KR20130082119A - Self-resonant apparatus for wireless power transmission system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A self-resonant apparatus for a wireless power transmission system is provided to assure small size and high quality factor. CONSTITUTION: A source (110) includes a variable switching power supply (111), a power amplifier (112), a matching network (113), a control part (114) and a communication part (115). The variable switching mode power supply generates a DC voltage by switching an AC voltage of several Hz bandwidth outputted from a power supply unit. The control part detects mismatching between a target resonator (131) and a source resonator (133) on the basis of the detected reflected wave. The source resonator delivers electromagnetic energy (130) to the target resonator. A target (200) includes a matching network (121), a rectification part (122), a DC/DC converter (123), a communication part (124) and a control part (125).

Description

무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치{SELF-RESONANT APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}Self-resonant device for wireless power transmission system {SELF-RESONANT APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}

아래의 실시 예들은 전기적, 무선 기술에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.The following embodiments relate to electrical and wireless technologies, and more particularly to a wireless power transfer system.

무선 전파를 이용한 전력 전송 분야에서 많은 해결방안들이 제안 되었고, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 기본 아이디어들이 고안되었다. Many solutions have been proposed in the field of power transmission using radio waves, and basic ideas have been devised by Nikola Tesla.

"정류 안테나(rectenna)"로 알려진 장치는 무선 에너지 전송에 사용되었다. 정류 안테나(rectenna)는 마이크로웨이브(microwave) 에너지를 직류 전력으로 직접 변환하는데 사용되었다. 다른 유형의 안테나들은 RF 신호를 수신하는데 사용될 수 있다. A device known as a "rectenna" has been used for wireless energy transmission. Rectifiers have been used to convert microwave energy directly into direct current power. Other types of antennas may be used to receive the RF signal.

대부분의 무선 전력 전송 시스템(wireless power transmission)은 GHz 주파수범위에서 동작한다. 상기 방법의 단점 중의 하나는 해당 주파수 범위가 인체에 해롭다는 것이다.Most wireless power transmissions operate in the GHz frequency range. One of the disadvantages of this method is that the corresponding frequency range is harmful to the human body.

일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치는 링 공진기들을 포함하고, 상기 링 공진기들은 메타물질 특징을 갖는 조합으로 대표되며, 상기 조합은 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들을 포함하고, 상기 스플릿 링 공진기들은 각각 전면과 후면이 교대로 트위스트되어(twisted) 연결되고, 각각의 스플릿 링 공진기는 유전체 레이어에 마운트 된 메탈 스트립으로서 동작하며, 직렬 캐패시터에 의하여 이웃하는 스플릿 링 공진기와 연결될 수 있다.In one aspect, a self-resonant device for a wireless power transfer system includes ring resonators, wherein the ring resonators are represented by a combination having metamaterial characteristics, the combination being a split-ring connected in parallel with capacitors. ) Resonators, wherein the split ring resonators are each twisted and connected alternately in front and rear, and each split ring resonator acts as a metal strip mounted on a dielectric layer and is adjacent to the split by a series capacitor. It can be connected to the ring resonator.

상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 회전하고, 상기 회전의 각도는 직렬로 표면에 마운트(surface-mounted)된 캐패시터가 상기 마운트를 위해 최적의 공간을 갖도록 선택될 수 있다. The split-ring resonators rotate, and the angle of rotation can be selected such that a surface-mounted capacitor in series has an optimal space for the mount.

상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 원형 또는 다각형일 수 있다. The split-ring resonators may be circular or polygonal.

상기 유전체 레이어의 두께는 50㎛에서 1500㎛의 범위에서 값을 가질 수 있다. The thickness of the dielectric layer may have a value in the range of 50 μm to 1500 μm.

상기 유전체 레이어의 유전율은 2에서 20의 범위에서 값을 가질 수 있다. The dielectric constant of the dielectric layer may have a value in the range of 2 to 20.

상기 스플릿 링 공진기들의 수는 적어도 두 개 이상일 수 있다. The number of split ring resonators may be at least two.

상기 스플릿 링 공진기들의 동작 주파수 대역은 1 메가헤르츠(MHz)에서 100 메가헤르츠(MHz)일 수 있다. The operating frequency band of the split ring resonators may be from 1 MHz to 100 MHz.

상기 캐패시터들과 병렬로 커플링 된 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제조될 수 있다. Split-ring resonators coupled in parallel with the capacitors may be manufactured by low temperature co-fired ceramic technology or printed circuit board technology.

상기 캐패시터와 병렬로 연결된 상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들 각각은 병렬 공진 LC회로 및 직렬 캐패시터로 구성된 등가 회로를 포함할 수 있다. Each of the split-ring resonators connected in parallel with the capacitor may include an equivalent circuit composed of a parallel resonant LC circuit and a series capacitor.

상기 병렬 공진 LC회로는 인덕티브 소자와 캐패시티브 소자를 포함하고, 액티브 리액턴스와 직렬로 연결될 수 있다. The parallel resonant LC circuit includes an inductive element and a capacitive element, and may be connected in series with an active reactance.

상기 조합은 복수의 셀들을 포함하는 등가회로로 나타낼 수 있고, 각 셀은 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기와 캐패시터에 의해 형성되는 병렬 공진 회로를 포함하고, 상기 셀들은 상기 직렬 캐패시터에 의하여 직렬로 연결될 수 있다. The combination may be represented by an equivalent circuit comprising a plurality of cells, each cell comprising a parallel resonant circuit formed by a split-ring resonator and a capacitor connected in parallel, wherein the cells are connected to the series capacitor. Can be connected in series.

상기 병렬 공진 회로와 상기 직렬 캐패시터의 조합에 의해 메타물질에 대해서 전형적인 임피던스의 두 공진 응답을 나타낼 수 있다. The combination of the parallel resonant circuit and the series capacitor can exhibit two resonant responses of typical impedance for metamaterials.

