KR20110118832A - 무선 파워 전송을 위한 안테나를 포함하는 무선 통신 및 데이터 통신 및 연관된 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 통신 시스템(100)은 무선 파워 전송기(104), 제 1 무선 데이터 통신 유닛(106), 및 제 1 루프 전기 컨덕터(112)를 따라서 격리된 신호 피드지점(114, 116)들을 갖는 제 1 이중 편파 루프 안테나(110)를 갖는 제 1 디바이스(102)(예, 라디오 주파수 식별(RFID) 리더)를 포함한다. 무선 파워 전송기(104)는 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 전송하고, 제 1 무선 데이터 통신 유닛(106)은 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신한다. 제 2 디바이스(202)(예, RFID 태그)는 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)를 포함한다. 제 2 무선 데이터 통신 유닛(206)은 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 제 1 디바이스(102)의 제 1 무선 데이터 통신 유닛(106)과 통신한다. 무선 파워 리시버(204)는 제 1 디바이스(102)의 무선 파워 전송기(104)로부터 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 수신하고, 제 2 디바이스(202)에 파워를 제공한다.

Description

무선 파워 전송을 위한 안테나를 포함하는 무선 통신 및 데이터 통신 및 연관된 방법{WIRELESS COMMUNICATIONS INCLUDING AN ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND DATA COMMUNICATION AND ASSOCIATED METHODS}
본 발명은 통신의 분야, 그리고 더 상세하게, 무선 통신을 위한 안테나들 및 관련된 방법들에 관한 것이다.
모던, 솔리드 스테이트 전자기기들을 위한 파워 요구사항들은 급격히 더욱 더 낮아지고 있다. 예를 들어, 액정 표시 장치(LCD)는 동작을 위해 단지 밀리와트를 요구할 수 있고, 필드 효과 트랜지스터(FET)는 작은 스태틱 변경들에조차 응답할 수 있다. 이것은 전자기기들을 에너자이징하기 위한 접근으로서 무선 파워 전송의 유용성을 향상시켜왔다. 전자기기들을 위한 무선 파워의 예시 및 어플리케이션은 라디오 주파수 식별(RIFD) 트랜스폰더 "태그"이고, 그것은 데이터를 리더로 저장하고 원격으로 리트리빙하는(retrieving) 방법을 허용할 수 있다.
백그라운드로서, 무선 파워 전송은 두개의 라디오 안테나들 사이에 전송된 및 수신된 전기 파워와 같은, 라디오 주파수(RF) 기술들에 의한 전기 에너지의 전달(conveyance)일 수 있다. 안테나 크기 및 전송의 범위에 따라서, 에너지는 먼 필드(far field)들에 의해 또는 가까운 필드들에 의해 전달할 수 있고, 전달된 에너지는 약하거나 또는 작다. 매우 먼 거리에 걸쳐 하이 파워를 전달하는 것이 비현실적이거나 또는 심지어 위험할 수 있음에도, 무선 파워 전송은 보다 낮은 파워들 및 보다 짧은 범위들에 대해 효과적이고, 안전하며 신뢰할 수 있다. 일반적으로 범위가 더 짧을수록, 전달될 수 있는 파워가 더 커진다. 통신과 더 용이하게 일체화되는 무선 파워에 대한 필요가 있다.
이중 선형 또는 이중 환형(circular) 편파 채널 다이버시티(diversity)를 갖는 것은 가능하다. 즉, 만약 하나의 채널이 수직으로 편파되고 다른 하나가 수형으로 편파된다면 주파수는 재사용될 수 있다. 또는 만약 하나의 채널이 라이트 핸드 환형 편파(RHCP; right hand circular polarization)를 사용하고 다른 하나가 레프트 핸드 환형 편파(LHCP; left hand circular polarization)를 사용한다면 주파수가 역시 재사용될 수 있다. 편파는 레이디에이팅된 웨이브에서 E 필드의 오리엔테이션에 관련되고, 만약 E 필드 벡터가 시간에서 로테이팅한다면, 웨이브는 그때 회전적으로 또는 환형으로 편파된다고 언급된다. 직교 편파들(예, 수직인 편파들)은 수직 선형 및 수평 선형 또는 라이트 및 레프트 핸드 환형일 수 있고, 그것들은 통신에서 개별 채널들로서 언커플링될(uncoupled) 수 있다.
다이폴 안테나는 아마도 모든 안테나 유형들 중 가장 폭넓게 사용되어왔을 것이다. 그러나 물론 일직선으로 구성되지 않는 컨덕터로부터 레이디에이팅하는 것이 가능하다. 바람직한 안테나 형상들은 종종 대대로 알려진 단순한 기하학적 형상들인 유클리드(Euclidian)이다. 일반적으로, 안테나는 다이폴들 및 루프들, 및 라인 및 서클 구조들에 상응하는 전기 전류의 디버전(divergence) 또는 컬(curl)에 대한 것으로서 분류될 수 있다.
