KR20130036071A - 높은 q 팩터를 갖는 공진 안테나 시스템 - Google Patents

높은 q 팩터를 갖는 공진 안테나 시스템 Download PDF

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KR20130036071A
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나이젤 피 쿡
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퀄컴 인코포레이티드
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Abstract

무선 전력 공급 및 충전 시스템이 설명된다. 안테나는 하이 Q 루프 안테나일 수 있다. 안테나는 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 커플링을 이용할 수 있다.

Description

높은 Q 팩터를 갖는 공진 안테나 시스템{RESONANT ANTENNA SYSTEM WITH HIGH Q FACTOR}
본 출원은 2007 년 8 월 9 일에 출원된 가출원 제 60/954,941 호에 대하여 우선권을 주장하며, 이들의 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
전자기장을 가이드하기 위한 와이어의 사용 없이 소스로부터 목적지로 전기 에너지를 전송하는 것이 바람직하다. 이전 시도들의 어려움은 전달된 전력량의 불충분한 양과 함께 낮은 효율성이었다.
본 출원은 무선 전기 에너지 전송을 교시하고, 특정 안테나, 및 특정 안테나용 재료를 포함하는 에너지 전송을 위한 특정 기술을 교시한다.
이들 및 다른 양태들이 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명된다.
도 1 은 무선 전력 송신 시스템에 기초한 자기파의 블록도를 나타낸다.
도 2 는 도 1 도면의 회로의 회로도를 나타낸다.
도 3 은 예시의 근접 필드 상태 플롯을 나타낸다.
도 4 는 상이한 안테나들 사이에서 실험적으로 발견된 Q 팩터들 간의 그래프를 나타낸다.
도 5 는 대형의 하나의 턴 (turn) 안테나를 나타낸다.
도 6 은 큐브 형상의 2 회의 턴 안테나를 나타낸다.
도 7a 는 매우 작은 수신기 안테나를 나타낸다.
도 8 은 몇몇 예시의 전력 전송 동작을 나타낸다.
도 9 는 복수의 상이한 스탠드오프 (standoff) 를 포함하는 캐패시터 홀더를 갖는 대형 송신 안테나를 나타낸다.
일반적인 구조 및 기술, 및 범용의 목적을 수행하는 상이한 방법들을 달성하는데 이용될 수 있는 보다 구체적인 실시형태가 본 명세서에 설명된다.
본 출원은 전자기장 커플링을 통해 전력 소스로부터 전력 목적지로의 에너지의 전송을 설명한다. 실시형태는 새로운 커플링 구조, 예를 들어 송신 및 수신 안테나에 대한 기술을 설명한다.
일 실시형태는, 주 커플링이 주로 자기장 컴포넌트를 이용하는 유도성 커플링을 통해 발생하는 것으로 도시된다. 도 1 에 도시된 실시형태에서, 예를 들어 에너지는 송신 안테나 (110) 의 영역 내의 정지 (stationary) 자기파로서 형성된다. 생성되는 에너지는 적어도 부분적으로 방사성이 아닌, 정지 자기장이다. 생성된 필드는 완전히 자성은 아니고 완전히 정지되지 않지만, 적어도 일부가 정지되고 자성이다. 계속해서 공간으로 전파되고 그 에너지를 낭비하는 이동하는 전자기파와 달리, 정지 자기파의 적어도 일부는 송신 안테나의 영역 내에 남고 개시된 기술에 의해 이용 가능하다.
다른 실시형태는 유사한 원리의 실시형태들을 이용할 수도 있고, 주로 정전기 및/또는 전기역학 필드 커플링에 또한 동등하게 적용 가능하다. 일반적으로, 주된 커플링 메커니즘으로서 전기장이 자기장 대신에 이용될 수 있다.
실시형태의 하나의 양태는, 이용된 전류 또는 전압, 전자기장의 정현 파형에 이용된 자기 공진 (self-resonant) 주파수에서 커플링 구조 (주로 안테나) 의 소위 Q 팩터를 증가시키는 것에서 말미암은 고 효율성의 이용이다. 본 발명자들은 효율성 및 전력량이, 단일의 실질적으로 변조되지 않은 정현파를 이용하는 시스템에 대해 우위에 있는 것을 발견하였다. 특히, 성능이, 광대역 파형 또는 상이한 주파수의 복수의 구별되는 정현 파형 내에 포함된 전력을 캡처하고자하는 광대역 시스템보다 우세하다. 다른 실시형태들은 이용되는 재료의 현실 세계의 특성을 인식하여 덜 순수한 파형을 이용할 수도 있다. 본 명세서에서는 작은 공진 안테나가 비교적 하이 Q (high Q) 팩터를 가질 수 있는 기술이 설명된다.
공진 디바이스의 Q 는 소위 공진 디바이스의 "3 dB" 또는 "반 전력 (half-power)" 의 대역폭에 대한 공진 주파수의 비율이다. 몇몇 "정의" 가 존재하지만, 이 모두는 실질적으로 서로 동등하여 공진 회로 엘리먼트의 값 또는 측정값에 관하여 Q 를 설명한다.
기본 실시형태는 도 1 에 도시된다. 전력 송신기 어셈블리 (100) 는 소스, 예를 들어 AC 플러그 (102) 로부터 전력을 수신한다. 주파수 생성기 (104) 는 주파수 (Pt) 에서의 신호를 생성하고 그 주파수를 안테나 (110), 여기서 공진 안테나에 커플링하는데 이용된다. 안테나 (110) 는 하이 Q 공진 안테나부 (112) 에 유도적으로 그리고 비-접촉식으로 커플링되는 커플링 루프 (111) 를 포함한다.
