KR20140111554A - 고효율 무선 통신을 위한 복수 턴의 다층 구조 - Google Patents

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Abstract

다수의 도전체층과, 다수의 도전체층의 각각을 분리하는 절연체층과, 다수의 도전체층 중에서 두 개를 연결하는 최소한 한 개의 커넥터로 구성되며, 전기 신호가 소정의 주파수에서 공진기내에 유도되는 경우에는 전기 저항이 감소되는 무선 통신용 구조체.

Description

고효율 무선 통신을 위한 복수 턴의 다층 구조{Multi-layer-multi-turn structure for high efficiency wireless communication}
본 주제는 일반적으로 무선 전원 및/또는 데이터 전송 및 통신 시스템을 제조하고 운영하고 디자인하는 시스템 및 장치 그리고 방법에 관한 것이다. 그리고 더 구체적으로, 근거리 무선 전원 및/또는 데이터 전송 및/또는 통신 시스템에서 사용을 위한 고효율 구조를 디자인, 운영 및 제조하는 시스템 및 장치 그리고 방법에 관한 것이다.
최근에, 상업용 전자 제품, 의료 시스템, 군사 시스템, 고주파 변압기, 나노 규모의 전원을 포함하는 마이크로일렉트로닉스 및/또는 데이터 전송 또는 그의 미소전자기계(microelectromechanical)시스템(MEMS), 산업, 과학 및 의료(ISM) 대역 수신기, 무선 감지 등과 같은 근거리 무선 전원 및/또는 데이터 전송 및/또는 통신 시스템에 적용된 어플리케이션들은 이들 시스템에서 사용되는 안테나(또한 공진기(resonators)로 언급 되는)가 상대적으로 낮은 품질 인자를 가지기 때문에 최적의 성능을 달성하는 데 제한을 받아 왔다.
이러한 무선 전송 및/또는 통신 시스템의 상대적으로 낮은 품질 인자는 주로 "스킨 효과(skin effect)"로 알려진 현상에 의해 발생하는 높은 저항 손실 때문이다. 일반적으로 스킨 효과는 도전체 내에 자체로 분포되는 교류 전류(AC)의 경향이 있어 전류 밀도는 전기 전류 흐름에 비례하여 잔여(remaining) 도전체 몸체(body)가 ‘미사용된’ 상태가 되므로 도전체의 표면에 더 두드러진다. 전형적으로 전류 밀도는 도전체의 표면으로부터 멀어지는 곳에서 쇠퇴되기 때문에 전기 전류 흐름에 비례하여 잔여 도전체 몸체는 ‘미사용된’ 상태이다. 전기 전류는 거의 표면 가까이에서 흐르며 이를 도전체의 “스킨(skin)”이라고 말한다. 표면으로부터 흐르는 전류의 깊이(depth)를 ‘스킨 깊이(skin depth)’라 한다. 따라서 도전체가 전기신호를 전도할 수 있는 몸체로 정의되는 반면,‘스킨 깊이’는 전송 및/또는 통신에서 활성화되는 경로(path)를 전도하는 전기 신호로 정의한다.
무선 전원 및/또는 데이터 전송 및/또는 통신을 적용하는 시스템에서, 스킨 효과 현상은 안테나 배선 및 회로를 통해 전류가 흐를 때 일반적으로 에너지 손실이 발생한다. 높은 주파수에서 더 높은 저항 손실은 대부분 전자 장치 또는 기기에서 직면하는 문제이다. 스킨 효과는 주파수가 증가되는 동작에서 더 지배적이다. 더 높은 주파수에서 안테나를 형성하는 배선의 전체 단면을 통해 정상적으로 흐르는 전류는 그 표면에 제한되게 된다. 그 결과, 배선의 효과적인 저항은 전류가 분배될 수 있는 실제 직경보다 더 얇은 배선의 것과 유사하다. 저주파수에서 효율 성능에 대한 허용 저항을 나타내는 배선은 고주파수에서 허용될 수 없는 저항의 배선으로 전환된다. 허용 저항에서 허용될 수 없는 저항 전이는 특별한 어플리케이션에서 필요로 할 때에 전자 신호를 전도할 수 없는 비효율 전원 그리고/또는 데이터 전송 그리고/또는 통신 시스템으로 해석된다. 또한, 오늘날의 안테나 디자인은 이러한 비효율성을 해결하지 않고, 어떤 경우에는 무선 전원 및/또는 데이터 전송 및/또는 통신 시스템의 비효율을 가중시킨다. 비록 완전하지 않지만, 예를 들면, 현재의 안테나 기술에 의해 제한받는 전형적인 어플리케이션은 무선 주파수 식별(RFID), 배터리 충전 및 재충전, 원격 측정, 감지, 통신, 자산 추적, 환자 모니터링, 데이터 입력 및/또는 검색 등을 포함한다. 시스템 구성 요소의 과열(overheating), 데이터 검색의 속도와 정확성, 에너지 전달, 전송 거리 제약 및 전송 오차 한계는 무선 전원 및/또는 데이터 전송 및/또는 통신 어플리케이션에서 또 다른 심각한 문제이다.
이식 의료 장비(IMDs), 심박[심장 박동]조율기, 세동제거기[제세동기] 및 신경 조절(neuromodulation) 또는 신경 근육(neuromuscular) 자극 장치 같은 이식 의료 장비(IMDs)의 어플리케이션에서, 배터리 충전 시간을 최소화 하는 것이 요구된다. 빠른 배터리 충전 시간은, 예를 들어, 불쾌한 입원기간, 불편함, 그리고 부상에 대한 잠재성을 줄인다. 만약 안테나가 저항 손실이 적다면, 배터리 충전은 더 먼 거리로부터 성능 저하 없이 안테나의 잘못된 정렬 및 잘못된 방향에 대해 더 높은 허용 내성(tolerance)을 가지고 수행될 수 있다. 정확한 방향 및 맞춤은 특히 비만 환자에 대해 달성하기 어려운 것으로 알려져 있다. 또한, 또는 양자 택일로, 만약 더 작은 크기의 구조가 설계 및 성공적인 시스템 운영에 필요한 성능 특성을 유지하면서 실제로 제조 될 수 있다면, IMDs의 전체 크기는 감소될 수 있다.
공급 체인 관리, 제품 신뢰성, 및 자산 관리와 같은 RFID 어플리케이션에서는, 판독 범위 증가, 판독 속도 증가, 시스템 안정성 향상 및 시스템 정확도 향상을 시킬 필요가 있다. 고 주파수에서, 예를 들어, 읽기 범위는 팔레트 추적(pallet tracking)에 일반적으로 충분하지 않는 최대한 3 피트이다. 초(Ultra) 고주파 리더는 8-10 피트 거리를 더 읽을 수 있으나, 그들은 판독 범위에 읽을 수 없는, 널 스팟(null spots)을 나타내거나 물에 의해 흡수된 또는 금속에 의해 반영된 신호와 같은 다른 성능 문제를 초래한다. 판독 범위를 증가하기 위해 더 좋은 성능 향상을 위해 신호를 다시 반향시키는 집중된 전원이 요구되며, 따라서 이러한 사안을 해결하는데 도움을 줄 수 있다.
엄격한 조건 하에서 공진(resonace)을 유지하는데 필요한 효율적인 저 손실 코일을 필요로 하는 어플리케이션에서는, 기존의 배선 기반 안테나는 변형 될 수 있다. 어떤 배선 단면의 변형은 인덕턴스와 아마 저항의 변화를 초래할 것이고, 결국, 안테나의 공진 주파수를 변화시키고, 결과적으로 전체 시스템 저항을 증가시킬 것이라는 것은 잘 알려져 있다. 변형을 절충하기 위한 잠재성을 줄일 수 있는 이러한 유형의 구조를 제조하는 개선된 방법은 이런 문제를 제거할 수 있다. 현재 개념은 강성(rigid) 구조 설계 및 고정된 유연한(flexible) 구조 설계 모두를 포함하는 제조 방법을 포함한다.
상기에서 토론된 문제를 수정하기 위해서, 리츠 배선이 개발 되었다. 그러나, 리츠 배선은 주파수 어플리케이션에서 사용하기에는 일반적으로 충분 하지 않으며, 따라서 일반적으로 약 3 MHz 이상의 주파수를 운영하는 어플리케이션에 유용하지 않다. 리츠 배선은 다수의 트위스트 또는 일정 한 패턴으로 꼰 개별적으로 절연된 자석 배선으로 구성된 배선으로 각 배선 가닥(strand)은 전체의 도전체 단면에서 가능한 모든 위치를 가지려 하는 경향이 있다. 이 다중 가닥(multi-strand) 구성 또는 리츠 구조는 "스킨 효과" 때문에 고체(solid) 도전체에서 나타나는 전력 손실을 최소화하기 위해 설계 되었다. 리츠 배선 구조는 도전체의 크기를 매우 크게 늘리지 않고 표면적의 크기를 증가하여 이 효과에 대응하는 것을 시도했다. 그러나, 적절히 구조된 리츠 배선은 가닥의 제한으로 인해 일부 스킨 효과가 나타났다. 더 높은 주파수 범위를 위해 기대되는 배선은 일반적으로 동일 단면적 그러나 더 적고 더 큰 가닥으로 구성되지 않은 리츠 배선보다 핑거 게이지(finger gage) 크기의 더 많은 가닥이 요구된다. 리츠 배선의 공급자가 효율성을 향상 시킬 수 있는 구성에 제공하는 가장 높은 주파수는 약 3MHz이다. 현재 이 3Mhz의 최대 주파수 한계를 넘는 작동 주파수의 어플리케이션에 대한 어떠한 해결책이 없다.
따라서 구조의 내부 저항 손실을 감소시키고, 특히, 높은 품질 인자를 얻기 위한 고 주파수에서 구조의 내부 저항 손실을 감소시키는 향상 된 고효율 구조 설계 및 제조 방법의 존재가 요구된다.
여기 개념은 상술한 고주파수에서의 더욱 높은 저항 손실로 인해 더 낮은 품질 인자를 야기시키는 문제점들을 구조내에서 컨덕턴스 영역을 증가시키는 개념(concept)인 다중 배선(multi-layer)을 이용하여 완화한다. 다중 배선 구조는 구조의 품질 인자의 증가 그리고 도전체 손실의 감소를 가져 온다. 본 개념은 무선 전송 및/또는 근거리 에너지 전송을 위한 통신, 전력 전송, 데이터 전송 또는 그것의 조합에 적용 된다. 좀 더 구체적으로, 본 개념은 무선 전송 및/또는 근거리 에너지 네트워크를 위한 통신, 전력 네트워크 또는 데이터 네트워크의 일부와 모든 조합을 포함하여 적용된다.
무선 에너지 전송 또는 무선 전원 전송은 상호연결 배선 없이 전원으로부터 전기 부하로의 전기 에너지 전송이다. 에너지, 전력 또는 데이터의 무선 전송에 대해 시스템을 실용적으로 만들기 위해 수신기 또는 수신기들에 전송 신호는 도착되어야만 하기 때문에 효율은 중요한 파라미터이다. 에너지, 전력, 또는 데이터 전송을 포함하는 무선 전송의 가장 일반적인 형태는 공진 자기 유도 뒤에 직접 유도를 사용하여 수행된다. 현재 고려되는 또 다른 방법은, 예를 들어 마이크로웨이브 또는 레이저인 그러나 이것에 제한되지 않는 전자기파(electromagnetic radiation)를 포함한다.
또한, 무선 에너지 수신 또는 무선 전력 수신은 상호 연결 배선 없이 전원으로부터 전기 에너지의 수신이다. 에너지, 전력 또는 데이터의 무선 수신에 대해, 시스템을 실용적으로 만들기 위해 전송기 또는 전송기들로부터 신호의 수신이 수신되어 야만 하기 때문에 효율은 중요한 파라미터이다. 이와 같이, 에너지, 전력 또는 데이터를 포함하는 무선 수신의 형태는 마이크로웨이브 또는 레이저의 형태인 전자기파는 물론 공진 자기 유도, 직접 유도를 사용하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 상호 연결 배선없이 전기 에너지, 전력 및/또는 데이터의 무선 통신을 할 수 있다. 무선 통신은 동시에 또는 독립적으로 전기 에너지, 전기 전력 또는 데이터의 전송 및/또는 수신을 구현한다.
본 개념의 일 측면은 배선 단면에서 유용한 도전체 단면을 극대화함으로 공진기내 저항 손실이 최소화되는 무선 전원 및/또는 데이터 전송 또는 수신을 위한 공진기이다. 일 실시예로, 공진기는 배선 내에 비 도전성 유전체층을 투입하여 결과적으로 도전성 물질층에 비 도전성 물질층을 번갈아 구성하는 구조를 가지므로 인해 원하지 않는 고주파수 스킨 효과를 경감시킨다. 이 구조는 증가된 표면들의 각각에 대해 특징적인 스킨 깊이를, 모두 전기적으로 또는, 그렇지 않으면 연결 형태로 효과적으로 제공하고 있다. 스킨 깊이는 대략 도전체 깊이의 절반부터 도전체 깊이와 동일한 범위를 가진다. 도전체 깊이는 스킨 깊이의 2 배 깊이의 범위 일 수 있다. 그러나 가용 기술, 비용 그리고 어플리케이션에 따라, 도전체 깊이는 스킨 깊이의 20배 또는 그 이상 클 수도 있다.