많은 구조들이 루프 안테나들로서 설명될 수 있으나, 표준이 인정되고(예, 캐노니컬(canonical)), 루프 안테나들은 서클이다. 공진(resonant) 루프는 "풀 웨이브 루프"로 종종 불리는 풀 웨이브 원주(circumference) 환형 컨덕터이다. 일반적인 선행 기술 풀 웨이브 루프는 루프 플레인에 대해 노멀인 두개의 대향하는 로브들 및 3.6dBi의 이득을 갖는 두개의 페탈 로즈인 레이디에이션 패턴을 갖고, 선형으로 편파된다. 리플렉터들이 단방향 패턴을 획득하도록 풀 웨이브 루프 안테나와 함께 종종 사용된다.
이중 선형 편파(동일한 안테나로부터의 동시 수직 및 수평 편파)가 크로싱된 다이폴 안테나들로부터 일반적으로 획득되어왔다. 예를 들어, Runge에 대한 미국 특허 제 1,892,221호는 크로싱된 다이폴 시스템을 제안한다. 그러나 루프들이 더 작은 영역에서 더 큰 이득을 제공함에 따라, 이중 편파 루프 안테나가 더 소망될 수 있다. 싱글 루프들에서의 이중 환형 편파에 대한 접근이 Parsche et. al. 미국 공개 특허 출원 제 20080136720호에서 설명된다.
Tesla에 대한 미국 특허 제 645,576호는 무선 파워 전송에 관한 것이다. 한쌍의 "엘리베이팅된 단자들"이 라디오에 의한 전기 에너지의 레이디에이션 및 리셉션을 수행하도록 모노폴 안테나들로서 기능한다. 나선형 부하 인덕터들이 안테나 공진을 포싱하도록 포함되었다. λ/2π를 넘는 범위들에서, 동작은 일렉트로마그네틱 웨이브들의 먼 필드 레이디에이션에 의해, 그리고 λ/2π보다 작은 범위들에서 있을 수 있고, 안테나 레이디얼 리액티브 전기 필드(E 필드에 가까움)가 부가적인 결합을 허용할 수 있다. 나사형 부하 인덕터들이 원 위치에 트랜스포머를 형성하고, 제너레이터들을 결합하며, 안테나들에 부하하도록 다른 와인딩들과 콜로케이팅되었다. 그러나 파워 전송과 함께 개별 통신 채널을 포함하도록 연결들이 제공되지 않았다.
하이브리드 커플러들로 역시 알려진 하이브리드 접합들은 자동적으로 소팅하고 라우팅할 수 있는 수동 RF 디바이스들이다. 하이브리드 접합의 예는 네개의 포트들을 가질 수 있는 브랜치 라인 커플러(Branch Line Coupler)이다. 신호가 포트 1에 인가될 때, 그것은 포트 4를 제외한 포트들 2 및 3에 동일하게 결합된다. 하이브리드 특성을 갖는 멀티플 포트들을 구비한 단순한 안테나들이 흔하지 않을 수 있다.
Alford에 대한 미국 특허 제 2,147,809호는 그것에 연결된 선택된 포트들 사이에 격리를 제공하는 컨저게이트(conjugate) 브리지 회로를 설명한다. 90 및 180도 위상 시프트들이 전송 라인 링에서 포트들 사이에 사용되고, 브랜치 라인 커플러를 형성한다. 그러나 회로로부터의 레이디에이션은 설명되지 않는다.
Niccolai, et al.에 대한 그리고 "Circular-polarized Two-Way Antenna"로 명명된 미국 특허 제 5,977,921호는 라이트 핸드 또는 레프트 핸드 환형 편파에 대해 구성가능한 회로적으로 편파된 일렉트로마그네틱 레이디에이션을 전송하고 수신하기 위한 안테나에 관한 것이다. 안테나는 컨덕티브 그라운드 플레인 및 플레인으로부터 이격된 환형 클로징된 컨덕티브 루프를 가진다(즉, 어떠한 불연속부들도 환형 루프 구조에 존재하지 않는다). 신호 전송 라인이 제 1 지점에서 루프에 전기적으로 결합되고, 프로브가 이격된(spaced-apart) 제 2 지점에서 루프에 전기적으로 결합된다. RF 포텐셜들이 루프와 그라운드 플레인 사이에 인가되는 바와 같이 이 안테나는 그라운드 플레인을 요구하고 병렬 피드 구조를 포함한다. "루프" 및 그라운드 플레인은 서로에 대해 실제로 다이폴 하프 요소들이다.
