KR20120132375A - 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 시스템 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간에 무선 전력을 이용하여 데이터를 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조하고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조하며, 상기 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 상기 반사전력을 수신하고, 상기 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어한다.
Description
기술분야는 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간에 무선 전력을 이용하여 데이터를 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기 및 전기자동차를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 배터리 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 소스 디바이스와 전력을 공급받는 타겟 디바이스를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조하는 변조부, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조하는 복조부, 상기 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 상기 반사전력을 수신하는 소스 공진부 및 상기 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 복조부는 상기 전송전력과 상기 반사전력이 합성된 교류신호에서 커플링 방식을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는 반사전력 검출부, 상기 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출부 및 상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하는 비교부를 포함할 수 있다.
상기 반사전력 검출부는 상기 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다.
상기 반사전력 검출부는 상기 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로 및 상기 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위한 커플링 선로를 포함하고, 상기 전송 선로와 상기 커플링 선로 사이의 간격 및 상기 커플링 선로의 길이에 기초하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 상기 검출된 반사전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단하는 저역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 반사전력의 변화량에 대하여 하이(high) 또는 로우(low)의 기준이 되는 레퍼런스 신호를 제공할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신하는 타겟 공진부, 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조하는 변조부, 상기 수신전력의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 복조부 및 상기 소정의 펄스 신호 및 상기 소정의 레퍼런스 값을 제공하고, 타겟 공진기와 부하 간에 임피던스 매칭을 수행하는 제어부를 포함한다.
상기 변조부는 타겟 디바이스의 부하에 흐르는 전류를 제어하여 상기 임피던스를 조절하는 전류 제어부를 포함할 수 있다.
상기 변조부는 가변 부하로 동작하는 전류 소스를 통하여 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
상기 변조부는 타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치의 온/오프를 이용하여, 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
상기 복조부는 상기 수신전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단하는 저역 통과 필터, 상기 수신전력의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출부, 상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하여, 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 비교부를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 상기 수신전력을 직류 신호로 변환하는 AC-DC 변환부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법은 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조하는 단계, 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 반사전력을 수신하는 단계, 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조하는 단계 및 상기 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 상기 소스 공진기와 부하 간의 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 복조하는 단계는 상기 전송전력과 상기 반사전력이 합성된 교류신호에서 커플링 방식을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는 단계, 상기 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출하는 단계 및 상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검출하는 단계는 상기 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다.
상기 검출하는 단계는 상기 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로 및 상기 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위한 커플링 선로를 이용하되, 상기 전송 선로와 상기 커플링 선로 사이의 간격 및 상기 커플링 선로의 길이에 기초하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법은 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조하는 단계, 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 상기 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신하는 단계, 상기 수신전력의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 단계 및 상기 소정의 펄스 신호 및 상기 소정의 레퍼런스 값을 제공하고, 타겟 공진기와 상기 타겟 디바이스 간에 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 변조하는 단계는 타겟 디바이스의 부하에 흐르는 전류를 제어하여 상기 임피던스를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변조하는 단계는 가변 부하로 동작하는 전류 소스를 통하여 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
상기 변조하는 단계는 타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치의 온/오프를 이용하여, 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신장치는 무선 전력 전송과 동시에 데이터 통신을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수를 이용하여 무선 전력을 전송함과 동시에 데이터를 전송함으로써, 별도의 통신 주파수 없이 데이터 통신을 수행할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 반사전력 검출부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 반사전력 검출부에서 검출되는 반사전력의 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치의 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른 변조부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 17 및 도 18은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 19는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
도 2는 일실시예에 따른 반사전력 검출부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 반사전력 검출부에서 검출되는 반사전력의 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치의 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른 변조부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 17 및 도 18은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 19는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 주파수 발생부(110), 변조부(120), 전력 증폭기(Power Amplifier, PA)(130), 복조부(140), 소스 공진부(150), 제어부(160)를 포함한다.
인 밴드 데이터 통신 방식은 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 전력을 전송하는데 사용되는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 통신하는 방식을 의미한다. 아웃 밴드 데이터 통신 방식은 전력 전송에 사용하는 공진 주파수 이외에 별도의 통신 주파수를 이용하여 데이터를 통신하는 방식을 의미한다.
