KR20130125735A

KR20130125735A - 3d 무방향성 무선 전력 전송 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130125735A
Application number: KR1020130052378A
Authority: KR
Inventors: 이오아니스 트잔니디스; 파시 아리안파; 슈리다 라자고팔
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-11-19
Also published as: WO2013169040A1; EP2847849A1; CN104488166A; US20130300205A1; EP2847849A4

Abstract

본 발명에서 송신 공진기는 근거리장 영역에서 각각에 의해 생성되는 자기장이 근거리장 영역의 어떤 부분 또는 특정 부분에서 다른 하나에 의해 생성되는 자기장과 대략 직교하도록 배치된 적어도 2개의 루프 공진기들, 하나의 신호를 가중 계수들을 갖는 적어도 2개의 서브 신호들로 분할하도록 구성된 전력 분배기, 서브 신호들 중의 적어도 하나를 지연시켜 서브 신호들 각각을 루프 공진기들 각각에 공급하는 지연 어레이, 및 근거리 자기장의 편파를 제어하도록 지연 어레이를 구성하는 제어기를 포함한다. 본 발명은 수신기에 맞춰 최적화된 근거리 자기장을 생성하도록 적어도 2개의 서브 신호들의 위상들을 결정하기 위해 수신기로부터 피드백 정보를 수신하는 통신 모듈을 더 포함한다.

Description

3D 무방향성 무선 전력 전송 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR 3D ORIENTATION-FREE WIRELESS POWER TRANSFER}

본 발명은 무방향성 무선 전력 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.

무선 에너지 전송(wireless energy transfer) 또는 무선 충전(wireless charging)으로도 지칭되는 전자 기기에의 무선 전력 전송 방식(wireless power transfer)이 국제 표준이 되고 있다. 유선 전력 전송과 대비된 무선 전력 전송(WPT)의 이점은 다음과 같이 요약될 수 있다.

편의성: 사용자가 랩톱, 이동 전화, 태블릿, 노트북 등과 같은 기기들을 충전하기 위해 다수의 유선 충전기들을 휴대할 필요가 없다. 그 대신, 회의실, 커피숍 테이블, 공항 대기 구역, 집, 등과 같은 구역에 하나의 무선 충전기를 둘 수 있고, 사용자는 유선 연결을 사용할 필요가 없이 단순히 무선 충전기에 가깝게 기기를 놓아 둠으로써 자신의 전자 기기를 충전할 수 있다. WPT 시스템의 표준화는 아마도 산지와 모델이 상이한 다수의 기기들을 동일한 무선 충전기로부터 충전하는 것을 가능하게 하여 전세계적 범용 충전 표준(universal charging standard)을 이끌어낼 것이다.

실용성: 회의실, 커피숍, 공항 대기 구역 등과 같은 구역에서 이용 가능한 물리적 전원 콘센트들의 수는 제한되어 있으므로, 그들에 접속할 수 있는 사용자의 수를 제한한다. 무선 전력 전송 시스템은 그러한 문제점을 극복하여 신속하고도 용이한 충전을 다수의 사용자들에게 동시에 제공한다.

투명성: 무선 전력은 나무, 플라스틱, 종이, 및 옷감과 같은 다양한 물체들을 통과할 수 있으므로, 임플란트 장치, 수중, 이동 중 충전 등과 같이 물리적 유선 접속이 권고되지 않거나 불가능한 장소들에도 전력 전송을 가능하게 한다.

녹색성: 무선 전력 전송은 국제 연합 전문 기구인 국제 전기 통신 연합(ITU)에 의해 제안된 유니버설 차징 솔루션(Universal Charging Solution; UCS)에 따르고 있다. 본질적으로, UCS는 향후의 모든 핸드셋들에 동일한 무선 충전기를 사용하여 대기 에너지 소비의 50 퍼센트 감축, 51,000 톤의 잉여 충전기들의 제거, 및 그에 후속하는 매년 온실 가스 방출의 13.6백만 톤 감축을 가져올 것을 권고하고 있다.

본 발명은 송신기가 회전 사이클의 적어도 일부 동안 Tx 공진기를 중심으로 한 위치나 방향과는 상관없이 상호 인덕턴스를 통해 수신기에 전력을 전송하는 무방향성 무선 전력 전송 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 송신기와 수신기의 상대 위치 및 방향과 상관없이 효율적 무선 3차원(3D) 전력 전송을 가능하게 하는 무방향성 무선 전력 전송 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 장치는 근거리장(near-field) 영역(비방사성)에서 자기장을 생성하는 적어도 2개의 루프 공진기(loop resonator)들을 포함한 송신 공진기(transmit resonator)를 포함하고, 적어도 2개의 루프 공진기들은 근거리장 영역의 어떤 부분 또는 특정 부분에서 각각에 의해 생성되는 자기장이 다른 하나에 의해 생성되는 자기장과 대략 직교하도록 배치된다. 구체적으로, 적어도 2개의 루프 공진기들은 서로 대략 수직으로 방향을 잡는다. 또한, 본 장치는 하나의 신호를 진폭 가중 계수들을 갖고서 적어도 2개의 공진기들에 공급되는 적어도 2개의 서브 신호(sub-signal)들로 분할하도록 구성된 전력 분배기(power divider)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 장치는 외부 비방사성 자기장의 존재 하에 공진할 수 있는 적어도 2개의 루프 공진기들을 포함한 수신 공진기(receiver resonator)를 포함하고, 적어도 2개의 루프 공진기들은 각각에 의해 수신되는 자기장이 다른 하나에 의해 수신되는 자기장과 대략 직교하도록 배치된다. 구체적으로, 적어도 2개의 루프 공진기들은 서로 대략 수직으로 방향을 잡는다. 전력 결합기(power combiner)는 적어도 2개의 루프 공진기들로부터 수신된 서브 신호들을 결합하도록 구성된다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법은 근거리장 영역에서 생성된 자기장의 편파(polarization)에 대해 수신 전력을 최적화하기 위해 2개의 루프 공진기들 중의 적어도 하나에서 신호들의 위상들을 천이시킴으로써 근거리장 영역에서의 자기장의 편파를 제어하는 단계를 포함한다. 본 방법은 적어도 2개의 루프 공진기들로부터 생성된 서브 신호들을 결합하는 단계를 더 포함한다.