공진기는 다층 배선으로 이루어지고 적어도 한 번의 턴(turn)을 가지는 코일을 포함한다. 다층 배선은 절연 물질층에 의해 분리된 첫번째 그리고 두번째 도전체층을 포함할 수 있다. 도전체층은 실질적으로 동일한 두께 및/또는 동일한 깊이를 가지며, 이 두께 및/또는 깊이는 스킨 깊이와 스킨 깊이의 2배 사이의 범위이다. 그러나, 가용 기술, 비용, 그리고 어플리케이션에 따라, 도전체 두께 및/또는 깊이는 스킨 깊이의 20 배 또는 그 이상 클 수 있다. 각 도전체층은 비어(via), 납땜, 태브, 배선, 핀, 또는 리벳과 같은 그러나 이들에 제한되지 않는 적어도 하나의 상호연결 방법에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
비도전층의 하나의 목적은 두 개의 다른 도전성층을 절연하도록 하는 것이다. 비도전층의 가장 기본적인 디자인은 충분한 절연 특성을 지속적으로 제공하면서 제조 공정이 현실적으로 허락될 수 있는 만큼 얇은 것이 이상적이다. 예를 들어, PCB 기술에서,층의 두께는 “코어 두께” 와 프리 프레그(pre-preg) 두께에 의해 표시된다. 다른 디자인에서, 비도전층의 두께는 구조의 전기적 동작(behavior)을 수정하기 위해 선택 된다.
공진기는 100보다 큰 품질 인자를 가질 수일 있다. 가급적이면, 품질 인자는 350 보다 크다. 가장 이상적으로 품질 인자는 600 보다 크다. 두 개의 공진기가 요구되는 시스템에서 동일하거나 거의 유사한 품질 인자를 가지는 공진기들을 가지는 것은 통상의 기술자들에는 명백하다. 또한, 두 개의 공진기가 요구되는 시스템에서 하나의 공진기는 실질적으로 서로 다른 품질 인자를 가지는 공진기들을 이용하는 것은 통상의 기술자에게는 명백하다. 각 공진기에 대한 품질 인자 선택은 어플리케이션, 각각에 대한 디자인 규격(specification) 그리고 각각의 공진기의 사용 목적에 의존된다. 전통적인 유도성 결합 시스템에서는 약 30 품질 인자를 가지는 공진기가 이용된다고 생각된다. 또한, 예를 들면 공기에서 100 품질 인자를 가지는 공진기를 사용하는 환경에 의존하는 공진기의 품질 인자는 인간 또는 동물 조직에 이식될 때 단지 50 품질 인자를 가진다는 것은 통상의 기술자에게는 명백하다. 어떤 주어진 환경에서 여기에서 기술된 MLMT 구조는 전통적인 공진기를 능가할 것이다.
결과적으로, 배선 내 손실 감소와 공진기의 현저하게 감소된 내부 저항은 고 효율, 넓은 범위, 적은 에너지 소비, 더 긴 운영시간과 과열(overheating)과 같은 사건들이 발생하지 않고 동작을 단순화하는 소형 무선 시스템을 가능하게 한다.
일 예로 무선 전송 또는 무선 수신에 대한 구조를 나타냈다. 이 구조는 무선으로 전기 에너지, 전자기 에너지, 및/또는 전력을 전송 및/또는 수신하도록 디자인 됐다. 또한, 이 구조는 전자 데이터 전송을 할 수 있다. 게다가, 이 구조는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전력 그리고 전자 데이터의 조합을 함께 또는 개별적으로 전송 및/또는 수신할 수 있다.
이 구조는 복수의 도전체층, 도전체층을 각각 분리하는 절연층, 그리고 두 개 이상의 도전성층을 연결하는 적어도 한 개의 커넥터로 구성될 수 있다. 복수의 도전체층의 각각은 적어도 하나의 턴(turn)과 더욱이 평행 방향에 배치될 수 있다. 도전체층 각각은 전기 도전성 물질로부터 형성될 수 있다. 상기 도전성 물질은 구리 티타늄, 백금 및 백금/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오븀, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금, 스테인레스 스틸, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 귀금속 또는 생체에 적합한 물질과 그들의 어떤 조합으로 구성 될 수 있다. 도전체층은 원형 단면, 직사각형 단면, 정사각형 단면, 삼각형 단면, 또는 타원형 단면에 제한되지 않은 단면 형태(cross-sectional shape)일 수 있다. 도전체층을 연결하는 커넥터는 비어(via), 납땜, 태브, 배선, 핀 또는 리벳일 수 있으며 이들에 제한되지는 않는다.
그 구조는, 원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성과 같은 구조적 형태를 가지나, 이들에 한정되지는 않는다. 다른 구성들도 구조의 전기적 특성들을 수정하기 위해 이용될 수 있다.
본 구조내의 전기 저항은, 전기 신호가 어느 한 주파수에서 공진기내에 유도되는 경우에 감소된다. 그 주파수는 약 100kHz- 약 10GHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택될 수 있다. 게다가, 그 주파수는 약 100kHz- 약 10GHz에 이르는 주파수 범위 안에 있는 주파수 밴드가 되거나, 그 주파수 범위내에 존재한다. 전기 신호는 전압, 전류, 디지털 데이터 신호 또는 그들의 조합이 될 수 있다.
다른 보기에서는, 다수의 도전체층과, 상기 다수의 도전체층의 각각을 분리하는 절연체층과, 상기 다수의 도전체층 중에서 두 개 이상을 연결하는 최소한 한 개의 커넥터로 구성되며, 전기 신호가 한 주파수에서 상기 구조내에 유도되는 경우에는 전기 저항이 감소되는 무선 통신용 구조가 기재되어 있다. 도전체층은, 도전성 테이프, 도전성 리본 및 침착된(deposited) 금속중에서 최소한 한 개를 포함한다. 다른 몇 가지 보기에서는, 약 100kHz - 약 3MHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택될 수 있다. 다른 보기들에서는, 약 100kHz- 약 3MHz에 이르는 주파수 범위 안에 있는 주파수 밴드가 될 수 있다. 또 다른 보기에서는, 그 주파수가 약 3MHz-약 10GHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택된다. 다른 보기들에서는, 주파수가 약 3MHz-약 10GHz에 이르는 주파수 범위내에 있는 주파수 밴드가 될 수 있다.
다수의 도전체층의 각각은, 평행 방향으로 배치되어 있다. 다수의 도전체층의 전체 개수보다 적거나 또는 그와 동일한 개수가 될 수 있다. 그리고 전기적으로 평행하게 연결될 수 있다. 전기적으로 평행하게 연결된 다수의 도전체층은 전기적으로 연결된 한 개 이상의 다수의 제 2도전체층과 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 전기 신호는, 에너지 신호, 전원 신호 및 데이터 신호 중에서 최소한 한 개를 포함할 수 있다. 전기 신호는 전류, 전압, 또는 데이터 신호 중에서 최소한 한 개를 포함할 수 있다. 그 구조는 100보다 큰 품질 인자를 가질 수 있다. 그 구조는 또한 저항기, 인덕터, 및 커패시터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 회로 요소를 포함할 수 있다. 도전체층은 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 및 타원형의 단면들 중에서 최소한 한 개의 단면 형태를 포함할 수 있다. 커넥터는 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 리벳 등 중에서 최소한 한 개를 포함할 수 있다.
그 구조는 구조적 형태를 가지며, 그 구조적 형태는 원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성 중에서 최소한 한 개를 포함할 수 있다. 다수의 도전체층은, 최소한 한 개의 턴을 가질 수 있다. 도전체층 중에서 최소한 한 개의 도전층은 전기적 도전성 물질로부터 형성된다. 상기 도전성 물질은 구리, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금들, 스테인레스 강철, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 희귀 금속 및 생물학적 적합성 물질을 포함할 수 있다. 최소한 한 개의 절연체는 전기적 절연 물질로부터 형성된다. 상기 절연 물질은 스티로폼, 실리콘 이산화탄소, 또는 어느 적합한 생물학적 적합성 세라믹, 또는 낮은 유전율을 가지는 유사한 유전체, 높은 유전율을 가지는 비도전성 유전체 및 페라이트 물질을 포함할 수 있다.
그 구조는 공진기, 안테나, RFID 태그, RFID 트랜스폰더, 및 의료 기기 중에서 최소한 한 개를 포함하는 장치내에 내장 가능하다.
다른 보기에서는, 무선 전송 또는 무선 수신용 공진기(resonator)가 기재되어 있다. 공진기는 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원의 무선 전송 및/또는 수신을 실현시킬 수 있도록 설계되어 있다. 게다가, 공진기는 전자 데이터의 전송 또는 수신을 할 수 있다. 게다가, 공진기는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터의 조합을 전송하거나 또는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터의 각각을 분리하여 전송할 수 있다.
공진기는 다수의 도전체층을 포함하며, 각 도전체는 도전체 길이, 도전체 높이, 도전체 깊이 및 스킨 깊이를 가지는 도전성 표면을 가지고 있다. 스킨 깊이는 도전체 깊이에서 도전체 깊이의 절반에 이르는 범위내에 존재한다. 그러나, 이용가능한 기술, 비용, 및 이용 분야에 따라, 도전체 깊이는 스킨 깊이의 20배 또는 그 이상이 될 수 있다. 다수의 도전체층은 최소한 한 개의 턴을 가질 수 있다. 게다가, 다수의 도전체층의 각각은 실제적으로 동일한 도전체 길이, 도전체 높이, 또는 도전체 깊이를 가지거나 또는 가질 수 없다. 도전체층들은 전기적으로 도전성인 물질로부터 형성될 수 있다. 도전성 물질은 구리, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금들, 스테인레스 강철, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 희귀 금속 및 생물학적 적합성 물질과 그들의 조합을 포함할 수 있다.
다수의 도전체층은 공진기 본체를 형성하도록 배치될 수 있다. 공진기 본체는 공진기 본체 길이, 공진기 본체 폭과 공진기 본체 깊이를 가질 수 있다. 전기 신호가 공진기 본체를 통해 유입되는 경우에는, 전기 신호가 스킨 깊이의 도전성 표면을 통해 전파된다. 전기 신호는 전류, 전압, 디지털 데이터 신호 또는 그들의 조합이 될 수 있다.
공진기내의 다수의 도전체층은 절연층으로 분리된 제 1도전체층과 제 2도전체층으로 구성된다. 제 1도전체층은 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 타원형의 단면들을 가지나, 이들에 한정되지는 않는다. 공진기는 원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성과 같은 구조적 형태를 가지나, 이들에 한정되지는 않는다.
다수의 도전체층의 최소한 한층은, 도전성 테이프, 도전성 리본 및 침착된(deposited) 금속 중에서 최소한 한 개를 포함한다. 전기 신호는, 에너지 신호, 전원 신호 및 데이터 신호 중에서 최소한 한 개를 포함할 수 있다. 전기 신호는 또한 전류, 전압, 또는 데이터 신호 중에서 최소한 한 개가 될 수 있다. 공진기는 100보다 큰 품질 인자를 가질 수 있다. 최소한 한 개의 절연체는 전기적 절연 물질로부터 형성되나, 이들에 한정되지는 않는다. 상기 절연 물질은 공기, 스티로폼, 실리콘 이산화탄소, 또는 어느 적합한 생물학적 적합성 세라믹, 또는 낮은 유전율을 가지는 유사한 유전체, 높은 유전을 가지는 비도전성 유전체 및 페라이트 물질을 포함할 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.
전기 신호는, 최소한 한 개의 주파수를 이용하여 공진기 본체를 통해 유도된다. 몇 가지 보기들에서는, 그 주파수가 약 100kHz - 약 3MHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택될 수 있다. 다른 보기들에서는, 약 100kHz - 약 3MHz에 이르는 주파수 범위 안에 있는 주파수 밴드가 될 수 있다. 또 다른 보기에서는, 그 주파수가 약 3MHz-약 10GHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택된다. 다른 보기들에서는, 주파수가 약 3MHz - 약 10GHz에 이르는 주파수 범위내에 있는 주파수 밴드가 될 수 있다. 다른 보기들에서는, 약 100kHz - 약 10GHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택될 수 있다. 다른 보기들에서는, 그 주파수가 약 100kHz - 약 10GHz에 이르는 주파수 범위내에 있는 주파수 밴드가 될 수 있다. 그 공진기는 저항기, 인덕터 및 커패시터로 구성된 그룹으로부터 선택된 회로 요소를 추가로 포함할 수 있으며, 공진기, 안테나, RFID 태그, RFID 트랜스폰더, 및 의료 기기 중에서 최소한 한 개를 포함하는 장치내에 내장 가능하다.