상기 조합의 Q 팩터는 100에서 200사이의 범위에서 값을 가질 수 있다. The Q factor of the combination may have a value in the range of 100 to 200.

상기 스플릿 링 공진기의 축을 따라 마그네틱 로드(rod)를 더 포함할 수 있다. It may further include a magnetic rod along the axis of the split ring resonator.

상기 마그네틱 로드는 페라이트(ferrite)로 구성될 수 있다. The magnetic rod may be made of ferrite.

상기 캐패시터들은 높은 유전율을 갖는 상기 유전체 레이어의 내부에 내장(embedded)될 수 있다. The capacitors may be embedded within the dielectric layer having a high dielectric constant.

도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 여덟 개의 페탈(petal)로 구성된 플랫 페탈(flat petal) 공진 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 싱글 스플릿 링 공진기의 구조를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치 에서 직렬 캐패시터와 병렬 캐패시터로 구성된 싱글 스플릿 링 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진 셀에서 입력 임피던스의 크기와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 등가회로를 나타낸다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 레이어 바이 레이어(Layer-by-layer) 디자인을 나타낸다.
도 9는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조의 단면도를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 마그네틱 로드(magnetic rode)를 포함하는 메타물질 공진 구조를 나타낸다.
1 illustrates a wireless power transfer system according to an embodiment.
FIG. 2 illustrates a flat petal resonant structure including eight petals of a self-resonant device for a wireless power transmission system according to an embodiment.
3 illustrates a structure of a single split ring resonator of a self resonator for a wireless power transmission system according to an exemplary embodiment.
4 illustrates an equivalent circuit of a single split ring resonator including a series capacitor and a parallel capacitor in a self resonator for a wireless power transmission system according to an embodiment.
5 is a graph showing the relationship between the magnitude and frequency of the input impedance in the resonant cell according to an embodiment.
6 illustrates a metamaterial resonance structure according to an embodiment.
7 illustrates an equivalent circuit of a self-resonant device for a wireless power transmission system having a multi-layer resonant structure according to an embodiment.
FIG. 8 illustrates a layer-by-layer design of a self-resonant device for a wireless power transmission system having a multi-layer resonant structure according to another embodiment.
9 illustrates a multilayer self resonant structure including coupling capacitors of a self resonator device for a wireless power transfer system according to another embodiment.
10 illustrates a cross-sectional view of a multilayer self resonant structure including coupling capacitors according to one embodiment.
11 illustrates a metamaterial resonant structure including a magnetic rod according to an embodiment.

이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.1 illustrates a wireless power transfer system according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함한다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.Referring to FIG. 1, a wireless power transmission system according to an embodiment includes a source 110 and a target 120. The source 110 refers to a device for supplying wireless power, and the device may include all electronic devices capable of supplying power such as a pad, a terminal, and a TV. The target 120 refers to a device that receives wireless power, and the device may include all electronic devices that require power such as a terminal, a TV, a car, a washing machine, a radio, a lamp, and the like.

소스(110)는 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply))(111), 전력 증폭기(Power Amplifier)(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함한다. The source 110 may include a variable switching mode power supply (SMPS) 111, a power amplifier 112, a matching network 113, a controller 114, and a communicator 115. Include.

가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)는 전력 공급기(Power Supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성한다. 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다. A variable switching mode power supply (SMPS) 111 generates a DC voltage by switching an AC voltage of several tens of Hz bands output from a power supply. The variable switching mode power supply (SMPS) 111 may output a DC voltage of a constant level or adjust the output level of the DC voltage according to the control of the Tx Control Logic 114.

전력 검출기(Power Detector)(116)는 가변 스위칭 모드 파워 서플라이(Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)) (111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어부(114)로 전달한다. 또한, 전력 검출기(Power Detector)(116)는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다. The power detector 116 detects an output current and a voltage of a variable switching mode power supply (SMPS) 111 and controls the information about the detected current and voltage. To pass. The power detector 116 may also detect the input current and voltage of the power amplifier 112.

전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.The power amplifier 112 may generate power by converting a DC voltage of a constant level into an AC voltage by a switching pulse signal of several MHz to several tens of MHz bands. That is, the power amplifier 112 converts the DC voltage supplied to the power amplifier 112 into an AC voltage by using the reference resonance frequency FRef, thereby communicating power used in the plurality of target devices. Alternatively, charging power may be generated.

여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.Here, the communication power means a small power of 0.1 to 1 mWatt, and the charging power means a large power of 1 mWatt to 200 Watt consumed in the device load of the target device. As used herein, the term "charging" may be used to mean powering a unit or element charging power. The term "charging" may also be used to mean powering a unit or element that consumes power. Here, the unit or element includes, for example, a battery, a display, a voice output circuit, a main processor, and various sensors.

한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다. In the present specification, the "reference resonance frequency" is used as the meaning of the resonance frequency that the source 110 basically uses. In addition, "tracking frequency" is used to mean a resonant frequency adjusted according to a preset scheme.

제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(133)와 소스 공진기(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다. The control unit 114 detects a reflected wave for “communication power” or “charge power” and detects mismatching between the target resonator 133 and the source resonator 131 based on the detected reflected wave. The control unit 114 can detect the mismatching by detecting the envelope of the reflected wave and detecting the mismatching or detecting the amount of power of the reflected wave.

매칭 네트워크(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.The matching network 113 may compensate the impedance mismatching between the source resonator 131 and the target resonator 133 with an optimal matching under the control of the controller 114. The matching network 113 may be connected via a switch under the control of the controller 114 to a combination of capacitors or inductors.

제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.The controller 114 calculates a voltage standing wave ratio (VSWR) based on the level of the output voltage of the source resonator 131 or the power amplifier 112 and the voltage level of the reflected wave. When the voltage standing wave ratio is larger than a predetermined value, it may be determined that the mismatch is detected.