Nakano에 대한 "Loop Antenna for Radiating Circularly Polarized Waves"로 명명된 미국 특허 제 5,838,283호는 환형으로 편파된 웨이브를 위한 루프 안테나에 관한 것이다. 파워 페드를 구동하는 것은 내부 동축 라인을 통해 피딩 지점으로 전달될 수 있고, 피더(feeder) 컨덕터는 그라운드 플레인에 대해 이격된 마주하는 관계로 배치된 C-형 루프 요소로 I-성형된 컨덕터를 통과한다. C-형 루프 요소 상에 형성된 컷오프 부분의 동작에 의해, C-형 루프 요소는 환형으로 편파된 웨이브를 레이디에이팅한다. 그러나 이중 선형, 또는 이중 환형 편파는 제공되지 않는다.
다양한 안테나들이 파워 전송 및 통신을 위해 알려져 있음에도, 그것들은 격리된 포트들을 포함하지 않고 라디오 주파수(RF) 파워 및 통신 링크(예, 무선 RF 식별(RFID) 태그들의 필드에서의 다이버시티)를 동시에 제공하지 않는다.
그러므로 앞서 언급된 배경의 관점에서, 이중 편파 안테나를 사용하여 디바이스들 사이에 데이터 통신 및 파워 전송을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 부합하는 이러한 그리고 다른 목적들, 특징들, 및 이점들이 데이터 통신 및 파워 전송을 위한 무선 통신 시스템에 의해 제공된다. 시스템은 무선 파워 전송기를 구비한 제 1 디바이스(예, 라디오 주파수 식별(RFID) 리더), 제 1 무선 데이터 통신 유닛, 및 제 1 루프 전기 컨덕터 및 제 1 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 제 1 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는제 1 이중 편파 루프 안테나를 포함한다. 무선 파워 전송기가 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 전송하도록 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되고, 무선 데이터 통신 유닛이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하도록 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합된다.
제 1 디바이스와의 통신을 위한 제 2 디바이스(예, RFID 태그)는 제 2 루프 전기 컨덕터 및 제 2 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 제 2 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나를 포함한다. 제 2 무선 데이터 통신 유닛이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 제 1 디바이스의 제 1 무선 데이터 통신 유닛과 통신하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나의 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합된다. 무선 파워 리시버가 제 1 디바이스의 무선 파워 전송기로부터 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 수신하고 제 2 디바이스에 파워를 제공하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나의 제 1 격리된 신호 피드 지점에 결합된다.
제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들이 제 1 및 제 2 디바이스들 사이의 동시 데이터 통신 및 파워 전송을 위해 제공될 수 있다. 또한 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각의 루프 전기 컨덕터를 따라서 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들이 0도의 신호 피드지점 위상 각 입력 차에서 동작될 수 있다. 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각의 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들의 각각이 각각의 루프 전기 컨덕터에서 불연속부를 형성할 수 있다.
제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나의 각각에서, 루프 전기 컨덕터는 환형 전기 컨덕터일 수 있다. 또한 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들은 이중 선형 편파 루프 안테나일 수 있다.
일 방법 측면은 제 1 및 제 2 무선 통신 디바이스들 사이의 데이터 통신 및 파워 전송에 관한 것이고, 방법은 무선 파워 전송기, 제 1 무선 데이터 통신 유닛, 및 루프 전기 컨덕터 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 1 이중 편파 루프 안테나를 갖는 제 1 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 무선 파워 전송기는 제 1 편파을 갖는 파워 신호를 전송하도록 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되고, 무선 데이터 통신 유닛은 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하도록 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합된다.
방법은 루프 전기 컨덕터 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나를 갖는 제 2 디바이스를 제공하는 것을 포함한다. 제 2 무선 데이터 통신 유닛이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 제 1 디바이스의 무선 데이터 통신 유닛과 통신하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나의 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합된다. 무선 파워 리시버가 제 1 디바이스의 무선 파워 전송기로부터 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 수신하고 제 2 디바이스에 파워를 제공하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나의 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합된다.
접근은 격리된 포트들의 사용을 포함하고 동일한 주파수 상의 또는 무선 RF 식별(RFID) 태그들에 의해 주파수에서 이격된 라디오 주파수(RF) 파워 및 통신 링크의 동시 사용을 허용한다.
도 1은 본 발명의 특징에 부합하는 이중 편파(예, 직교로 선형으로 편파된) 루프 안테나의 일 실시예의 스키매틱 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 이중 편파 루프 안테나를 사용하는 제 1 및 제 2 디바이스들 각각을 포함하는 시스템의 일 실시예의 스키매틱 다이어그램이다.
도 3은 동일한 플레인에 탑재된 ½ 웨이브 다이폴 턴스틸 안테나와 비교할 때, 도 1의 이중 편파 루프 안테나를 위한 먼 필드 레이디에이션 패턴의 엘리베이션 컷을 묘사하는 그래프이다.