주파수 발생부(110)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수를 발생 시킬 수 있다. 이때, 공진 주파수는 제어부(160)에서 결정될 수 있다. 제어부(160)는 복조부(140)에서 복조된 신호를 통하여 타겟 공진기의 수신 전력에 대한 정보를 획득할 수 있다. 제어부(160)는 소스 공진기의 전송 전력 및 타겟 공진기의 수신 전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산하고, 무선 전력 전송 효율이 최대 값을 가지도록 공진 주파수를 결정할 수 있다. 주파수 발생부(110)는 제어부(160)에서 결정된 공진 주파수를 발생시킬 수 있다.
변조부(120)는 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 변조부(120)는 주파수 발생부(110)에서 생성된 소정의 교류신호와 제어부(160)에서 제공되는 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 제어부(160)는 펄스의 폭이 서로 다른 펄스 신호 형태의 전송데이터를 생성할 수 있다. 펄스의 폭에 따라 변조부(120)는 전송데이터를 변조할 수도 있다. 변조부(120)는 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하는 믹서(mixer)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 변조부(120)는 하이(high) 값과 로우(low) 값을 가지는 펄스 신호에서 하이 값을 가지는 경우에 소정의 교류 신호가 큰 진폭값을 가지도록 함으로써, 전송데이터를 변조할 수 있다.
전력 증폭기(Power Amplifier, PA)(130)는 AC 신호를 제어부(160)의 제어신호에 따라 소정의 진폭 크기를 가지도록 증폭할 수 있다. 전력 증폭기(130)는 AC 신호를 입력 신호로 하고, 구동 전압의 크기에 따라 소정의 진폭 크기를 가지는 출력 전력을 출력할 수 있다. 제어부(160)는 타겟 디바이스의 임피던스의 변화를 고려하여 AC 신호의 증폭량을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 전력 전송 효율을 고려하여 AC 신호의 증폭량을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 노이즈를 고려하여 AC 신호의 증폭량을 결정할 수 있다.
복조부(140)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조한다. 반사전력의 변화량은 변조된 수신데이터를 반영한 것으로, 복조부(140)는 반사전력의 변화량을 레퍼런스 신호를 기준으로 로우(low), 하이(high) 값으로 구별하여, 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 임피던스가 매칭된 상태에서, 타겟 공진기에 연결된 임피던스가 변화하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 임피던스 미스매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭이 발생하면, 소스 공진기를 통하여 전송된 전력 중, 일부가 타겟 공진기에서 반사되어 되돌아 올 수 있다. 타겟 공진기에 연결된 임피던스가 변화하는 경우, 임피던스의 변화에 따라 반사전력량도 변화할 수 있다. 수신데이터는 반사전력량의 변화를 이용하여 변조될 수 있다.
복조부(140)는 반사전력 검출부(141), 저역 통과 필터(143), 포락선 검출부(145), 비교부(147)를 포함할 수 있다.
반사전력 검출부(141)는 소스 공진부(150)에서 전송되는 전송전력과 소스 공진부(150)에서 수신되는 반사전력이 합성된 교류신호에서 상기 반사전력을 커플링 하는 방식으로, 상기 반사전력을 검출할 수 있다. 반사전력 검출부(141)는 제어부(160)로부터 전송전력 신호에 대응하는 켤레복소수(complex conjugate) 신호를 수신하여, 상기 합성된 교류신호에서 전송전력을 제거하고, 반사전력을 검출할 수 있다.
반사전력 검출부(141)는 상기 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다.
반사전력 검출부(141)는 상기 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로 및 커플링 선로를 포함하고, 상기 전송 선로와 상기 커플링 선로 사이의 간격 및 상기 커플링 선로의 길이에 기초하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다. 커플링 선로는 상기 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
저역 통과 필터(143)는 반사전력 검출부(141)에서 검출된 반사전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단할 수 있다.
포락선 검출부(145)는 반사전력 검출부(141)에서 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출할 수 있다. 포락선은 반사전력 신호의 최대진폭 값에 기초하여 검출할 수 있다.
