KR20120020809A - 적응형 공진 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

무선 전력을 전송할 때, 적응적으로 무선 전력 전송량을 조절할 수 있는 장치에 관한 것으로, 적응형 공진 전력 전송 장치는 마그네틱 커플링에 의해 공진 전력 수신 장치로 공진 전력을 전송하는 소스 공진기, 상기 소스 공진기와 특정 임피던스로 매칭되도록 하는 매칭 네트워크를 포함하고, 상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하도록 소스 전력을 증폭하는 전력 증폭기 및 상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하여 상기 매칭 네트워크와 상기 소스 공진기의 임피던스를 적응적으로 정합시키는 적응적 정합기를 포함한다.

Description

적응형 공진 전력 전송 장치{APPARATUS FOR ADAPTIVE RESONANT POWER TRANSMISSION}
기술분야는 무선 전력을 전송할 때, 적응적으로 무선 전력 전송량을 조절할 수 있는 장치에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 전력을 공급하는 소소는 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 전력 증폭기는 타겟에서 요구하는 전력만큼 소스 전력을 증폭한다. 타겟에서 요구하는 전력 레벨이 변할 경우 전력 증폭기는 상기 전력 레벨에 대응하여 전력을 증폭할 수 있어야 한다.
일 측면에 있어서, 적응형 공진 전력 전송 장치는 마그네틱 커플링에 의해 공진 전력 수신 장치로 공진 전력을 전송하는 소스 공진기, 상기 소스 공진기와 특정 임피던스로 매칭되도록 하는 매칭 네트워크를 포함하고, 상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하도록 소스 전력을 증폭하는 전력 증폭기 및 상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하여 상기 매칭 네트워크와 상기 소스 공진기의 임피던스를 적응적으로 정합시키는 적응적 정합기를 포함한다.
상기 적응적 정합기는 기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가지는 오프셋 라인(Offset line)일 수 있다.
상기 적응적 정합기는 기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가지도록 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 캐패시터로 구비된 정합 회로를 포함할 수 있다.
상기 적응적 정합기는 상기 매칭 네트워크와 상기 소스 공진기의 임피던스를 적응적으로 정합시키기 위한 위상을 결정하는 위상 결정부를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 적응형 공진 전력 전송 장치는 상기 공진 전력 수신 장치로부터 상기 요구 전력 레벨에 관한 정보를 포함하는 신호를 검출하는 검출기를 더 포함할 수 있다.
상기 검출기는 상기 소스 공진기 및 상기 공진 전력 수신 장치의 타겟 공진기 사이의 거리, 상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 전송되는 파동(wave)의 반사 계수, 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 사이의 전력 전송 이득 또는 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 사이의 커플링 효율 중 적어도 하나를 검출할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 적응형 공진 전력 전송 장치는 전원 공급기로부터 공급된 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하는 교류-직류 변환기 및 상기 직류 에너지에 따라 공진 주파수를 갖는 전류를 생성하는 주파수 생성기를 더 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기는 제1 신호 도체 부분 및 제2 신호 도체 부분과, 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분에 대응되는 그라운드 도체 부분을 포함하는 전송 선로, 상기 제1 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제1 도체, 상기 제2 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제2 도체 및 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기는 상기 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체에 의해 형성되는 루프의 내부에 위치하여, 상기 소스 공진기의 임피던스를 결정하는 매칭기를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서, 적응형 공진 전력 전송 장치를 이용함으로써, 타겟에서 요구하는 전력 레벨의 변화에 대응하여 공진 전력 전송 장치의 임피던스를 적응적으로 정합시킬 수 있다.
또한, 일반적으로 사용되는 전력 증폭기에 오프셋 라인을 사용함으로써, 별도의 제어 회로 없이 타겟에서 요구하는 전력 레벨의 변화에 대응하여 임피던스를 정합시킬 수 있다.
또한, 적응형 공진 전력 전송 장치를 이용함으로써, 공진 전력 전송 장치의 출력 전력을 제어하기 위한 별도의 제어 회로 없이 타겟에서 요구하는 전력 레벨의 변화에 대응하여 공진 전력을 전송 할 수 있다.