도 4는 본 발명 루프 안테나의 두개의 유닛들 사이에 전달되는 연속 파워의 그래프이다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들에 대한 참조와 함께 이하에서 더 완전하게 설명될 것이고, 여기서 본 발명의 바람직한 실시예들이 나타난다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태들로 실시될 수 있고 여기서 제시된 실시예들로 한정되도록 제한되어서는 안 된다. 또한, 이들 실시예들은 본 개시가 완전해지고 완성되도록 제공되고, 해당 기술분야의 당업자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 것이다. 동일한 번호들은 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 언급한다.
위에서 논의된 바와 같이 본 발명의 특징들은 라디오 주파수 식별(RFID)의 분야에 적용할 수 있다. RFID 태그들은 새개의 일반적인 유형들로 형성될 수 있다: 수동, 능동, 또는 세미-수동(또한 배터리-보조된으로 알려짐). 수동 태그들이 내부 파워 소스를 요구하지 않고, 따라서 퓨어 수동 디바이스들이다(그것들은 오직 리더가 그것들을 파워링도록 가까이 있을 때만 능동이다). 통신을 위해, 태그들은 태그 리더로부터의 쿼리들에 응답한다.
수동 RFID 태그들은 아무런 내부 파워 서플라이도 갖지 않는다. 인커밍 라디오 주파수 신호에 의해 안테나에서 유도된 작은 전기 전류는 응답을 파워링 업하고 전송하기에 충분한 파워만을 태그에서의 집적 회로에 제공한다. 대개의 수동 태그들은 리더로부터 캐리어 웨이브를 후방산란시키는 것에 의해 신호를 보낸다. 이것은 안테나가 인커밍 신호로부터 파워를 콜렉팅하고 또한 아웃바운드 후방산란 신호를 전송는 것 모두를 하도록 설계되어야함을 의미한다. 태그 칩이 데이터를 저장하기 위해 심지어 비-휘발성 메모리를 포함할 수 있기 때문에 수동 RFID 태그의 응답은 반드시 ID 넘버인 것은 아니다.
능동 RFID 태그들은 훨씬 더 크고 그것들만의 내부 파워 소스를 가지며, 그것은 집적 회로들을 파워링하고 리더로 응답 신호를 브로드캐스팅하도록 사용된다. 능동 태그들로부터 리더로의 통신은 일반적으로 수동 태그들로부터의 것보다 훨씬 더 신뢰할만하다. 오늘날 많은 능동 태그들이 수백 미터의 동작 범위들 및 10년까지의 배터리 수명을 가진다. 능동 태그들은 수동 태그들 보다 더 큰 메모리들을 포함할 수 있고, 리더로부터 수신된 부가 정보를 저장하는 능력을 포함할 수 있다.
세미-수동 태그들은 그것들이 그것들만의 파워 소스를 가진다는 점에서 능동 태그들과 유사하나, 그러나 배터리는 단지 마이크로칩만을 파워링하고 신호의 브로드캐스팅을 파워링하지 않는다. 응답은 리더로부터 RF 에너지를 후방산란하는 것에 의해 일반적으로 파워링되고, 여기서 에너지는 수동 태그들과 함께인 것과 같이 리더에 대해 리플렉팅 백(reflectced back)된다. 배터리를 위한 추가적인 어플리케이션은 데이터 저장을 파워링하는 것이다. 리더로부터의 에너지가 미래에 응답을 에미팅하도록 콜렉팅되고 저장될 수 있다.
종래의 RFID의 기본적인 능력을 넘어서기 위해 RFID의 능력을 확장하는 것이 소망될 수 있다. 예를 들어, 능력을 확장하는 것은 더 먼 거리에서 그리고 도전적인 환경 내에서 리딩하고, 및/또는 태그 상의 데이터의 더 큰 양들을 저장하는 것을 포함할 수 있다.
최초로 도 1에 대해서 언급할 때, 본 실시예의 특징에 부합하는 데이터 통신 및 파워 전송을 위한 무선 통신 시스템에서의 사용을 위한 안테나의 일 실시예가 설명될 것이다. 안테나는 두개의 격리된 포트들로부터 동시 수직 및 수평 편파를 제공할 수 있는 이중 편파(예, 두개의 직교 편파들과 함께 동작) 루프 안테나(10)이다. 이중 편파 루프 안테나(10)는 2-채널 안테나이고, 그것은 동일한 주파수 상의 두개의 채널들을 소팅하고 멀티플렉싱할 수 있다. 이중 편파 루프 안테나(10)에서, 포트들(예, 각각의 직교 편파 포트들)이 이하에서 더 상세하게 설명될 바와 같이 데이터 통신 및 파워 전송을 위해 서로로부터 분리되고, 독립적인 채널들로서 사용된다.