비교부(147)는 포락선 검출부(145)에서 검출된 포락선과 레퍼런스 값을 비교할 수 있다. 레퍼런스 값은 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 포락선의 크기의 최소값이 0인 경우에, 레퍼런스 값은 0으로 결정될 수 있다. 비교부(147)는 검출된 포락선의 크기가 레퍼런스 값보다 큰 구간은 하이(high)로, 검출된 포락선의 크기가 레퍼런스 값보다 작은 구간은 로우(low)로 결정할 수 있다. 또는 비교부(147)는 검출된 포락선의 크기가 레퍼런스 값보다 큰 구간은 1을, 검출된 포락선의 크기가 레퍼런스 값보다 작은 구간은 0을 출력할 수 있다.
제어부(160)는 비교부(147)에서 출력된 값을 수신함으로써 복조된 수신데이터를 획득할 수 있다. 수신데이터는 타겟 디바이스의 상태정보, 타겟 디바이스의 ID, 수신전력에 대한 정보를 포함할 수 있다. 타겟 디바이스의 상태정보는 타겟 디바이스의 배터리(battery)의 충전 용량, 필요 용량 등을 포함할 수 있다. 즉, 타겟 디바이스의 상태정보는 소스 공진기로부터 전송되는 무선 전력의 효율을 높이기 위해 필요한 정보를 포함할 수 있다.
소스 공진부(150)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 소스 공진부(150)는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 전송전력을 전송하고, 타겟 공진기로부터 반사되는 반사전력을 수신한다. 또한, 소스 공진부(150)는 전송전력을 이용하여 변조된 전송데이터를 전송한다. 또한, 소스 공진부(150)는 반사전력을 이용하여 변조된 수신데이터를 수신한다.
제어부(160)는 변조부(120)에 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공할 수 있다. 제어부(160)는 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어할 수 있다. 제어부(160)는 이피던스 매칭에 필요한 정보에 기초하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 수신데이터는 임피던스 매칭에 필요한 정보를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭에 필요한 정보는 소스 공진기와 타겟 공진기간의 거리, 위치, 부하 임피던스의 차이, 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 방사(radiation)되는 파동(wave)의 반사 계수, 전력 전송 이득 또는 커플링 효율 등에 관한 것을 포함한다.
제어부(160)는 비교부(147)에 반사전력의 변화량에 대하여 하이(high) 또는 로우(low)의 기준이 되는 레퍼런스 신호를 제공할 수 있다.
소스 공진기 및 타겟 공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
또한, 소스 공진기 및 타겟 공진기는 도 8내지 도 14를 통해 설명된 공진기일 수 있으며, 소스 공진기에 의해 전파(propagate)되는 파동(wave)에 의해 전력이 무선으로 전송된다.
도 2는 일실시예에 따른 반사전력 검출부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 반사전력 검출부(141)는 커플링 저항(210)을 이용하여 반사전력을 검출할 수 있다. 커플링 저항(210)은 전송전력과 반사전력이 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 역할을 할 수 있다. 소정의 커플링 저항(210)은 전송전력에 대응하는 전압을 강하시킴으로써, 합성된 교류신호에서 전송전력 부분을 상쇄시킬 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 반사전력 검출부(141)는 전송전력과 반사전력이 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로(220) 및 커플링 선로(230)를 포함할 수 있다. 반사전력 검출부(141)는 전송 선로(220)와 커플링 선로(230) 사이의 간격(240) 및 커플링 선로의 길이(250)에 기초하여, 상기 반사전력을 검출할 수 있다. 커플링 선로(230)는 전송선로(220)와의 커플링을 통하여 반사전력을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 반사전력 검출부(141)는 전송 선로(220)와 커플링 선로(230) 사이의 간격(240)이 작아질수록, 커플링 선로의 길이(250)가 길수록, 커플링을 통하여 세기가 강한 반사전력을 검출할 수 있다. 반사전력 검출부(141)는 저역 통과 필터(143)의 방향으로 소스 공진부(150)에서 수신된 반사전력을 검출할 수 있다. 또한, 반사전력 검출부(141)는 저항이 위치한 방향으로 전력 증폭기(130)에서 출력된 전력을 검출할 수 있다.
또는 반사전력 검출부(141)는 커플링 선로(230)를 통해 검출되는 전력에서 저항을 통하여, 전송전력에 대응하는 전압을 강하시킴으로써, 검출되는 전력에서 전송전력 부분을 상쇄시킬 수 있다.