공진 안테나는 N 개의 코일 루프 (113) 를 포함하고, 각 루프는 반경 (RA) 을 갖는다. 본 명세서에서 가변 캐패시터로 도시된 캐패시터 (114) 는 공진 루프를 형성하는 코일 (113) 과 직렬이다. 실시형태에서, 캐패시터는 코일로부터 전체적으로 분리된 구조이지만, 소정의 실시형태에서, 코일을 형성하는 와이어의 자기 캐패시턴스가 캐패시터 (114) 를 형성할 수 있다.
주파수 생성기 (104) 는 바람직하게 안테나 (110) 에 튜닝될 수 있고, 또한 FCC 컴플라이언스 (compliance) 용으로 선택될 수 있다.
본 실시형태는 안테나부 (112) 와 같이 다중지향성의 안테나를 사용한다. 115 는 모든 방향으로의 출력으로서의 에너지를 나타낸다. 많은 안테나의 출력이 전자기 방사 에너지라기 보다는 오히려 보다 정적인 자기장이라는 면에서, 안테나 (100) 는 방사성이 아니다. 물론, 안테나로부터의 출력의 일부는 실제로 방사될 것이다.
다른 실시형태는 방사성 안테나를 이용할 수도 있다.
수신기 (150) 는, 송신 안테나 (110) 로부터 먼 거리 (d) 에 배치되지만 송신 안테나에 커플링되지는 않는 수신 안테나를 포함한다. 수신 안테나는 유도성 커플링 루프 (152) 에 커플링된, 코일부 및 캐패시터 (151) 를 갖는 하이 Q 공진 코일 안테나와 유사하다. 캐패시터 (151) 는 튜닝을 위해 가변일 수도 있다. 송신 안테나에서와 같이, 커플링 루프 (152) 는 안테나의 메인부로부터 물리적으로 분리된다. 커플링 루프 (152) 의 출력은 정류기 (160) 에서 정류되고 로드 (load) 에 인가된다. 그 로드는 임의의 유형의 로드, 예를 들어 전구와 같은 저항성 로드, 또는 전기 설비, 컴퓨터, 재충전 배터리, 뮤직 플레이어 또는 자동차와 같은 전자 디바이스 로드일 수 있다.
본 명세서에서 자기장 커플링이 일 실시형태로서 우세하게 설명되었지만, 에너지는 전기장 커플링 또는 자기장 커플링 중 어느 하나를 통해 전송될 수 있다.
전기장 커플링은 개방 캐패시터 또는 유전체 디스크인 유도적으로 로딩된 전기 쌍극자를 제공한다. 외부의 물체들이 전기장 커플링에 비교적 강한 영향을 제공할 수도 있다. 외부의 물체들은 "빈" 공간과 동일한 자기적 특성을 갖기 때문에 자기장 커플링이 바람직할 수도 있다.
본 실시형태는 용량성 로딩된 자기 쌍극자를 이용하는 자기장 커플링을 설명한다. 이러한 쌍극자는 안테나를 공진 상태로 전기적으로 로딩하는 캐패시터와 직렬로 코일의 적어도 하나의 루프 또는 턴을 형성하는 와이어 루프로 형성된다.
도 2 는 에너지 전송을 위한 등가 회로를 나타낸다. 송신 회로 (100) 는 고 주파수 생성기 (205) 의 주파수에서 공진하는 RLC 부를 갖는 직렬 공진 회로이다. 송신기는 직렬의 저항 (210), 및 유도성 코일 (215), 및 가변 캐패시턴스 (220) 를 포함한다. 이는 자기력선 (225) 으로서 도시되는 자기장 (M) 을 생성한다.
신호 생성기 (205) 는 유도성 루프에 의한 공진에서 송신 공진기의 저항에 바람직하게 매칭되는 내부 저항을 갖는다. 이는 송신기로부터 수신기 안테나로 최대 전력을 전송하는 것을 허용한다.
대응되어, 수신부 (150) 는 캐패시터 (250), 변압기 코일 (255), 정류기 (260), 및 레귤레이터 (261) 를 포함하여 레귤레이팅된 출력 전압을 제공한다. 출력은 로드 저항 (265) 에 접속된다. 도 2 는 반파 정류기를 나타내지만, 더 복잡한 정류기 회로가 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 정류기 (260) 및 레귤레이터 (261) 의 임피던스는 공진에서 수신 공진기의 저항에 매칭된다. 이는 최대 전력량을 로드로 전송하게 할 수 있다. 저항은 스킨 (skin) 효과/근접 효과, 방사 저항, 및 내부 및 외부의 유전 손실 모두를 고려한다.
완벽한 송신 공진기는 상이한 공진 주파수를 갖는 모든 다른 부근의 공진 물체들을 무시하거나, 최소로 반응할 것이다. 그러나, 적절한 공진 주파수를 갖는 수신기가 송신 안테나 (225) 의 필드를 만날 때, 강한 에너지 링크를 확립하기 위해서 2 개가 커플링된다. 사실상, 송신기 및 수신기는 느슨하게 커플링된 변압기가 되도록 동작한다.
본 발명자들은 송신기로부터 수신기로의 전력의 전송을 향상시키는 다수의 팩터를 발견하였다.