본 발명 및 그 이점들의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 유사한 도면 부호들이 유사한 부분들을 나타내고 있는 첨부 도면들과 연계하여 이뤄지는 이후의 상세한 설명을 살펴보기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 2개의 루프들 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 수신 루프의 그 중심을 중심으로 한 회전각 φ의 함수로 각각 나타낸 도면들;
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도;
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 선형 편파 모드(linear polarization mode) 하에 동작하는 송신기와 수신기를 나타낸 도면;
도 4는 선형 편파된 자기장이 직선상에서, 그러나 공진기의 주위 공간 중에서의 위치에 의존하여 상이한 방향들로 시간에 따라 어떻게 진동하는지 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 타원 편파 모드 하에 동작하는 송신기와 수신기를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 타원 편파 모드에서 전자기장 벡터(field vector)가 공간 중의 고정된 위치, 즉 r = r₀에서 그리는 타원을 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 실시 예들에 따른 공진기 어레이를 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 시간 지연 여기(time delay excitation)를 위한 예시적 위상 천이 회로들을 나타낸 도면;
도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 송신 공진기와 수신 공진기를 사용하는 무선 전송 시스템을 나타낸 도면; 및
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 위상 천이기들을 사용하는 및 사용하지 않는 공진기들의 시스템의 상호 인덕턴스 M을 나타낸 도면.

본 명세서에서 본 발명의 원리를 설명하는데 사용되는 후술할 도 1 내지 도 10 및 다양한 실시 예들은 단지 예시적인 것들로서, 결코 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자라면 본 발명의 원리가 적절히 구성된 그 어느 무선 전력 전송 시스템에서도 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

유도 결합 기법 및 정전 용량 결합 기법

Water 를 발명자로 하는 미국 특허 제2,133,494호는 무선 전력 전송에 유도 결합 기법(inductive coupling technique)을 도입하였는데, 그러한 기법에서는 패러데이 법칙 및 암페어 법칙을 기반으로 송신 장치에 하나가 배치되고 수신 장치에 다른 하나가 배치된 2개의 평면 또는 3D 코일들 사이의 상호 유도를 통해 에너지를 전송하였다. 그 이후로, 그러한 기법은 조리 기구, 온수기, 전동 칫솔, 테이블램프와 같은 가전 기구들에 그리고 더욱 최근에는 이동 전화들을 충전하는데 널리 사용되어 왔다. 예컨대, Randall 등을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/472,337호를 참조하기 바란다. 본질상 무선이기는 하지만, 유도 결합은 대부분의 적용에 있어 송신 장치와 수신 장치가 직접적으로 접촉한다는 것을 암시하는 극히 경미한 거리(수 mm 미만)에서만 효과가 있다. 유도 결합의 다른 단점은 송신 장치와 수신 장치의 코일들 사이의 매우 정밀한 정렬을 필요로 하고, 그를 위해 일부의 경우에는 자석들의 도움을 받는다는 것이다. 그러한 문제점을 다루기 위해, Partovi 등의 미국 특허 제7,952,322호는 송신기 표면을 패드 상에서의 수신기의 위치에 의존하여 선택적으로 스위칭 온/오프 될 수 있는 다수의 작은 코일들로 분할하여 동일한 물리 영역을 커버하는 단일 코일보다 더 균일한 자속(magnetic flux)을 갖는 유효하게 더 큰 충전 영역을 제공하는 기법을 설명하고 있다. 유도 결합 대신에, 정전 용량 결합(capacitive coupling)에 의해 전력 전송이 이뤄질 수 있다. 예컨대, Bonin을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/245,460호를 참조하기 바란다.

공진 결합 기법

2007년, Karalis 등("Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", Ann. Physics, 2007)은 수 센티미터로부터 수 미터까지에 이르는 거리로의 전력 전송을 가능하게 하는 "비방사형 중거리 에너지 전송(non-radiative midrange energy transfer)"이라 지칭되는 다른 무선 전력 전송 기법을 설명하였다. 그러한 기법은 결합 모드 이론(coupled mode theory)(Haus et al., "Coupled mode theory", 1991)에 의해 설명된 공진 결합을 기반으로 하였다. 공진 결합은 원리상 다음과 같이 동작한다. 상호 근거리장(비방사성 전자기장)에 놓인 2개의 물체들은 그들의 공진 주파수가 동일하면 효율적으로, 그러나 그들의 공진 주파수가 동일하지 않으면 비효율적으로 서로 에너지를 결합하는 경향이 있다. 공진 결합의 핵심 특징은 높은 결합 효율이 높은 양호도(quality factor; Q)를 갖는 공진기들과 관련된다는 것이다. Campanella 등을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/789,611호는 거리 D만큼 떨어져 있는 2개의 결합 공진기들의 일반적 예를 보이고 있다. 소스로 지칭되는 제1 공진기는 전원에 연결되고, 제2 공진기는 소스에 의해 그에 결합되는 전력을 소비하거나 저장하는 장치(device)로 지칭되는 부하에 연결된다. 그러한 2개의 공진기들의 일례는 미국 특허 출원 제12/789,611호의 도 8에 도시된 바와 같은 링 모양의 공진기들이다.

공진 결합의 동작 원리는 다음의 것들을 암시하고 있다.

1) 에너지가 방사에 의해서가 아니라 비방사성 리액티브 근거리장(non-radiative reactive near field)에 의해 교환된다. 따라서 공진하는 2개의 물체들을 상호 근거리장 영역 내에 놓는다. 그것은 동작 파장이 공진기들의 물리적 크기보다 훨씬 더 크다는 것, 즉 공진기들이 전기적 소형(electrically small) 물체들이라는 것을 의미한다.

2) 전기적 소형 물체들은 일반적으로 인덕터(소형 루프) 또는 커패시터(소형 다이폴)로서 거동하고, 그들의 단자들에 직렬 또는 병렬로 커패시턴스 또는 인덕턴스를 각각 부가함으로써 그들을 강제적으로 공진시키지 않는 한 본래 비공진성(non-resonant)이다. 유도 공진기들의 경우에는 상호 인덕턴스를 통해 결합이 일어나는 반면에, 정전 용량 공진기들의 경우에는 상호 커패시턴스를 통해 결합이 일어난다. 유도 결합 공진기들의 일례가 Karalis 등의 미국 특허 제7,825,543호에 개시되어 있다. 인덕터들 Ls와 Ld 사이의 상호 인덕턴스 M을 통해 결합이 일어나는 반면에, 커패시터들 Cs와 Cd는 구조를 원하는 주파수로 공진시키는데 사용된다.