또한, 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다. In addition, when the voltage standing wave ratio is greater than a predetermined value, the controller 114 calculates a power transmission efficiency for each of the N tracking frequencies, and determines a tracking frequency FBest having the best power transmission efficiency among the N tracking frequencies. The FRef can be adjusted to the FBest.

또한, 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어부(114)는 는 전력 증폭기(Power Amplifier)(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다. Also, the control unit 114 can adjust the frequency of the switching pulse signal. The frequency of the switching pulse signal can be determined by the control of the controller 114. [ The controller 114 may generate a modulated signal for transmission to the target 120 by controlling the power amplifier 112. That is, the communication unit 115 may transmit various data 140 with the target 120 through in-band communication. In addition, the controller 114 may detect the reflected wave and demodulate a signal received from the target 120 through the envelope of the reflected wave.

제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.The control unit 114 may generate a modulated signal for performing in-band communication through various methods. The control unit 114 can generate a modulation signal by turning on / off the switching pulse signal. In addition, the control unit 114 may perform delta-sigma modulation to generate a modulated signal. The controller 114 may generate a pulse width modulated signal having a constant envelope.

한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 데이터(140)를 전송할 수 있다. Meanwhile, the communication unit 115 may perform out-band communication using a communication channel. The communication unit 115 may include a communication module such as Zigbee or Bluetooth. The communicator 115 may transmit the target 120 and the data 140 through out-band communication.

소스 공진기(131)는 전자기(electromagnetic) 에너지(130)를 타겟 공진기(133)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달한다.The source resonator 131 transfers electromagnetic energy 130 to the target resonator 133. That is, the source resonator 131 transfers "communication power" or "charge power" to the target 120 through the magnetic coupling with the target resonator 133.

타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 통신부(124) 및 제어부(125)를 포함한다.The target 120 includes a matching network 121, a rectifying section 122, a DC / DC converter 123, a communication section 124 and a control section 125.

타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다. The target resonator 133 receives electromagnetic energy from the source resonator 131. That is, the target resonator 133 receives "communication power" or "charging power" from the source 110 through magnetic coupling with the source resonator 131. In addition, the target resonator 133 may receive various data 140 from the source 110 through in-band communication.

매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.The matching network 121 may match the input impedance shown to the source 110 and the output impedance shown to the load. The matching network 121 may be composed of a combination of a capacitor and an inductor.

정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류한다. The rectifying unit 122 rectifies the AC voltage to generate a DC voltage. That is, the rectifying section 122 rectifies the received AC voltage to the target resonator 133.

DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 Load에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다. The DC / DC converter 123 adjusts the level of the DC voltage output from the rectifier 122 according to the capacity required by the load. For example, the DC / DC converter 123 can adjust the level of the DC voltage output from the rectifying unit 122 to 3 to 10 Volts.

전력 검출기(Power Detector)(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 제어부(114)는 Load의 필요전력과 Load에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.The power detector 127 can detect the voltage of the input terminal 126 of the DC / DC converter 123 and the current and voltage of the output terminal. The detected voltage at the input 126 can be used to calculate the transmission efficiency of the power delivered from the source. The detected output current and voltage may be used by the control unit 125 to calculate the power delivered to the load. The controller 114 of the source 110 may determine the power to be transmitted from the source 110 in consideration of the power required for the load and the power transmitted to the load.

통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.When the power of the output terminal calculated by the communication unit 124 is transferred to the source 110, the power to be transmitted to the source 110 may be calculated.

통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 " 1"을 검출할 수 있다. The communication unit 124 may perform in-band communication for transmitting and receiving data using the resonance frequency. The control unit 125 may detect a signal between the target resonator 133 and the rectifying unit 122 to demodulate the received signal or detect the output signal of the rectifying unit 122 to demodulate the received signal. That is, the controller 125 may demodulate a message received through in-band communication. The control unit 125 can modulate the signal to be transmitted to the source 110 by adjusting the impedance of the target resonator 133 through the matching network 121. [ As a simple example, the control unit 125 may increase the impedance of the target resonator 133 so that the reflected wave is detected at the control unit 114 of the source 110. [ Depending on whether the reflected wave is generated, the controller 114 of the source 110 may detect a binary "0" or "1".

통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 Battery type", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다. The communication unit 124 is "type of the product of the target", "manufacturer information of the target", "model name of the target", "battery type of the target", "charging method of the target", "load of the target Impedance value "," information on the target resonator's characteristic of the target "," information on the frequency band used by the target "," power consumption of the target "," unique identifier of the target "and" The response message including the "version or specification information of the product of the target" may be transmitted to the communication unit 115 of the source 110.

한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.Meanwhile, the communication unit 124 may perform out-band communication using a communication channel. The communication unit 124 may include a communication module such as Zigbee or Bluetooth. The communication unit 124 may transmit and receive the source 110 and the data 140 through out-band communication.

통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, Power Detector(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.The communicator 124 receives the wake-up request message from the source 110, the power detector 127 detects the amount of power received by the target resonator 133, and the communicator 124 transmits the target resonator 133. Information about the amount of power received at may be transmitted to the source 110. At this time, the information on the amount of power received by the target resonator 133, "input voltage value and current value of the rectifier 122", "output voltage value and current value of the rectifier 122" or "DC / DC Output voltage value and current value of converter 123 ".

도 1에서, 제어부(114)는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor)(QS)가 결정될 수 있다.In FIG. 1, the controller 114 may set a resonance bandwidth of the source resonator 131. According to the setting of the resonance bandwidth of the source resonator 131, the quality-factor QS of the source resonator 131 may be determined.

또한, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor)가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(131)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다.In addition, the controller 125 may set a resonance bandwidth of the target resonator 133. According to the setting of the resonance bandwidth of the target resonator 133, a quality-factor (Q-factor) of the target resonator 133 may be determined. At this time, the resonant bandwidth of the source resonator 131 can be set to be wider or narrower than the resonant bandwidth of the target resonator 133.