무선 전송 또는 무선 수신용 회로가 기재되어 있다. 그 회로는 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원의 무선 전송 및/또는 수신을 실현시킬 수 있도록 설계되어 있다. 게다가, 그 회로는 전자 데이터의 전송을 할 수 있다. 게다가, 그 회로는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터의 조합을 함께 전송하거나 또는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터를 각각 분리하여 전송할 수 있다.
고주파수에서 회로들은 인덕터들, 커패시터들 등과 같은 수동 소자들을 광범위하게 사용한다. 이러한 회로 구성들의 몇 가지 보기들은 밴드 대역, 고대역(high pass), 및 저대역(low pass) 필터들; 혼합 회로들(예를 들면, 길버트 셀 : Gilbert cell); 콜피트, 피어스, 하틀리(Hartley) 및 클랩(clap)과 같은 발진기들; 및 차동, 푸시 풀, 피드백 및 무선 주파수(RF) 증폭기들과 증폭기들을 포함하나 이들에 한정되지는 않는다. 상세하게 설명하자면, 인덕터들은 소스 열화(degeneration) 소자로서 저잡음 증폭기(LAN)내에서 매칭 및 피드백시에 이용된다. 럼프형(lumped) 인덕터들은 또한 RF 회로들과 모노리식 마이크로파 집적 회로들내에서 주요 소자가 된다. 럼프형 인덕터들은 전송 라인 구조들이 과도하게 기다란 형태인 온-칩(on-chip) 매칭 네트워크에서 사용된다. 자주, 그것들은 RF 초크(choke)로서 사용되므로, 바이어스 전류들이 화로에 공급되며, 동시에 RF 주파수들과 그 보다 큰 주파수에서 광대역 고임피던스를 제공한다. 재구성가능한 네트워크, 안테나 및 서브시스템에 이상적인 RF MEMS 스위치들, 매칭 네트워크들, 바랙터들도 역시 높은 Q 인덕터들을 요구한다. 수동 소자들과 럼프형 인덕터들과 같은 럼프형 소자들은 교환되어 사용될 수 있으며, 수동 회로 소자는 더욱 넓은 의미의 용어가 된다. 수동 회로 소자는 인덕터, 커패시터, 저항기 또는 단순 배선이 될 수 있다. 상기 언급된 회로들 중에서 거의 모든 회로들에 대해서, 그러나, 이들에 제한되지 않는 회로들에서는, 수동 요소들이 최소한 손실을 입는 것이 바람직하다.
고주파수에서 회로들은 인덕터들, 커패시터들 등과 같은 수동 소자들을 광범위하게 사용한다는 것을 고려하면, 인덕터를 사용하나, 이에 한정되지 않는 것을 이용하는 실시예가 제공된다. 특히 인덕터를 고려해 보면, 최대 Q가 얻어지고 동시에 소망하는 인덕턴스 값을 달성할 수 있도록 설계가 이루어진다. 즉, 인덕터내의 저항 손실은 최소화가 되도록 한다. 동작 주파수, 기판상의 이용가능한 면적, 이용 분야 및 기술에 따라, TEM/전송 라인, 도전성 루프, 또는 나선/솔레노이드/몇 가지 형태들을 가지는 조합으로 실현되나, 이들 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 형태는 원형, 직사각형, 타원형, 정사각형, 또는 불규칙한 구성이 되나, 이들에 한정되지는 않는다. 모든 이러한 실시예들은 제한되지 않으며, 본 발명에서는 다층 구조를 이용하여 실현된다.
다른 보기에서는, 대형 회로의 한 부분으로서 공진기가 논의된다. 공진기는 특정 주파수, 특정 주파수들, 또는 특정 주파수 밴드(들), 공진 주파수, 공진 주파수들, 또는 공진 주파수 밴드(들)에서의 공진(예를 들면, 발진)을 나타내는 장치 또는 시스템이다. 공진 주파수, 공진 주파수들, 또는 공진 주파수 밴드(들)에서는, 발진에 대해 최소의 임피던스가 있다. 전기 회로의 관점에서 보면, 공진 주파수, 공진 주파수들, 또는 공진 주파수 밴드(들)에서는 최소한의 전기 임피던스가 존재한다. 본 발명의 MLMT 구조는 두 개의 기본 조건하에서 공진기로 작동한다. : (1) MLMT 구조가 특정 주파수, 특정 주파수들, 또는 특정 주파수 밴드(들)에서 공진하도록 설계되어 있는 경우에는, 어느 추가적인 전기 요소들이 없는 환경; (2) MLMT 구조가 특정 주파수, 특정 주파수들, 또는 특정 주파수 밴드(들)에서 공진하도록 설계되어 있는 경우에는, 다른 요소들(예를 들면, 커패시터, 커패시터 뱅크, 커패시터 및/또는 인덕터 네트워크)과의 조합을 이룬 상태. 그러므로, 공진기는 대형 회로의 일부분이 될 수 있으며, 공진 기능은 특정 주파수, 특정 주파수들, 또는 특정 주파수 밴드(들), 또는 어느 밴드폭 또는 밴드폭들을 가지는 특정 주파수, 특정 주파수들, 또는 특정 주파수 밴드(들)에서 발생하도록 설계될 수 있다. 추가 요소들(예를 들면, 저항)도 역시 밴드폭(들)을 변경시키기 위해 추가될 수 있다.
무선 전송 또는 무선 수신 시스템이 또한 기재되어 있다. 그 시스템은 전기 에너지, 전자기 에너지 및 전원의 무선 전송을 실현시킬 수 있다. 게다가, 그 시스템은 전자 데이터 전송을 실현시킬 수 있다. 게다가, 그 시스템은 전기 에너지, 전자기 에너지 및 전원, 전자 데이터의 조합을 전송하거나 또는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터를 각각 분리하여 전송할 수 있다.
그 시스템은 다수의 제 1도전체로 구성되는 제 1공진기로 구성된다. 제 1도전체의 각각은, 제 1도전체 길이, 제 1도전체 높이, 제 1도전체 깊이 및 제 1스킨 깊이를 가지는 제 1도전성 표면을 가지고 있다. 다수의 제 1도전체는 제 1공진기 본체 길이, 제 1공진기 본체 폭과 제 1공진기 본체 깊이를 가지는 제 1공진체 본체를 형성하기 위해 배치될 수 있다. 그 시스템은 또한, 다수의 제 2도전체로 구성되는 제 2공진기로 구성된다. 제 2도전체의 각각은, 제 2도전체 길이, 제 2도전체 높이, 제 2도전체 깊이 및 제 2스킨 깊이를 가지는 제 2도전성 표면을 가지고 있다. 다수의 제 2도전체는 제 2공진기 본체 길이, 제 2공진기 본체 폭과 제 2공진기 본체 깊이를 가지는 제 2공진체 본체를 형성하기 위해 배치될 수 있다. 제 1스킨 깊이와 제 2스킨 깊이는 도전체 깊이와 거의 1/2이 되거나 또는 도전체 깊이와 거의 동일할 수 있다. 제 1과 제 2도전체들은 최소한 한 개의 턴을 가지며, 다수의 제 1도전체층과 다수의 제 2도전체층의 각각은 실제적으로 동일한 도전체 길이, 도전체 높이 및 도전체 깊이를 가지거나 또는 가지고 있지 않다. 제 1도전체 깊이와 제 2도전체 깊이는 스킨 깊이로부터 스킨 깊이의 두 배가 되는 범위내에 있다. 그러나, 이용가능한 기술, 비용, 및 이용 분야에 따라, 제 1도전체 깊이와 제 2도전체 깊이는 스킨 깊이의 20배 또는 그 이상이 될 수 있다. 제 1도전체층과 제 2도전체층은 전기적으로 도전성인 물질로부터 형성될 수 있다. 상기 도전성 물질은 구리, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금들, 스테인레스 강철, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 희귀 금속 및 생물학적 적합성 물질과 그들의 조합을 포함할 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.
전기 신호가 제 1공진체 본체를 통해 전파되는 경우에는, 전기 신호가 스킨 깊이의 제 1도전성 표면을 통해 전파되어 제 2공진체 본체를 통해 전기 신호를 유도한다. 유도된 전기 신호는 스킨 깊이에서 제 2도전성 표면을 통해 전파된다. 그 전기 신호는 전류, 전압, 디지털 데이터 신호 또는 그들의 조합이 될 수 있다.
다수의 제 1도전체는 절연층으로 분리된 제 1도전체층과 제 2도전체층으로 구성된다. 제 1도전체층은 최소한 한 개의 커넥터에 의해 제 2도전체층 또는 그 이상의 층에 연결되어 있다. 도전체층들을 연결하는 커넥터는 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 또는 리벳이 될 수 있으며, 이들에 한정되지는 않는다. 제 1도전체는 제 1의 단면 형태를 가지며, 제 2도전체는 제 2의 단면 형태를 가질 수 있다. 제 1의 단면 형태와 제 2의 단면 형태는 제한되지 않으며, 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 타원형의 단면들 중에서 어느 한 개가 될 수 있다.
제 1공진기는 제 1의 구조 형태를 가지며, 제 2공진기는 제 2의 구조 형태를 가진다. 제 1의 구조 형태와 제 2의 구조 형태는 제한되지 않으며, 원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성이 될 수 있다.
게다가, 무선 전송 또는 무선 수신을 위한 구조를 제작하기 위한 방법이 기재되어 있다. 상기 제작 방법은 전기 에너지, 전자기 에너지 및 전원의 무선 전송 및/또는 수신을 실현시킬 수 있는 구조를 형성한다. 게다가, 최종 구조는 전자 데이터 전송을 실현시킬 수 있다. 게다가, 최종 구조는 전기 에너지, 전자기 에너지 및 전원, 전자 데이터의 조합을 전송하거나 또는 전기 에너지, 전자기 에너지 및 전원, 전자 데이터를 각각 분리하여 전송할 수 있다.
그 방법은, 각각의 도전체 사이에 절연체를 가지는 다수의 도전체들을 형성하고, 다수의 도전체층들 중에서 두 개의층 사이에 최소한 한 개의 연결부를 형성하는 단계들을 포함하고 있다. 도전체층들을 연결하는 커넥터는 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 또는 리벳이 될 수 있으며, 이들에 한정되지는 않는다. 도전체층들은 마스크를 통해 침착됨으로써 형성될 수 있다. 각각의 도전체 사이에 절연체를 가지는 다수의 도전체들을 형성하는 단계는 제 2도전층의 상부에 제 1도전층을 배치하고, 제 1절연체를 가지는 제 2도전층으로부터 제 1도전층을 분리하는 단계를 추가적으로 포함한다. 게다가, 다수의 도전체층들 중에서 두 개의층 사이에 최소한 한 개의 연결부를 형성하는 단계는 최소한 두 개의 도전체층들을 연결하는 단계를 포함한다. 연결방법은 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 또는 리벳이 될 수 있으며, 이들에 한정되지는 않는다. 도전체층들은 전기적 도전성 물질로부터 형성된다. 상기 도전성 물질은 구리, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금들, 스테인레스 강철, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 희귀 금속 및 생물학적 적합성 물질로 구성될 수 있다.
무선 전송 또는 무선 수신을 제공하기 위해 구조를 동작시키는 방법이 기재되어 있다. 상기 방법은 전기 에너지, 전자기 에너지 및/또는 에너지 전원의 무선 전송 및/또는 수신을 실현시킬 수 있는 구조를 제공하는 단계를 포함한다. 게다가, 그 방법은 전자 데이터의 전송 또는 수신을 할 수 있는 구조를 제공하는 것을 포함한다. 게다가, 그 방법은 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터의 조합을 전송 및/또는 수신하거나 또는 전기 에너지, 전자기 에너지, 전원 및 전자 데이터의 각각을 분리하여 전송할 수 있는 단계를 제공한다.
그 방법은 다수의 도전체층을 제공하는 단계를 포함하며, 각 도전체는 도전체 길이, 도전체 높이, 도전체 깊이 및 스킨 깊이를 가지는 도전성 표면을 가지고 있다. 게다가, 그 방법은 거의 도전체 깊이의 1/2에서 도전체 깊이와 거의 동일한 범위내에 있는 스킨 깊이를 제공하는 단계를 포함한다. 도전체 깊이는 스킨 깊이에서 스킨 깊이의 두 배에 이르는 범위내에 존재한다. 그러나, 이용가능한 기술, 비용, 및 이용 분야에 따라, 도전체 깊이는 스킨 깊이의 20배 또는 그 이상이 될 수 있다. 다수의 도전체층은 최소한 한 개의 턴을 가질 수 있다. 다수의 도전체층들은 공진기 본체를 형성하도록 배치될 수 있다. 공진기 본체는 공진기 본체 길이, 공진기 본체 폭과 공진기 본체 깊이를 가지며, 전기 신호가 스킨 깊이의 도전성 표면을 통해 전파되도록 다수의 도전체층들 중에서 최소한 한층내에 전기 신호를 유도한다. 전기 신호는 전류, 전압, 디지털 데이터 신호 또는 그들의 조합이 될 수 있다.