전송 선로(220)와 커플링 선로(230)는 적층 구조로 된 두 개의 기판에 각각 생성될 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 반사전력 검출부에서 검출되는 반사전력의 파형을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, A는 반사전력 검출부에서 검출되는 반사전력의 진폭의 최대값이고, B는 검출되는 반사전력의 진폭의 최소값이다. 타겟 디바이스 및 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치는 부하와 병렬로 연결되는 전류 소스를 변경함으로써, 인덱스를 제어할 수 있다. 이때, 인덱스는 (A-B)/(A+B) x 100와 같이 계산될 수 있다. B는 무선 전력 수신 장치에 포함된 Active 부하 역할을 수행하는 전류 소스의 제어에 의하여 결정될 수 있다.
복조부는 레퍼런스 신호를 기준으로 A와 B값에 대하여, 로우, 하이 값을 결정함으로써 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 공진부(410), AC-DC 변환부(420), 변조부(430), 복조부(440), 제어부(450)를 포함한다.
타겟 공진부(410)는 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신한다. 반사전력이란 소스 공진기에서 전송된 전력 중, 타겟 공진부(410)에서 수신되지 않고, 반사되는 전력을 의미한다. 소스 디바이스는 무선 전력을 이용하여 변조된 수신 데이터를 전송한다. 타겟 공진부(410)는 무선 전력을 수신함으로써, 무선 전력을 이용하여 변조된 수신 데이터를 수신할 수 있다.
AC-DC 변환부(420)는 수신전력을 직류 신호로 변환한다. AC-DC 변환부(420)는 정류기로 구현될 수 있다. AC-DC 변환부(420)는 교류 신호를 직류 신호로 변환한다. 수신 전력은 공진 주파수에 전력이 실린 교류 신호이므로, AC-DC 변환부(420)는 수신 전력을 직류 신호로 변환할 수 있다.
변조부(430)는 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조한다. 타겟 디바이스의 임피던스가 변화하는 경우에 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 임피던스 미스매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭이 발생하면 타겟 공진부(410)에서 반사하는 반사전력 량에 변화가 생길 수 있다. 변조부(430)는 임피던스 미스매칭을 이용하여 반사전력의 변화량을 조절함으로써, 전송데이터를 변조할 수 있다.
또한, 변조부(430)는 반사전력의 인덱스를 이용하여, 전송데이터를 변조할 수 있다. 반사전력의 인덱스는 반사전력의 진폭의 최대값과 최소값의 비율에 기초한다. 변조부(430)는 반사전력의 진폭의 최대값 또는 최소값을 조절함으로써, 전송데이터를 변조할 수 있다.
복조부(440)는 수신전력의 포락선을 검출하고, 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 변조된 수신데이터를 복조한다. 예를 들면, 복조부(440)는 검출된 포락선의 크기가 소정의 레퍼런스 값보다 크면 "하이"로 판단하고, 검출된 포락선의 크기가 소정의 레퍼런스 값보다 작으면 "로우"로 판단하여, 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다. 이때, "하이"는 비트 1에 해당할 수 있고, "로우"는 비트 0에 해당할 수 있다. 또한, 반대로 "하이"는 비트 0에 해당할 수 있고, "로우"는 비트 1에 해당할 수 있다. 위와 같은 설정은 제어부(450)에 미리 설정될 수 있다. 상기 설정은 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간에 공유할 수 있다. 소정의 레퍼런스 값은 제어부(450)에서 제공될 수 있다. 소정의 레퍼런스 값은 기 설정된 값일 수도 있고, 검출된 포락선의 크기를 고려하여 설정될 수도 있다.
복조부(440)는 저역 통과 필터(441), 포락선 검출부(443), 증폭기(445), 비교부(447)를 포함할 수 있다. 저역 통과 필터(441)는 수신전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단할 수 있다. 소스 디바이스에서 전송된 전력은 소스 디바이스와 타겟 디바이스 간의 전송 채널, 타겟 공진기에서 발생하는 기생 전류 등으로 인하여 하모닉 신호를 포함할 수 있다. 하모닉 신호는 소스 디바이스가 전송한 데이터를 왜곡시킬 수 있으므로, 차단하는 것이 복조의 효율을 높일 수 있다.