3) 결합 효율은 공진기들의 양호도(Q)에 비례한다. 공진기의 양호도는 그 저항(소산 에너지 또는 손실)에 대한 그 리액턴스(근거리장에서의 에너지 저장 능력)의 비로 정의된다. 전기적 소형 물체들에서, 저항은 주로 유전 손실 또는 옴 손실에 기인하고, 방사 손실에는 별로 기인하지 않으며, 일반적으로 방사 손실은 무시될 수 있는 정도이다. 효율적 무선 전력 전송은 Q가 높은 공진기들을 필요로 하는데, 그들 자체는 소량의 손실에도 민감하다. 손실의 양을 감소시키기 위해, 최근 초전도 물질 및 저 유전 손실 커패시터들의 사용을 기반으로 하는 기법이 제안되었다. 예컨대, Sedwick을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제13/151,020호를 참조하기 바란다.

상호 결합에서의 효율 개선

전술한 바와 같이, 결합 효율은 적용된 공진기들의 공진 주파수에서 최대화된다. 그러한 주파수는 공진기들의 크기와 형상에 의해 결정되고, 그것은 그들의 단자들에 직렬 또는 병렬 연결된 커패시터(또는 정전 용량 상호 공진 결합의 경우에는 인덕터)에 의해 정밀하게 튜닝될 수 있다. 그러나 튜닝 요소의 값은 원하는 공진 주파수의 함수이고, 또한 결합 공진기들의 등가 전기 파라미터들(R, L, C, 및 M)의 함수이다. 예컨대, Karalis 등의 미국 특허 제7,825,543호의 도 10을 참조하면, 소스 측 커패시턴스 Cs와 드레인 측 커패시턴스 Cd는 소스 측 인덕턴스 Ls, 드레인 측 인덕턴스 Ld, 및 원하는 공진 주파수에 의해 결정된다. 또한, 파라미터들 Ls, Ld, 및 M은 공진기의 형상, 공진기의 크기, 및 가장 중요하게는 해당 공진기들의 상대 위치의 함수이다.

이동 전화 충전과 같은 다양한 실제 적용들에서는, 수신 장치가 충전 중에 위치를 변경하여 회로 파라미터들 Ls, Ld, 및 주로 M을 그에 따라 변하게 할 수 있다. Ls와 Ld는 수신 공진기의 이동 또는 회전에 의한 영향을 덜 받지만, 상호 인덕턴스 M은 크게 변하여 주파수 디튜닝(detuning) 및 전력 전송 효율의 급격한 하락을 일으킨다. 그것이 바로 공진 결합 기법의 가장 큰 당면 문제들 중의 하나이다.

Gampanellar를 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/789,611호는 디튜닝 문제에 대한 해법으로서 적응적 정합망(adaptive matching network)을 도입하고 있다. 그 미국 출원의 도 2에 도시된 바와 같이, 상호 인덕턴스 M의 변화는 공지 주파수를 디튜닝하고, 그것은 가변 커패시터 C₁에 의해 리튜닝된다. 그러나 사용 사안에 따라서는, 적응적 정합망을 구현하는 것이 시스템 복잡도 및 비용을 현저히 증가시킬 수 있다. 흔히, 결합 공진기들의 신속하고도 효율적인 튜닝을 보장하기 위해, 송신기와 수신기가 무선 채널(예컨대, 지그비(Zigbee))을 통해 통신한다. 그러한 구성은 송신기와 수신기가 예컨대 Toncich를 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/266,522호에 개시된 바와 같이 그들의 급전선들에서의 VSWR 과 같은 특정 메트릭(metric)을 최소화함으로써 독자적으로 최적의 튜닝 설정을 찾아야 하는 "오픈 루프(open loop)"과 대비하여 "폐쇄 루프(closed loop)"으로 지칭된다.

디튜닝을 일으키는 결합 조건의 변화들은 공진기들 중의 하나가 위치를 변경하는 경우에만 일어나는 것이 아니다. 다수의 공진기들의 시나리오에서는, 무선 충전망에 공진기들이 부가되거나 그로부터 공진기들이 제거되는 경우에 디튜닝이 일어날 수 있다. 그 경우, 고효율을 유지하기 위해서는 리튜닝 이외에도 다수의 공진기들 사이에서의 전력 분배 및 관리와 같은 시스템 레벨에서의 다른 고려 사항들이 매우 중요해진다(미국 특허 출원 제12/249,861호 및 제12/729,866호). 또한, 특정 기기들에 선택적으로 전력을 전송하고, 권한 없는 자에의 전력 전송을 방지하기 위해, 주파수 호핑(frequency hopping)을 기반으로 하는 기법이 제안되었다(미국 특허 출원 제12/651,005호).

랜덤 방향성 수신기 및 장거리 전력 전송

무선 전력 전송의 거리를 증가시키기 위해, 미국 특허 출원 제12/323,479호 및 제12/720,866호는 더 큰 거리의 공진기들에 전력을 전송하는데 중간 공진기(중계기로 지칭되는)들을 사용하는 기법을 제안하였다. 실내 환경에서, 그러한 개념은 도 12에 도시된 바와 같이 적용될 수 있다. 전체 룸을 에워싸는 대형 루프("장거리 룸 안테나"으로 지칭됨)가 발전기에 연결된다. 다수의 기기들에의 전력 전송의 효율을 증가시키기 위해, 중계기 루프들 P₁ 및 P₂가 채용된다.