통신을 통해, 소스(110)와 타겟(120)은 소스 공진기(131) 및 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟(120)으로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟(120)으로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor) QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.Through communication, the source 110 and the target 120 can share information about the resonant bandwidth of the source resonator 131 and the target resonator 133, respectively. When a higher power than the reference value is required from the target 120, the quality-factor QS of the source resonator 131 may be set to a value greater than 100. In addition, when a lower power than the reference value is required from the target 120, the quality-factor QS of the source resonator 131 may be set to a value smaller than 100.

공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 퀄리티-팩터(Q-factor)를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다. In resonant wireless power transmission, the resonance bandwidth is an important factor. When Qt is a quality-factor (Q-factor) that takes into account the change in distance between the source resonator 131 and the target resonator 133, the change in the resonance impedance, the impedance mismatch, the reflected signal, and the like, Qt is expressed by Equation 1 As shown in FIG.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서, f0는 중심주파수,

Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭을 나타낸다. In Equation 1, f 0 is the center frequency,
Figure pat00002
Bandwidth,
Figure pat00003
Is a reflection loss between the resonators, BW S is the resonance bandwidth of the source resonator 131, BW D is the resonance bandwidth of the target resonator 133.

한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다. Meanwhile, in the wireless power transmission, the efficiency U of the wireless power transmission may be defined as in Equation 2.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, K는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,

Figure pat00005
는 소스 공진기(131)에서의 반사계수,
Figure pat00006
는 타겟 공진기(133)에서의 반사계수,
Figure pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(131)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(133)의 임피던스, QS는 소스 공진기(131)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QD는 타겟 공진기(133)의 퀄리티-팩터(Q-factor), QK는 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 에너지 커플링에 대한 퀄리티-팩터(Q-factor)이다. Where K is the coupling coefficient for the energy coupling between the source resonator 131 and the target resonator 133,
Figure pat00005
Is the reflection coefficient in the source resonator 131,
Figure pat00006
Is the reflection coefficient at the target resonator 133,
Figure pat00007
Is the resonant frequency, M is the mutual inductance between the source resonator 131 and the target resonator 133, R S is the impedance of the source resonator 131, R D is the impedance of the target resonator 133, Q S is the source resonator ( Q-factor of Q 131, Q D is Q-factor of target resonator 133, QK is the energy coupling between source resonator 131 and target resonator 133. It's a quality factor.

상기 수학식 2를 참조하면, 퀄리티-팩터(Q-factor)는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다. Referring to Equation 2, the Q-factor is highly related to the efficiency of wireless power transmission.

따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 퀄리티-팩터(Q-factor)는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다. Therefore, in order to increase the efficiency of wireless power transmission, the quality factor (Q-factor) is set to a high value. In this case, when Q S and Q D are each set to an excessively high value, a change in coupling coefficient K for energy coupling, a change in distance between the source resonator 131 and the target resonator 133, a change in resonance impedance, and an impedance miss A phenomenon in which the efficiency of the wireless power transmission may decrease due to matching or the like may occur.

또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. In addition, if the resonance bandwidth of each of the source resonator 131 and the target resonator 133 is set too narrow in order to increase the efficiency of wireless power transmission, impedance mismatching or the like may easily occur even with a small external influence. Considering the impedance mismatch, Equation 1 may be expressed as Equation 3.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00008

Figure pat00008

도 1에서, 소스(110)는 타겟(120)의 웨이크-업을 위한 웨이크 업 전력을 무선으로 전송하고, 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호(configuration signal)를 브로드캐스트하고, 상기 구성 신호(configuration signal)의 수신 감도 값을 포함하는 서치 프레임을 상기 타겟(120)으로부터 수신하고, 상기 타겟(120)의 조인을 허락하고, 무선 전력 전송 네트워크에서 상기 타겟(120)을 식별하기 위한 식별자를 상기 타겟(120)으로 전송하고, 전력 제어를 통해 충전 전력을 생성하고, 상기 충전 전력을 무선으로 상기 타겟(120)에 전송할 수 있다. In FIG. 1, source 110 wirelessly transmits wake-up power for wake-up of target 120, broadcasts a configuration signal for configuring a wireless power transfer network, and configures the configuration signal. an identifier for receiving from the target 120 a search frame including a reception sensitivity value of a configuration signal, allowing joining of the target 120, and identifying the target 120 in a wireless power transmission network. The charging power may be transmitted to the target 120, the charging power may be generated through power control, and the charging power may be wirelessly transmitted to the target 120.

또한, 타겟(120)은 복수의 소스 디바이스들 중 적어도 하나로부터 웨이크 업 전력을 수신하고, 상기 웨이크-업 전력을 사용하여 통신 기능을 활성화하고, 상기 복수의 소스 디바이스들 각각의 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호를 수신하고, 상기 구성 신호의 수신 감도에 기초하여 소스(110)를 선택하고, 상기 선택된 소스(110)로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
In addition, the target 120 may receive wakeup power from at least one of the plurality of source devices, activate the communication function using the wake-up power, and transmit the wireless power transmission network of each of the plurality of source devices Select a source 110 based on the reception sensitivity of the configuration signal, and receive power from the selected source 110 wirelessly.

도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 여덟 개의 페탈(petal)로 구성된 플랫 페탈(flat petal) 공진 구조를 나타낸다.FIG. 2 illustrates a flat petal resonant structure including eight petals of a self-resonant device for a wireless power transmission system according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 메타물질(metamaterial) 특징을 갖는 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 다수의 동일한 셀(210~280)로 구성된 멀티 레이어(multi-layer) 구조를 가질 수 있다. 각각의 셀(210~280)은 스플릿 링(split-ring) 공진기(SRR)와 병렬 캐패시터로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2, a self-resonant structure having a metamaterial characteristic of a self resonant device for a wireless power transmission system according to an embodiment includes a plurality of identical cells 210 to 280. It may have a multi-layer structure. Each cell 210 to 280 may be composed of a split-ring resonator SRR and a parallel capacitor.