이중 편파 루프 안테나(10)는 루프 전기 컨덕터(12)(예, 환형 전기 컨덕터)를 포함한다. 루프 전기 컨덕터(12)는 컨덕티브 와이어, 튜빙, 트레이스 등일 수 있고, 원주는 바람직하게 하나의 파장과 같을 수 있다. 두개의 신호 피드지점(14, 16)들은 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있을 수 있다. 하나의 신호 피드지점(14)이 수직 편파된 포트로서 언급될 수 있고, 루프 전기 컨덕터(12)에서 직렬로 연결된 신호 소스(18)를 포함할 수 있다. 다른 신호 피드지점(16)은 수평 편파된 포트로서 언급될 수 있고 루프 전기 컨덕터(12)에서 직렬로 연결된 신호 소스(20)를 포함할 수 있다.
신호 피드지점(14, 16)들의 각각은 직렬 신호 피드지점이고 그것에 결합된 신호 소스(18, 20)들은 루프 전기 컨덕터(12)에 동시 수직 및 수평 편파를 제공한다. 또한, 이중 편파 루프 안테나(10)의 루프 전기 컨덕터(12)를 따라서 피드지점(14, 16)들은 0도의 신호 피드지점 위상 각 입력 차에서 동작될 수 있다. 직렬 신호 피드지점(14, 16)들의 각각은 루프 전기 컨덕터(12)에서 바람직하게 불연속부를 형성한다. 신호 피드지점(14, 16)들의 각각은 일 포트를 형성하도록 두개의 단자(40)들을 가질 수 있다.
도 2에 대해 부가적으로 언급할 때, 본 발명의 특징들에 부합하는 데이터 통신 및 파워 전송을 위한 무선 통신 시스템(100)이 이제 설명될 것이다. 시스템(100)은 위에서 설명된 바와 같이 무선 파워 전송기(104)를 갖는 제 1 디바이스(102)(예, 라디오 주파수 식별(RFID) 리더), 제 1 무선 데이터 통신 유닛(106), 및 제 1 이중 편파 루프 안테나(110)를 포함할 수 있다. 무선 파워 전송기는 파워 서플라이(108)에 결합될 수 있다.
안테나(110)는 루프 전기 컨덕터(112) 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점(114, 116)들을 포함한다. 무선 파워 전송기(104)는 제 1 편파(예, 수직 편파)를 갖는 파워 신호를 전송하도록 제 1 격리된 신호 피드지점(114)에 결합된다. 무선 데이터 통신 유닛(106)이 제 2 편파(예, 수평 편파)를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하도록 제 2 격리된 신호 피드지점(116)에 결합된다.
제 2 디바이스(202)(예, RFID 태그)는 제 1 디바이스(102)와의 통신을 위한 것이고 루프 전기 컨덕터(212) 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점(214, 216)들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)을 포함한다. 제 2 무선 데이터 통신 유닛(206)이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 제 1 디바이스(102)의 무선 데이터 통신 유닛(106)과 통신하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)의 제 2 격리된 신호 피드지점(216)에 결합된다. 무선 파워 리시버(204)(예, 파워 정류기 회로)가 제 1 디바이스의 무선 파워 전송기(104)로부터 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 수신하고 제 1 디바이스(102)의 무선 데이터 통신 유닛(106)에 파워를 제공하도록 제 1 격리된 신호 피드지점(214)에 결합된다.
제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나(110, 210)들은 제 1 및 제 2 디바이스(102, 202)들 사이에 동시 데이터 통신 및 파워 전송을 제공할 수 있다.
접근은 격리된 포트들의 사용을 포함하고, 예를 들어, 무선 RF 식별(RFID) 태그들의 필드에서의 라디오 주파수(RF) 파워 및 통신 링크의 동시 사용을 허용한다. 접근은 두개의 풀 웨이브 루프 안테나들의 조합을 사용하고, 각각의 안테나는 서로로부터 ¼ 파장이고 격리된 2개의 포트들을 갖는다. 시스템의 특징들은 RFID 디바이스들을 갖는 범위 이슈들을 어드레싱하도록 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명이 RFID 트랜스폰더들에 관한 것임에도, 그것은 또한 예를 들어, 원격 제어들 또는 무선 마이크로폰들을 포함하는 다른통신 디바이스들을 원격으로 파워링하도록 사용될 수 있다. 시스템 이점들은 실시간 동작(예, 파워)을 포함하고 통신이 동일한 주파수 상에 동시에 전달된다.
이중 편파 루프 안테나(110)를 위한 동작의 이론이 이제 설명될 것이다. 신호 피드지점(14, 16)들이 90 및 270도 위상 시프트들 및 180도 위상 차에 상응하는 시계방향 및 반시계방향으로 동일하지 않은 거리들만큼 떨어진다. 어느 한 피드지점으로부터 다른 피드지점으로의 포워드 및 백워드 트래블링 웨이브들의 트랜스포지션은 위상으로부터 180이 아닌 진폭에서 동일한 포텐셜을 초래하고, 마주하는 피드지점에서 두개의 웨이브들의 제거가 발생한다.