무선 전력 전송의 거리를 증가시키는 다른 기법은 R. Merlin(R. Merlin. "Radiationless Electromagnetic Interference: Evanescent-Field Lenses and Perfect Focusing", 10.1126/science.1143884) 및 A. Grbic(A. Grbic, "Near-field focusing plates and their design, IEEE Trans. On Antennas and Propagation, Vol. 36, Issue 10, pp3159-3165, 2008)에 의해 도입된 소위 "근거리장 포커싱(near-field focusing)" 기법을 사용하는 것이다. 근거리장 포커싱은 Ryu 등을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/978,553호에 메타슈퍼스트레이트(metasuperstrate) MNZ/ENZ(μ near zero/ε near zero) 물질 또는 고 임피던스 표면(HIS)을 통해 제안되었다. 그러한 메타슈퍼스트레이트는 송신 공진기의 전방에 배치되어 그 근거리장을 서브 파장 정확도(sub-wavelength accuracy)로 수신 공진기의 위치에 포커싱할 수 있다.

랜덤 방향성 수신기에 전력을 전송하는 기법은 Ryu 등을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/053,542호에 개시되어 있다. 도 4를 참조하면, 송신 공진기가 필라 또는 바에 장착되어 평탄한 표면 상에 수직으로 배치된다. 송신 공진기는 평탄한 표면 상에 놓인 3D 안경의 프레임에 내장된 수신 공진기로 에너지를 무선 전송한다. 유사하게, 금속 캐비닛 또는 휴대 공구함에 있는 전동 공구를 충전하는데 직교하게 배치된 루프들과 같은 공진기들을 사용하는 것을 기반으로 하는 기법이 Ozaki 등을 발명자로 하는 미국 특허 출원 제12/567,339호에 개시되어 있다. 다차원 무선 충전을 제공하기 위해 송신 공진기들을 캐비닛 및/또는 공구함의 측벽들 및 상하단 상에 직교하게 배치하는 것이 요구되었다.

상호 인덕턴스 이론의 요약

무선 전력 전송(WPT) 시스템의 전력 전송 효율은 중계기로서 WPT에 참여하는 인접 물체들 또는 참여하지 않는 인접 물체들(즉, 외래의 물체들) 및 다수의 수신기 유닛들의 존재뿐만 아니라, 송신기(Tx) 유닛과 수신기(Rx) 유닛의 상대 위치와 방향에 크게 의존한다. 그것은 Rx 유닛 또는 Tx 유닛이 서로에 대해 이동하거나 회전하면, Tx 유닛과 Rx 유닛 사이의 상호 인덕턴스 M에 의해 측정되는 상호 결합이 크게 변하기 때문이다. 이론적으로, 2개의 루프들 i와 j 사이의 상호 인덕턴스 M은 일반적으로 다음의 방정식에 의해 계산된다:

여기서, M_ij는 2개의 루프들 i와 j 사이의 상호 인덕턴스 M이고, Φ_j 는 루프 i를 통한 자속이며, I_j는 루프 j의 전류이다. 자속 Φ_j 는 루프 j의 전류 I_j에 의해 생기는 자기장 세기 B_j에 기인하는 것이다.

2개의 루프 i와 j가 동작 파장에 비해 소형 크기이고, 루프 i의 위치에서 전류 I_j에 의해 생성되는 균일한 자기장 B_j를 가정하고 있는 도 1a를 참조하면, 수학식 1은 다음과 같이 단순화될 수 있다:

여기서, A_i는 루프 i의 물리적 면적이고, cosφ는 자기장 벡터 B_j와 루프의 표면 법선 사이의 각도이다.

도 1b는 동작 파장에 비해 소형 크기에 있는 2개의 루프들 사이의 상호 인덕턴스 M의 전형적 변화를 하나의 루프의 그 중심을 중심으로 한 회전각 Φ의 함수로 도시하고 있다. 실선은 수치적 시뮬레이션 데이터로부터 나온 것이다. 점선은 시뮬레이션 데이터에 맞춰진 코사인 함수(수학식 2 참조)이다. 그로부터 알 수 있는 바와 같이, Rx가 Φ = 25°로 회전하였을 때에 (-)7nH의 최대 상호 인덕턴스가 발생한다. 마이너스 부호는 Rx에 대한 유도 전압(기전력, EMF)의 극성이 뒤바뀐다는 것을 나타낸다. 그러한 거동은 선형 편파된 송신 및 수신 공진기들을 채용한 무선 전력 전송 시스템에서 전형적인 것이다. 상호 인덕턴스의 그러한 변동은 공진 결합이 디튜닝되어 전력 전송 효율의 심한 하락으로 귀결된다. 그 결과, Tx 유닛이 임피던스 부정합되고, Rx 유닛의 충전이 둔화되거나 심지어는 정지되며, Tx 유닛이 과열을 겪게 된다.

무선 전력 전송 시스템

도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 도시하고 있다. 그러한 무선 전력 시스템은 송신기(10)와 수신기(20)를 포함하고, 송신기(10)와 수신기(20) 사이에 근거리 자기장(30)이 형성된다. 에너지는 송신기로부터 근거리 자기장을 통해 수신기로 전달되는데, 근거리 자기장은 송신기(10)와 수신기(20) 사이의 정합된 또는 거의 정합된 공진 동안 최대화된다.

송신기는 전원(11), 발진기(12), 전력 증폭기(14), 정합 회로(15), 전력 분배기(16), 지연 어레이, 및 송신(Tx) 공진기 어레이(18)를 포함한다. 지연 어레이는 위상 천이기(17)에 의해 구현될 수 있다. 발진기(12)는 원하는 주파수를 갖는 신호를 발생시키고, 그 신호는 전력 증폭기(14)에 의해 증폭된다. 전력 분배기(16)는 증폭된 신호를 가중 계수들 A₁,…,A_M을 갖는 다수의 "M"(#M) 서브 신호들로 분할한다.

분할된 #M 서브 신호들은 위상 천이기(17)에 의해 구현될 수 있는 지연 어레이에 입력되는데, 위상 천이기(17)는 서브 신호들을 지연시키거나 #M 서브 신호들을 기준치에 대해 위상들 θ₁,…,θ_M을 갖도록 천이시킨다. 그러한 위상들 중의 하나는 기준 위상, 즉 지로로서의 역할을 하고, 그에 따라 다른 모든 위상들이 그 기준 위상에 대해 설정될 수 있다. 끝으로, Tx 공진기 어레이(18)에는 가중 계수들 A₁,…,A_M 및 위상들 θ₁,…,θ_M을 갖는 #M 서브 신호들이 공급된다. 위상 천이기(17)는 급전망(feed network)의 일부로 설계될 수 있지만, 구조적으로 공진기들(예컨대, 표면 실장 소자들)과 통합될 수도 있다.