포락선 검출부(443)는 수신전력의 포락선(envelope)을 검출할 수 있다. 포락선은 수신전력 신호의 파형들의 끝 점들을 연결한 선을 의미한다. 포락선은 수신데이터의 변조 정도를 대략적으로 나타낼 수 있다.
증폭기(445)는 검출된 포락선의 진폭을 레퍼런스 값과 비교 가능한 값으로 증폭할 수 있다. 검출된 포락선은 진폭의 크기가 작은 소신호 일 수 있다. 증폭기(445)는 레퍼런스 값과 비교 가능한 정도로 검출된 포락선의 진폭을 증폭할 수 있다.
비교부(447)는 검출된 포락선의 크기와 레퍼런스 값을 비교하여 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다. 비교부(447)는 검출된 포락선의 크기와 레퍼런스 값을 비교하여 "하이" 또는 "로우" 값을 출력할 수 있다. 이때, 레퍼런스 값은 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초하여 결정될 수 있다. 복조부(440)는 비교부(447)에서 출력된 "하이" 또는 "로우" 값에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다. 제어부(440)에서 비교부(447)의 출력 값을 수신하여, 변조된 수신데이터를 복조할 수도 있다.
제어부(450)는 타겟 디바이스의 임피던스의 조절 신호를 제공한다. 변조부(430)는 임피던스 변화를 이용하여 전송데이터를 변조한다. 제어부(450)는 가변 부하에 흐르는 전류의 량을 조절할 수 있다. 가변 부하에 흐르는 전류의 량에 따라 임피던스는 변화될 수 있다. 또한, 제어부(450)는 배터리에 저장된 에너지의 양을 조절할 수 있다. 배터리에 저장된 에너지의 양에 따라 임피던스는 변화될 수 있다. 제어부(450)는 소정의 레퍼런스 값을 비교부(447)에 제공할 수 있다. 또한, 제어부(450)는 타겟 공진기와 부하(460) 간에 임피던스 매칭을 수행한다. 타겟 공진기에서 수신한 수신 전력이 부하(460)에 효율적으로 전달 될 수 있도록 제어부(450)는 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 변조부의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
변조부(430)는 타겟 디바이스의 부하(460)에 흐르는 전류를 제어하여 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하는 전류 제어부(510)를 포함할 수 있다. 전류 제어부(510)에 전류가 흐르게 되면, 부하(460)에 흐르는 전류의 량에 변화가 생길 수 있다. 부하(460)에 흐르는 전류의 량에 변화가 생기면, 타겟 디바이스의 임피던스가 변화될 수 있다. 변조부(430)는 임피던스의 변화를 이용하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 전류 제어부(510)는 DC-DC 변환부(520) 앞 단에 위치할 수 있다. DC-DC 변환부(520)는 직류 신호를 부하(460)에서 요구하는 직류 레벨로 변환할 수 있다. 수신 전력은 AC-DC 변환부(420)에서 직류 신호로 변환된다.
변조부(430)는 가변 부하로 동작하는 전류 소스(530)를 통하여 타겟 디바이스의 임피던스를 조절함으로써, 소스 공진기에서 반사되는 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조할 수 있다. 전류 소스(530)는 DC-DC 변환부(520)의 뒷 단에 위치할 수 있다. 전류 소스(530)에 전류가 흐르면, 가변 부하로 동작하여 타겟 디바이스의 임피던스를 변화시킬 수 있다. 임피던스의 변화에 따라 반사전력의 변화량도 결정되므로, 변조부(430)는 전류 소스(530)에 흐르는 전류의 량을 조절하여, 전송데이터를 변조할 수 있다.
변조부(430)는 타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치(540)의 온/오프를 이용하여, 타겟 디바이스의 임피던스를 조절함으로써, 소스 공진기에서 반사되는 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조할 수 있다. 부하가 연결되는 경우와 부하가 연결되지 않는 경우에, 타겟 디바이스의 임피던스가 변화될 수 있다. 따라서, 변조부(430)는 스위치(540)의 온/오프를 이용하여, 전송데이터를 변조할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
610단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조한다.
620단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 반사전력을 수신한다.