각각의 셀(210~280)은 직렬 캐패시터와 직렬로 연결될 수 있다. 모든 캐패시터는 표면에 연결(surface-mounted)된 요소(element)로써 표현될 수 있다.Each cell 210 to 280 may be connected in series with a series capacitor. Every capacitor can be represented as a surface-mounted element.

자가 공진 구조(self-resonant structure)는 병렬 공진 회로와 직렬 캐패시터의 조합으로 설계될 수 있다. 이때 a는 각각의 셀(210~280)의 반지름을 나타내고, b는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 반지름을 나타낸다.
The self-resonant structure can be designed as a combination of parallel resonant circuit and series capacitor. In this case, a represents a radius of each cell 210 to 280, and b represents a radius of a self-resonant device for a wireless power transmission system according to an embodiment.

도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 싱글 스플릿 링 공진기의 구조를 나타낸다.3 illustrates a structure of a single split ring resonator of a self resonator for a wireless power transmission system according to an exemplary embodiment.

도 3을 참조하면, 스플릿 링 공진기 SRR 1(300)는 홈(310)을 갖는 원형 모양일 수 있다.Referring to FIG. 3, the split ring resonator SRR 1 300 may have a circular shape having a groove 310.

SRR 1(300)은 얇은 금속 스트립(strip)(320, 330)을 구성으로 포함할 수 있다. 예를 들어 구리로 만들어진, 금속 스트립(320, 330)은 유전체 레이어(dielectric layer)의 상부에 위치할 수 있다. 금속 스트립(320) 및 금속 스트립(330), 금속 스트립(320)과 금속 스트립(330) 사이의 스트립의 두께 b는 폭 a보다 작을 수 있다. SRR 1 300 may include thin metal strips 320 and 330 in a configuration. Metal strips 320 and 330, for example made of copper, may be located on top of the dielectric layer. The thickness b of the metal strip 320 and the metal strip 330, the strip between the metal strip 320 and the metal strip 330 may be less than the width a.

예를 들어, 도 3의 2r2는 SRR 1의 지름, a 는 메탈 스트립의 폭, b는 메탈 스트립의 두께를 나타낸다. For example, 2r 2 of FIG. 3 represents the diameter of SRR 1, a represents the width of the metal strip, and b represents the thickness of the metal strip.

홈(310)의 모서리에서 금속 스트립(320, 330)은 진동을 위해 구비될 수 있다. 유전체 레이어(dielectric layer)의 두께는 10um에서 1500um 범위 이내의 값일 수 있다. 유전체 레이어(dielectric layer)의 유전율(dielectric permittivity)은 2에서 20 범위 이내의 값일 수 있다.Metal strips 320 and 330 at the corners of the groove 310 may be provided for vibration. The thickness of the dielectric layer may be in the range of 10um to 1500um. The dielectric permittivity of the dielectric layer may be a value in the range of 2 to 20.

또한, SRR 1(300)은 임의의 면의 수로 이루어진 다각형으로 구현될 수도 있다. 임의의 면의 수는 SRR 1(300)과 연결되는 캐패시터의 마운트 기술에 따라 결정될 수 있다.
In addition, SRR 1 300 may be implemented as a polygon consisting of any number of faces. The number of arbitrary faces may be determined according to the mounting technique of the capacitor connected with SRR 1 300.

도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치 에서 직렬 캐패시터와 병렬 캐패시터로 구성된 싱글 스플릿 링 공진기의 등가회로를 나타낸다.4 illustrates an equivalent circuit of a single split ring resonator including a series capacitor and a parallel capacitor in a self resonator for a wireless power transmission system according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 다수의 동일한 셀로 구성된 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 등가회로로 표현될 수 있다.Referring to FIG. 4, a self-resonant structure composed of a plurality of identical cells may be represented by an equivalent circuit.

각 셀은 SRR 1에 연결된 병렬 캐패시터 C1(410)을 포함하는 병렬 LC회로로 표현될 수 있다. 상기 다수의 동일한 셀들은 직렬 캐패시터 C0(420)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 상기 구조의 등가회로는 직렬로 연결된 복수의 동일한 셀의 직렬 연결 회로로 전환될 수 있다.
Each cell may be represented by a parallel LC circuit including a parallel capacitor C 1 410 connected to SRR 1. The plurality of identical cells may be connected in series by a series capacitor C 0 420. The equivalent circuit of the above structure can be converted into a series connection circuit of a plurality of identical cells connected in series.

도 5는 일 실시예에 따른 공진 셀에서 입력 임피던스의 크기와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between the magnitude and frequency of the input impedance in the resonant cell according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 도 4의 등가회로를 고려할 때, 입력 임피던스와 주파수 간의 관계에서 두 경우의 공진이 발생할 수 있다. 두 경우의 공진으로는 주파수 f1에서 직렬 공진(일반적으로 "정류 안테나(resonance)"로 알려진)이 있고, 주파수 f2에서 병렬 공진(일반적으로 "반공진(antiresonance)"로 알려진)이 있다.Referring to FIG. 5, in consideration of the equivalent circuit of FIG. 4, resonance in two cases may occur in a relationship between an input impedance and a frequency. The resonance of the two cases, there is a series resonance (generally "rectifying antenna (resonance)" known) (known in general "anti-resonance (antiresonance)") is, and the parallel resonance frequency f 2 at a frequency f 1.

공진 주파수 f1은 일 실시예에 따른 자가 공진 장치의 최소 입력 임피던스에서의 주파수에 해당하고, 주파수 f2는 입력 임피던스의 최대값에 해당할 때의 주파수일 수 있다.The resonance frequency f 1 may correspond to a frequency at the minimum input impedance of the self-resonant device, and the frequency f 2 may be a frequency when the maximum value of the input impedance is attained.