또한, 공진 전력 전송 장치와 공진 전력 수신 장치간에 별도의 통신 없이도 타겟에서 요구하는 전력 레벨의 변화에 대응하여 공진 전력 전송 공진기의 임피던스 특성을 변화시킴으로써, 공진 전력 전송 장치가 공진 전력을 전송할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 공진 전력 전송 장치에서 전력 증폭기의 동작 부하를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 공진 전력 전송 장치에서 정합 회로를 사용하는 경우의 스미스 차트를 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른 오프셋 라인의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 정합 회로를 사용하는 경우의 스미스 차트를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 오프셋 라인 및 등가회로의 특성을 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치에서 전력 증폭기의 출력 레벨 및 효율을 나타낸 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 11은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 15는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 16은 도 9에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1의 예에서, 무선 전력 전송 시스템을 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 공진 전력 전송 장치(110)와 타겟에 해당하는 공진 전력 수신 장치(120)를 포함한다.
공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다.
소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 즉, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭이 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BWS 또는 1/BWD를 의미한다.
한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기, 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
이미 잘 알려진 내용들이지만, 이해의 편의를 위하여 관련 용어들을 기술한다. 모든 물질들은 고유의 투자율(Mu) 및 유전율(epsilon)을 갖는다. 투자율은 해당 물질에서 주어진 자계(magnetic field)에 대해 발생하는 자기력선속밀도(magnetic flux density)와 진공 중에서 그 자계에 대해 발생하는 자기력선속밀도의 비를 의미한다. 그리고, 유전율은 해당 물질에서 주어진 전계(electric field)에 대해 발생하는 전기력선속밀도(electric flux density)와 진공 중에서 그 전계에 대해 발생하는 전기력선속밀도의 비를 의미한다. 투자율 및 유전율은 주어진 주파수 또는 파장에서 해당 물질의 전파 상수를 결정하며, 투자율 및 유전율에 따라 그 물질의 전자기 특성이 결정된다. 특히, 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가지며, 인공적으로 설계된 물질을 메타 물질이라고 하며, 메타 물질은 매우 큰 파장(wavelength) 또는 매우 낮은 주파수 영역에서도 쉽게(즉, 물질의 사이즈가 많이 변하지 않더라도) 공진 상태에 놓일 수 있다.
도 2는 공진 전력 전송 장치에서 전력 증폭기의 동작 부하를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 소스 공진기는 제1 타겟 공진기 및 제2 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 공진 전력을 전송하고 있다. 이때, 전력 증폭기는 매칭 네트워크를 포함하고 있다. 매칭 네트워크는 전력 증폭기가 기준 부하 특성(예를 들면 50옴)에 알맞게 동작할 수 있도록 설계되어 있다. 보다 구체적으로 소스 공진기 전단에서 보이는 부하 특성이 50옴인 경우에, 매칭 네트워크는 전력 증폭기가 가장 효율적으로 동작할 수 있도록 설계되어 있다. 소스 공진기 전단에서 보이는 부하 특성이 50옴이 아닌 경우에는 별도의 제어부를 통하여 50옴이 되도록 조절되면, 전력 증폭기가 효율적으로 동작할 수 있다. 즉, 전력 증폭기는 소스 공진기의 부하 특성이 변화하는 경우에 효율적으로 동작하기 위해서는 별도의 제어부가 필요하다.