Tx 공진기 어레이(18)는 각각 다른 것들의 자기장과 대략 직교하는 자기장을 생성하도록 구성된 #M 공진기들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서는, #M 공진기들이 서로 대략 직교한다. #M 공진기들 중의 i번째 공진기에는 가중 계수 A_i와 위상 θ_i를 갖는 i번째 서브 신호가 공급된다. 그러면 i번째 공진기가 공진하여 공급된 i번째 서브 신호와 대응하는 i번째 편파 자기장을 생성한다. 끝으로, #M 공진기들로부터 생성된 첫 번째 내지 M번째 자기장들이 결합하여 근거리 자기장을 형성한다. 정합 회로(15)는 전력 증폭기의 내부 임피던스를 Tx 공진기 어레이(18)로 가는 결합 신호의 내부 임피던스에 정합시킨다.

본 발명에서 자기장의 방향을 기술하는데 사용되는 "대략 직교하는"이란 용어는 적어도 2개의 루프 공진기들에 의해 발생하는 자기장들의 벡터들의 방향이 서로 교차하여 타원형, 원형, 또는 선형 편파 자기장과 같은 편파 자기장을 생성하는 상태를 말한다. "대략 직교하는"이 되기 위해서는 2개의 자기장 벡터 방향들 사이의 도수들의 범위가 15° 내지 165°이다.

일부 실시 예들에서는, 송신기(10)가 수신기(20)로부터 피드백 정보를 수신하는 통신 모듈을 포함하고, 생성된 근거리 자기장(30)의 편파가 수신기(20)에 맞춰 최적화되도록 그 편파를 구성하게끔 서브 신호들의 지연들 또는 위상들을 구성한다.

수신기(20)는 자기장(30)의 존재 하에 공진하여 전력을 수신하고, 배터리를 충전하거나 수신기(20)에 결합한 장치에 전력을 공급한다. 그를 위해, 수신기(20)는 수신(Rx) 공진기 어레이(21), 위상 천이기(22), 전력 결합기(23), 정류기(26), 및 정합 회로(25)를 포함할 수 있다.

Rx 공진기 어레이(21)는 외부 자기장의 존재 하에 공진을 갖도록 튜닝되는 다수의 "N"(#N) 공진기들로 이뤄질 수 있다. 각각의 공진기에서 유도된 서브 신호들은 적절히 지연된다(예컨대, 위상 천이기(22)에 의해 그 위상 φ₁,…,φ_M을 변경함으로써), 위상 φ₁을 갖는 i번째 공진기는 편파 자기장(30)의 일부와 공진하여 공진으로부터 결합 전류를 생성한다. 위상 천이기와 같은 지연 어레이는 급전망의 일부로서 설계될 수 있지만, 구조적으로 공진기들(예컨대, 표면 실장 소자들)과 통합될 수도 있다. 언급된 바와 같이, 위상 천이기(22)는 송신기(10)와 수신기(20)에서 각각 적절한 시간 지연 및 위상을 갖는 공진기를 제공한다.

전력 결합기(23)는 RX 공진기 어레이(21)와 지연 어레이로부터 생성되는 불균등하게 지연된 AC 전류들을 결합시킨다. 서브 신호 지연들 또는 위상들을 적절히 선택함으로써, 결합 AC 신호의 전력이 최대화될 수 있다. 그것은 송신기 어레이에서 서브 신호들의 지연들 또는 위상들을 최적화하는 것과 연계하여 이뤄질 수 있다. 정류기(26)는 결합 AC 전류를 DC 전류로 변환하고, 변환된 DC 전류는 장치에 의해 저장되거나 소비된다. 정합 회로는 충전 장치 또는 부하(배터리와 같은)에서 최적의 충전 조건(전류, 전압)이 생기도록 수신기(20)의 결합 신호의 임피던스를 Rx 공진기 어레이(21) 회로의 나머지(즉, 정류기, 제어기)가 필요로 하는 임피던스와 정합시킨다.

일부 실시 예들에서는, 수신기(20)가 통신 모듈을 더 포함하고, 그 통신 모듈은 송신기가 수신기에 최적화된 근거리 자기장을 생성하게끔 그 위상을 구성하도록 피드백 정보를 전송한다.

전술한 송신기(10)와 수신기(20)는 전력 전송의 효율을 증가시키는데 함께 사용될 수 있다. 그러나 송신기(10)는 단일 수신 공진기(#M = 1)와 같은 다른 타입의 수신 공진기들과 함께 사용될 수도 있다. 수신기(20)도 역시 단일 송신 공진기(#N = 1)와 같은 다른 타입의 송신 공진기들과 함께 사용될 수도 있다. 일부 실시 예들에서는, 송신기(10)와 수신기(20) 사이에 근거리 자기장을 장거리로 중계하는 중간 루프 공진기가 위치할 수 있다.

선형 편파 모드

도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 선형 편파 모드 하에 동작하는 송신기(10)와 수신기(20)를 개략적으로 도시하고 있다. 선형 편파 송신기(10)는 하나의 여기 포트(하나의 서브 신호)를 갖는 공진기 또는 다수의 동상 여기 포트들(즉, 지로 지연 또는 서브 신호들 사이의 지로 위상 차)을 갖는 공진기 어레이에 의해 구현될 수 있다.

#M 공진기들을 갖는 공진기 어레이로 이뤄진 선형 편파 송신기(10)의 경우, 모든 공진기들은 동상으로(즉, 서브 신호들 사이의 지로 위상 차) 송신하고, 어레이 요소들 간에 전력이 균일하게 분배될 수 있거나 균일하게 분배되지 않을 수 있으므로, 여기 계수들 A₁,…,A_M을 갖는다.

선형 편파 송신기(10)는 공진기 구조에 대한 전류의 위상 제어를 하지 않고, 그에 상당하는 선형 편파 자기장을 생성한다. 선형 편파 자기장은 공간 중의 고정 위치에서, 즉 r = r₀에서 시간에 걸쳐 다음과 같이 표현될 수 있다.