상기 방법은 다수의 제 2도전체를 제공하는 방법을 포함한다. 상기 제 2도전체의 각각은, 제 2도전체 길이, 제 2도전체 높이, 제 2도전체 깊이 및 제 2스킨 깊이를 가지는 제 2도전성 표면을 가지고 있다. 상기 다수의 제 2도전체는 제 2공진기 본체 길이, 제 2공진기 본체 폭과 제 2공진기 본체 깊이를 가지는 제 2공진체 본체를 형성하기 위해 배치될 수 있다. 전기 신호가 공진체 본체를 통해 전파되는 경우에는, 전기 신호가 스킨 깊이의 도전성 표면을 통해 전파되어 제 2공진체 본체를 통해 전기 신호를 유도한다. 유도된 전기 신호는 스킨 깊이에서 제 2도전성 표면을 통해 전파된다.
다수의 도전체는 절연층으로 분리된 제 1도전체층과 제 2도전체층으로 구성된다. 제 1도전체층은 최소한 한 개의 커넥터에 의해 제 2도전체층에 연결되어 있다. 게다가, 최소한 두 개의 도전체층을 연결하는 커넥터는 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 또는 리벳이 될 수 있으며, 이들에 한정되지는 않는다. 도전체는 단면 형태를 가지며, 그 단면 형태는 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 또는 타원형의 단면이 될 수 있으며, 이들에 제한되지 않는다. 다수의 도전체층은 최소한 한 개의 턴을 가질 수 있다. 게다가, 다수의 도전체층의 각각은 실제적으로 동일한 도전체 길이, 도전체 높이, 또는 도전체 깊이를 가지거나 또는 가질 수 없다. 도전체층은 전기적으로 도전성인 물질로부터 형성될 수 있다. 도전성 물질은 구리, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, Co-Cr-Ni 합금들, 스테인레스 강철, 금, 금 합금, 팔라듐, 탄소, 은, 희귀 금속 및 생물학적 적합성 물질과 그들의 조합을 포함할 수 있다.
공진기는 원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성과 같은 구조적 형태를 가지며, 이들에 한정되지 않는다. 부가적인 장점들과 새로운 특징들은 다음의 설명 일부분에 기재되어 있으며, 부가적인 장점들과 새로운 특징들은 일부분에서 다음의 설명과 도면을 살펴봄으로써 당해 기술자들에게 명백해질 것이다. 또는 보기들의 동작 또는 제작을 통해 알게 될 것이다. 본 발명의 장점들과 특징들은 다음에 기재되는 상세한 보기들에 설명된 방법론, 수단들 및 그들의 조합의 여러 가지 특징들을 실현하거나 이용하여 구현되고 얻어지게 된다.
다음의 도면들은 본 발명에 따르는 한 개 이상의 실시예들을, 보기를 들어 도시하였으며, 그 보기들로 제한되어 있는 것은 아니다. 도면들에서는, 비슷한 숫자는 동일 또는 유사한 요소들을 나타낸다.
도 1은, 동일한 도전체에 흐르는 안정된 단일 방향성 전류에 대한 AC 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 2는, 스킨 효과에 의해 발생되는 증가된 주파수에서의 AC 전류 분포를 도시한 도면이다.
도 3은, 스킨 깊이와 주파수와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는, 무선 전원 전달을 위한 구조의 고레벨 도면이다.
도 5a는, 원형 솔레노이드 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5b는, 정사각형 솔레노이드 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5c는, 원형 나선 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5d는, 정사각형 나선 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5e는, 다층 정사각형 나선 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5f는, 원형 나선-솔레노이드 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5g는, 정사각형 나선-솔레노이드 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 5h는, 등각(conformal) 솔레노이드 구성의 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 6a는, N층들을 가지는 단일 턴의 원형 코일을 도시한 도면이다.
도 6b는, N층들의 이중 턴 원형 솔레노이드 코일을 도시한 도면이다.
도 7a는, 원형 단면을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 7b는, 직사각형 단면을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 7c는, 정사각형 단면을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 7d는, 삼각형 단면을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 7e는, 타원형 단면을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다.
도 7f는, 다층 배선의 직사각형 단면을 도시한 도면이다.
도 8a는, 원형 단면을 가지는 다층 배선을 도시한 도면이다.
도 8b는, 직사각형 단면을 가지는 다층 배선을 도시한 도면이다.
도 9a는, 한층을 가지는 단일 턴 안테나를 도시한 도면이다.
도 9b는, 11개층을 가지는 단일 턴 안테나를 도시한 도면이다.
도 9c는, 20개층을 가지는 단일 턴 안테나를 도시한 도면이다.
도 9d는, 26개층을 가지는 단일 턴 안테나를 도시한 도면이다.
도 10은, 주파수 함수로서 품질 인자 값을 도시한 그래프이다.
도 11a는, 다수의 층에서 저항과 인덕턴스의 상대 변화들을 도시한 그래프이다.
도 11b는, 소정의 층들에 대해 10MHz에서 최종 품질 인자를 도시한 그래프이다.
도 12a는, 주파수 함수로서 품질 인자를 도시한 그래프이다.
도 12b는, 주파수 함수로서 16층 코일에 대한 인덕턴스를 도시한 그래프이다.
도 12c는, 주파수 함수로서 16층 코일에 대한 저항을 도시한 그래프이다.
도 13a는, 주파수 함수로서 품질 인자를 도시한 그래프이다.
도 13b는, 주파수 함수로서 인덕턴스를 도시한 그래프이다.
도 13c는, 주파수 함수로서 저항을 도시한 그래프이다.
도 14a는, 1mm의 금속 스트립 폭을 가지는 코일에 대해 품질 인자를 주파수 함수로서 도시한 그래프이다.
도 14b는, 1.5mm의 금속 스트립 폭을 가지는 코일에 대해 품질 인자의 상대 증가를 도시한 그래프이다.
도 14c는, 2mm의 금속 스트립 폭을 가지는 코일에 대해 품질 인자의 상대 증가를 도시한 그래프이다.
도 15는, 근거리 에너지 네트워크의 고레벨 블록도이다.
도 16a는, 수신부와 전송부가 동일한 공진 주파수들과 좁은 밴드들을 가지는 상황을 도시한 그래프이다.
도 16b는, 수신부와 전송부가 서로 다른 공진 주파수들과 좁은 밴드들을 가지는 상황을 도시한 그래프이다.
도 16c는, 수신부와 전송부가 서로 다른 공진 주파수들을 가지며 수신부가 넓은 공진 상태를 가지는 상황을 도시한 그래프이다.
도 16d는, 수신부와 전송부가 서로 다른 공진 주파수들을 가지며, 전송 장치가 손실을 입고 있는 상황을 도시한 그래프이다.
도 16e는, 수신부와 전송부가 서로 멀리 떨어져 있는 공진 주파수들을 가지며, 전송 및 수신 장치가 손실을 입고 있는 상황을 도시한 그래프이다.
도 16f는, 수신부와 전송부가 서로 근접해 있는 공진 주파수들을 가지며, 전송 및 수신 장치가 손실을 입고 있는 상황을 도시한 그래프이다.
도 17은, 리피터를 가지는 근거리 에너지 네트워크의 고레벨 블록도이다.
도 18은, 대표적인 PCB 스택업을 도시한 도면이다.
도 19는, 설정된 PCB 제조 업자로부터 얻어지는 6층 PCB 판에 대한 제조 스택업을 나타내는 표이다.
도 20은, 어느 MLMT 구조의 등가 회로도이다.
도 21은, 인덕터로 동작하는 MLMT 구조(조건 1)에 대한 등가 회로도이다.
도 22a는, 회로내의 자가 공진기로 동작하는 MLMT 구조(형태 1)에 대한 등가 회로도이다.
도 22b는, 스탠드-얼로운 자가 공진기로 동작하는 MLMT 구조(형태 1)에 대한 등가 회로도이다.
도 23a는, 커패시터가 추가적으로 직렬로 연결된 MLMT 구조에 대한 등가 회로도이다.
도 23b는, 커패시터가 추가적으로 병렬로 연결된 MLMT 구조에 대한 등가 회로도이다.
도 24a는, 공진이 커패시터를 병렬 연결로 추가함으로써 발생되는 회로내에서 공진기로 동작하는 MLMT 구조에 대한 등가 회로도이다.
도 24b는, 공진이 커패시터를 직렬 연결로 추가함으로써 발생되는 회로내에서 스탠드 얼로운 공진기로 동작하는 MLMT 구조에 대한 등가 회로도이다.
도 24c는, 공진이 상기 회로내에 커패시터를 병렬 연결로 추가함으로써 발생되는 회로내에서 스탠드 얼로운 공진기로 동작하는 MLMT 구조에 대한 등가 회로도이다.
다음의 설명에서는, 수 많은 특정한 사항들이 보기를 들어 설명되었으며, 그로 인해 관련 기술을 정확하게 이해할 수 있도록 하였다. 그러나, 해당 기술자들은 본 발명의 기술이 이러한 상세한 사항들이 없어도 실현될 수 있다는 것을 알고 있다. 다른 보기들에서는, 공지된 방법들, 절차들, 요소들 및/또는 회로들이 상세한 설명없이 비교적 높은 수준으로 기재되어 있으므로, 본 발명의 특징들을 불필요하게 혼동시키는 일이 없게 되었다.
여기에 기재된 여러 가지 기술들은, 일반적으로 무선 전송 및/또는 무선 수신 시스템들을 설계, 제작 및 동작시키기 위한 방법들, 시스템들 및 장치들과 관련된 것이다. 좀 더 상세하게는, 근거리 무선 전송 및/또는 수신을 위해 이용되는 고효율의 구조를 설계, 제작 및 동작시키기 위한 방법들, 시스템들 및 장치들과 관련된 것이다.
무선 전송은, 실시예들과 같이 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원의 무선 전송을 실현시킬 수 있다. 게다가, 무선 통신은 디지털 데이터와 정보의 전송을 실현시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원, 전자 데이터와 정보의 조합이 에너지 망들에서 논의된 실시예들과 같이 공동으로 또는 분리되어 전송될 수 있다. 이러한 무선 전송은 동시에 또는 시간 구간들의 한 주기에서 발생한다는 것이 추가로 고려된다. 무선 전송의 다른 실시예들은 에너지 망, 전원 망, 데이터 망, 및 근거리 필드 전원 및 하기에 기재된 데이터 전달 시스템에서 논의된다.
무선 수신은, 실시예들과 같이 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원의 무선 수신을 실현시킬 수 있다. 게다가, 무선 수신은 디지털 데이터와 정보의 수신을 실현시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원, 전자 데이터와 정보의 조합이 에너지 망들에서 논의된 실시예들과 같이 공동으로 또는 분리되어 수신될 수 있다. 이러한 무선 수신은 동시에 또는 시간 구간들의 한 주기에서 발생한다는 것이 추가로 고려된다. 무선 수신의 다른 실시예들은 에너지 망, 전원 망, 데이터 망, 및 근거리 필드 전원 및 하기에 기재된 데이터 전달 시스템에서 논의된다.
무선 통신은, 실시예들과 같이 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원의 무선 전송 및 수신을 실현시킬 수 있다. 게다가, 무선 통신은 디지털 데이터와 정보의 전송 및 수신을 실현시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, 전기 에너지, 전자기 에너지 및 에너지 전원, 전자 데이터와 정보의 조합이 에너지 망들에서 논의된 실시예들과 같이 공동으로 또는 분리되어 전송 및 수신될 수 있다. 이러한 무선 전송 및 수신은 동시에 또는 시간 구간들의 한 주기에서 발생한다는 것이 추가로 고려된다. 무선 통신의 다른 실시예들은 에너지 망, 전원 망, 데이터 망, 및 근거리 필드 전원 및 하기에 기재된 데이터 전달 시스템에서 논의된다.
안테나는 일반적으로 전자파가 전송 및 수신되는 도전체이다. 안테나는 한 개의 배선 또는 한 세트의 배선들로 구성되어 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 공진기는, 공진하는 어느 시스템을 포함하는, 공진 장치 또는 공진 물질을 일반적으로 의미한다. 공진기는 공진에 의해 특정 주파수의 존재를 검출하는 기구이며, 또한 이러한 주파수 특성을 가지는 어느 회로가 될 수 있다. 게다가, 공진기는 주기적인 전기 발진이 최대 진폭에 도달할 수 있도록, 용량성과 유도성을 결합한 전기 회로가 될 수 있다. 당해 기술자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 안테나가 자체적으로 공진하거나 또는 공진을 달성하기 위해 커패시터와 같은 다른 리액턴스 소자와 결합되는 경우에는, 안테나는 자주 공진기로서 작용한다. 이와 같이, 안테나와 공진기는 자주 교환적으로 사용되며, 또한 일반적으로 구조(예를 들면, 복수 턴의 다층 구조)로 언급된다.
"스킨 효과“는 일반적으로 도전체의 외부 부분의 인근에 교류 전류가 집중되는 경향을 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한(homogeneous) 도전체를 통해 안정된 일방성(unidirectional) 전류에 대해서는, 전류 분포가 단면상에서 일반적으로 균일하다; 즉, 전류 밀도는 그 단면의 모든 위치에서 동일하다.