소스 공진기가 제1 무선 전력 수신부의 제어 신호에 의하여 제1 타겟 공진기에게만 공진 전력을 전송하게 되면, 무선 전력 수신부에서 요구하는 전력 레벨은 250W에서 125W로 변화될 수 있다. 이때 소스 공진기의 부하 특성은 50옴에서 100옴으로 바뀌게 된다. 전력 증폭기는 소스 공진기의 부하 특성이 바뀜에 따라 전력 증폭기의 동작 부하가 125옴에서 250옴으로 바뀌어야 125W의 공진 전력을 증폭할 수 있다. 그런데 전력 증폭기의 동작 부하는 별도의 제어부가 없으면 소스 공진기의 부하 특성 변화에 따라 100옴을 250옴으로 변환 될 수 없다. 별도의 제어부가 추가되는 경우, 전력 손실이 추가적으로 발생할 수 있으므로 결과적으로 무선 전력 전송 시스템의 효율을 저하시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 공진 전력 전송 장치에서 정합 회로를 사용하는 경우의 스미스 차트를 나타낸 도면이다.
도 3은 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에서 정합회로를 이용하는 경우에 소스 공진기의 부하 특성이 변화됨에 따라 전력 증폭기의 동작 부하 특성이 변화되는 지 여부를 나타낸다. 스미스 차트는 RF 시스템에서 임피던스의 정합여부를 나타내기 위해 사용되는 방법이다. 도 3을 참조하면, 매칭 네트워크는 소스 공진기의 부하 특성이 50옴인 경우에 대해 전력 증폭기가 동작할 수 있도록 설계 되어 있으므로, 전력 증폭기의 동작 부하는 125옴까지 안정적으로 변환된다. 즉, 50옴이 소스 공진기의 기준 부하 특성이므로 스미스 차트의 중심 점(310)이 된다. 임피던스는 스미스 차트의 중심 점(310)에서부터 정합시키고자 하는 전력 증폭기의 동작 부하(320)까지 안정적으로 정합되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 소스 공진기의 부하 특성이 100옴으로 변화한 경우에, 임피던스는 스미스 차트의 시작 점(330)으로부터 전력 증폭기의 동작 부하(340)까지 정합되지 못한다. 즉, 별도의 임피던스 정합을 위한 제어부가 필요함을 알 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치의 블록도이다.
일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치는 소스 공진기의 부하 특성이 변화하는 경우에, 별도의 제어부 추가 없이 전력 증폭기의 동작 부하가 정합되도록 하는 장치를 제안한다. 아래에서 설명되는 용어 중에 부하 특성은 임피던스 특성을 포함하는 의미일 수 있다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치는 교류-직류 변환기(410), 주파수 생성기(420), 전력 증폭기(430), 적응적 정합기(440), 소스 공진기(450), 검출기(460) 및 컨트롤러(470)을 포함한다.
교류-직류 변환기(410)는 전원 공급기로부터 공급된 교류(AC) 에너지를 직류(DC) 에너지 또는 직류 전류로 변환한다. 이 때, 주파수 생성기(420)는 그 직류 에너지 또는 직류 전류에 따라 원하는 주파수(예를 들면, 공진 주파수)를 생성하며, 원하는 주파수를 갖는 전류를 생성한다. 원하는 주파수를 갖는 전류는 전력 증폭기(430)에 의해 증폭될 수도 있다.
전력 증폭기(430)는 소스 공진기(450)와 특정 임피던스로 매칭되도록 하는 매칭 네트워크(431)를 포함할 수 있다. 매칭 네트워크(431)는 전력 증폭기(430)가 소스 공진기(450)의 기준 부하 특성(예를 들면, 50옴)에 매칭되도록 할 수 있다. 매칭 네트워크는 일반적으로 전력 증폭기(430)에 사용될 수 있는 장치로 대체될 수 있다. 또한, 전력 증폭기(430)는 공진 전력 수신 장치의 요구 전력의 변화에 대응하도록 소스 전력을 증폭한다. 전력 증폭기(430)는 적응적 정합기(440)에 의해 변화된 전력 증폭기(430)의 동작 부하에 기초하여 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하여 소스 전력을 증폭한다.