도 4는 자기장 벡터가 공간 중의 고정 위치, 즉 r = r₀에서 그리고 상이한 타임 인스턴스(time instance)들에서 어떻게 진동하는지 도시하고 있다. 그로부터 알 수 있는 바와 같이, 벡터는 직선상에서 그러나 도 3에 도시된 바와 같은 공진기를 중심으로 한 위치에 의존하여 상이한 방향들로 진동한다.

선형 편파 수신 공진기(20)는 하나의 여기 포트를 갖는 단일 공진기 또는 다수의 동상 여기 포트들을 갖는 공진기 어레이를 구비할 수 있다. 선형 편파 수신기가 #M 공진기들을 갖는 공진기 어레이를 포함하는 경우, 모든 공진기들 사이의 위상 차는 0으로 설정된다(즉, 공진기들이 동상으로 수신한다).

도 3을 참조하면, 자기장 벡터가 공진기들의 표면 법선과 평행한 공진기들 Rx₁과 Rx₂는 송신기와의 최대의 상호 결합에 가장 적합하게 방향을 잡고 있다. Rx 유닛이 최적의 방향으로부터 떨어진 특정의 Rx 위치에서 각도 Φ로 회전함에 따라, 상호 결합이 회전각 Φ의 코사인에 비례하여 떨어져서 공진 결합의 디튜닝 및 결합 효율의 하락을 일으키게 된다. 최악의 경우로서, Rx의 위치에서 Rx 공진기의 표면 법선이 자기장과 수직으로 된 공진기들 Rx₃와 Rx₄는 송신기와 지로 결합을 하고, 그에 따라 전력을 전혀 수신하지 못한다.

일부 실시 예들에서는, 여전히 선형 편파된 공진기 어레이 Rx₅가 여러 방향들로 배치된 다수의 공진기들을, 그에 따라 다수의 포트들을 포함할 수 있다. 각각의 공진기는 그 방향에 의존하여 유리하게 배치되거나 유리하게 배치되지 않을 수 있고, 그 방향의 변화에 따라 상호 결합의 비슷한 저하가 일어나게 된다.

타원 편파 모드

도 5는 본 발명의 실시 예들에 따른 타원 편파 모드 하에 동작하는 송신기(10)와 수신기(20)를 개략적으로 도시하고 있다.

본 실시 예에서는, 송신기(10)가 #M 공진기들로 이뤄진 Tx공진기 어레이(18)를 포함한다. 각각의 TX 공진기는 가중 계수 A_i 및 위상 θ_i(i = 1,…,M)를 갖는 서브 신호에 해당하는 자기장을 생성한다. #M 공진기들로부터 생성된 자기장들은 결합하여 근거리 자기장을 형성한다. 공진기 어레이(18)의 공진기들은 전기적으로 상호 연결되거나 연결되지 않을 수 있다.

송신기(10)는 가중 계수들 A₁,…,A_M 및 위상들 θ₁,…,θ_M을 조정함으로써 근거리 자기장의 편파를 제어한다. 환언하면, A₁,…,A_M 및 위상들 θ₁,…,θ_M의 적절한 값을 제공함으로써, 근거리 자기장

가 원형 또는 타원형으로 편파되어 시간에 따라 회전한다. 또한, 근거리 자기장

를 강제로 회전시킴으로써, 송신기가 회전 사이클의 적어도 일부 동안 Tx 공진기를 중심으로 한 위치나 방향과는 상관없이 상호 인덕턴스를 통해 수신기에 전력을 전송하는 것이 가능하게 된다.

2개의 자기장들 H_x와 H_y로부터 형성되는 타원 편파 자기장은 공간 중의 고정위치에서, 즉 r = r₀에서 시간에 걸쳐 다음과 같이 표현될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 공간 중의 고정 위치에서, 즉 r = r₀에서, 자기장 벡터의 선단은 특정의 편면에 위치한 타원을 그린다. 성분들 H_x와 H_y의 크기와 위상에 의존하여, 편파가 원형, 타원형, 또는 선형으로 바뀐다. 구체적으로, 근거리 자기장의 편파는 H_x와 H_y가 같은 크기이고 그들 사이의 위상 차가 φ_x-φ_y = π/2의 홀수 배수인 경우에 원형이 되고, 그들 사이의 위상 차가 φ_x-φ_y = π의 배수이면 선형이 되며, 기타 모든 경우에는 타원이 된다. 각각의 공진기의 위상 천이들은 근거리 자기장의 형상에 대해 미리 정해지거나 조정된다. 일부 실시 예들에서는, 송신기가 수신기에 맞춰 최적화된 근거리 자기장을 생성하도록 각각의 공진기의 위상을 구성하게끔 피드백 정보를 수신한다.

유의할 점은 x와 y가 반드시 통상의 데카르트 직교 좌표들을 말하는 것이 아니라, 오히려 근거리장에서 임의의 공진기의 편파를 표현하는데 필요한 정확히 2개의 수직 성분들

_x와

_y를 말하는 것이다. 또한, 다수의 루프 공진기들에 공급되는 서브 신호들이 상이한 공진 주파수들 ω₁ 및 ω₂를 갖는다면, 총 자기장의 편파도 역시 제어될 수 있다.

타원 편파 모드 하의 수신기(20)는 Rx₁ 내지 Rx₄의 경우들과 같은 단일 공진기 또는 대략 수직한 자기장들을 수신할 수 있도록 구성된 다수의 공진기들로 이뤄진 Rx₅와 같은 공진기 어레이(21)를 포함할 수 있다. 공진기 어레이(21)의 경우, 어레이 공진기들이 수신하는 서브 신호들은 각도들 φ₁,…,φ_n으로 지연되거나 위상 천이된다.

도 4를 참조하면, Rx 공진기들 Rx₁ 내지 Rx₄는 선형 편파되는 반면에, 공진기 Rx₅는 타원 편파된다. Tx 공진기들의 지연 또는 위상을 적절히 조정함으로써 근거리 자기장

를 강제로 회전시키는 것은 Tx 공진기를 중심으로 한 위치나 방향과 상관없이 상호 인덕턴스를 통해 모든 수신기들에 전력을 전송하는 것을 가능하게 한다. Rx 공진기들은 공진기들 Rx₁ 내지 Rx₄와 같이 선형 편파되거나, Rx₅와 같이 타원 편파된다. 모든 Rx₁ 내지 Rx₄ 수신기들은 사이클의 어떤 일부 동안 유리하게 위치될 수 있어 적절한 설계 상호 인덕턴스로써 수신기 공진기의 위치와 상관없이 안정된 레벨로 머물 수 있다. 다른 실시 예들에서는, 수신기 Rx₅가 원형으로 또는 타원형으로 편파되도록 설계될 수 있다.