동작의 이론을 계속할 때, 이중 편파 루프 안테나(110)의 하나의 파장 환형 컨덕터는 브랜치 라인 하이브리드 커플러의 하나의 파장 페이미터와 유사하다(브랜치 라인 커플러가 하나의 파장 페리미터의 스퀘어 형상으로 자주 프린팅됨에도, 그것은 또한 물론 1 파장 원주의 서클로 프린팅될 수 있음에 유의). 이중 편파 루프 안테나(110) 신호 피드지점(14)은 브랜치라인 커플러 포트 4와 유사하고, 이중 편파 루프 안테나(110) 신호 피드지점(16)은 브랜치 라인 커플러 포트 1과 유사하다. 브랜치 라인 커플러들이 포트들 1 및 4 사이에 격리를 제공함에 따라, 격리는 편파된 루프 안테나(110) 신호 피드포인트(14, 16)들 사이에 유사하게 제공될 수 있다. 이중 편파 루프 안테나(110)는 물론 브랜치 라인 커플러 포트들 2 및 3의 물리적 공급(provision)이 없다. 이중 편파 루프 안테나(110)는 실딩이 없기 때문에(예를 들어, 그라운드 플레인(들)이 브랜치 라인 커플러들과 함께 일반적으로 사용되었다), 이중 편파 루프 안테나(110) 역시 안테나의 레이디에이팅 기능을 제공한다. 배경으로서, 브랜치 라인 하이브리드 커플러에 관한 이론이 "Hybrid Circuits For Microwaves", W.A.Tyrell, Proceedings of the Institute Of Radio Engineers, Nov. 1947, pp. 1294-1306에서 설명되었다.
일 방법 측면은 제 1 및 제 2 무선 통신 디바이스(102, 202)들 사이의 데이터 통신 및 파워 전송에 관한 것이다. 방법은 무선 파워 전송기(104)를 갖는 제 1 디바이스(102), 제 1 무선 데이터 통신 유닛(106), 및 루프 전기 컨덕터(112) 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점(114, 116)들을 포함하는 제 1 이중 편파 루프 안테나(110)를 제공하는 단계를 포함한다. 무선 파워 전송기(104)가 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 전송하도록 제 1 격리된 신호 피드지점(114)에 결합되고, 무선 데이터 통신 유닛(106)이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하도록 제 2 격리된 신호 피드지점(116)에 결합된다.
방법은 루프 전기 컨덕터(212) 및 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점(214, 216)들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)를 갖는 제 2 디바이스(202)를 제공하는 것을 포함한다. 제 2 무선 데이터 통신 유닛(206)이 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 제 1 디바이스(110)의 무선 데이터 통신 유닛(106)과 통신하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)의 제 2 격리된 신호 피드지점(216)에 결합된다. 무선 파워 리시버(204)가 제 1 디바이스(110)의 무선 파워 전송기(104)로부터 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 수신하고, 제 1 디바이스(110)의 무선 데이터 통신 유닛(106)에 파워를 제공하도록 제 2 이중 편파 루프 안테나(210)의 제 1 격리된 신호 피드지점(214)에 결합된다.
무선 파워 리시버(204)는 도시된 하프 웨이브 정류기 회로와 같이, 전류를 직류(DC)로 얼터네이팅하는 라디오 주파수의 컨버전을 위한 정류기 회로일 수 있다. 풀 웨이브 또는 브리지 정류기 회로(미도시)들이 필요되는 바와 같이 더 높은 주파수 또는 더 높은 전압들에 사용될 수 있다. 무선 파워 리시버(204)는 또한 시간에 대해 무선 파워를 축적하고 저장하도록, 그리고 통신 디바이스(206)로부터 하이 피크 전송 파워를 허용하도록 저장 커패시터들 또는 저장 배터리(미도시)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 이중 편파 루프 안테나 실시예에 있어서 엘리베이션(XZ 플레인) 컷 레이디에이션 패턴이 도 3에서의 종래의 ½ 웨이브 다이폴 턴스틸 안테나의 것과 비교된다. 인정될 수 있는 바와 같이, 이중 편파 루프 안테나는 두개의 페탈 로즈 패턴(cosnθ), 98도에 가까운 하프 빔폭, 및 종래의 ½ 웨이브 다이폴 턴스틸 안테나의 2.1 dBic와 비교할 때 3.6 dBic의 이득을 가지고, 1.4 dB의 증가를 초래한다. 이러한 더 높은 이득 역시 더 작은 물리적 영역에서 획득된다. 아지무스(XY 플레인) 컷 레이디에이션 패턴(미도시)은 전방향(예, 환형)이고, 플레인에서 -3.3 dBi에 가까운 이득을 가진다. 안테나 포르타(porta) 사이의 격리는 이론적으로 무한할 수 있고 -33 dB이 실제에서 측정되어왔다.