적응적 정합기(440)는 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하여 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450)의 임피던스를 적응적으로 정합시킨다. 적응적 정합기(440)는 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450)의 사이에 위치할 수 있다. 적응적 정합기(440)는 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨이 변화하여 소스 공진기(450)의 임피던스가 변화함에 따라, 적응적으로 매칭 네트워크(431) 단에서 소스 공진기(450) 단으로 보이는 임피던스를 변환할 수 있다. 즉, 기준 부하 특성에 알맞게 설계된 전력 증폭기(430)를 그대로 이용하되, 적응적 정합기(440)는 전력 증폭기(430)의 동작 부하를 소스 공진기(450)의 임피던스 변화에 정합되게 변환할 수 있다.
적응적 정합기(440)는 선형적인 특성을 가질 수 있다. 따라서, 소스 공진기(450)의 임피던스가 변화하면, 적응적 정합기(440)는 선형적으로 기 설정된 범위 내에서 전력 증폭기(430)의 동작 부하가 소스 공진기(450)의 임피던스에 정합되도록 할 수 있다. 예를 들면, 적응적 정합기(440)는 50옴에서 100옴 사이에 선형적인 값을 가질 수 있는 오프셋 라인(Offset line)일 수 있다. 여기서, 오프셋 라인(Offset line)은 기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가질 수 있다. 오프셋 라인(Offset line)은 소스 공진기(450)의 임피던스의 변화 가능한 범위에 따라 결정될 수 있다. 또한, 오프셋 라인(Offset line)은 소스 공진기(450)의 임피던스와 동일한 특성 임피던스를 가질 수 있다.
또한, 적응적 정합기(440)는 기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가지도록 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 캐패시터로 구비된 정합 회로를 포함할 수 있다. 오프셋 라인은 선형적으로 특정 임피던스 값을 가질 수 있으므로, 오프셋 라인은 특정 임피던스에 해당하는 등가회로로 구현될 수 있다. 특정 임피던스를 가지는 등가회로는 인덕터 및 캐패시터를 통하여 구현될 수 있다.
또한, 적응적 정합기(440)는 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450)의 임피던스를 적응적으로 정합시키기 위한 위상을 결정하는 위상 결정부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 적응적 정합기(440)로 오프셋 라인이 사용되는 경우, 정합여부는 오프셋 라인의 위상 특성에 따라 결정된다. 위상 결정부(도시되지 않음)는 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450)의 임피던스가 매칭되도록 오프셋 라인의 위상을 결정할 수 있다. 공진 주파수가 낮고, 위상이 큰 경우에는 적응적 정합을 위한 오프셋 라인의 물리적인 길이가 길어질 수 있다. 오프셋 라인의 길이가 길어지는 경우에는 실제 사용에 어려움이 따를 수 있으므로 공진 주파수에서 오프셋 라인과 동일한 특성을 가지는 LC 등가회로로 대체될 수 있다. LC 등가회로는 인덕터와 캐패시터로 구현된 회로이다.
소스 공진기(450)는 마그네틱 커플링에 의해 공진 전력 수신 장치로 공진 전력을 전송한다. 소스 공진기(450)는 도 9내지 도 16을 통해 설명되는 공진기일 수 있으며, 소스 공진기(450)에 의해 전파(propagate)되는 파동(wave)에 의해 전력이 무선으로 전송된다. 소스 공진기(450)의 부하 특성은 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 따라 바뀔 수 있다.
검출기(460)는 공진 전력 수신 장치로부터 요구 전력 레벨에 관한 정보를 포함하는 신호를 검출한다. 여기서, 요구 전력 레벨에 관한 정보는 소스 공진기(450) 및 공진 전력 수신 장치의 타겟 공진기 사이의 거리, 소스 공진기(450)로부터 상기 타겟 공진기로 전송되는 파동(wave)의 반사 계수, 소스 공진기(450) 및 상기 타겟 공진기 사이의 전력 전송 이득 또는 소스 공진기(450) 및 상기 타겟 공진기 사이의 커플링 효율 등을 포함할 수 있다. 검출기(460)는 상기 요구 전력 레벨 변화에 따른 소스 공진기(450)의 임피던스를 바꾸기 위한 정보를 검출할 수 있다.