각각의 수신기 공진기의 위상 천이들은 근거리장의 편파에 대해 미리 정해질 수 있다. 대안적으로, 수치 최적화 및 회로 분석을 사용하여 각각의 공진기에 대해 송신 공진기와 수신 공진기 사이의 안정된 상호 인덕턴스 M을 광범위한 방향 각도들에 대해 얻기 위해 필요한 위상 천이들을 찾을 수 있다.

일부 실시 예들에서는, 수신기에 맞춰 최적화된 근거리 자기장을 생성하도록 송신기가 송신 공진기 어레이(18)의 위상을 구성하게끔 수신기(20)가 피드백 정보를 전송한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타원 편파 공진기(40) 어레이를 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 공진기 어레이는 3개의 루프 공진기들을 포함하는데, 그 각각의 공진기는 서로 대략 수직하고 서로의 부분들 상에 오버레이(overlay)된다. 따라서 3개의 공진기들에 의해 생성되는 3개의 자기장들은 근거리장 영역에서 서로 대략 직교한다. 루프들은 다수의 상이한 형상들(예컨대, 원형, 타원형, 정사각형, 및 직사각형)일 수 있다. 또한, 루프들은 매우 다양한 크기들로 될 수 있다. 전술한 바와 같이, 3개의 공진기들에는 각각 가중 계수 A_i와 위상 θ_i를 갖는 서브 신호가 공급되어 각각의 공진기가 공급된 서브 신호와 대응하는 자기장을 생성한다.

공진기 어레이가 송신기에 채용되는 일부 실시 예들에서는, 송신기가 가중 계수들 A_i와 위상들 θ_i를 조정함으로써 타원 편파 자기장 또는 선형 편파 자기장을 생성하는데 사용될 수 있다. 공진기 어레이가 수신기에 채용되는 다른 실시 예들에서는, 수신기가 위상들 θ_i를 조정함으로써 수신 전력을 최대화할 수 있다.

루프 공진기의 공진 주파수는 폐루프 인덕턴스와 외부 부가 커패시턴스를 기반으로 한다. 루프 공진기에서의 인덕턴스는 일반적으로 루프에 의해 생성되는 인덕턴스인 반면에, 커패시턴스는 일반적으로 외부에서 루프 공진기의 인덕턴스에 부가되어 원하는 공진 주파수로 공진 구조를 생성한다.

도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 예시적 위상 천이 회로들을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 위상 천이기들은 Tx 및 Rx 공진기들과 결합하여 근거리 자기장을 회전시키거나 근거리 자기장으로부터 최대 전력을 수신하도록 Rx 공진기를 최적화하는데 적절한 위상들 θ₁,…,θ_M 및 φ₁,…,φ_N을 각각의 공진기에 제공한다.

무선 전력 전송에 할당되는 것과 같은 저 주파수들(즉, 공진기의 물리적 크기와 길이가 동작 파장보다 훨씬 더 작음) 및 좁은 대역폭들에서는, 위상 천이기들이 저역/고역 통과 필터들을 통해 구현될 수 있다. 그러한 필터들의 설계는 무손실 회로(lossless circuit)들 및 다음과 같은 그들의 해당 방정식을 사용하여 유도될 수 있다:

여기서, φ는 지정 주파수 ω에서의 원하는 위상 차 또는 지연이고, Z₀는 시스템의 특성 임피던스(characteristic impedance)이다.

적절한 위상 천이기 토폴로지(topology)의 선택은 소자들의 가용성, 공진기 장치에서의 공간 가용성, 가용 소자들의 손실 성능 등을 기반으로 한다. 일부 실시 예들에서는, 위상 천이기가 수학식 5 내지 수학식 8을 기반으로 하여 설계될 수 있다. 대안적으로, 최상의 성능을 위해 위상 천이 값에 대한 최적화 방법이 채용될 수도 있다. 현재, 무선 전력 전송 시스템의 표준은 ISM 주파수 대역들(15KHz 대역폭을 갖는 6.78MHz 및 13.56MHz)에서의 동작을 허용하고 있다. 그러나 그러한 주파수들의 선택은 전자기적 관점의 여러 이유들과 관련된 것으로, 근거리장 조건을 만족하는 한 동작 주파수의 선택에 있어 특별한 제한은 없다.

무방향성 무선 전력 전송의 설명

도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 송신 및 수신 공진기들을 사용하는 무선 전력 전송 시스템을 도시하고 있다. 공진기들은 직교하게 배치된 지름 32cm의 2개의 원형 루프들을 포함하고, 그 2개의 루프들에는 T 정크션(T-junction)을 통해 동일한 전력이 공급된다. 수신 공진기 어레이는 자신을 중심으로 하여 각도들 φ∈[0°, 180°]로 정적으로 회전하고, 동작 주파수는 6.78MHz이다.

회로 분석을 사용하여, 송신 공진기와 수신 공진기 사이의 안정된 상호 인덕턴스를 얻기 위해 각각의 공진기에 필요한 위상 천이를 광범위한 회전각들에 대해 알아낸다. Tx 및 Rx 공진기에 대한 등가 회로 파라미터들은 다음과 같다.

본 실시 예에서, 위상 천이기들을 사용한 그리고 위상 천이기들을 사용하지 않은 공진기들의 시스템의 상호 인덕턴스 M이 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 위상 천이기들의 사용은 20°내지 100°의 범위의 회전각들에 대해 2.5nH의 안정된 상호 인덕턴스를 가져온다. 그 반면에, 위상 천이기들이 사용되지 않으면, 상호 인덕턴스는 큰 변동을 보이고, 그러한 변동은 시스템 디튜닝 또는 효율의 손실을 유발한다. 그러한 낮은 주파수들에서의 위상 천이기들의 사용은 시스템 복잡도 또는 비용을 실제로 증가시키지 않는다는 것을 주목하여야 할 것이다.