630단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조한다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 전송전력과 반사전력이 합성된 교류신호에서 반사전력을 커플링 하는 방식으로, 상기 반사전력을 검출하고, 상기 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출하여, 상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하여 변조된 수신데이터를 복조할 수 있다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 합성된 교류신호에서 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 반사전력을 검출할 수 있다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로 및 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위한 커플링 선로를 이용하되, 전송 선로와 커플링 선로 사이의 간격 및 커플링 선로의 길이에 기초하여, 반사전력을 검출할 수 있다.
640단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어한다.
도 7은 다른 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법의 흐름도이다.
710단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조한다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 디바이스의 부하에 흐르는 전류를 제어하여 임피던스를 조절할 수 있다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 가변 부하로 동작하는 전류 소스를 통하여 임피던스를 조절함으로써, 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조할 수 있다.
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치의 온/오프를 이용하여, 임피던스를 조절함으로써, 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조할 수 있다.
720단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신한다.
730단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 수신전력의 포락선을 검출하고, 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 변조된 수신데이터를 복조한다.
740단계에서, 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치는 타겟 디바이스의 임피던스의 조절 신호 및 소정의 레퍼런스 값을 제공하고, 타겟 공진기와 부하간의 임피던스 매칭을 제어한다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 8은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(820), 매칭기(830) 및 도체들(841, 842)을 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 커패시터(820)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(820)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(811)과 제2 신호 도체 부분(812)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(813)으로 부르기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(813)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)과 그라운드 도체 부분(813)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 통하여 흐른다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(811)의 한쪽 단은 도체(842)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(812)의 한쪽 단은 도체(841)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813), 도체들(841, 842)은 서로 연결됨으로써, 공진기(800)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(820)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(820)는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(820)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(820)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(800)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(820)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(800)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(820)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(820)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(800)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(800)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(800)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(820)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(800)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(800)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(800)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(820)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(820)에 집중되므로, 커패시터(820)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(800)는 집중 소자의 커패시터(820)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(800)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(830)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(830)는 MNG 공진기(800) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(830)에 의해 MNG 공진기(800)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(840)를 통하여 MNG 공진기(800)로 유입되거나 MNG 공진기(800)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(840)는 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 매칭기(830)는 공진기(800)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(830)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(800)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(830)는 그라운드 도체 부분(813)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(831)를 포함할 수 있으며, 공진기(800)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(830)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(830)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 도체(831)와 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(830)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도체 부분(831)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(830)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(830)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(800)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 8에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(800)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9를 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 9에 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 9에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
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.
또한, 도 9에 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 9에 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 9에 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 9에 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 9에 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 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 부분(931)을 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)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 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 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 10은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1011)과 도체(1042)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1050)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1041)와 그라운드 도체 부분(1013)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1012)과 그라운드 도체 부분(1013)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1011)과 그라운드 도체 부분(1013)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 11는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11를 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1100)의 무게 또는 공진기(1100)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1100)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1100)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1112)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는 
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수, 
는 투자율, 
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 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 12는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212)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(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 112의 부분(1270)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 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 13은 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1320)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(1320)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(1320)는 도 13에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1320)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)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 14는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 14의 A는 매칭기를 포함하는 도 8에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 14의 B는 매칭기를 포함하는 도 9에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 14의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(831), 도체(832) 및 도체(833)을 포함하며, 도체(832) 및 도체(833)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(813) 및 도체(831)와 연결된다. 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(831)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(831)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 14의 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 14에 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 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 15에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 15의 등가 회로에서 CL은 도 8의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는 
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수 
는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 1]
상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수 
는 
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 16을 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(1600)은 소스 시스템(1610), 소스 공진기(1620), 타겟 공진기(1630), 타겟 시스템(1640) 및 전기 자동차용 배터리(1650)을 포함한다.
전기 자동차 충전 시스템(1600)은 소스 시스템(1610) 및 소스 공진기(1620)로 구성되는 소스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(1600)은 타겟 공진기(1630) 및 타겟 시스템(1640)로 구성되는 타겟을 포함한다.