교류 전류에서는, 주파수가 증가하게 되면, 전류는 점점 더 표면에 배치된다. 이러한 전류는 도전체의 단면부 전체를 효과적으로 이용하지 못한다. 그러므로, 도전체의 유효 단면부는 감소되어 저항과 에너지 소멸이 균일하게 분포된 전류 값들에 비해 증가하게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 스킨 효과로 인해, 전류 밀도는 도전체의 표면(“스킨”으로도 불린다.)의 부근에서 최대가 되며, 단면부의 중앙을 향해서는 지수적으로 감소한다.
배선의 유효 저항은 주파수에 따라 급상승한다. 양호한 실시예에서는, 이러한 주파수가 약 100kHz-약 300kHz의 범위에 있으며, 이러한 주파수가 약 3MHz- 약 10GHz의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 120kHz에서 동작하는 대형 안테나 구조체를 필요로 하는 실시예에서는, 유효한 성능을 달성하기 위해서 대형 게이지 배선/물질을 이용하여 MLMT 구조를 형성하는 것이 더욱 유익하게 된다.
1-mm(0.04-in.)의 구리 배선에 대해서는, 주파수 1MHz에서의 저항이 거의 dc값의 4배가 된다. “스킨 효과”또는 “투과 깊이”(δ)는 스킨 효과의 결과들을 평가하기 위해 자주 이용된다. 전류 밀도가 표면의 값의 약 1/e(약 37%)로 감소되는 도전체 표면의 하부의 깊이가 일반적으로 반영되고 있다. 용어, "스킨 효과“는 전류 밀도가 최대치의 약 37%까지 감소되는 단면부내의 깊이로서 기재되어 있다. 이러한 개념은 평면의 굵은 선에 적용되나, 도전체의 곡률 반경이 δ보다 크다고 판단되면, 다른 형태들로 확장될 수 있다. 예를 들면, 60Hz에서, 구리내의 투과 깊이는 8.5mm(0.33in.)가 된다.; 10GHz에서는,6.610-7m가 된다. 스킨 효과는 주파수의 주요 함수이며, 주파수 증가에 따라 감소한다. 이러한 현상은 도 3에 도시된 그래프에 표시되어 있다.
다층 배선의 기본 개념은 배선의 단변부 전체에 걸쳐 이용가능한 전류 밀도를 최대화하는 것이다. 그리하여, 배선의 고유 저항을 감소시키는 것이다. 두께가 스킨 깊이의 약 두 배가 되는 도전체층을 이용함으로써, 배선내의 모든 위치에서의 전류 밀도가 (표면에서) 가능한 최대 전류 밀도보다 크거나 또는 최대 전류 밀도의 37%까지 동등하다는 사실이 확인되었다. 다른층 두께를 이용함으로써, 다른 베이스 전류 밀도가 얻어지게 된다. 예를 들면, 스킨 깊이의 약 4배가 되는 층 두께를 이용함으로써, 전류 밀도가 (표면에서) 가능한 최대 전류 밀도보다 크거나 또는 최대 전류 밀도의 14%까지 동등하다는 사실이 확인되었다. 이와 같이, 스킨 깊이의 약 6배가 되는 도전체 깊이에 대해서는, 전류 밀도가 5%보다 크거나 또는 그 값과 동등하다.
도전체층들에서 높은 전류 밀도를 유지하는 것이 중요하지만, 동시에, 미사용의 단면부 면적, 즉, 절연체층이 가능한한 작게 되는 것이 필수적이다. 상기 이론을 이용하면, 스킨 깊이의 약 두 배가 되는 두께/깊이를 가지는 도전층과, 기술적으로 가능한 얇은 절연체를 포함한다. 해당 분야의 기술자는 MLMT 구조들이 실시예들을 실현한다는 것을 알고 있다. 이러한 실시예들에서는, 무선 통신에서의 도전 활성영역이 되는, 스킨 깊이는, 도전체 깊이의 약 1/2로부터 거의 도전체 깊이와 동일한 깊이까지를 포함한다. 한편, 몇 개의 제조 방법들에 의해 부여된 제한 사항들을 고려하면, MLMT 구조들을 설계하는 것은, 신호를 전달할 수 있으나, 동작 주파수가 증가하면 반드시 충분하게 사용되지 않는 영역이 되는, 도전체 깊이가 스킨 깊이로부터 스킨 깊이의 약 두 배까지 이르는 범위를 포함하는 실시예들을 실현하게 된다.
마이크로파 주파수들에서 이용하기 위한 도파관과 공진 구멍(cavity) 내부 표면들은, 은과 같은 도전성이 높은 물질로 주로 도금된다. 그러므로, 거의 모든 전류가 표면으로 집중되므로, 에너지 손실을 감소시키게 된다. 도금 물질이 δ에 비해 더욱 두껍다면, 도전체는 코팅 불질의 고체 도전체와 같다. “품질 인자”는 일반적으로 안테나, 회로 또는 공진기와 같은 장치의 효율을 측정하는 지수(측정 수치)로 여겨지고 있다. 비어(Via)는 한층에서 다른층으로 연결된 전기적 도전성 연결을 의미한다.
리츠(리츠) 배선은 일반적으로 균일한 패턴의 트위스트와 길이의 층으로 결합 또는 연결된 각각의 필름 절연 배선들로 구성된 배선이다.
첨부 도면들내에 도시된 실시예들에 대한 참조들이 상세하게 기재되어 있으며 다음에 논의될 것이다. 도 4는, 안테나와 같은, 무선 전원 및/또는 데이터 전달을 위한 공진기의 고레벨 도면이다. 공진기는 코일(100)과 다층 배선(101)을 포함한다. 코일(100)의 형태는 원형, 직사각형, 삼각형, 다른 다각형이 될 수 있으며, 제한된 용적내에 들어가도록 되어 있다. 도 4는 원형 코일(100)의 형태로 형성된 코일의 대표적인 보기를 나타낸 것이다. 코일(100)의 구성은 솔레노이드, 나선형 또는 나선-솔레노이드 형태가 된다. 솔레노이드 코일은 각 턴(turn)이 동일한 반경을 가지는 경우에 다수의 턴들을 가질 수 있는 헬리컬 곡선을 따른다. 나선 코일은 점진적으로 증가 또는 감소하는 반경을 가지는 다수의 턴들을 가진다. 나선-솔레노이드 코일의 구성은 나선 및 솔레노이드 구성의 조합니다. 해당 기술자에게 알려진 다른 구성들도 코일을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 5a-5h는, 이용가능한 다른 안테나 구성들의 보기들을 도시한 도면이다. 도 5a는, 원형 솔레노이드 구성(102)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 5b는, 정사각형 솔레노이드 구성(103)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 5c는, 원형 나선 구성(104)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 5d는, 정사각형 나선 구성(105)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 직사각형 또는 삼각형과 같은, 다른 나선(spiral) 구성도 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 5e는, 다층 정사각형 나선 구성(106)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 단지 두 개의 층들만 도 5e에 도시되어 있지만, 어떤 개수의 층들도 이용가능하다는 것을 알아야 한다. 다음에 기재되는 바와 같이, 다층들이 이용되는 경우에는, 다층 구조들이 비어(via), 납땜, 태브(tab), 배선, 핀, 또는 리벳에 의해 연결될 수 있다. 한 실시예에서는,층들의 전체 개수보다 적거나 또는 동일한 다수의 도전체층들이 평행한 상태로 전기적으로 연결될 수 있다. 게다가, 다른 실시예에서는, 전기적으로 평행하게 연결되어 있는 다수의 도전체층들이, 전기적으로 평행하게 연결되어 있는 한 개 또는 그 이상의 다수의 도전체층들과 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 이러한 커넥터들은 최소한 다음의 두 가지 목적들을 위해 작용한다.: (1) 커넥터들은 다층 배선들을 위한 배선층들을 연결한다.;그리고, (2) 커넥터들은 다층 배선의 제 2턴에다 다층 배선의 한 턴을 연결한다. 예를 들면, 2 턴 안테나에 대해서는, 제 1턴에서 제 2턴까지 최소한 한 개의 비어가 있다. 다른 목적들도 역시 커넥터들에 의해 실현된다.
각 안테나에 대해서는, 최적 개수의 커넥터들과, 각 커넥터를 위한 최적의 위치가 존재한다. 이에 대한 폐쇄형 분석 해법이 존재하지 않으므로, 반복적인 모델링을 통해 최적의 위치들이 얻어질 수 있다. 그러나, 최적화를 위한 기본 가이드 라인들이 여기에서 제공된다.:
단일한 도전체를 형성하는 모든층들을 연결하는 최소한 두 개의 커넥터들이 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 두 개의 커넥터들은 다층 배선의 두 개의 단부(다층 배선의 입력과 출력)에 존재하는 것이 이상적이다.
특정한 용도에 따라 커넥터들의 총 개수가 그에 대응하도록 선택되는 것이 바람직하다. 최적의 커넥터 개수들보다 많으면, 용량과 저항이 증가하고, 품질 인자가 감소하며, 더욱 높은 밴드폭을 얻게 하는 전류 경로들을 증가시키게 된다. 커넥터의 전체 길이(높이, 깊이)가 특정 동작 주파수의 최적 길이보다 큰 경우에는, 기생 효과(parasitic effect)가 더욱 뚜렷하게 관찰될 수 있다는 사실을 주목하자. 본질적으로 커넥터의 길이는 커넥터의 높이가 된다. 파장/10의 범위내에 커넥터의 높이를 유지하는 것이 실현가능한 실시예가 될 수 있지만, 용도에 따라, 이것은 거의 (유효 파장)/20보다 더욱 작도록 유지되어야 한다. 이러한 제한 이유는 다음과 같다. 증가한 커넥터 길이는, 사용되는 다층 배선의 서로 다른층간의 위상 차이를 크게 할 수 있기 때문이다. 다른층들간의 이러한 위상 차이는 불필요한 용량성 효과를 야기시키며, 그로 인해, 자가 공진(self-resonance) 주파수들을 효과적으로 낮추고, 손실을 증가시키게 된다. 추가 부품들(예를 들면, 커패시터들)이 사용되지 않고, 구조가 자가 공진기로서 이용되는 실시예들에 대해서는, (유효 파장)/10 보다 더욱 깊은 깊이를 가지는 비어들과 같은, 그러나 이들에 제한되지 않는, 커넥터들이 안테나의 설계내에 포함될 수 있다는 것을 언급하고 싶다.
비어들은 PCB 기술들(예를 들면, 내장되거나, 또는 눈에 보이지 않는 구멍)에서 사용되는 일반적인 형태, 또는 반도체 또는 MEMS 기술에서 사용되는 일반적인 형태로 될 수 있다. 즉, 비어는 최소한 어느 두 개의 층들 및/또는 모든 층들을 전기적으로 연결하기 위해 레이저 용접, 용접, 인쇄, 놋쇠 납땜(braze), 스퍼터링 침전, 배선-결합이 적용된 어느 도전성 물질이 될 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.
도 5f는, 원형 나선-솔레노이드 구성(107)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 5g는, 정사각형 나선-솔레노이드 구성(108)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 5h는, 등각(conformal) 솔레노이드 구성(109)내의 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 안테나는 원형, 또는 직사각형 솔레노이드, 또는 원형 또는 직사각형 나선 형태를 취하나, 이들에 한정되지는 않는다. 도 5a-5h에 도시된 안테나의 어느 구성도 본 시스템에서 사용될 수 있다.
도 4의 코일(100)은 다수의 턴(110)을 가진다. 한 개의 턴은, 배선이 코일(111)의 중앙축 위치의 주위에서 감기를 완전히 수행하게 될 때까지 굽힘, 접힘, 또는 활 모양이 될 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 턴은 코일의 구성과 비슷하거나 동일하다. 즉, 원형, 직사각형, 삼각형, 다른 다각형 또는 한정된 체적에 들어가도록 등각 형태(conformal)가 되나, 이들에 한정되지는 않는다. 도 6a는,“N"이 1과 동일하거나 또는 1보다 큰 경우에, N개의층들을 가지는 단일 턴의 원형 코일을 도시하고 있다. 도 6b는, N개의층들의 이중 턴 원형 솔레노이드 코일을 도시한 도면이다.
일반적으로, 어느 인덕턴스 안테나에 대해서는, 저항이 Ty로 증가는 경우에, 인덕턴스는 Tx로 증가한다. T는 턴(turn)의 수이다. 이상적인 도전체에서는, x와 y가 각각, 2와 1이 된다. x와 y가 각각 2와 1보다 작게 요구되는 인덕턴스와 저항(품질 인자)에 영향을 끼치는 다른 인자들이 존재한다. 도 13을 참조하면, 3가지 성능 보기들이 제공되어 있다. 그래프는 a32층-2 턴 안테나를 a32층-1 턴안테나와 a64층-1 턴 안테나를 비교하고 있다. a32층-2 턴 안테나의 인덕턴스와 저항이, 1MHz-200MHz의 주파수 범위에서 a32층-1 턴 안테나에 대해서, 각각 3-3.5배와 1.7-3배 사이에서 증가한다. 이러한 증가는 저항이 거의 T가 되고 인덕턴스가 거의 T2가 되는, 간단한 분석적 관계로부터 얻어지는 매우 근사한 예측치들이다.