본 발명의 실시 예들은 송신기와 수신기의 상대 위치 및 방향과 상관없이 효율적 무선 3차원(3D) 전력 전송을 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명을 예시적 실시 예들로 설명하였으나. 당업자에게는 다양한 변경들 및 수정들이 생각날 것이다. 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위의 범위에 속하는 그러한 변경들 및 수정들을 포괄하는 것으로 하고자 한다.

Claims

무방향성 무선 전력 전송 장치에 있어서,
근거리장 영역에서 비방사성 자기장을 생성하도록 구성된 적어도 2개의 루프 공진기들을 포함하고, 적어도 2개의 루프 공진기들이 근거리장 영역에서 각각에 의해 생성되는 자기장이 근거리장 영역의 어떤 부분 또는 특정 부분에서 다른 하나에 의해 생성되는 자기장과 대략 직교하도록 배치되는 송신 공진기: 및
하나의 신호를 가중 계수들을 갖고서 적어도 2개의 루프 공진기들에 공급되는 적어도 2개의 서브 신호들로 분할하도록 구성된 전력 분배기를 포함하는 장치.
제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 서브 신호들 중의 적어도 하나의 위상을 적어도 2개의 서브 신호들 중의 다른 하나의 위상에 대해 천이시키도록 구성된 적어도 하나의 위상 천이기를 더 포함하는 장치.
제 2 항에 있어서, 각각의 서브 신호의 가중 계수들 및 위상들을 조정하도록 전력 분배기와 적어도 하나의 위상 천이기를 각각 구성함으로써 근거리 자기장의 편파를 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제어기는 근거리 자기장이 적어도 2개의 루프 공진기들을 둘러싸는 공간의 특정 부분에서 타원형으로 편파되도록 가중 계수들을 같지 않게 설정하고 적어도 2개의 루프 공진기들 사이의 위상 차를 90°의 홀수 배수도 아니고 180°의 배수도 아니게 설정하도록 구성되는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제어기는 근거리 자기장이 적어도 2개의 루프 공진기들을 둘러싸는 공간의 특정 부분에서 원형으로 편파되도록 가중 계수들을 같게 설정하고 적어도 2개의 루프 공진기들 사이의 위상 차를 90°의 홀수 배수가 되게 설정하도록 구성되는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제어기는 근거리 자기장이 적어도 2개의 루프 공진기들을 둘러싸는 공간의 특정 부분에서 선형으로 편파되도록 가중 계수들을 같게 설정하고 적어도 2개의 루프 공진기들 사이의 위상 차를 180°의 배수가 되게 설정하도록 구성되는 장치.
제 3 항에 있어서, 수신기에 맞춰 최적화된 근거리 자기장을 생성하도록 적어도 2개의 서브 신호들의 진폭들 및 위상들을 결정하기 위해 수신기로부터 피드백 정보를 수신하는 통신 모듈을 더 포함하는 장치.
제 1 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들은 서로 분리되거나 서로의 부분들 상에 오버레이되는 장치.
제 1 항에 있어서, 근거리 자기장을 장거리로 중계하도록 구성된 중간 루프 공진기를 더 포함하는 장치.
무방향성 무선 전력 전송 장치에 있어서,
외부 비방사성 자기장의 존재 하에 공진하도록 구성된 적어도 2개의 루프 공진기들을 포함하고, 적어도 2개의 루프 공진기들이 각각에 의해 수신되는 자기장이 다른 하나에 의해 수신되는 자기장과 대략 직교하도록 배치되는 수신 공진기; 및
적어도 2개의 루프 공진기들로부터 수신된 서브 신호들을 결합하도록 구성된 전력 결합기를 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들에 의해 수신된 적어도 2개의 서브 신호들 중의 하나의 위상을 다른 것에 대해 천이시키도록 구성된 적어도 하나의 위상 천이기를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들에 의한 전력의 결합 수신을 최적화하도록 수신 서브 신호들의 위상 천이들을 조정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 송신기에 피드백 정보를 전송하여 근거리 자기장을 최적화하도록 송신기의 진폭들과 위상들을 결정하기 위해 송신기에 피드백 정보를 전송하도록 구성된 통신 모듈을 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들이 타원형으로 편파된 근거리 자기장에서 서브 신호들을 수신하도록 적어도 2개의 루프 공진기들 사이의 위상 차를 90°의 홀수 배수도 아니고 180°의 배수도 아니게 설정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들이 원형으로 편파된 근거리 자기장에서 최적으로 서브 신호들을 수신하도록 적어도 2개의 루프 공진기들로부터 수신되는 적어도 2개의 서브 신호들 사이의 위상 차를 90°의 홀수 배수가 되게 설정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들이 선형으로 편파된 근거리 자기장에서 최적으로 서브 신호들을 수신하도록 적어도 2개의 루프 공진기들로부터 수신되는 적어도 2개의 서브 신호들 사이의 위상 차를 180°의 배수가 되게 설정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 결합 신호를 DC 전력으로 변환하고, 변환된 DC 전력을 출력하여 배터리를 충전하거나 장치에 전력을 공급하는 컨버터를 더 포함하는 장치.
제 10 항에 있어서, 적어도 2개의 루프 공진기들은 서로 분리되거나 서로의 부분들 상에 오버레이되는 장치.
제 10 항에 있어서, 각각의 서브 신호의 위상 천이들은 근거리 자기장의 편파에 대해 미리 결정되는 장치.
무방향성 무선 전력 전송 방법에 있어서,
각각에 의해 생성되는 자기장이 근거리장 영역의 어떤 부분 또는 특정 부분에서 다른 하나에 의해 생성되는 자기장과 대략 직교하도록 배치되는 적어도 2개의 루프 공진기들에 의해 근거리장 영역에서 비방사성 자기장을 생성하는 단계;
근거리 자기장의 편파에 대해 수신 전력을 최적화하기 위해 적어도 2개의 루프 공진기들 중의 적어도 하나에서 신호들의 위상들을 천이시키는 단계; 및
적어도 2개의 루프 공진기들로부터 생성된 서브 신호들을 결합하는 단계를 포함하는 방법.
제 20 항에 있어서, 수신기에 의해 최적으로 수신되는 근거리 자기장을 생성하도록 송신기의 서브 신호들의 위상을 결정하기 위해 송신기에 피드백 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 방법.