컨트롤러(470)는 상기 거리, 반사 계수, 전력 전송 이득, 커플링 효율, 타겟의 개수 변화, 타겟의 소비 전력 변화 경우 등을 고려하여 소스 공진기(450)의 임피던스를 조절하거나, 주파수 생성기(420)에 의해 생성되는 주파수를 조절할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 오프셋 라인의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 적응적 정합기(440)는 오프셋 라인(510)일 수 있다. 오프셋 라인(510)은 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450) 사이에 위치한다. 오프셋 라인(510)은 소스 공진기(450)의 기준 부하(예를 들면, 50옴)와 동일한 특성 부하를 가짐으로써, 소스 공진기(450)의 부하가 변화하는 경우에 출력 정합에 변화를 주어 원하는 정합 효과를 얻을 수 있다. 즉, 오프셋 라인(510)은 매칭 네트워크(431)와 소스 공진기(450)의 임피던스를 정합시키고, 전력 증폭기(430)는 공진 전력 수신 장치에서 요구하는 전력 레벨로 공진 전력을 증폭할 수 있다.
또한, 오프셋 라인(510)은 위상 특성에 민감하므로, 공진 주파수가 낮고, 위상이 큰 경우에는 오프셋 라인(510)의 물리적인 길이가 길어질 수 있다. 따라서, 공진 주파수가 낮고, 위상이 큰 경우에는 오프셋 라인과 동일한 임피던스 특성을 가지는 LC 등가회로(520)로 대체될 수 있다. LC 등가회로(520)는 인덕터(L) 및 캐패시터(C1, C2)로 구현될 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 정합 회로를 사용하는 경우의 스미스 차트를 나타낸 도면이다.
도 6은 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에 일실시예에 따른 정합회로를 이용하는 경우에 소스 공진기의 부하 특성이 변화됨에 따라 전력 증폭기의 동작 부하 특성이 변화되는 지 여부를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 오프셋 라인은 소스 공진기의 기준 부하(50옴)와 동일한 특성 부하(50옴)를 갖는다. 이때, 소스 공진기의 부하가 50옴인 경우에는, 도 3의 경우와 같이, 임피던스는 스미스 차트의 중심 점(610)에서부터 정합시키고자 하는 전력 증폭기의 동작 부하(620)까지 안정적으로 정합되는 것을 확인할 수 있다. 소스 공진기의 부하가 100옴으로 변화된 경우에는, 50옴의 특성 부하를 가지는 오프셋 라인으로 인해, 점은 스미스 차트의 시작 점(630)에서 스미스 차트의 중심 점(640)을 기준으로 원을 그리며 움직인다. 이때, 오프셋 라인의 위상 특성에 따라 움직이는 궤적이 결정된다. 임피던스가 250옴으로 정합될 수 있도록 오프셋 라인의 위상이 결정되면, 임피던스는 소스 공진기의 부하(630)로부터 전력 증폭기의 동작 부하(650)로 정합될 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 오프셋 라인 및 LC 등가회로의 특성을 나타낸 도면이다. 도 7은 오프셋 라인과 LC 등가회로의 크기 및 위상특성을 나타낸다. 공진 주파수에서 오프셋 라인과 동일한 특성을 가지는 LC 등가회로를 이용할 수 있다. 오프셋 라인(710)의 크기 특성 및 LC 등가회로(720)의 크기 특성은 주파수의 변화에 관계 없이 대체로 일정한 값을 가진다. 오프셋 라인(730)의 위상 특성 및 LC 등가회로(740)의 위상 특성은 주파수의 변화에 따라 선형적으로 비슷한 값을 가진다. 따라서, 공진 주파수가 낮고, 오프셋 라인의 위상이 큰 경우에는 LC 등가회로를 이용하여 매칭 네트워크와 소스 공진기의 임피던스를 정합시킬 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 적응형 공진 전력 전송 장치에서 전력 증폭기의 출력 레벨 및 효율을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, (A)는 수신 공진기의 부하가 변화하는 경우에 전력 증폭기의 출력 전력 레벨을 나타낸다. (B)는 전력 증폭기의 출력 전력 레벨의 변화에 따른 전력 증폭기의 효율을 나타낸다.