도 4는 두개의 이중 편파 루프 안테나(10)들 사이의 범위의 함수로서, 그것들 사이에 전달되는 파워의 그래프이다. 도 3은 915 MHz, 1 와트 전송기 파워에서의 그리고 최대 결합을 위해 정렬되는 안테나들을 갖는 동작을 위한 것이다. 계산된 트레이스(301)가 Lawrence Livermore National Laboratories of Livermore, CA에 의한 NEC4.1 Numerial Electronic Code에서 순간 시뮬레이션의 방법에 의해 획득되었다. 측정된 트레이스(302)가 무반향 챔버에서 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나(110, 210)들의 신(thin) 와이어 프로토타입들을 빌딩(building) 및 테스팅하는 것에 의해 획득되었다.
측정된 데이터는 계산된 것보다 약간 더 높은 손실들을 나타낸다. 이것은 일차로 VSWR로 인한 리플렉션 손실 때문이고: 안테나(110, 210)들은 단순함을 위해 50ohm 시스템으로 직접적으로 동작되었고, 각각의 단부에서 리플렉션 손실의 2.8 내지 1 VSWR 및 1.1 dB을 초래했다. 보여질 수 있는 바와 같이, 측정된 것과 계산된 것 사이의 차는 2(1.1)=2.2dB 리플렉션 손실에 상응하는 대개의 범위들에서 2.2dB이다. 본 발명은 물론 이러한 손실을 회피하도록 더 매칭될 수 있고 또는 손실이 편리성 또는 경제성을 위해 트레이드(trade)에서 고려될 수 있다. 공진에서의 직렬 신호 피드지점(14, 16)들에서의 임피던스는 Z=130+j0 Ohm일 수 있다.
0.5λ을 넘는 범위들에서, 두개의 이중 편파 루프 안테나(10)들 사이의 결합은 레이디에이팅된 먼 필드들에 의해서이고, 그것은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00001
여기서,
Pt= 전송 안테나로의 파워 입력, 와트(Watts)
Pr=리시브 안테나로부터 추출된 파워, 와트
λ=미터에서의 프리 스페이스 파장
r=안테나들 사이의 프리 스페이스 범위
Gt=전송 안테나 이득=10( dBi /10에서의 전송 안테나 이득)
Gt=리시브 안테나 이득=10( dBi /10에서의 리시브 안테나 이득)
위의 수학식은 완벽하게 정렬된 안데나들 및 완벽한 임피던스 매칭을 가정한다. 스퀘어된 용어(예, (λ/4πr)2)는 레이디에이팅된 먼 필드들에 있어서의 구형 웨이브 스프레딩 손실로부터 초래된다. 본 발명에 있어서, 전송 및 리시브 안테나 이득은 10(3.6/10)=2.3 이다.
본 발명 루프 안테나들에의 정확한 공진은 1 파장(λ) 공칭 원주보다 약한 더 큰 것에서 발생한다. 직경<λ/50의 신 와이어 루프 컨덕터들에 있어서, 공진은 1.04λ에서 발생한다. 이것은 신 와이어 ½ 웨이브 다이폴들과 반대이고, 정확한 공진은 0.47λ 내지 0.48λ에서 발생할 수 있다. 1λ 공칭 원주가 루프 안테나(12)에 있어서 바람직한 실시예임에도, 발명은 더 작은 루프 원주들에 있어서의 이중 편파를 생성하도록 계속할 수 있다.
이전의 논의는 주파수에서 동일하고 일정한 위상 관계를 갖는 직렬 신호 소스(18, 20)들에 관한 것이었다. 그러나 직렬 신호 소스(18, 20)들은 포트(14, 16)들 사이의 격리에서 오직 약간의 저하를 갖는 주파수에서 약간 오프셋팅되도록 동작될 수 있다.
본 발명은 신호 피드 지점(14, 16)들에서 루프 컨덕터에서의 불연속부들을 요구하는 바와 같이 제한되지 않고, 다른 신호 피드 접근들이 예를 들어, 션트 피딩(shunt feeding)과 같이 사용될 수 있다. 감마 또는 Y 매치는 다이폴 및 야기-우다(yagi-uda) 안테나 실시에서 공통인 바와 같이 적합한 션트 피드들이고, 이것은 해당 기술분야의 당업자들에 의해 인정될 수 있다.
인셋 피드 접근들 역시 신호 피드 지점(14, 16)들을 형성하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 루프 전기 컨덕터(12)는 동축 케이블, 및 동축 케이블 루프의 외부 상의 레이디에이팅 전류 공통 모드 전류로 구성될 수 있다. 동축 케이블 브레이드는 소망된 위치에서 센터 컨덕터를 브링 아웃(bring out)하도록 스프레딩될 수 있으나 세버링되지(severed) 않고, 신호 피드 지점(14, 16)들이 동축 케이블 외부 컨덕터의 불연속부에 의해 형성될 수 있다. 또한, 다른 루프 형상들이 본질적으로 유사한 결과들로 본 발명에서 대체될 수 있다. 예를 들어, 풀 웨이브 환형 루프는 ¼ 파장 측면들을 갖는 스퀘어 또는 심지어 삼각형으로 만들어질 수 있다.