이때, 소스 시스템(1610)은 AC/DC 컨버터, 파워 검출기(Power Detecter), 전력변환부, 제어 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(1640)은 정류부, DC/DC 컨버터, 스위치부, 충전부 및 제어 및 통신부를 포함할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(1650)는 타겟 시스템(1640)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(1600)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(1610)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(1640)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(1610)은 소스 공진기(1620) 및 타겟 공진기(1630)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(1610)의 제어부는 소스 공진기(1620)와 타겟 공진기(1630)의 정렬(alignment)이 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(1640)으로 메시지를 전송하여 정렬(alignment)을 제어할 수 있다.
이때, 정렬(alignment)이 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(1630)의 위치가 마그네틱 레조넌스(magnetic resonance)가 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(1610)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(1620)와 타겟 공진기(1630)의 정렬(alignment)이 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(1610)과 타겟 시스템(1640)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 1 내지 도 15에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(1600)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(1600)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(1650)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
도 17 및 도 18은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 17을 참조하면, (a)는 패드(1710)와 모바일 단말(1720) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 패드들(1730, 1740)과 보청기들(1750, 1760) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1710)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1720)에 탑재될 수 있다. 이때, 패드(1710)는 하나의 모바일 단말(1720)을 충전할 수 있다.
일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 전송 장치는 제1 패드(1730) 및 제2 패드(1740) 각각에 탑재될 수 있다. 보청기(1750)는 왼쪽 귀의 보청기를 나타내고, 보청기(1760)는 오른쪽 귀의 보청기를 나타낸다. 일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 수신 장치는 보청기(1750) 및 보청기(1760) 각각에 탑재될 수 있다.
도 18을 참조하면, (a)는 인체에 삽입된 전자기기(1810)와 모바일 단말(1820) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 보청기(1830)와 모바일 단말(1840) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1820)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 인체에 삽입된 전자기기(1810)에 탑재될 수 있다. 인체에 삽입된 전자기기(1810)는 모바일 단말(1820)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1840)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 보청기(1830)에 탑재될 수 있다. 보청기(1830)는 모바일 단말(1840)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다. 보청기(1830)뿐만 아니라, 블루투스 이어폰과 같은 저전력 전자기기들도 모바일 단말(1840)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
도 19에서 무선 전력 전송 장치(1910)는 도 17의 제1 패드(1730) 및 제2 패드(1740) 각각에 탑재 될 수 있다. 또한, 도 19에서 무선 전력 전송 장치(1910)는 도 18의 모바일 단말(1840)에 탑재될 수 있다.
도 19에서 무선 전력 수신 장치(1920)는 보청기(1750) 및 보청기(1760) 각각에 탑재될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(1910)는 도 1의 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치(1910)는 마그네틱 커플링을 이용하여 전력을 전송하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
도 19에서 통신 및 트래킹부(1911)는 무선 전력 수신 장치(1920)와 통신을 수행하고, 무선 전력 전송 효율을 유지하기 위한 임피던스 제어 및 공진주파수 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(1920)는 도 4의 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 장치(1920)는 전력을 무선으로 수신하여 배터리를 충전하기 위한 구성을 포함한다. 무선 전력 수신 장치(1920)는 타겟 공진기, 정류기, DC/DC 컨버터, 충전 회로를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치(1920)는 통신 및 제어부(1923)를 포함할 수 있다.