(A)를 참조하면, 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에, 적응형 정합기(440)가 위치하지 않은 경우(710)에는 소스 공진기의 부하가 변화하더라도 전력 증폭기의 출력 값은 별 차이가 없다. 즉, 공진 전력 수신 장치에서 요구하는 전력 레벨에 대응하지 못한다. 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에, 적응형 정합기(440)가 위치하는 경우(720)에는 소스 공진기의 부하가 변화함에 따라, 전력 증폭기의 출력 값이 선형적으로 변화한다. 즉, 전력 증폭기는 공진 전력 수신 장치에서 요구하는 전력 레벨에 대응하는 공진 전력을 증폭할 수 있다.
(B)를 참조하면, 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에, 적응형 정합기(440)가 위치하지 않은 경우(740)에는 전력 증폭기가 기 설정된 소스 공진기의 기준 부하에서만 효율적으로 동작하므로 출력 전력의 변화에 따른 효율이 낮다. 매칭 네트워크와 소스 공진기 사이에, 적응형 정합기(440)가 위치하는 경우(730)에는 적응형 정합기(440)에 의하여 소스 공진기의 부하가 변화함에 따라 매칭 네트워크와의 임피던스가 정합됨으로써 출력 전력의 변화에 불구하고 효율 저하가 매우 적다.
도 9는 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(920), 매칭기(930) 및 도체들(941, 942)을 포함한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 커패시터(920)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(911)과 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(920)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(911)과 제2 신호 도체 부분(912)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(913)으로 부르기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(900)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(913)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 통하여 흐른다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(911)의 한쪽 단은 도체(942)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(912)의 한쪽 단은 도체(941)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942)은 서로 연결됨으로써, 공진기(900)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
커패시터(920)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(920)는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(920)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
커패시터(920)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(900)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(920)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(900)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(920)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(900)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(920)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(900)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(900)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(900)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(920)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(900)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(900)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(900)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(920)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(920)에 집중되므로, 커패시터(920)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(900)는 집중 소자의 커패시터(920)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, MNG 공진기(900)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(930)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(930)는 MNG 공진기(900) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(930)에 의해 MNG 공진기(900)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(940)를 통하여 MNG 공진기(900)로 유입되거나 MNG 공진기(900)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(940)는 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(940)와 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(940)와 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 매칭기(930)는 공진기(900)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(930)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(900)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(930)는 그라운드 도체 부분(913)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(931)를 포함할 수 있으며, 공진기(900)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 9에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(930)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(930)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 도체(931)와 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(930)는 도 9에 도시된 바와 같이, 도체 부분(931)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(930)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(930)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(900)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 9에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(900)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(900)는 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(920)를 포함한다. 여기서 커패시터(920)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(911)과 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(920)에 갇히게 된다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 공진기(900)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(913)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 10에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(911)의 한쪽 단은 도체(942)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(912)의 한쪽 단은 도체(941)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942)은 서로 연결됨으로써, 공진기(900)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 커패시터(920)는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(920)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 커패시터(920)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(900)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(920)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(900)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(920)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(900)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(900)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(920)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(900)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(900)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(900)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(920)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 10에 도시된 MNG 공진기(900)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(900)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(900)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(920)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(900)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(910)에 삽입된 커패시터(920)에 집중되므로, 커패시터(920)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(900)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(920)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(920)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(900)는 집중 소자의 커패시터(920)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 MNG 공진기(900)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(930)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(930)는 MNG 공진기(900)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(930)에 의해 MNG 공진기(900)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(940)를 통하여 MNG 공진기(900)로 유입되거나 MNG 공진기(900)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(940)는 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 매칭기(930)는 공진기(900)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(930)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(900)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(930)는 그라운드 도체 부분(913)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(931)을 포함할 수 있으며, 공진기(900)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 10에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(930)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(930)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(930)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(931)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
매칭기(930)는 도 10에 도시된 바와 같이, 도체 부분(931)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(930)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(930)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(900)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 10에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(900)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 11은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(911)과 도체(942)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(950)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(912)과 도체(941)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(941)와 그라운드 도체 부분(913)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(911)과 그라운드 도체 부분(913)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 12는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(900)의 무게 또는 공진기(900)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(900)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(900)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(912)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는
Figure pat00004
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,
Figure pat00005
는 투자율,
Figure pat00006
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912), 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 13은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 13의 부분(970)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 14은 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(920)는 분산된 커패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(920)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(920)는 도 14에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(920)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(920)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 커패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 커패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 커패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 커패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 커패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 15는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 15의 A는 매칭기를 포함하는 도 9에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 15의 B는 매칭기를 포함하는 도 10에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 15의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(931), 도체(932) 및 도체(933)을 포함하며, 도체(932) 및 도체(933)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(913) 및 도체(931)와 연결된다. 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(931)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(931)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 15의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(931), 도체(932) 및 도체(933)을 포함하며, 도체(932) 및 도체(933)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(913) 및 도체(931)와 연결된다. 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(931)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(931)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 15에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스는 조절될 수 있다.