전술된 회로의 Q 팩터가 소정의 효율로 도울 수 있다. 하이 Q 팩터는 공진 주파수에서 전류의 값이 증가되는 것을 허용한다. 이는 비교적 낮은 와트수 상에서 송신을 유지하게 할 수 있다. 일 실시형태에서, 송신기 Q 는 1400 일 수도 있는 한편, 수신기 Q 는 대략 300 이다. 본 명세서에 설명된 이유에 대해, 일 실시형태에서 수신기 Q 는 송신기 Q 보다 매우 낮을 수도 있다 (예를 들어, 송신기 Q 의 1/4 내지 1/5). 그러나, 다른 Q 팩터가 이용될 수도 있다.
하이 Q 는 좁은 대역폭 효과의 대응하는 단점을 갖는다. 이러한 좁은 대역폭은 통상적으로, 데이터 통신에 바람직하지 않은 것으로 고려되고 있다. 그러나, 전력 전송 시에 좁은 대역폭이 이용될 수 있다. 하이 Q 가 이용될 때, 송신기 신호는 충분히 순수하고 원하지 않는 주파수 또는 위상 변조로부터 자유로워서, 이 좁은 대역폭을 통한 그 전력의 대부분의 송신을 허용한다.
예를 들어, 일 실시형태는 13.56 MHz 의 공진 주파수 및 대략 9 kHz 의 대역폭을 이용할 수도 있다. 이는 실질적으로 변조되지 않은 기본 주파수에 대해 매우 유용하다. 하지만, 특히 효율성을 증가시키기 위해 다른 팩터들이 이용되는 경우에는, 기본 주파수에 대한 몇몇 변조가 허용되거나 허용 가능할 수도 있다. 다른 실시형태들은 더 낮은 Q 컴포넌트들을 이용하고, 기본에 대해 대응하여 더 많은 변조를 허용할 수도 있다.
중요한 특징은 FCC 레귤레이션과 같은 레귤레이션에 의해 허용되는 주파수의 이용을 포함할 수도 있다. 본 예시의 실시형태에서 바람직한 주파수는 13.56 MHz 이지만, 다른 주파수가 또한 이용될 수도 있다.
또한, 캐패시터는, 저항이 용량성 리액턴스와 관련이 적을 수도 있기 때문에, 예를 들어 4 kV 와 같이 높은 전압을 견딜 수 있어야 한다. 마지막으로 중요한 특징은 패키징이다: 이 시스템은 작은 형태 팩터 내에 있어야 한다.
송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링을 향상시키는 일 양태는 안테나의 Q 를 증가시키는 것이다. 전력 전송의 효율 η 은 다음과 같이 표현될 수도 있다.
Figure pat00001
효율은, 송신 안테나의 반경의 세제곱, 수신 안테나의 반경의 세제곱에 비례하고, 거리의 6승에 반비례한다. 송신 및 수신 안테나의 반경은 그것들이 이용되는 애플리케이션에 의해 제약될 수도 있다. 따라서, 몇몇 애플리케이션에서 Q 를 증가시키는 것은 효율성을 증가시키는 바람직한 방식일 수도 있다.
도 4 는 상이한 안테나들 간에서 실험적으로 발견된 Q 팩터들 간의 그래프를 나타낸다. 이 그래프는, 소정 주파수에 대해, 공진기의 공진 코일이 더 적게 턴을 가질 때 Q 팩터가 증가하는 것을 나타낸다.
본 발명자들은, 루프를 형성하는 재료, 예를 들어 와이어 또는 배관 (tubing) 의 손실 저항이 충분히 낮게 유지되는 경우, 단일의 턴 루프로 존재할 수도 있는 최적의 안테나를 발견하였다.
도 5 에 도시된 실시형태는 더 작은 코일 (505) 에 의해 구동된, 비교적 두꺼운 도전체 재료로 형성된 단일 턴 안테나 (500) 를 사용한다. 이 안테나 (500) 는 용량성 로딩, 여기서 진공 캐패시터 (502) 와 직렬로 제공된다. 일 실시형태에서, 단일 턴 안테나는 구리 배관으로 형성된다. 매우 하이 Q 팩터를 갖는 진공 캐패시터는 또한 매우 높은 전압을 다룰 수 있다. 예를 들어, 200 pf 정도의 진공 캐패시터가 이용될 수 있다. 이 안테나는 낮은 임피던스를 가져, 이에 의해 높은 전류 및 높은 자기장을 이네이블 (enable) 할 수도 있다. 또한, 낮은 RF 전압, 이에 따른 외부 물체로부터의 손실에 대한 더 낮은 자화율 및 낮은 전기 표유 (stray) 필드를 제공할 수도 있다.
일 실시형태는 6 mm 구리 튜브 코일 공진기 및 9 인치 반경의 루프를 사용할 수도 있다. 다른 실시형태는 30 mm 구리 튜브를 사용할 수도 있다. 바람직하게, 구리 튜브는 직경이 적어도 1 인치이고, 매우 하이 Q 를 갖는 진공 캐패시터로 이용된다. 진공 캐패시터는 1000 의 Q 를 가질 수도 있다.
단일의 턴 루프 안테나에서의 이슈는 안테나가 비교적 큰 직경을 가져야 한다는 것이다.
절충적 크기는 도 6 에 도시되는 2 회의 턴 안테나로부터 형성될 수도 있다. 2 회의 턴 안테나는
Figure pat00002
인치 직경의 코일 (600) 을 가질 수 있다. 도 6 은 안테나 상에 바로 통합된 진공 캐패시터를 이용하는 플라스틱 하우징을 나타낸다. 또한, 송신 유도 코일 (610) 이 케이블 (611) 에 연결된 하우징 상에 장착된다.
