; 작은 용량 유닛들의 수는 정류기들의 수에 부합하여 선택된다. 더구나, 또한 상기에서 언급된 것 처럼 이 도면에서 설명된 모든 회로들 및 디바이스들은 전체 구성을 강조하기 위해서 개략적으로 도시된다.
구성 (800)은 스위칭 엘리먼트들 (831,832,833,834 및 835)의 다소 상이한 구성에서 상기-설명된 도 7의 예와 다르다. 각각의 스위치들 (831,833,835)은 개별적인 커패시터 유닛을 대응하는 정류기에 또는 큰 커패시터 유닛 (840)에 선택적으로 연결하고, 다른 스위치들은 개별적인 커패시터 유닛들을 접지 (850)에 또는 큰 커패시터 유닛 (840)에 선택적으로 연결한다.
도 8 은 충전 구성에 해당하는 가산 유닛 (800)의 스위칭 구성을 보여준다. 각각의 커패시터 유닛은 그것의 대응하는 정류기에 직접 연결되고 충전된다. 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)은 상이한 전하들로 충전될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 9 는 방전 구성의 도 8의 신호 가산 유닛 (800)을 보여준다. 도시된 바와 같이, 스위칭 엘리먼트들 (831,832,833,834 및 835)은 각각의 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)을 큰 커패시터 유닛 (840)로 연결하는 스위치 위치 토폴로지에 있다. 이 방전 구성에서 모든 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)은 직렬로 연결되고 그것들의 합성 커패시터는 큰 커패시터 유닛 (840)에 병렬로 연결되고, 즉, 전기 전하는 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)로부터 큰 커패시터 유닛 (840)로 전달된다. 도 8에서 설명된 토폴로지로부터 도 9에 설명된 토폴로지로 스위칭 상태의 변화는 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)로부터 큰 커패시터 유닛 (840)로 전하 전송으로 귀결된다. 작은 커패시터 유닛들에 걸친 전압은 큰 커패시터 유닛 (840)에 걸친 전압보다 더 높기 때문에, 전하의 흐름은 평형이 도달될 때 까지 작은 커패시터 유닛들로부터 큰 커패시터 유닛으로 향한다.
도 10은 단일 방전 구성을 갖도록 변형된 도면들 8-9의 신호 가산 유닛 (800)을 예증한다. 이 도면에 예시된 시나리오에서, 스위칭 엘리먼트들 (831,832 및 835)은 일 측상에서 작은 커패시터 유닛들 (821 및 823)을 정류기들 (811 및 813)에 각각 연결하고 다른 측상에서는 접지 (850)에 연결하고 반면에 큰 커패시터 유닛 (840)로부터 연결해제되는 스위치 위치 토폴로지에 있다. 이 스위칭 구성은 하베스팅 유닛/유닛들와 개별적으로 관련된 정류기들 (811 및 813)로부터 커패시터들 (821 및 823)의 충전 구성이다. 그러나, 스위칭 엘리먼트들 (833 및 834)은 작은 커패시터 유닛 (822)을 큰 커패시터 유닛 (840)에 병렬 구성으로 즉 방전 위치에 연결하는 것을 고려하는 토폴로지에 위치된다. 다시 말해서, 도 10에 예시된 시나리오에서, 하나 이상의 커패시터 유닛들은 방전될 수 있지만 하나 이상의 다른 커패시터 유닛들은 계속해서 충전되고: 작은 커패시터 유닛 (822)는 큰 커패시터 유닛 (840)로 방전될 수 있지만 다른 커패시터 유닛들 (821 및 823)은 계속해서 충전된다.
도 10의 예에 따라, 스위칭 엘리먼트들 (833 및 835)은 각각이 회로 및 그것의 기능성의 토폴로지를 바꾸는 세개의 선택적 위치들로 구성된다. 제 1 동작상의 상태/위치에 있을 때, 이들 스위칭 엘리먼트들은 작은 커패시터 유닛들 (822 및 823)을 개별적인 정류기들 (812 및 813)에 연결하고 커패시터 유닛들 (822 및 823)의 충전을 허용한다. 스위칭 엘리먼트들 (833 및 835)의 제 2 동작상의 위치에 있을 때 그것들은 작은 커패시터 유닛들 (821,822 및 823)의 직렬 연결을 창설하고 그에 의해 큰 커패시터 유닛 (840)로 작은 커패시터 유닛들의 동시 방전을 허용한다. 이들 스위칭 엘리먼트들의 제 3 동작상의 위치는 큰 커패시터 유닛 (840)로 작은 커패시터 유닛 (822 또는 823)의 직접 방전을 허용한다. 작은 커패시터 유닛 (821)은 큰 커패시터 유닛 (840)로 자체적으로, 직접 방전되는 것이 가능할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
상기에서 나타낸바와 같이, 가산 유닛의 이 실시예는 작은 커패시터 유닛들의 임의의 특정 수에 제한되지 않고 그리고 이 수는 정류 유닛내 정류기들의 수에 대응하고, 이 도면에서 설명된 모든 회로들 및 디바이스들은 전체 구성을 강조하기 위해 개략적으로 도시된다.