도 4의 다층 배선(101)은 원형, 직사각형, 정사각형, 또는 삼각형 단면 형태를 가질 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다. 게다가, 당해 기술자들에게 이미 알려진 다른 형태들도 역시 사용될 수 있다. 도 7a-7e는 안테나의 설계에 사용되는 배선들의 단면들의 보기들을 도시한 것이다. 도 7a는 원형 단면(401)을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 7b는 직사각형 단면(402)을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 7c는 정사각형 단면(403)을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 7d는 삼각형 단면(404)을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 7e는 타원형 단면(405)을 가지는 안테나의 보기를 도시한 도면이다. 도 7f는 제 1도전층(410)과 제 2도전층(420)을 가지는 다층 배선의 직사각형 단면(401)을 도시한 도면이다. 상기 기재된 실시예들 뿐만 아니라, 다층 배선(101)은 강한 배선 구조, 고정된 수축성 배선 구조 또는 그들의 조합으로 구성된다.
절연체(430)는 제 1도전층(410)과 제 2도전층(420)을 분리한다. 제 1도전층(410)과 제 2도전층(420)은, 절연체(430)를 가로 지르는 비어(440)에 연결되어 있다. 도전층들(410, 420)은 금속 두께와 금속 스트립 폭을 가지는 침착 금속(deposited metal) 또는 도전성 테이프/리본/시트/리프(leaf)가 된다. 제 1도전층(410)의 금속 두께는 라인 A-A에 의해 표시되어 있으며, 제 1도전층(410)의 금속 스트립 폭은 라인 B-B에 의해 표시되어 있다. 한 보기에서는, 한 층의 금속 두께는 스킨 깊이의 거의 두 배가 된다. 스킨 깊이는, 도전체 깊이의 약 1/2로부터 거의 도전체 깊이에 이르는 범위내에 있다. 한 턴의 각층은 실제적으로 동일한 금속 두께 및 금속 스트립 폭을 가지고 있다.
절연 물질의 두께는 산업 응용의 필요성을 만족시키기에 충분하거나, 또는 이용 가능한 제조 기술에 의해 제조 가능한 최소 두께가 된다. 게다가, 전체 구조 가능성은 동작 주파수(도 1의 그래프에 도시), 관련 비용 및 이용되는 제조 기술에 따라 판단된다. 일반적으로, PCB 기술에서는, 층들의 두께가 “코어 두께”와 “프리-프레그(pre-preg) 두께”에 의해 영향을 받는다. 다른 설계들에서는, 비도전층의 두께가 구조의 전기 특성을 수정하기 위해 선택된다. 대표적인 PCB 스택업(stackup)은 코어와 프리-프레그의 층이 교차적으로 이루어진 구조를 가진다. 코어는 일반적으로 두 개의 면에 결합된 구리 포일을 가지는 얇은 조각의 유전체를 포함한다. 코어 유전체는 일반적으로 경화된 섬유 유리-에폭시 수지이다. 프리-프레그는 일반적으로 경화되지 않은 섬유 유리-에폭시 수지이다. 프리-프레그는 가열되고 가압되면 경화된다(즉, 굳어진다). 가장 바깥의 층들은 일반적으로 외부(표면 포일)와 결합된 구리 포일을 가지는 프리-프레그이다. 스택업은 도 18에 도시된 바와 같이, 가열 주기하에서 보드(board)내의 기계적인 스트레스를 방지하기 위해서 수직축내의 보드 중앙에 대해서 대칭 상태가 된다.
도전체와 절연체의 두께들은 이용가능한 제조 기술에 의해 가능한 최소 두께와 동일하게 되는 실시예가 13.56MHz에서의 응용을 위해 제공된다. 13.56MHz에서는, 스킨 깊이가 약 17.8마이크로미터이다. 이상적인 것은, 도전체 깊이가 약 35.6μm이며, 절연 두께는 가능한 작게 되어야 한다. 그러나, 도 19에 도시된 바와 같이, 사실상, 표준적으로 설정되어 있는, 저렴한 비용의 기술이 요구되는 PCB 제작 방법을 이용하면, 6층 PCB판에 대해 얻어지는 제조 스택업은 스킨 깊이의 거의 4배가 되는 약 71μm가 된다. 게다가, 절연층은 도전층의 3배 이상이 된다. 상당히 높은 비용을 요구하는, 개량된 PCB 기술은 더욱 낮은 도전체와 절연 깊이를 실현한다. 예를 들면, 현재 연구 단계에 있는 PCB 기술은, 구리와 같은 도전 물질이 5μm 정도로 낮게 되도록 하고, 절연 유전체가 약 39μm가 되도록 한다. 반도체 제작과 MEMS 제작 기술과 같은, 다른 기술들에서는 더욱 얇은층 두께를 허용하므로, 이상적인 성능에 매우 가까운 특성이 얻어진다. 반도체 기술 또는 MEMS 제작 기술이 사용된다면, 도전층들과 절연층들 모두는 100 나노미터로 되거나 도는 더욱 얇게 될 수 있다. 양호한 실시예들에서는, 유전층 두께가 200μm 미만이고, 가능한 완전한 절연상태가 된다. 그리고 10 미만의 유전율(permittivity)을 가지게 된다.
이와 같이, 유전층은 몇 가지 물질로부터 만들어질 수 있으며, 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 몇 가지 응용들은 매우 낮은 기생 용량을 요구한다. 이러한 경우들에서는, 가장 낮은 유전율을 가지는 비도전성 유전체가 선호된다. 게다가, 기생 효과를 최소화하기 위해 절연층 두께를 최소화하는 것이 바람직하다. 다른 보기들은 인덕턴스의 증가 및/또는 자기 차폐의 증가를 달성하기 위해 페라이트(ferrite) 물질을 요구하는 응용들을 위해 제시된다. 이러한 경우에서는, 유전층들이 페라이트 막/블록 또는 유사한 특징적인 구성/물질에 의해 대체될 수 있다.
절연 물질의 두께가, 공진기를 제작하기 위해 이용되는 제작 기술의 실제 가능성내에 있어야 하며, 공진기가 사용되는 응용 분야의 효율성과 부합해야 한다는 것은 해당 기술자들에게 자명한 것이 될 것이다.
도전층들의 물질은 구리 또는 금이 될 수 있으나, 다른 물질들도 가능하다. 도전성을 증가시키기 위해, 침착된 은이 포함된 구리 또는 금이 사용될 수 있다. 안테나가 설치되고 본체 액체(body fluids)에 노출되어 있는 경우에는, 도전성을 높이는 추가 성분을 포함하는, 대표적인 기존의 생물학적 적합성(biocompatible)의 물질들이 사용된다. 이러한 것들은 다음의 그룹으로부터 선택되는 도전성 물질을 포함하나, 이들에 한정되지는 않는다. 상기 그룹은, 티타늄, 플라티늄과 플라티늄/이리듐 합금, 탄탈륨, 니오비늄, 지르코늄, 하프늄, 니티놀, MP35N, Havar, Elgiloy, 스테인레스 강철, 금과 그의 여러 가지 합금들과 같은, Co-Cr-Ni 합금들, 팔라듐, 탄소 또는 다른 희귀 금속을 포함한다. 이용 분야에 따라, 절연 물질은 (i) 공기, (ii) 낮은 유전율을 가지는 유전체(예를 들면, 스티로폼, 실리콘 이산화탄소, 또는 어느 적합한 생물학적 적합성 세라믹), (iii) 높은 유전율을 가지는 비도전성 유전체, (iv) 페라이트 물질, 또는 (v) 상기 기재된 물질의 조합이 될 수 있다. 물질과 물질들의 조합의 선택은 제작 공정, 비용 및 기술적인 요구 사항들과 같은 인자들에 근거하게 된다. 예를 들면, 만약 안테나의 낮은 자가 공진 주파수에 영향을 주기 위해 높은 용량성 효과가 요구되는 경우에는, 높은 유전율의 유전체가 선호되며, 또는 페라이트 막 또는 페라이트 블록을 포함하는 물질들의 조합이 선호되어 안테나의 자가 공진을 증가시키게 된다. 게다가, 페라이트 코어는 성능 증가를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 8a-8b는 서로 다른 다층 배선 단면부 구성의 보기들을 도시한 도면들이다. 도 8a는, 원형 단면(510)을 가지는 다층 배선을 도시한 도면이다. 도 8b는, 직사각형 단면(520)을 가지는 다층 배선을 도시한 도면이다. 도 8b에서는, 도전층(540)을 연결하는 비어(530)가 배선의 시작이 되는 포트 또는 입력(550)에 위치하고 있다. 특정한 이용 분야에 따라, 도전층들을 연결하는 비어들의 배치는 안테나의 성능에 영향을 주게 된다. 예를 들면, 불충분한 비어들은 다른층들 사이에서 위상 차이들을 발생시키게 된다. 반대로, 다수의 비어들은 저항 손실을 야기하는 추가적인 주기성 전류 경로들을 발생시키게 된다. 비어들은 배선의 시작 부분(예를 들면, 포트, 입력 등) 또는 배선상의 한 개 이상의 위치에 배치된다. 게다가, 두 개 이상의 도전체층들로 구성된 한 세트 사이의 비어들은 두 개 이상의 도전체들의 다른 세트와는 다른 위치에 배치된다. 몇 가지 변형들이 이용 분야 및 시스템 설계에 따라 가능하다는 것을 알아야 한다. 비어는 복수 턴 다층 구조(multi-layer multi-turn structure)의 제작을 위해 이용되는 기술에 대해 표준이 되는 기술을 이용하여 만들어진다. 다른 경우들에서는, 전기 납땜, 용접 태브(tab), 레이저 용접 태킹(tacking), 또는 다른 일반적으로 알려진 전기 결합 기술들과 같은 납땜 기술을 이용하여, 비어 위치에서 몇 개의층들을 연결함으로써, 비어가 실현될 수 있다.
여기에 기재된 바와 같이, 안테나는 고주파수에서 안테나의 고유 저항 손실을 감소시키는 효과적인 전원 전달을 달성하기 위해 우수한 품질 인자(QF)를 가지도록 설계된다. 품질 인자는 장치에 의해 저장된 에너지 비율과 장치에 의해 손실된 에너지와의 비율을 나타낸다. 그러므로, 안테나의 QF는 안테나의 저장 에너지에 대한 에너지 손실 비율을 나타낸다. 안테나와 같은, 시간 변화 전류(time-varying current)를 운반하는 전원 장치는 다음의 3가지 성분들로 분리된다. 1) 저항 에너지(Wres), 2) 방사성 에너지(Wrad), 그리고 3) 리액턴스 에너지(Wrea)로 분리된다. 안테나의 경우에는, 저장 에너지가 리액턴스 에너지이며, 손실 에너지는 저항 및 방사성 에너지이다. 이 때에, 안테나 품질 인자는 방정식 Q=Wrea/(Wres+Wrad)에 의해 표시된다.
근접 통신에서는, 방사성 및 저항성 에너지들이 장치, 즉 안테나에 의해 주변 환경으로 방출된다. 에너지가 제한된 저장 전원을 가지는 장치들, 즉 크기 제한을 가지는 배터리 전원 장치들 사이에서 에너지가 전달되는 경우에는, 과도한 전원 손실이 장치들의 성능 효율성을 상당히 감소시키게 된다. 이와 같이, 근접 통신 장치들은 리액턴스 에너지를 최대화 시키면서 방사성 및 저항성 에너지들을 최소화 시키도록 설계되었다. 즉, 근접 통신은 Q를 최대화시킴으로써 이익을 얻게 된다.
예를 들면, 인덕턴스 형태로 결합된 시스템의 장치들 사이에서 이루어지는 에너지 및/또는 데이터 전달의 효율성은 전송기내의 안테나 품질 인자(Q1), 수신기내의 안테나 품질 인자(Q2) 및 두 안테나들 사이의 결합 계수(κ)에 따라 달라진다. 에너지 전달의 효율은 다음의 방정식에 따라 달라진다.: eff∝κ2 Q1Q2. 더욱 높은 품질 인자는 안테나의 저장 에너지에 대한 에너지 손실의 비율이 더욱 낮다는 것을 의미한다. 반대로, 더욱 낮은 품질 인자는 안테나의 저장 에너지에 대한 에너지 손실의 비율이 더욱 높다는 것을 의미한다. 결합 계수(κ)는 두 개의 안테나들 사이에 존재하는 결합 정도를 나타낸다.
게다가, 예를 들면, 유도성 안테나의 품질 인자는 다음의 관계식에 따라 달라진다 : Q= 2πfL/R. 이 때에, f는 동작 주파수이며, L은 인덕턴스 그리고 R은 총 저항이다(옴(ohmic)+ 방사성). QF가 저항에 대해 반비례 관계이므로, 더욱 높은 저항은 더욱 낮은 품질 인자로 변화된다.