수신기 안테나가 또한 중요할 수 있다. 도 7 은 기판 (705) 상에 탑재된 재료 (700) 의 복수의 턴을 포함하는 예시의 수신기 안테나를 나타낸다. 캐패시터 (710) 는 코일 재료 (700) 에 부착된다.
베이스로서 이용되는 기판 자체가 Q 를 설정하는데 중요할 수도 있다는 것이 발견되었다. 표 1 은 상이한 기판에 대한 몇몇 예시의 전기적 특성 (품질팩터 (quality factor) 포함) 을 나타낸다.
재료 손실 팩터 (tanδ) 품질팩터 (1/tanδ) 유전율 εr
FR4 0.0222 45 3.95
PVC 0.0063 160 1.10
Rubalit 710 0.0013 770 1.00
PTFE(테플론) 0.0011 910 1.20
이 데이터는 단지 10-20 MHz 범위 내의 주파수에 대해 유효하다.
표 1: 상이한 기판 재료의 전기적 특성
도 7 의 안테나는 6-턴 안테나이고, 대략 400 의 품질팩터를 갖는다. 일 실시형태에 따르면, PTFE 와 같은 고 품질팩터 재료가 기판으로서 이용된다. 다른 양태는 이들 안테나 상에 이용될 수 있는 것으로 제한된다. 표 2 는 애플리케이션에 대해 있음 직한 제한을 나타낸다.
Figure pat00003
f = MHz 에서의 주파수 *평면파 등가의 전력 밀도
노트 1: 노출 카테고리의 논의를 위해 섹션 1 참조
노트 2: 고정된 송신기에 대한 일반적 집합/제어되지 않은 노출을 위한 평균 시간은 모바일 및 휴대용 송신기에 적용 가능하지 않다. 모바일 및 휴대용 송신기에 대한 소스-기반의 시간-평균 요건에 있어서 47 CFR§§2.1891 및 2.2863 참조.
몇몇 예시의 전력 전송 동작이 도 8 에 도시된다. 수신기 안테나는 작거나 "매우 작을" 수 있다. 송신 안테나는 도 5 에 도시된 "큰" 유형, 또는 도 6 에 도시된 "큐브" 유형일 수 있다. 도 8 은 15 W 의 송신 전력에 대한 전력을 나타낸다. 도 8 의 수평선 (800) 은 15 와트 송신에 대해 수신되는 1/2 와트를 나타낸다. 이 양을 초과하는 임의의 값이 수용 가능한 것으로 고려될 수도 있다.
도 9 는 30 mm 관 (900) 을 이용하는 큰 송신 안테나, 및 안테나의 일부분들 사이에서 통합된 진공 캐패시터 (905) 를 나타낸다. 캐패시터 (905) 는 루프의 단부들 사이에서 용접되거나 납땜되는 캐패시터 홀더 구조체 (910) 내에 탑재된다. 캐패시터 홀더는 복수의 상이한 스탠드오프 (950) 를 포함하고, 스탠드오프 내에 또는 스탠드오프에 부착되어 캐패시터가 위치할 수 있다. 도 9 의 기판 (911) 은 전술된 바와 같이 하이 Q 물질일 수도 있다.
상기 상세한 설명에서 몇몇 실시형태들만이 개시되었지만, 다른 실시형태들이 가능하며, 본 발명자들은 그러한 다른 실시형태들이 본 명세서 내에 포함되도록 의도한다. 본 명세서는, 다른 방식으로 달성될 수도 있는 더 일반적인 목표를 달성하기 위해 특정 예들을 설명한다. 본 개시는 예시적이도록 의도되며, 청구범위는 당업자가 예측할 수 있는 임의의 변형 또는 대안을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 다른 크기, 재료 및 접속이 이용될 수 있다. 안테나의 커플링부가 단일의 와이어 루프로 도시되었으나, 이 커플링부는 다수의 와이어 루프를 가질 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명자들은 "하는 수단 (means for)" 이라는 단어들을 사용하는 청구항들만이 35 USC 112, 제 6 단락 하에서 해석되도록 의도된다. 또한, 청구항들에 한정이 명백히 포함되지 않는 한, 어떠한 청구항들도 본 명세서로부터 한정되도록 의도되지 않는다.
본원에서 특정 수치 값이 언급되는 경우에, 그 값은, 몇몇 상이한 범위가 구체적으로 언급되지 않는 한, 본원의 교시 내에 여전히 있으면서, 20 % 만큼 증가되거나 또는 감소될 수도 있다. 특정된 논리적 의미가 사용되는 경우에, 반대의 논리적 의미가 또한 포함되도록 의도된다.