도 16은 도 9에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 16에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 16의 등가 회로에서 CL은 도 9의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 9에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00007
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00008
는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 2]
Figure pat00009

상기 수학식 2를 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00010
는
Figure pat00011
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00012
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00013
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 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 (9)

  1. 적응형 공진 전력 전송 장치에 있어서,
    마그네틱 커플링에 의해 공진 전력 수신 장치로 공진 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기와 특정 임피던스로 매칭되도록 하는 매칭 네트워크를 포함하고, 상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하도록 소스 전력을 증폭하는 전력 증폭기; 및
    상기 공진 전력 수신 장치의 요구 전력 레벨에 대응하여 상기 매칭 네트워크와 상기 소스 공진기의 임피던스를 적응적으로 정합시키는 적응적 정합기
    를 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 정합기는
    기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가지는 오프셋 라인(Offset line)임을 특징으로 하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 정합기는
    기 설정된 범위에서 선형적으로 임피던스 값을 가지도록 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 캐패시터로 구비된 정합 회로
    를 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 정합기는
    상기 매칭 네트워크와 상기 소스 공진기의 임피던스를 적응적으로 정합시키기 위한 위상을 결정하는 위상 결정부
    를 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진 전력 수신 장치로부터 상기 요구 전력 레벨에 관한 정보를 포함하는 신호를 검출하는 검출기
    를 더 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출기는
    상기 소스 공진기 및 상기 공진 전력 수신 장치의 타겟 공진기 사이의 거리, 상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 전송되는 파동(wave)의 반사 계수, 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 사이의 전력 전송 이득 또는 상기 소스 공진기 및 상기 타겟 공진기 사이의 커플링 효율 중 적어도 하나를 검출하는
    적응형 공진 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    전원 공급기로부터 공급된 교류 에너지를 직류 에너지로 변환하는 교류-직류 변환기; 및
    상기 직류 에너지에 따라 공진 주파수를 갖는 전류를 생성하는 주파수 생성기
    를 더 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소스 공진기는
    제1 신호 도체 부분 및 제2 신호 도체 부분과, 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분에 대응되는 그라운드 도체 부분을 포함하는 전송 선로;
    상기 제1 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제1 도체;
    상기 제2 신호 도체 부분과 상기 그라운드 도체 부분을 전기적으로 연결하는 제2 도체; 및
    상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분을 흐르는 전류에 대하여 직렬로 상기 제1 신호 도체 부분 및 상기 제2 신호 도체 부분 사이에 삽입되는 적어도 하나의 커패시터
    를 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소스 공진기는
    상기 전송 선로, 상기 제1 도체 및 상기 제2 도체에 의해 형성되는 루프의 내부에 위치하여, 상기 소스 공진기의 임피던스를 결정하는 매칭기
    를 포함하는 적응형 공진 전력 전송 장치.
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