도면들 1a 및 1c를 참고로 하여 상기에서 설명된 것 처럼, 본 발명의 일부 실시예들에서 전하 수집 유닛 또는 신호 가산 유닛은 정류기들의 출력들에 연결된 커패시터들상에서 전개되는 전기 전압을 전기 전류 소스로 변환함으로써 하베스팅 시스템에 전하의 축적을 허용한다. 이런 변형예에서, 가산 유닛은 작은 스토리지 충전 유틸리티/회로, 전압 대 전류 컨버터 유틸리티/회로; 및 큰 스토리지 충전 유틸리티/회로를 포함한다.
작은 스토리지 충전 회로는 대체로 상기에서 설명된 것 처럼 복수개의 커패시터 유닛들을 이용함으로써 복수개의 정류기들을 통하여 획득된 전하를 저장하기에 적합할 수 있다. 전압 대 전류 컨버터 회로는 임계값에 도달했을 때 작은 스토리지 충전 유틸리티에 전개된 전압을 큰 스토리지 충전 유틸리티에 전달될 전류로 변환하도록 구성될 수 있다. 큰 스토리지 충전 유틸리티는 추가 사용을 위해 전압 대 전류 변환으로부터 큰 스토리지 충전 유닛의 전하의 형태로 도달한 전류를 축적 및 저장하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 작은 스토리지 충전 회로는 복수개의 하베스팅 유닛들로 디자인될 수 있다. 각각의 하베스팅 유닛은 RF 에너지를 포획할 수 있고, 에너지를 커패시터 유닛상의 전하로 정류하고 저장할 수 있다.
복수개의 하베스팅 유닛들은 복수개의 주파수 대역들을 포획할 수 있고, 각각의 하베스팅 유닛은 특정 주파수 대역을 포획하도록 조정될 수 있거나 또는 적어도 두개의 하베스팅 유닛들은 다른 하베스팅 유닛들의 주파수 대역/주파수 대역들과 다른 유사한 주파수 대역들을 포획하도록 조정될 수 있다.
복수개의 하베스팅 회로들은 복수개의 커패시터 값들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 작은 스토리지 충전 회로내 복수개의 커패시터 유닛들의 각각의 커패시터 유닛들은 직렬 및/또는 병렬 연결들(커패시터들 어레이)인 복수개의 커패시터들을 포함할 수 있다.
작은 스토리지 충전 유닛들의 방전은 전압 대 전류 컨버터 유닛들을 이용함으로써 복수개의 커패시터 유닛들의 각각의 커패시터 유닛들상에 전개된 전압을 전기 전류로 변환함에 의해 수행될 수 있다. 전압 대 전류 컨버터 회로의 다수의 전압 대 전류 컨버터 유닛들은 독립적으로 동작가능할 수 있고 및/또는 그것의 모든 전압 대 전류 컨버터 유닛들 또는 파트들을 제어하는 제어기에 의해 동작가능할 수 있다. 전압 대 전류 컨버터 유닛들은 전압 대 전류의 변환을 트리거하는 최소 전압을 정의하는 전압 임계값들을 가질 수 있다. 전압 대 전류 컨버터 유닛들의 전압 임계값들은 상이할 수 있고; 뿐만 아니라 제어기에 의해 변화될 수 있다.
다수의 전압 대 전류 컨버터 유닛들은 실질적으로 동시에 동작할 수 있고, 각각의 유닛이 독립적으로 동작하므로 다른 유닛들에 의해 변환된 전류에 간섭하지 않는다.
각각의 전압 대 전류 컨버터 유닛은 전압 대 전류 컨버터가 전하의 흐름을 어떤 방향으로 강요하는 능력을 가질때 큰 스토리지 충전 회로로부터 작은 스토리지 충전 회로로의 거꾸로의 전류 흐름을 제한할 수 있다.
큰 스토리지 충전 회로는 직렬 및/또는 병렬 연결들의 복수개의 커패시터들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 큰 스토리지 충전 회로의 출력은 이하의: 스텝 업 컨버터(step up convertor); 전압 안정기; 배터리 충전 회로; 커패시터 어레이 및 전기 부하 중 하나이상에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 큰 스토리지 충전 회로의 출력은 상기 회로에 스위치되거나 또는 일정하게 쇼트(short)될 수 있다.
도 11은 하베스팅 시스템의 정류 유틸리티의 복수개의 정류기들 (911,912,913)의 출력에 대응하여 전하를 축적하기 위한 전하 수집 유닛 또는 신호 가산 유닛 (900)의 예를 개략적으로 예시한다. 신호 가산 유닛 (900)은 현재의 예에서 (921,922 및 923)로 지정된 작은 커패시터 유닛들에 의해 형성되는 작은 커패시터 회로; 이 예에서 복수개의 전압 대 전류 컨버터들 (931,932 및 933)에 의해 형성되는 전압 대 전류 컨버터 회로; 및 큰 커패시터 유닛/회로 (940)를 포함한다. 작은 커패시터 유닛들 (921,922 및 923)은 일단에서 개별적으로 정류기들 (911,912 및 913)에 그리고 전압 대 전류 컨버터들 (931,932 및 933)에 연결되고 타단에서 접지 (950)에 연결된다.