Claims (91)

  1. 무선 필드를 통해 전력을 송신하기 위한 송신기 시스템으로서,
    제 1 주파수를 갖는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성되는 소스;
    상기 소스에 물리적으로 접속된 비-공진 커플링부로서, 제 1 와이어 루프를 포함하는, 상기 비-공진 커플링부; 및
    공진 안테나부로서, 상기 안테나부가 상기 커플링부에 직접 접속되지 않고 상기 커플링부에 자기적으로 커플링되도록 상기 커플링부로부터 이격되고, 상기 안테나부는 상기 커플링부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 안테나부는 상기 커플링부로부터 무선으로 전력을 수신하도록 구성되고, 무선으로 수신되는 상기 전력에 기초하여 전자기장을 생성하도록 구성되고, 상기 안테나부에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 안테나부는 상기 제 1 주파수에서 공진하도록 구성되는, 상기 공진 안테나부를 포함하는, 송신기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 500 보다 큰 품질팩터 (quality factor) 를 갖는, 송신기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나부를 지지하는 기판 상에 위치하고, 상기 기판은 500 보다 큰 품질팩터를 갖는, 송신기 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나부는 진공 커패시터로부터 제조된 통합 (integral) 커패시터로 형성되는, 송신기 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 유도성 코일 루프를 갖고, 상기 커패시터가 상기 유도성 코일 루프의 일부에 걸쳐 접속된, 송신기 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 커패시터가 하우징되는 큐브 형상의 하우징을 더 포함하는, 송신기 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 유도성 코일 루프에서 단일의 턴 (turn) 을 갖는, 송신기 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 유도성 코일 루프에서 2 회의 턴들을 갖는, 송신기 시스템.
  9. 무선 필드를 통해 전력을 송신하기 위한 송신기 시스템으로서,
    제 1 주파수를 갖는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성되는 소스;
    무선으로 수신되는 상기 전력에 기초한 전자기장을 야기하도록 구성되는 안테나부로서, 상기 안테나부에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 안테나부는 실질적으로 상기 제 1 주파수에서 공진하는, 상기 안테나부; 및
    상기 전력을 수신하도록 구성된 수신기로서,
    상기 제 1 주파수에 튜닝되는 공진 안테나; 및
    비-공진 커플링부로서, 상기 커플링부가 상기 안테나에 직접 접속되지 않고 상기 안테나에 의해 생성된 자기장에 자기적으로 커플링되도록 상기 안테나로부터 이격되고, 상기 커플링부는 상기 안테나에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 커플링부는 상기 안테나로부터 상기 제 1 주파수를 갖는 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 커플링부는 상기 수신된 신호에 기초하여 전력 출력을 생성하도록 구성된, 상기 비-공진 커플링부를 포함하는 상기 수신기
    를 포함하는, 송신기 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 안테나부의 품질팩터의 값보다 낮은 품질팩터의 값을 갖는, 송신기 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 안테나부의 품질팩터의 1/4 이하인 품질팩터를 갖는, 송신기 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 공진 안테나는 상기 안테나부의 풋프린트 (footprint) 보다 작은 풋프린트를 갖는, 송신기 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 안테나부와 상기 공진 안테나는 느슨하게 커플링된 변압기와 같이 동작하는 에너지 링크를 형성하기 위해 서로 커플링되도록 구성되는, 송신기 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부의 품질팩터는 상기 안테나부의 반 전력 대역폭에 대한 상기 안테나부의 공진 주파수의 비율인, 송신기 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 적어도 1000 의 Q 를 갖는, 송신기 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    루프의 경계를 짓는 재료의 말단 에지들의 사이에서 연장하는 부착부를 더 포함하고, 상기 부착부는 진공 커패시터를 포함하는, 송신기 시스템.
  17. 전자기장을 통하여 전력을 수신하기 위한 수신기 시스템으로서,
    상기 전자기장을 통하여 전력을 수신하도록 구성된 공진 안테나부로서, 상기 안테나부에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 안테나부는 제 1 주파수에서 실질적으로 공진하는, 상기 공진 안테나부; 및
    비-공진 커플링부로서, 상기 커플링부가 상기 안테나부에 직접 접속되지 않고 상기 안테나부에 의해 생성된 자기장에 자기적으로 커플링되도록 상기 안테나부로부터 이격되고, 상기 커플링부는 상기 안테나부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 안테나부로부터 상기 제 1 주파수를 갖는 신호를 수신하도록 구성되며, 수신된 상기 신호에 기초하여 유선의 전기적 접속을 통해 부하에 전력 출력을 공급하도록 구성되는, 상기 비-공진 커플링부를 포함하는, 수신기 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전력 출력을 수신하도록 구성되고 또한 상기 수신된 전력 출력에 기초하여 출력 전력을 생성하도록 구성되는 전기 회로를 더 포함하는, 수신기 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 안테나부는 500 보다 큰 품질팩터 (quality factor) 를 갖는, 수신기 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나부를 지지하는 기판 상에 위치하고, 상기 기판은 500 보다 큰 품질팩터를 갖는, 수신기 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 안테나부는 진공 커패시터로 이루어진 통합 (integral) 커패시터를 포함하는, 수신기 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 안테나부는 유도성 코일 루프, 및 상기 유도성 코일 루프의 일부에 걸쳐 접속된 커패시터를 포함하는, 수신기 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    커패시터가 하우징되는 큐브 형상의 하우징을 더 포함하는, 수신기 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 코일 루프에서 단일의 턴 (turn) 을 갖는, 수신기 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 코일 루프에서 2 회의 턴들을 갖는, 수신기 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서,
    특정 주파수에 튜닝되는 안테나를 포함하는 전력용 송신기를 더 포함하는, 수신기 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 송신기의 품질팩터의 값보다 낮은 품질팩터의 값을 갖는, 수신기 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 송신기의 품질팩터의 1/4 이하인 품질팩터를 갖는, 수신기 시스템.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 송신기의 안테나의 풋프린트 (footprint) 보다 작은 풋프린트를 갖는, 수신기 시스템.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 송신기의 안테나와 상기 수신기의 안테나부가 느슨하게 커플링된 변압기로서 동작하는 에너지 링크를 형성하기 위해 서로 커플링되도록 구성되는, 수신기 시스템.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 품질팩터는 상기 안테나부의 반-전력 대역폭에 대한 상기 안테나부의 공진 주파수의 비율인, 수신기 시스템.