발진 시스템에서의 공진 및 반공진은 시스템의 높은 퀄리티 팩터를 제공하기 위한 메타물질 공진 구조에서 발생하는 전형적인 현상이다.Resonance and anti-resonance in an oscillating system are typical of metamaterial resonant structures to provide a high quality factor of the system.

공진 주파수는 캐패시터 C0(420)와 캐패시터 C1(410) 및 도 4의 등가회로로부터 계산되는 SRR 1의 임피던스에 의해 결정될 수 있다. 에너지 전송의 최대 효율은 공진 주파수 f1에서 동작할 때, 구현될 수 있다.
The resonance frequency may be determined by the impedance of SRR 1 calculated from the capacitor C 0 420 and the capacitor C 1 410 and the equivalent circuit of FIG. 4. The maximum efficiency of the energy transfer can be realized when operating at the resonant frequency f 1 .

도 6은 일 실시예에 따른 메타물질 공진 구조를 나타낸다. 6 illustrates a metamaterial resonance structure according to an embodiment.

도 6을 참조하면, 메타물질의 멀티 레이어 자가 공진 구조(multi-layer self-resonant structure)는 다수의 레이어로 이루어질 수 있다. 자가 공진 구조는 유전체 레이어(dielectric substrate)(610), 스플릿 링 공진기(SRR)에 해당하는 첫 번째 금속 레이어(620), 병렬로 연결된 캐패시터(630), 직렬로 연결된 캐패시터(640)를 포함할 수 있다. 금속 레이어(620)는 캐패시터(630), 캐패시터(640)와 함께 SRR 토폴로지를 구성할 수 있다. 첫 번째 금속 레이어(620)는 병렬 캐패시터(630)에 의해 단락 된다. 각 SRR은 인접한 SRR들과 직렬 캐패시터(640)에 의해 직렬로 연결된다. Referring to FIG. 6, a multi-layer self-resonant structure of metamaterial may be formed of a plurality of layers. The self-resonant structure may include a dielectric substrate 610, a first metal layer 620 corresponding to a split ring resonator (SRR), a capacitor 630 connected in parallel, and a capacitor 640 connected in series. have. The metal layer 620 may form an SRR topology together with the capacitor 630 and the capacitor 640. The first metal layer 620 is shorted by the parallel capacitor 630. Each SRR is connected in series by adjacent SRRs and a serial capacitor 640.

다른 레이어에 위치하는 요소들 간에는 금속 처리된 홀 및 연결 커넥터를 이용하여 연결될 수 있다. Elements located in different layers can be connected using metallized holes and connecting connectors.

각각 SRR의 패턴으로 커버된 유전체 레이어(dielectric layers)(610)들은 하나씩 층층이 적층되고, 이때, 적층되는 유전체 레이어는 도 6에 보인 것처럼 각각의 레이어에 대하여 특정 각도로 회전할 수 있다. 유전체 레이어는 아래에 위치한 유전체 레이어보다 특정 각도만큼 회전한 위치에서 적층될 수 있다.Dielectric layers 610 each covered with a pattern of SRR are stacked one by one, wherein the stacked dielectric layers may rotate at a particular angle with respect to each layer as shown in FIG. 6. The dielectric layers may be stacked at positions rotated by a certain angle than the underlying dielectric layers.

두 개의 인접한(neighboring) 스플릿 링 공진기 간의 각도는 표면에 직렬로 연결된 캐패시터(640)의 배치를 위한 충분한 공간을 제공하는 한도에서 선택될 수 있다.The angle between two neighboring split ring resonators may be selected to the extent that provides sufficient space for the placement of capacitor 640 in series with the surface.

병렬 캐패시터(630)의 각 SRR과 직렬 캐패시터(640)는 직렬 캐패시터 (640)와 직렬로 연결된 병렬 LC회로로 이루어진 전기적 등가 회로로 표현될 수 있다.Each SRR and the serial capacitor 640 of the parallel capacitor 630 may be represented by an electrical equivalent circuit composed of parallel LC circuits connected in series with the serial capacitor 640.

각 병렬 회로는 능동 저항과 직렬로 연결된 인덕턴스 및 능동 저항과 직렬로 연결된 캐패시터로 구성될 수 있다.
Each parallel circuit may consist of an inductance in series with the active resistor and a capacitor in series with the active resistor.

도 7은 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 등가회로를 나타낸다.7 illustrates an equivalent circuit of a self-resonant device for a wireless power transmission system having a multi-layer resonant structure according to an embodiment.

도 7을 참조하면, 자가 공진 구조(self-resonant structure)의 전체 등가 회로는 다수의 동일한 셀로 구성된다. 각 셀은 SRR 및 SRR과 연결된 병렬 캐패시터(710)를 포함하는 병렬 LC회로로 이루어질 수 있다. 여기서 SRR은 싱글 턴(single-turn)의 인덕터로 표현될 수 있다. 다수의 셀들은 직렬 캐패시터(720)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 상기 구조의 등가회로는 직렬로 연결된 몇 개의 동일한 셀의 직렬 연결 회로로 전환될 수 있다.Referring to FIG. 7, the entire equivalent circuit of a self-resonant structure consists of a number of identical cells. Each cell may consist of an SRR and a parallel LC circuit including a parallel capacitor 710 coupled to the SRR. Here, SRR may be expressed as a single turn inductor. Multiple cells may be connected in series by a serial capacitor 720. The equivalent circuit of the above structure can be converted into a series connection circuit of several same cells connected in series.

다수의 SRR 간의 직렬 연결은 높은 인덕턴스를 제공하고, 높은 부하 임피던스 값을 가정할 수 있다. 모든 인덕터들은 상호 인덕턴스에 의해 결합될 수 있다. 이러한 결합으로 인하여, 자가 공진 구조의 Q값 (Q-factor)이 증가하게 된다.
Series connections between multiple SRRs provide high inductance and can assume high load impedance values. All inductors can be coupled by mutual inductance. Due to this coupling, the Q-factor of the self-resonant structure is increased.