각각의 정류기는 하베스팅 안테나 유닛으로부터(또는 안테나 유닛 및 정류기들 사이에 위치된 임의의 다른 매개 회로로부터) AC 신호를 수신하고 그리고 신호를 정류한다. 각각의 정류기들 (911,912 및 913)는 또한 각기 전압 대 전류 컨버터들 (931,932 및 933)중 하나에 연결된다. 각각의 정류기들 (911,912 및 913)의 전하는 대응하는 작은 커패시터 유닛들 (921,922 및 923)중 하나에 전기 전하로서 미리 결정된 임계값까지 저장된다. 각각의 전압 대 전류 컨버터들 (931,932 및 933)은 연결해제 위치 (비동작 상태)로부터 연결 위치 (동작 상태)로 전압 대 전류 컨버터를 스위치하는 고유한 전압 임계값을 가진다. 전압 대 전류 컨버터들 (931,932 및 933) 중 하나의 연결해제 위치에서, 대응하는 정류기로부터의 모든 전류는 대응하는 작은 커패시터 유닛으로 흐른다. 따라서, 대응하는 작은 커패시터 유닛내의 전하 축적은 대응하는 작은 커패시터 유닛 상의 전압을 증가시킨다. 전압 임계값이 도달될 때, 대응하는 전압 대 전류 컨버터는 작은 커패시터 유닛에서 전개된 전하를 큰 커패시터 유닛 (940)쪽으로 직접 흐르게 하는 단방향 커넥터로 동작한다.
각각의 작은 커패시터 유닛(921,922 및 923) 뿐만 아니라 큰 커패시터 유닛 (940)은 단일 커패시터 유닛으로 구성될 수 있거나 또는 직렬 및/또는 병렬 연결들의 몇몇 조합으로 연결된 커패시터들의 어레이가 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 임의 개수의 정류기들이 사용될 수 있고 및 작은 용량 유닛들의 수 및 전압 대 전류 컨버터들의 수는 부합하여 선택되고 및 이 도면에서 설명되는 모든 회로들 및 디바이스들는 전체 구성을 강조하기 위해서 개략적으로 도시된다는 것이 이해되어야 한다.

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  17. 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 대응하는 출력 전기 신호를 생성하도록 동작가능하게 구성된 안테나 유닛으로서, 상기 안테나 유닛은 전기 및 자기 특성들 중 적어도 하나에서 다른 적어도 두개의 상이한 전송 매체들에 위치된 적어도 두개의 전도성 엘리먼트들을 포함하여 수신된 외부 전자기 방사는 출력 전기 신호를 생성하는 상기 적어도 두개의 전도성 엘리먼트들 사이의 전위 차이를 창설하고, 그에 의해 상기 주변 환경들로부터의 상기 외부 전자기 방사 흡수를 허용하는, 안테나 유닛.
  18. 청구항 17 에 있어서, 상기 적어도 두개의 상이한 전송 매체들은 상이한 살아있는 조직들을 포함하는, 안테나 유닛.
  19. 청구항 17 에 있어서, 살아있는 신체에 부착되고, 상기 적어도 두개의 상이한 전송 매체들은 살아있는 조직 및 공기를 포함하는, 안테나 유닛.
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  27. 청구항 17에 있어서, 상기 안테나는 전송 유닛에 연결되고, 전자기 방사를 전송하도록 구성된, 안테나 유닛.
  28. 주변 환경들에서 전파하는 전자기 에너지를 하베스팅하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    상기 주변 환경들로부터 외부 전자기 방사를 수신하고 대응하는 전기 출력을 생성하도록 구성된 청구항 17의 안테나 유닛;
    상기 안테나 유닛의 출력을 나타내는 신호를 수신하여 대응하는 전하를 생성하여 저장하는 하베스팅 유닛; 및
    상기 하베스팅 유닛으로의 상기 안테나 유닛의 전기 출력을 최적화하기 위해 상기 안테나 유닛의 미리 결정된 전기적 특성을 조정하도록 구성되고 동작 가능한 입력 신호 적응 회로를 포함하는, 시스템.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 안테나 유닛은 전기 및 자기 특성들 중 적어도 하나에서 다른 적어도 두개의 상이한 전송 매체들에 위치된 적어도 두개의 전도성 엘리먼트들을 포함하는, 시스템.
  30. 청구항 28에 있어서, 상기 적어도 두개의 상이한 전송 매체들은 적어도 두개의 상이한 살아있는 조직들을 포함하는, 시스템.
  31. 청구항 28에 있어서, 상기 적어도 두개의 상이한 전송 매체들은 살아있는 조직 및 공기를 포함하는, 시스템.
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