  32. 제 26 항에 있어서,
    상기 커패시터는 적어도 1000 의 Q 를 갖는, 수신기 시스템.
  33. 제 26 항에 있어서,
    상기 커패시터는 진공 커패시터인, 수신기 시스템.
  34. 물리적으로 연결된 소스에 의해 인가되는 신호에 기초하여 비-공진 루프 안테나를 이용하여 제 1 주파수에서 자기장을 생성하는 단계; 및
    상기 비-공진 루프 안테나와 공진 루프 안테나 사이의 무선 필드를 통해, 전력의 일부를 커플링하는 단계로서, 상기 공진 루프 안테나는 상기 비-공진 루프 안테나에 직접 접속되지 않고 상기 비-공진 루프 안테나에 의해 생성된 상기 자기장에 자기적으로 커플링되고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 비-공진 루프 안테나에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 공진 루프 안테나는 이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 제 1 주파수에서 공진값을 갖는 커플링하는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 비-공진 루프 안테나 및 상기 공진 루프 안테나는 모두 송신 안테나인, 방법.
  36. 공진 루프 안테나에 연결된 커패시터를 포함하는 상기 공진 루프 안테나를 이용하여, 제 1 주파수의 전자기장을 통해 송신 안테나로부터 전력을 수신하는 단계로서, 비-공진 루프 안테나는 상기 공진 루프 안테나에 연관되고 상기 공진 루프 안테나 및 상기 비-공진 루프 안테나는 서로 직접 접속되지 않고 자기적으로 커플링되고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 비-공진 루프 안테나에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 비-공진 루프 안테나는 부착된 별개의 커패시터를 갖지 않고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 제 1 주파수에서 공진값을 갖는, 상기 전력을 수신하는 단계;
    상기 공진 루프 안테나와 상기 비-공진 루프 안테나 사이의 상기 전자기장을 통해 수신된 상기 전력의 일부를 송신하는 단계로서, 상기 비-공진 루프 안테나는 상기 공진 루프 안테나의 저항에 매칭되는, 수신된 전력의 일부를 송신하는 단계; 및
    상기 비-공진 루프 안테나로부터의 출력을 정류하여 유선의 전기 접속을 통해 부하에 DC 전력 출력을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 공진 루프 안테나와 상기 비-공진 루프 안테나는 모두 수신 안테나인, 방법.
  38. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 MHz 인, 송신기 시스템.
  39. 제 3 항에 있어서,
    상기 공진 안테나부는 PTFE 의 기판 상에 위치하는, 송신기 시스템.
  40. 제 3 항에 있어서,
    상기 공진 안테나부는 PVC 의 기판 상에 위치하는, 송신기 시스템.
  41. 제 3 항에 있어서,
    상기 공진 안테나부는 Rubalit 710 의 기판 상에 위치하는, 송신기 시스템.
  42. 무선 필드를 통해 전력을 송신하기 위한 송신기 시스템으로서,
    제 1 주파수를 갖는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성되는 소스;
    상기 소스에 물리적으로 접속된 비-공진 커플링부로서, 다수의 와이어 루프를 포함하는, 상기 비-공진 커플링부; 및
    공진 안테나부로서, 상기 안테부는 상기 커플링부에 직접 접속되지 않고 상기 커플링부에 자기적으로 커플링되도록 상기 커플링부로부터 이격되고, 상기 안테나부는 상기 커플링부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 안테나부는 상기 커플링부로부터 무선으로 전력을 수신하고, 상기 안테나부는 무선으로 수신되는 상기 전력에 기초하여 전자기장을 생성하고, 상기 안테나부는 이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 안테나부는 상기 제 1 주파수에서 공진하도록 구성되는, 상기 공진 안테나부를 포함하는, 송신기 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 다수의 와이어 루프들은 상기 소스에 임피던스 매칭되는, 송신기 시스템.
  44. 제 42 항에 있어서,
    상기 안테나부는 500 보다 큰 품질팩터 (quality factor) 를 갖는, 송신기 시스템.
  45. 제 42 항에 있어서,
    상기 안테나부는 진공 커패시터를 포함하는 제조된 통합 (integral) 커패시터로 형성되는, 송신기 시스템.
  46. 제 42 항에 있어서,
    상기 안테나부는 유도성 코일 루프, 및 상기 유도성 코일 루프의 일부에 걸쳐 접속된 커패시터를 포함하는, 송신기 시스템.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 유도성 코일 루프에서 단일의 턴 (turn) 을 포함하는, 송신기 시스템.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 유도성 코일 루프에서 2 회의 턴들을 포함하는, 송신기 시스템.
  49. 제 42 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수에 튜닝되는 안테나를 포함하는 전력용 수신기를 더 포함하는, 송신기 시스템.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 안테나부의 품질팩터의 값보다 낮은 품질팩터 값을 갖는, 송신기 시스템.
  51. 제 49 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 안테나부의 품질팩터의 1/4 이하인 품질팩터를 갖는, 송신기 시스템.
  52. 제 49 항에 있어서,
    상기 수신기의 안테나는 상기 안테나부 (footprint) 의 풋프린트보다 작은 풋프린트를 갖는, 송신기 시스템.