도 8은 다른 일 실시예에 따른 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 레이어 바이 레이어(Layer-by-layer) 디자인을 나타낸다.FIG. 8 illustrates a layer-by-layer design of a self-resonant device for a wireless power transmission system having a multi-layer resonant structure according to another embodiment.

도 8을 참조하면, 1,2,…, N개의 멀티 레이어(multi-layer) 공진 구조에서 레이어들(810)을 구성하는 싱글 레이어 SRR의 도면은 도 6를 참조할 수 있다.
8, 1,2,... Referring to FIG. 6, a diagram of a single layer SRR constituting layers 810 in N multi-layer resonant structures is illustrated.

도 9는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치의 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조를 나타낸다. 9 illustrates a multilayer self resonant structure including coupling capacitors of a self resonator device for a wireless power transfer system according to another embodiment.

도 10은 일 실시예에 따른 커플링 캐패시터(coupling capacitors)를 포함하는 멀티 레이어 자가 공진 구조의 단면도를 나타낸다.10 illustrates a cross-sectional view of a multilayer self resonant structure including coupling capacitors according to one embodiment.

도 9와 10을 참조하면, 멀티 레이어 자가 공진 구조(multi-layer self-resonant structure) 집합의 회로는 작은 사이즈(< λ/100, λ은 파장)와 높은 퀄리티 팩터(Q- 150 to 200)를 보장할 수 있다.9 and 10, a circuit of a multi-layer self-resonant structure set shows a small size (<λ / 100, λ is a wavelength) and a high quality factor (Q-150 to 200). I can guarantee it.

상기 멀티 레이어 자가 공진 구조는 1에서 100MHz의 주파수 영역에서 동작할 수 있다.The multilayer self resonant structure may operate in a frequency range of 1 to 100 MHz.

많은 수의 레이어 사용은 멀티 레이어 자가 공진 구조의 입력 임피던스를 증가시키고 그 결과 부하 레지스턴스 값을 증가시킬 수 있다.Using a large number of layers can increase the input impedance of a multilayer self-resonant structure and consequently increase the load resistance value.

SRR(910)을 통해 더 균일한 자속 얻기 위해서 마그네틱 로드(magnetic rode)(ferrite core)는 SRR(910)의 공통 축을 따라 삽입될 수 있다.To obtain a more uniform magnetic flux through the SRR 910, a magnetic rod (ferrite core) may be inserted along the common axis of the SRR 910.

멀티 레이어 자가 공진 구조는 SRR(910)은 금속 레이어(metal layer)(911), 유전체 레이어(dielectric layer)(912), 비아 연결부(via interconnection)(913), 직렬 표면 연결 캐패시터 C0(surface mounted capacitor C0)(914), 병렬 표면 연결 캐패시터 C1(surface mounted capacitor C1)(915)로 이루어질 수 있다. The multi-layer self-resonant structure is characterized by the SRR 910 being a metal layer 911, a dielectric layer 912, via interconnection 913, surface mounted capacitor C 0 (surface mounted). may be formed of a capacitor C0) (914), the parallel surfaces connecting the capacitor C 1 (surface mounted capacitor C1) (915).

각각의 셀들(910, 920, 930)은 동일한 구조로 이루어질 수 있고, 각각에 대하여 정확한 각도에서 회전될 수 있다.
Each of the cells 910, 920, 930 may have the same structure and may be rotated at an exact angle with respect to each.

도 11은 일 실시예에 따른 마그네틱 로드(magnetic rode)를 포함하는 메타물질 공진 구조를 나타낸다.11 illustrates a metamaterial resonant structure including a magnetic rod according to an embodiment.

도 11을 참조하면, 마그네틱 로드(rod)를 포함하는 메타물질 자가 공진 구조(metamaterial self-resonant structure)에서, SRR의 전도(conducting) 레이어에서 균일한 전류 분포를 갖고, SRR 내부에서 더 균일한 마그네틱 필드를 가질수록 퀄리티 팩터가 증가할 수 있다. Referring to FIG. 11, in a metamaterial self-resonant structure comprising a magnetic rod, it has a uniform current distribution in the conducting layer of the SRR, and a more uniform magnetic inside the SRR. As the field has, the quality factor may increase.

SRR 구조에 마그네틱 로드(rod)(1110)가 삽입되면, SRR의 유효 면적이 증가하고, 전력 전송 시스템의 송수신 코일 사이의 유효 결합 계수가 커지게 된다.When the magnetic rod 1110 is inserted into the SRR structure, the effective area of the SRR increases, and the effective coupling coefficient between the transmit and receive coils of the power transmission system increases.

제안된 자가 공진 구조(self-resonant structure)는 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제작될 수 있다. 두 기술은 표면 마운팅(surface mounting) 기술의 사용에 적합하다. 제안된 구조는 또한 표면에 마운트 된(surface mounted) 캐패시터 없이 구현될 수 있다. The proposed self-resonant structure can be fabricated by low temperature co-fired ceramic technology or printed circuit board technology. Both techniques are suitable for the use of surface mounting techniques. The proposed structure can also be implemented without a surface mounted capacitor.

유전체 물질의 경우 상대적으로 높은 유전율 εr 을 갖고, 요구되는 캐패시터 값은 substrate 안에 캐패시터의 집적으로 나타내어진 내부 레이어의 캐패시턴스에 의해 획득을 수 있다.For dielectric materials, they have a relatively high permittivity ε r , and the required capacitor value can be obtained by the capacitance of the inner layer represented by the aggregation of the capacitor in the substrate.