통신 및 제어부(1923)는 무선 전력 전송 장치(1910)와 통신을 수행하고, 과전압 및 과전류 보호를 위한 동작을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(1920)는 청각기기 회로(1921)를 포함할 수 있다. 청각기기 회로(1921)는 배터리에 의해 충전될 수 있다. 청각기기 회로(1921)는 마이크, 아날로그-디지털 변환기, 프로세서, 디지탈-아날로그 변환기 및 리시버를 포함할 수 있다. 즉, 청각기기 회로(1921)는 보청기와 동일한 구성을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (20)
- 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조하는 변조부;
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조하는 복조부;
상기 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 상기 반사전력을 수신하는 소스 공진부; 및
상기 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어하는 제어부
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복조부는
상기 전송전력과 상기 반사전력이 합성된 교류신호에서 커플링 방식을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는 반사전력 검출부;
상기 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출부; 및
상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하는 비교부
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 반사전력 검출부는
상기 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 반사전력 검출부는
상기 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로; 및
상기 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위한 커플링 선로를 포함하고,
상기 전송 선로와 상기 커플링 선로 사이의 간격 및 상기 커플링 선로의 길이에 기초하여, 상기 반사전력을 검출하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 검출된 반사전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단하는 저역 통과 필터
를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는
상기 반사전력의 변화량에 대하여 하이(high) 또는 로우(low)의 기준이 되는 레퍼런스 신호를 제공하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신하는 타겟 공진부;
타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조하는 변조부;
상기 수신전력의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 복조부; 및
상기 타겟 디바이스의 임피던스의 조절 신호 및 상기 소정의 레퍼런스 값을 제공하고, 타겟 공진기와 부하간에 임피던스 매칭을 수행하는 제어부
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제7항에 있어서,
상기 변조부는
타겟 디바이스의 부하에 흐르는 전류를 제어하여 상기 임피던스를 조절하는 전류 제어부
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제7항에 있어서,
상기 변조부는
가변 부하로 동작하는 전류 소스를 통하여 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제7항에 있어서,
상기 변조부는
타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치의 온/오프를 이용하여, 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제7항에 있어서,
상기 복조부는
상기 수신전력에서 하모닉(harmonic) 신호를 차단하는 저역 통과 필터;
상기 수신전력의 포락선(envelope)을 검출하는 포락선 검출부;
상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하여, 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 비교부
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 제7항에 있어서,
상기 수신전력을 직류 신호로 변환하는 AC-DC 변환부
를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 장치. - 소정의 교류 신호와 펄스 신호 형태의 전송데이터를 합성하여 상기 전송데이터를 변조하는 단계;
타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 변조된 전송데이터를 포함하는 전송전력을 전송하고, 반사전력을 수신하는 단계;
소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 미스매칭으로 반사되는 반사전력을 검출하고, 상기 반사전력의 변화량에 기초하여 변조된 수신데이터를 복조하는 단계; 및
상기 펄스 신호 형태의 전송데이터를 제공하고, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 임피던스 매칭을 제어하는 단계
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제13항에 있어서,
상기 복조하는 단계는
상기 전송전력과 상기 반사전력이 합성된 교류신호에서 커플링 방식을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는 단계;
상기 검출된 반사전력의 포락선(envelope)을 검출하는 단계; 및
상기 검출된 포락선과 상기 검출된 포락선의 크기의 최소값에 기초한 레퍼런스 값을 비교하는 단계
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제14항에 있어서,
상기 검출하는 단계는
상기 합성된 교류신호에서 상기 전송전력에 대응하는 전력을 차단하는 커플링 저항을 이용하여, 상기 반사전력을 검출하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제14항에 있어서,
상기 검출하는 단계는
상기 합성된 교류신호가 흐르는 전송 선로 및 상기 전송선로와의 커플링을 통하여 상기 반사전력을 검출하기 위한 커플링 선로를 이용하되,
상기 전송 선로와 상기 커플링 선로 사이의 간격 및 상기 커플링 선로의 길이에 기초하여, 상기 반사전력을 검출하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 타겟 디바이스의 임피던스를 조절하여 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 전송데이터를 변조하는 단계;
소스 공진기와 마그네틱 커플링을 통하여 상기 반사전력를 전송하고, 변조된 수신데이터를 포함하는 수신전력을 수신하는 단계;
상기 수신전력의 포락선을 검출하고, 상기 검출된 포락선과 소정의 레퍼런스 값을 비교하여 상기 변조된 수신데이터를 복조하는 단계; 및
상기 타겟 디바이스의 임피던스의 조절 신호 및 상기 소정의 레퍼런스 값을 제공하고, 타겟 공진기와 부하 간에 임피던스 매칭을 제어하는 단계
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제17항에 있어서,
상기 변조하는 단계는
타겟 디바이스의 부하에 흐르는 전류를 제어하여 상기 임피던스를 조절하는 단계
를 포함하는 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제17항에 있어서,
상기 변조하는 단계는
가변 부하로 동작하는 전류 소스를 통하여 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법. - 제17항에 있어서,
상기 변조하는 단계는
타겟 디바이스의 부하에 연결된 스위치의 온/오프를 이용하여, 상기 임피던스를 조절함으로써, 상기 반사전력의 변화량을 제어하는 방식으로 상기 전송데이터를 변조하는
무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 방법.
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