  53. 제 49 항에 있어서,
    상기 안테나부 및 상기 수신기의 안테나는 느슨하게 커플링된 변압기와 같이 동작하는 에너지 링크를 형성하기 위해 서로 커플링되는, 송신기 시스템.
  54. 전자기장을 통해 전력을 수신하기 위한 수신기 시스템으로서,
    상기 전자기장을 통해 전력을 수신하도록 구성된 공진 안테나부로서, 상기 안테나부에 연결된 커패시터를 포함하고 제 1 주파수에서 실질적으로 공진하도록 구성되는, 상기 공진 안테나부; 및
    비-공진 커플링부로서, 상기 커플링부가 상기 안테나부에 직접 접속되지 않고 상기 안테나부에 자기적으로 커플링되도록 상기 안테나부로부터 이격되고, 상기 안테나부는 상기 커플링부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 커플링부는 다수의 와이어 턴들로 형성되고, 상기 커플링부는 상기 안테나부로부터 상기 제 1 주파수를 갖는 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호에 기초하여 유선의 전기적 접속을 통해 부하에 전력 출력을 공급하도록 구성되는, 상기 비-공진 커플링부를 포함하는, 수신기 시스템.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 전력 출력을 수신하도록 구성되고 또한 상기 수신된 전력 출력에 기초하여 출력 전력을 생성하도록 구성되는 전기 회로를 더 포함하는, 수신기 시스템.
  56. 제 54 항에 있어서,
    상기 안테나부는 500 보다 큰 품질팩터 (quality factor) 를 갖는, 수신기 시스템.
  57. 제 54 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 안테나부를 지지하는 기판 상에 형성되고, 상기 기판은 500 보다 큰 품질팩터를 갖는, 수신기 시스템.
  58. 제 54 항에 있어서,
    상기 안테나부는 단일의 턴 (turn) 을 갖는 코일 루프를 포함하는, 수신기 시스템.
  59. 제 54 항에 있어서,
    상기 안테나부는 2 회의 턴들을 갖는 코일 루프를 포함하는, 수신기 시스템.
  60. 제 54 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수에 튜닝되는 안테나를 포함하는 전력을 송신하도록 구성된 송신기를 더 포함하는, 수신기 시스템.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 안테나부는 송신기의 품질팩터 값보다 낮은 품질팩터 값을 갖는, 수신기 시스템.
  62. 제 60 항에 있어서,
    상기 안테나부는 송신기의 품질팩터의 1/4 이하인 품질팩터를 갖는, 수신기 시스템.
  63. 제 60 항에 있어서,
    상기 안테나부는 상기 송신기의 안테나의 풋프린트 (footprint) 보다 작은 풋프린트를 갖는, 수신기 시스템.
  64. 다수의 와이어 루프들로 형성된 비-공진 루프 안테나를 이용하여 제 1 주파수에서 자기장을 생성하는 단계로서, 상기 비-공진 루프 안테나는 부착된 별개의 커패시터를 포함하지 않고, 상기 자기장은 물리적으로 연결된 소스에 의해 인가되는 신호에 기초하여 생성되는, 자기장을 생성하는 단계; 및
    상기 비-공진 루프 안테나와 연관된 공진 루프 안테나 및 상기 비-공진 루프 안테나 사이의 무선 필드를 통해, 전력의 일부를 커플링하는 단계로서, 상기 공진 루프 안테나는 상기 비-공진 루프 안테나에 직접 접속되지 않고 상기 비-공진 루프 안테나에 자기적으로 커플링되고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 비-공진 루프 안테나에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 공진 루프 안테나는 이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 공진 루프 안테나는 상기 제 1 주파수에서 공진하도록 구성되는, 커플링하는 단계를 포함하는, 방법.
  65. 무선 전력 시스템으로서,
    제 1 주파수를 갖는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성되는 소스,
    상기 소스에 물리적으로 접속되고 제 1 와이어 루프를 포함하는, 상기 비-공진 커플링부, 및
    공진 안테나부로서, 상기 안테나부는 상기 커플링부에 직접 접속되지 않고 상기 커플링부에 자기적으로 커플링되도록 상기 커플링부로부터 이격되고, 상기 안테나부는 상기 커플링부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않고, 상기 안테나부는 상기 커플링부로부터 무선으로 전력을 수신하고 상기 안테나부는 무선으로 수신되는 상기 전력에 기초하여 전자기장을 생성하고, 상기 안테나부는 이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 안테나부는 상기 제 1 주파수에서 공진하는, 상기 공진 안테나부
    를 포함하는 송신기; 그리고
    전력을 수신하도록 구성된 수신기로서, 상기 제 1 주파수에 튜닝되는 안테나를 포함하는 상기 수신기를 포함하고,
    상기 수신기는 상기 송신기의 품질팩터 값보다 낮은 품질팩터 값을 갖는, 무선 전력 시스템.
  66. 제 65 항에 있어서,
    상기 커플링부는 다수의 턴 (turn) 들을 포함하는, 무선 전력 시스템.
  67. 제 65 항에 있어서,
    상기 안테나부는 단일의 턴을 갖는 코일 루프를 포함하는, 무선 전력 시스템.
  68. 제 65 항에 있어서,
    상기 안테나부는 2 회의 턴들을 갖는 코일 루프를 포함하는, 무선 전력 시스템.
  69. 제 65 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 송신기의 품질팩터의 1/4 이하인 품질팩터를 갖는, 무선 전력 시스템.