따라서, 이중 편파 루프 안테나가 이득에서의 증가 및 크기에서의 감소와 함께 제공된다. 본 발명을 따르는 안테나에서 루프 컨덕터에서 직렬인 두개의 격리된 피드지점들 및 이중 직교 편파들이 있다. 충분한 포트 격리가 무선 파워 및 통신을 동시 전달하도록 제공될 수 있다.
104: 무선 파워 전송기
106, 206: 통신 디바이스
108: 파워 서플라이

Claims (10)

  1. 데이터 통신 및 파워 전송을 위한 무선 통신 시스템으로서, 상기 시스템은:
    무선 파워 전송기,
    제 1 무선 데이터 통신 유닛, 및
    제 1 루프 전기 컨덕터 및 상기 제 1 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 상기 제 1 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 1 이중 편파 루프 안테나를 포함하는 제 1 디바이스로서,
    상기 무선 파워 전송기는 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 전송하도록 상기 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되고, 상기 무선 데이터 통신 유닛은 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하도록 상기 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합되는 상기 제 1 디바이스; 및
    상기 제 1 디바이스와 통신하기 위한 제 2 디바이스로서,
    제 2 루프 전기 컨덕터 및 상기 제 2 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 상기 제 2 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나,
    상기 제 2 편파를 갖는 상기 데이터 신호를 사용하여 상기 제 1 디바이스의 상기 무선 데이터 통신 유닛과 통신하도록 상기 제 2 이중 편파 루프 안테나의 상기 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합되는 제 2 무선 데이터 통신 유닛, 및
    상기 제 1 디바이스의 상기 무선 파워 전송기로부터 상기 제 1 편파를 갖는 상기 파워 신호를 수신하고, 상기 제 2 디바이스에 파워를 공급하도록 상기 제 2 이중 편파 루프 안테나의 상기 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되는 무선 파워 리시버를 포함하는 상기 제 2 디바이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들은 상기 제 1 및 제 2 디바이스들 사이에 동시 데이터 통신 및 파워 전송을 제공하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각의 상기 루프 전기 컨덕터를 따라서 상기 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들이 0도의 신호 피드지점 위상 각 입력 차에서 동작하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각의 상기 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들의 각각은 각각의 상기 제 1 및 제 2 루프 전기 컨덕터들에서의 불연속부를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각은 이중 선형 편파 루프 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스는 라디오 주파수 식별(RFID) 리더를 형성하고, 상기 제 2 디바이스는 RFID 태그를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  7. 제 1 및 제 2 무선 통신 디바이스들 사이의 데이터 통신 및 파워 전송을 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    무선 파워 전송기, 제 1 무선 데이터 통신 유닛, 및 루프 전기 컨덕터 및 상기 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 상기 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 1 이중 편파 루프 안테나를 포함하는 제 1 디바이스를 동작시키는 단계로서,
    상기 무선 파워 전송기는 상기 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되고 제 1 편파를 갖는 파워 신호를 전송하고, 상기 무선 데이터 통신 유닛은 상기 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합되고 제 2 편파를 갖는 데이터 신호를 사용하여 통신하는 상기 제 1 디바이스를 동작시키는 단계; 및
    루프 전기 컨덕터 및 상기 루프 전기 컨덕터를 따라서 그리고 상기 루프 전기 컨덕터의 길이의 4분의 1만큼 떨어져 있는 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 포함하는 제 2 이중 편파 루프 안테나, 상기 제 2 이중 편파 루프 안테나의 상기 제 2 격리된 신호 피드지점에 결합되고 상기 제 2 편파를 갖는 상기 데이터 신호를 사용하여 상기 제 1 디바이스의 상기 무선 데이터 통신 유닛과 통신하는 제 2 무선 데이터 통신 유닛, 및 상기 제 2 이중 편파 루프 안테나의 상기 제 1 격리된 신호 피드지점에 결합되고 상기 제 1 디바이스의 상기 무선 파워 전송기로부터 상기 제 1 편파를 갖는 상기 파워 신호를 수신하며 상기 제 2 디바이스에 파워를 제공하는 무선 파워 리시버를 포함하는 제 2 디바이스를 동작시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 데이터 통신 및 파워 전송은 동시적인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    0도의 신호 피드지점 위상 각 입력 차에서 상기 제 1 및 제 2 이중 편파 루프 안테나들의 각각의 상기 루프 전기 컨덕터를 따라서 상기 제 1 및 제 2 격리된 신호 피드지점들을 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 디바이스를 동작시키는 단계는 라디오 주파수 식별(RFID) 리더 기능을 위한 것이고; 상기 제 2 디바이스를 동작시키는 단계는 RFID 태그 기능을 위한 것인 것을 특징으로 하는 방법.
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