더욱 높은 품질 인자는 코일의 단일 턴에 대한 다층 배선내의 다층 구조들을 이용하여 얻어진다. 코일내의 턴 수를 증가시켜, 구조의 품질 인자를 증가시키게 된다. 일정한 주파수에서 설계를 하기 위해서는, 최대 품질 인자를 얻기 위한 가장 적합한 층들의 개수를 얻어야 한다. 이러한 최대치가 얻어지면, 추가적인층들이 부가되면 품질 인자는 감소된다. 목수 턴 다층 구조를 위해 이용되는 설계 변수들은 다음의 사항들을 포함한다. :
a. 금속 스트립 폭, wn (예를들면, w1: 첫 번째 도전층의 폭, wk: k 번째 도전층의 폭)
b. 각 턴마다 도전층들의 개수, Nn (예를 들면, 첫 번째 턴에서의층들의 개수, N1)
c. 각 도전층의 두께, dn(예를 들면, d1 : 첫 번째층의 두께, dk : k 번째층의 두께)
d. 절연의 두께, din(예를 들면, di1: 첫 번째층의 하부의 절연 두께, dik: k 번째층의 하부의 절연 두께)
e. 턴의 수, T
f. 각 턴의 다른 도전층들을 연결하는 비어들의 개수
g. 각 턴의 다른 도전층들을 연결하는 비어들의 위치
h. 형태(원형, 직사각형, 몇 개의 다각형;이용 분야에 따라 달라짐; 예를 들면, 몇 개의 장치 또는 요소내부 또는 외부에 꼭 맞도록 됨.)
i.구성 : (솔레노이드, 나선, 나선-솔레노이드 등)
j. 치수(길이, 폭, 내부 반경, 외부 반경, 대각선 등)
다음에, 상기의 파라미터에 근거하여, 전형적인 다층, 복수 턴의 설계에 대해 설명한다.
일례에서, 안테나는 도 9a - 9d에서 나타내는 바와 같이, 다층 배선을 가지는 단일 턴의 원형 코일일 수 있다. 단일 턴 코일은 단일 턴이 포함되고, 약 1.75mm의 금속 스트립 폭, 약 0.03 밀리미터의 금속 두께, 약 0.015 mm의 절연층, 약 5mm의 외부 반경을 포함할 수 있다. 배선은 5, 11, 20, 26, 41 또는 60층과 같이 5와 60층 사이를 가진다. 예를 들면, 도 9a는 1층을 가진 단일 턴 안테나를 나타내고, 도 9b는 11층을 가진 단일 턴 안테나를 나타내고, 도 9c는 20층을 가진 단일 턴 안테나를 나타내고, 그리고 도 9d는 26층을 가진 단일 턴 안테나를 나타내고 있다. 구체적인 예를 도 9a - 9d에서 나타내고 있지만, 높은 품질 인자(quality factor)를 달성하기 위하여 5 미만 또는 60 이상의 층을 가질 수 있음을 알 수 있다. 5와 60층의 범위에 대응하는 코일의 두께는, 예를 들면, 0.2, 0.5, 1, 1.25, 2.05 또는 3mm와 같이, 각각 약 0.2mm에서 3mm 사이일 수 있다. 상술한 바와 같이, 배선, 턴, 금속 두께, 및 금속 스트립의 폭에서의 층 수를 변화시키는 것에 의해, 보다 높은 품질 인자를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 0.03mm의 금속의 두께와 1.75mm의 금속 스트립의 폭을 가지는 1층 단일 턴 코일에 대해 10MHz에서의 품질 인자는 약 80이다. 층의 수를 1부터 11까지 늘리고, 금속 두께는 0.03 mm, 금속 스트립 폭을 1.75mm 로 유지하면, 품질 인자는 약 210으로 증가된다. 일반적으로, 턴당층 수의 증가는 품질 인자가 감소하기 시작한 이후 최대치가 도달할 때까지 품질 인자의 증가가 된다. 이 감소는 안테나의 높이의 전체가 그 반경에 필적할 때 발생할 수 있다. 전기 부품의 열화는 복수의층에 기인하는 기생 효과를 크게 증가 시켰다. (예를 들면 용량과 근접 효과) 이 예에서는, 20, 26, 41 및 60으로 층을 증가하는 것은 각각 약 212, 220, 218 및 188의 품질 인자가 된다.
선행 기술 방안과 비교하여 본 개념의 이점을 나타내고자, 본 개념의 모델은 알려져 있는 코일과 비교하기 위하여 개발되었다. 종래 기술 모델은 고체 배선을 사용하여 이루어졌다. 이하의 식으로 주어진 반경 r의 원형 코일; 배선 반경, a; 턴, N; 인덕턴스(L) 및 저항계수(Rohmic 및 Rradiation)에 대해:
Figure pat00001

Figure pat00002

Figure pat00003

이하의 표 1 및 표 2에 제공된 사양으로부터 두 안테나 구성을 고려한다.
본 발명의 개념은 고체 배선보다 중요하게 높은 QF를 감안한다. 여기에서 나타낸 성능의 향상은 구성의 다른 알려진 방법이 이용될 때 적용된다.
안테나 구성-1 인덕턴스 저항 품질 인자
상기 식을 이용 IE3D (수치) Lformula Lnumerical Rformula Rnumerical Qformula Qnumerical
1 턴
R=1 cms
A (배선 반경)=1 mm
배선 영역~3.14mm2
f=380 MHz
 1-턴
R=1cms
스트립 폭~1mm
층 두께.~0.01mm
전체 두께.~2.5 mm
전체 배선 영역~2.5mm2
MLMT 설계		 30 nH 28.7 nH 0.0583 0.0337 1225 2034
1 턴
R=1 cms
A (배선 반경) = 1 mm
배선 영역 ~ 3.14mm2
f=380 MHz
 1-턴
R=0.5 cms
스트립 폭~1mm
층 두께.~0.01mm
전체 두께.~2 mm
전체 배선 영역 2mm2
MLMT 설계		 30 nH 9 nH 0.0583 0.0083 1225 2671
안테나 구성-2 인덕턴스 저항 품질 인자
상기 식을 이용 IE3D (수치) Lformula Lnumerical Rformula Rnumerical Qformula Qnumerical
1 턴
R=15 cms
(배선 반경)=2 mm
배선 영역~12.5mm2
f=17 MHz
 1 턴
R=15 cms
배선 폭~2mm
층 두께~0.03 mm
전체 두께~1 mm
전체 배선 영역~2mm2
MLMT 설계		 830nH 1.16 0.0815 0.0498 1161 2489
1 턴
R=30 cms
(배선 반경)=2 mm
배선 영역~12.5mm2
f=17 MHz
 1 턴
R=30 cms
스트립 폭~3mm
층 두께~0.03 mm
전체 두께~1 mm
전체 배선 영역~3mm2
MLMT 설계		 1.92 2.48 0.1854 < 0.08 1105 > 2500
금속 스트립의 폭이 보다 높은 품질 인자를 달성하기 위해서 증가시킬 수 있음이 또한 이해된다. 도 10은 주파수의 함수로서의 품질 인자 값의 그래프를 제공한다. 도 11a는 층의 개수에 대해 저항과 유도 용량의 상대적 변화를 나타내는 그래프이다. 도 11b는 10 MHz에서의 결과로서의 품질 인자를 나타내고 있다. 도 11a-b에 대해 주목해야 한다. 그래프 상의 데이터 포인트들은, 데이터 포인트 1은 1층, 데이터 포인트 2는 11층, 데이터 포인트 3은 20층, 데이터 포인트 4는 26층, 데이터 포인트 5는 41층에 해당한다. 구성의 모든 층을 거치는 신호의 흐름을 분명히 하기 위해서, 적어도 2개의 바이어스가 임의의 다층 배선 및/또는 구성에 포함되어 있는 것이 바람직하다. 바람직하게 이 2개의 바이어스는 배선/구성의 포트에 위치하고 있다. 도 10 과 11a-b로부터 알 수 있듯이, 10 MHz의 최적의 성능은 26층과 1 턴을 가지는 안테나의 구성으로 달성된다. 이 안테나 구성으로, 최고 품질 인자는 35 MHz 근처에서 얻어지며 약 1100이다.
또 다른 예에서, 안테나는 다층 배선의 단일 턴 원형 코일이 될 수 있으며, 약 1 mm의 금속 스트립 폭, 약 0.01 mm의 금속 두께, 약 0.005 mm의 절연층, 및 약 5 mm의 외부 반경을 가질 수 있다. 배선은 16, 32, 64 또는 128층과 같이 16 과 128층 사이를 가질 수 있다. 그러나 높은 품질 인자를 달성하기 위해 16 이하 또는 128 이상의 층을 가질 수 있음을 알 수 있다. 16 내지 128층의 범위에 해당하는 코일의 두께는 예를 들어 0.25, 0.5, 1 또는 2 mm와 같이 약 0.25 내지 2mm 사이에 있을 수 있다. 이 예에서, 품질 인자는 높은 주파수에서 달성되는 높은 품질 인자와 함께, 층 개수를 증가시켜 개선된다. 예를 들어, 10 MHz의 주파수에서, 16, 32, 64 및 128층의 품질 인자는 각각 약 127, 135, 140, 및 185이다. 최고 품질 인자는 이러한 설계 파라미터 하에 약 450 MHz에서 거의 2900로 증가한다. 상대 저항은 도체의 두께가 스킨 깊이의 거의 두배가 되는 주파수의 근처에서 가장 낮아질 수 있다. 이 예에서, 그 주파수는 160 MHz이다.
도 12a-c는 성능 파라미터와 동향을 나타내는 그래프이다. 도 12a는 주파수에 따른 품질 인자를 나타내는 그래프이다. 도 12b는 주파수에 따른 16층 코일에 관한 인덕턴스를 나타내는 그래프이다. 도 12c는 주파수에 따른 16층 코일에 관한 저항을 나타내는 그래프이다. 도 12a에서 알 수 있듯이, 품질 인자는 높은 주파수에서 상대적으로 큰 품질 인자와 함께 층의 개수가 증가하여 개선된다. 이것은 도 12c의 100 MHz의 주위의 골에 의해 나타내어진 주파수의 증가로서 저항이 감소하는 동안, 인덕턴스가 주파수와 함께 (16층 1턴 코일과 비교하여) 비교적 일정함을 나타내고 있는 도 12b-c에서도 나타내고 있다. 최고 품질 인자는 450 MHz 근처에서 약 2900까지 올라간다.
또 다른 예에서, 모든 설계 파라미터는, 턴 수가 이중으로 되어, 턴 원형 코일이 되는 경우를 제외하고는, 32층 배선에 대한 이전의 예에서와 같다. 이 32층 이중 턴 안테나의 인덕턴스와 저항은 1 MHz 내지 200 MHz의 주파수 범위내의 32층 단일 턴 안테나 보다 각각 3-3.5배 및 1.7-3 사이로 각각 증가한다. 도 13a-c는 이 32층 이중 턴 안테나에 대한 32 및 64층, 이전 예의 단일 턴 안테나와 비교되는 성능 파라미터와 경향을 나타내는 그래프이다. 도 13a는 주파수에 따른 품질 인자를 나타내는 그래프이다. 도 13b는 주파수에 따른 인덕턴스를 나타내는 그래프이다. 도 13c는 주파수에 따른 저항을 나타내는 그래프이다. 도 13a-c에서 알 수 있듯이, 대략 200 MHz 이하 주파수에서의 32층 이중 턴 안테나의 인덕턴스는 거의 일정하고, 저항은 단일 턴 안테나와 유사한 경향에 따른다. 200 MHz 보다 큰 주파수에서, 인덕턴스와 저항의 양쪽 모두는 이하에 기술된 바와 같이, 기생 용량이 원인으로 급속히 상승한다. 200 MHz를 넘는 주파수에서 품질 인자가 크더라도, 용량 효과로 인해 일부의 애플리케이션에서는 허용할 수 없는 중요한 전기장이 나타날 수 있다.
상술한 바와 같이, 안테나는 기생 효과를 나타내는 일이 있다. 안테나와 관련되어지는 것은, 주파수에 의존하고, 주파수와 함께 전체적인 임피던스 증가에의 의한 기생 용량이다. 기생 용량의 결과, 안테나는 커패시터와 같이 동작하는 것을 넘는 안테나의 자기 공진 주파수가 존재한다. 기생 용량의 발진을 방지하기 위하여, 안테나는 인턱턴스가 동작 주파수의 근처에서 거의 불변이도록 설계할 수가 있다. 바람직하게는, 주파수 그래프 대 리액턴스의 기울기는 ∂X/∂ω~L (X는 리액턴스, L는 설계된 인덕턴스)의 기울기와 함께 거의 선형 기울기 (동작 주파수 부근) 이다. 이 체제에서의 안테나를 동작하는 것은 전기장을 통한 기생 커플링이 최소한으로 억제되게 한다. 이것은 X 대 ω가 전류 집중, 근접성 및 스킨 효과와 같은 다른 효과로 인해 완전하게 선형 기울기가 아닐 수도 있음을 알 수 있다.