  70. 제 65 항에 있어서,
    상기 수신기의 안테나는 상기 송신기의 안테나의 풋프린트 (footprint) 보다 작은 풋프린트를 갖는, 무선 전력 시스템.
  71. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나부는 FR4 의 기판 상에 위치하는, 송신기 시스템.
  72. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 MHz 인, 수신기 시스템.
  73. 제 17 항에 있어서,
    상기 안테나부는 PTFE 의 기판 상에 위치하는, 수신기 시스템.
  74. 제 17 항에 있어서,
    상기 안테나부는 PVC 의 기판 상에 위치하는, 수신기 시스템.
  75. 제 17 항에 있어서,
    상기 안테나부는 Rubalit 710 의 기판 상에 위치하는, 수신기 시스템.
  76. 제 17 항에 있어서,
    상기 안테나부는 FR4 의 기판 상에 위치하는, 수신기 시스템.
  77. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나부는 안테나 저항을 갖고, 상기 송신기에서 수신기로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여 상기 안테나 저항은 상기 신호를 생성하도록 구성되는 소스의 내부 저항에 기초한 값과 동일한, 송신기 시스템.
  78. 제 77 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 신호를 생성하도록 구성되는 소스의 저항에 매칭되는, 송신기 시스템.
  79. 제 17 항에 있어서,
    상기 커플링부는 부하에 접속되고 상기 부하에 전력을 전달하도록 구성되며, 상기 안테나부는 안테나 저항을 갖고, 상기 부하로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여 상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 기초한 값과 동일한, 수신기 시스템.
  80. 제 79 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 매칭되는, 수신기 시스템.
  81. 제 42 항에 있어서,
    상기 안테나부는 안테나 저항을 갖고, 상기 송신기에서 수신기로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여, 상기 안테나 저항은 상기 신호를 생성하도록 구성되는 소스의 내부 저항에 기초한 값과 동일한, 송신기 시스템.
  82. 제 81 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 신호를 생성하도록 구성되는 소스의 저항에 매칭되는, 송신기 시스템.
  83. 제 54 항에 있어서,
    상기 커플링부는 부하에 접속되고 상기 부하에 전력을 전달하도록 구성되고, 상기 안테나부는 안테나 저항을 갖고, 상기 부하로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여 상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 기초한 값과 동일한, 수신기 시스템.
  84. 제 83 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 매칭되는, 수신기 시스템.
  85. 제 34 항에 있어서,
    상기 비-공진 안테나부는 안테나 저항을 갖고, 송신기에서 수신기로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여 상기 안테나 저항은 신호 생성기의 내부 저항에 기초한 값과 동일한, 방법.
  86. 제 85 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 신호 생성기의 저항에 매칭되는, 방법.
  87. 제 36 항에 있어서,
    상기 비-공진 안테나로 부하에 전력을 전달하는 단계를 더 포함하고, 상기 비-공진 안테나는 안테나 저항을 갖고, 상기 부하로 전달되는 전력을 최대화하기 위하여 상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 기초한 값과 동일한, 방법.
  88. 제 87 항에 있어서,
    상기 안테나 저항은 상기 부하의 저항에 매칭되는, 방법.
  89. 전력을 송신하기 위한 시스템으로서,
    제 1 주파수를 갖는 출력 전기 신호를 생성하도록 구성되는 소스;
    수신기로 전력을 전달하기 위한 전자기장을 생성하도록 구성되는 공진 안테나부로서, 상기 안테나부에 연결된 커패시터를 갖고, 상기 제 1 주파수에서 공진하도록 구성되는, 상기 공진 안테나부; 및
    전자기장을 통해, 상기 소스로부터 상기 출력 전기 신호를 수신하고 상기 안테나부로 전력을 전달하기 위한 비-공진 수단으로서, 상기 출력 전기 신호를 수신하고 상기 안테나부로 전력을 전달하기 위한 비-공진 수단은 상기 소스에 물리적으로 접속되어 있고, 상기 공진 안테나부에 직접 접속되지 않고 상기 공진 안테나부에 자기적으로 커플링되고, 상기 비-공진 수단은 상기 공진 안테나부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않는, 상기 비-공진 수단을 포함하는, 전력 송신 시스템.
  90. 제 89 항에 있어서,
    상기 비-공진 수단은 커플링 루프를 포함하는, 전력 송신 시스템.
  91. 전력을 수신하기 위한 시스템으로서,
    전자기장을 통해, 제 1 주파수에서 전력을 수신하도록 구성된 공진 안테나부로서, 상기 안테나부는 상기 제 1 주파수에서 공진하도록 구성되는, 상기 공진 안테나부;
    상기 제 1 주파수에서 전자기장을 통해, 상기 안테나부로부터 전력을 수신하기 위한 비-공진 수단으로서, 상기 비-공진 수단은 상기 공진 안테나부에 직접 접속되지 않고 상기 공진 안테나부에 자기적으로 커플링되고, 상기 비-공진 수단은 상기 공진 안테나부에 유선 (有線) 의 전기적 접속을 갖지 않는, 상기 비-공진 수단; 및
    상기 비-공진 수단으로부터 수신된 출력을 정류하여 유선의 전기적 접속을 통해 부하에 DC 출력을 공급하기 위한 수단을 포함하는, 시스템.
KR1020137004685A 2007-08-09 2008-08-11 높은 q 팩터를 갖는 공진 안테나 시스템 KR20130036071A (ko)

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