제안된 공진 구조는 소형 장치를 포함한 다양한 전자 디바이스를 위한 휴대용 무선 충전기에 사용될 수 있다. 예를 들면, 모바일 폰을 위한 충전기에 제안된 공진 구조가 사용될 수 있다. 의학분야에서는 제안된 공진 구조가 심장 박동기, 심박기(pacemakers) 또는 소형 장치를 포함한 다른 전자 디바이스에 사용될 수 있다.The proposed resonant structure can be used in portable wireless chargers for various electronic devices, including small devices. For example, a resonant structure proposed in a charger for a mobile phone can be used. In the medical field, the proposed resonant structures can be used in other electronic devices, including pacemakers, pacemakers or small devices.

제안된 자가 공진기는 소형 장치에서 높은 인덕턴스 값을 구성할 수 있는 개선된 공진 구조를 제공할 수 있다. 또한, 공진 구조의 유도 요소들의 위치 사이에 어디에서든 상호 인덕턴스가 발생할 수 있고, 상기 구조의 전체 인덕턴스는 그에 상응하여 증가할 수 있다.The proposed self resonator can provide an improved resonant structure capable of constructing high inductance values in small devices. In addition, mutual inductance can occur anywhere between the positions of the inductive elements of the resonant structure, and the overall inductance of the structure can increase accordingly.

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. The method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI &gt; or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (16)

링 공진기들을 포함하고,
상기 링 공진기들은 메타물질 특징을 갖는 조합으로 대표되며, 상기 조합은 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들을 포함하고, 상기 스플릿 링 공진기들은 각각 전면과 후면이 교대로 트위스트되어(twisted) 연결되고, 각각의 스플릿 링 공진기는 유전체 레이어에 마운트 된 메탈 스트립으로서 동작하며, 직렬 캐패시터에 의하여 이웃하는 스플릿 링 공진기와 연결되는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
Ring resonators,
The ring resonators are represented by combinations with metamaterial characteristics, the combinations comprising split-ring resonators connected in parallel with the capacitors, the split ring resonators being twisted alternately at the front and the rear, respectively ( each split ring resonator acts as a metal strip mounted on a dielectric layer, and is connected to a neighboring split ring resonator by a series capacitor.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 회전하고, 상기 회전의 각도는 직렬로 표면에 마운트(surface-mounted)된 캐패시터가 상기 마운트를 위해 최적의 공간을 갖도록 선택되는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The split-ring resonators rotate, and the angle of rotation is selected such that a surface-mounted capacitor in series has an optimal space for the mount.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 원형 또는 다각형인
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The split-ring resonators are circular or polygonal
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 유전체 레이어의 두께는 50마이크로미터(um)에서 1500마이크로미터(um)의 범위에서 값을 갖는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The thickness of the dielectric layer has a value in the range of 50 micrometers (um) to 1500 micrometers (um).
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 유전체 레이어의 유전율은
2에서 20의 범위에서 값을 갖는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The dielectric constant of the dielectric layer is
Having a value in the range of 2 to 20
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 스플릿 링 공진기들의 수는 적어도 두 개 이상인
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The number of split ring resonators is at least two
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 스플릿 링 공진기들의 동작 주파수 대역은 1 메가헤르츠(MHz)에서 100 메가헤르츠(MHz)인
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The operating frequency bands of the split ring resonators range from 1 MHz to 100 MHz.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 캐패시터들과 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기들은 저온 동시 소성 세라믹(co-fired ceramic) 기술 또는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board) 기술로 제조되는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
Split-ring resonators connected in parallel with the capacitors are fabricated using low temperature co-fired ceramic technology or printed circuit board technology.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 캐패시터와 병렬로 연결된 상기 스플릿 링(split-ring) 공진기들 각각은 병렬 공진 LC회로 및 직렬 캐패시터로 구성된 등가 회로를 포함하는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
Each of the split-ring resonators connected in parallel with the capacitor includes an equivalent circuit composed of a parallel resonant LC circuit and a series capacitor.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제9항에 있어서,
상기 병렬 공진 LC회로는 인덕티브 소자와 캐패시티브 소자를 포함하고, 액티브 리액턴스와 직렬로 연결되는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
10. The method of claim 9,
The parallel resonant LC circuit includes an inductive element and a capacitive element, and is connected in series with an active reactance.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 조합은 복수의 셀들을 포함하는 등가회로로 나타낼 수 있고,
각 셀은 병렬로 연결된 스플릿 링(split-ring) 공진기와 캐패시터에 의해 형성되는 병렬 공진 회로를 포함하고,
상기 셀들은 상기 직렬 캐패시터에 의하여 직렬로 연결되는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The combination may be represented by an equivalent circuit including a plurality of cells,
Each cell comprises a parallel resonant circuit formed by a split-ring resonator and a capacitor connected in parallel,
The cells are connected in series by the series capacitor
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제11항에 있어서,
상기 병렬 공진 회로와 상기 직렬 캐패시터의 조합에 의해 메타물질에 대해서 전형적인 임피던스의 두 공진 응답을 나타내는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
12. The method of claim 11,
The combination of the parallel resonant circuit and the series capacitor exhibits two resonant responses of typical impedance for metamaterials.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 조합의 Q 팩터는 100에서 200사이의 범위에서 값을 갖는
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The Q factor of the combination has a value in the range of 100 to 200.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 스플릿 링 공진기의 축을 따라 마그네틱 로드(rod)
를 더 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
A magnetic rod along the axis of the split ring resonator
Self-resonant device for a wireless power transmission system further comprising.
제14항에 있어서,
상기 마그네틱 로드는 페라이트(ferrite)로 구성된
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
15. The method of claim 14,
The magnetic rod is composed of ferrite
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
제1항에 있어서,
상기 캐패시터들은 높은 유전율을 갖는 상기 유전체 레이어의 내부에 내장된(embedded)
무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치.
The method of claim 1,
The capacitors are embedded inside the dielectric layer having a high dielectric constant.
Self-Resonant Device for Wireless Power Transmission System.
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