또한, 높은 품질 인자를 달성하기 위하여 안테나에 대한 다른 설계가 이용될 수 있는 것이 의도되고 있다. 예를 들면, 다층 배선의 단일 턴 원형 코일은 16, 32, 64 또는 128층과 같이 16 및 128층 사이를 가지고, 코일은 약 1mm의 금속 스트립 폭, 약 0.01mm의 금속 금속 두께, 약 0.01mm의 절연층, 및 약 10mm의 외부 반경을 포함한다. 금속의 폭을 증가하는 것은 높은 품질 인자가 되는 저항 및 인덕턴스를 감소시킨다. 안테나 전체 크기 사이즈 (외부 반경 ~ 10 mm) 로 인해, 폭 (w)의 비교적 작은 증가는 인덕턴스를 줄이지 않는다. 예를 들어 외부 반경 약 5mm와 같이 작은 안테나에 대한 금속 폭에서의 같은 증가, 인덕턴스에서의 감소가 높아지고 있음을 주목해야 한다. 도 14a-c는 각각 약 1mm, 1.5mm 및 2mm의 금속 스트립의 폭과 함께 이 예의 주파수에 따른 품질 인자를 나타내는 그래프이다. 이 예에서는, 379MHz에서의 품질 인자는 1 mm의 금속 스트립 폭에 대해 약 1425이다. 금속 스트립을 1.5mm 및 2mm로 증가하는 것은 각각 품질 인자를 약 1560 및 1486으로 증가시킨다.
인덕터에 대해 상술한 모든 QF 값은 여유 공간(전도성 = 0, 상대 유전율 = 1)에 있음을 주목해야 한다. 현실 세계 환경의 존재가 QF에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 예를 들어, 여유 공간에서의 QF ~ 400의 안테나는 그것이 인간의 몸 옆에 위치할 때 약 200 - 300으로의 QF 변화를 가진다. 게다가, 안테나가 거의 또는 전혀 절연 코팅이 아닌 인간의 몸 안에 위치하는 경우, QF는 200 미만으로 변화될 수 있다. 인간의 몸 안에 배치하기 전에 충분히 두꺼운 코팅을 적용하거나 충분히 큰 패키지에 둘러싸는 것은 안테나의 QF의 변화를 낮출 수 있다. QF 특성에서 유사한 변화가 재질/매체와 그 거리의 전기적 특성에 의한 여유 공간으로부터의 편차와 함께 모든 매체와 재질의 부근에서 발생할 것으로 예상된다.
여기서 논의되는 것에 의해, 무선 전송 및/또는 수신하는 근거리 필드(near-field) 커뮤니케이션의 활용은 에너지, 전력 또는 데이터 네트워크에 적용 할 수 있다.
에너지 네트워크
에너지 전송 네트워크는 본 개념에 따라 개발될 수 있다. 도 15는 근거리 필드의 에너지 네트워크(10)의 고수준의 블록도를 나타낸다. 네트워크(10)는 복수의 장치(11a-d)(일반적으로 장치(11)이라고 함)를 포함한다. 각 장치(11)는 송수신기(transceiver)를 포함할 수 있다. 송수신기는 무선 통신을 위한 송신부(12a-d) 및 수신부(14a-d)를 포함할 수 있다. 각 송수신기는 송신부(12) 및 수신부(14)을 포함 할 수 있지만, 송수신기는 하나의 송신부(12) 또는 하나의 수신부(14)로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 송수신기의 송신부(12) 및 수신부(14) 특정 또는 모든 회로 요소를 공유하거나, 또는 분리되고 별개의 회로 요소를 가질 수 있음을 알 수 있다. 또한, 송신부(12) 및/또는 수신부(14)는 로드(load)(16)로 결합될 수 있다. 로드(16)는 장치(11)의 내부, 장치(11)의 외부, 또는 장치(11)의 내외부의 구성 조합으로 구성될 수 있다.
각 송신부(12)는 송신 안테나(13)를 포함한다. 전송 안테나(13)는 공진 주파수 ω를 가지고, 바람직하게는 최소한의 저항과 방사 손실을 가진다. 로드(16)는 송신 안테나(13)를 구동하는 신호를 생성하는 드라이버 회로를 포함 할 수 있다. 수신된 신호에 의거하여, 송신 안테나(13)는 모든 방향(전(omni)-방향)에 근거리 필드를 생성하거나 또는 특정 방향(방향)을 향한 근거리 필드를 생성할 수 있다. 대상의 근거리 필드는, 페라이트 재료와 같은 차폐물을 통해 생성될 수 있다. 물론, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 대상의 근거리 필드를 제공하기 위해 다른 재질을 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
각 수신부(14)는 수신 안테나(15)를 포함한다. 단일의 안테나가 수신 안테나(15) 및 송신 안테나(13)로 둘 다 이용될 수 있거나, 또는 분리된 안테나가 수신 안테나(15) 및 송신 안테나(13)로 이용될 수 있다. 각 안테나(13, 15)는 공진 주파수(ωa-ωd로 함)를 가지고 있다. 만약 분리된 송신 및 수신 안테나가 사용되는 경우, 수신 안테나(15)의 공진 주파수는 송신 안테나(13)의 공진 주파수와 동일한 것이 바람직하다.
하나의 장치(11)의 수신부(14)(예를 들어, 장치(11b)의 수신부(14b))가 또 다른 장치(11)의 송신부(12)(예를 들어, 장치(11a)의 송신부(12a))의 근거리 필드에 위치할 때, 송신부(12a)에 의해 생성된 전자기장은 수신부(14b)와 상호 작용한다. 만약 수신부(14)(예를 들어, 공진 주파수(ωb)를 가지는 장치(11b)의 수신부(14b))의 공진 주파수가 송신부(12)(예를 들어, 공진 주파수(ωa)를 가지는 장치(11a)의 송신부(14a))의 공진 주파수와 같다면, 전송부(11a)의 반응 전자기장은 수신부(14b)에서 교류 전류를 유도한다. 유도 전류는 전원을 제공하거나 로드(16b)에 데이터를 전송하는데 이용될 수 있다. 결과적으로, 장치(11b)는 장치(11a)로부터의 에너지를 흡수할 수 있다. 송신 장치의 공진 주파수(예를 들어, ωb)와 동일한 공진 주파수를 가지는 모든 장치는 근거리 필드 에너지 네트워크에 추가되고, 송신부(12a)의 공진 주파수는 추가된 장치의 로드 효과로 인해 특별히 변경되지 않게 된 전송 장치로부터의 에너지를 끌어냄을 알 수 있다.
만약 수신부(예를 들어, 공진 주파수(ωc)를 가지는 장치(11c)의 수신부(14c))가 송신부(12)(예를 들어, 공진 주파수(ωa)를 가지는 장치(11a)의 송신부(12a))의 공진 주파수와 다르다면, 수신부(14c)는 전송부(12a)에 하이 임피던스를 가지고 전송부(12a)로부터의 약간의 에너지를 가져온다.
송신부(12a)로부터 수신부(14c)로 전송된 에너지의 양은 송신부(12a)와 수신부(14c)의 고유 손실 및 수신부(14b)와 같은 다른 장치로의 에너지 전송을 포함하는 많은 요인에 따라 달라짐을 알 수 있다. 또한, 중요한 것은 ωa 및 ωc의 근접성과 각 장치의 공진 밴드의 폭이다. 도 16a-f는 다양한 요인이 에너지의 전송에 어떻게 영향을 주는 지를 나타내는 그래프를 나타내고 있다.
도 16a는 ωa와 ωc는 동일하고 밴드가 좁은 상황을 나타내고 있다. 이것은 이상적인 시나리오와 최대 전력 전송 효율의 케이스를 나타낸다. 도 16b는 ωa와 ωc가 다르고 밴드가 좁은 상황을 나타내고 있다. 어떤 에너지도 이 시나리오에서는 전송되지 않는다. 도 16c는 ωa와 ωc가 다르고 수신부(14c)는 넓은 공진을 가지는 상황을 나타낸다. 안테나가 높은 저항과 방사 손실을 가질 때, 보다 넓은 공진 밴드가 발생한다. 수신부(14c)는 도 16b에서 나타낸 상황에 비해 더 많은 임피던스를 가진다, 그러나 수신 장치(11a)로부터의 일부 에너지를 여전히 흡수할 수가 있다. 도 16d는 ωa와 ωc가 다르고 송신부(11a)가 비가역인 상황을 나타낸다. 송신 장치(11a)에서의 저항과 방사 손실은 넓은 공진 밴드를 초래한다. 안테나 에너지의 작은 일부는 수신부(14c)로 전송하는 것이 가능하다. 도 16e는 ωa와 ωc가 멀리 떨어져 있고, 송신부(12a)와 수신부(14c) 모두가 비가역인 상황을 나타내고 있다. 여기서 송신부(12a)로부터 수신부(14c)로 아무런 에너지도 전송되지 않는다. 도 16f는 ωa와 ωc가 근접하고, 송신부(12a)와 수신부(14c) 모두가 비가역인 상황을 나타내고 있다. 에너지는 송신부(12a)와 수신부(14c) 사이에 전송되지만, 높은 손실로 인해 시스템은 비효율적이다.
수많은 일반적인 일상적인 오브젝트는 도전성(예를 들면, 스틸 캐비넷, 자동차)이고 도 16c의 수신부(14c)와 유사한 주파수 응답을 가지고 있다 (다만 큰 저항 손실 때문에 큼). 이러한 오브젝트는 송신부(12a)로부터의 일부 에너지를 흡수할 수 있고 시스템의 손실의 원인이 된다. 지금까지, 에너지의 일반적인 전송만이 논의되었지만, 에너지의 사용은 애플리케이션에 의해 달라질 수 있고, 파워의 전송 또는 데이터의 전송의 어느 쪽이라도 광범위하게 될 수 있다.
전원 네트워크
파워 전송 네트워크는 본 개념에 따라 개발될 수 있다. 수신부(14b)가 송신부(12a)의 근거리 필드 내에 위치하고, 수신부(14b)의 공진 주파수(즉, ωb)가 송신부(12a)의 공진 주파수(ωa)와 거의 같을 때, 에너지는 송신부(12a)로부터 수신부(14b)로 전송된다. 만약 송신부(12a)의 공진 주파수(즉, ωa)와 동일한 공진 주파수를 가지는 모든 복수의 수신 장치(예를 들면, 11b-11d)가 근거리 필드에 위치하는 경우, 각 수신 장치(예를 들어, 11b-11d)는 교류 전류의 형태로 송신부(12a)로부터 에너지를 끌어온다. 수신 장치(11a-11d)는 배터리 또는 커패시터와 같이 파워 저장 장치의 에너지를 축적하는 유도 교류 전류를 사용하는 변환기(transducer)를 포함할 수 있다. 혹은, 변환기는 수신장치(예를 들면, 11b-11d)의 내부 또는 결합된 파워 전자 구성에 직접적으로 유도 교류 전류를 사용할 수 있다.
모든 송신 및 수신 장치(예를 들면, 11b-11d)가 송신부(12a)의 근거리 필드 내에 위치할 수 없음을 알 수 있다. 도 17에서 나타낸 바와 같이, 근거리 필드의 바깥쪽(예를 들면, 수신부(11e))의 수신 장치(11)에 에너지를 전달하기 위하여, 하나 이상의 리피터(18)가 사용될 수 있다. 하나 이상의 리피터(18)는 ωa로 튜닝된 안테나(20)를 포함할 수 있다. 리피터(18)는 유도 전류의 형태로 안테나(20)를 통해 전송부(12)로부터 에너지를 끌어올 수 있다. 하나 이상의 리피터(18)는 안테나(20)를 이용하여 제 2의 에너지 필드를 생성하는 유도 전류를 사용할 수 있다. 혹은, 제 2의 에너지 필드는 제 2의 안테나(도시 안 함)를 이용하여 생성될 수 있다. 제 2의 에너지 필드는 수신부(14e)의 교류 전류를 유도하기 위해서 이용될 수 있다. 수신부(14e)는 배터리나 커패시터와 같은 파워 저장 장치의 에너지를 저장하는 유도 교류 전류를 사용하는 변환기를 포함할 수 있다. 이것은 안테나(20) 또는 제 2의 안테나(도시 안 함)가 모든 방향(무지향성)으로 근거리 필드를 생성하거나, 특정의 방향(지향성)을 대상으로 한 근거리 필드를 생성할 수 있음을 알 수 있다.
데이터 네트워크
데이터 전송 네트워크는 본 개념에 따라 개발될 수 있다. 데이터 전송을 위해 설계된 네트워크는, 네트워크의 송신 장치에 의해 송신된 신호가 데이터를 전달하는 시변동성(time-varying) 신호로 변조되는 것을 제외하고, 이전에 기술한 파워 네트워크와 유사하다. 여기에는 데이터 네트워크를 위한 여러 가능한 일반적인 레이아웃이 있다.
데이터 네트워크의 레이아웃의 일례는 송신부(12a)의 근거리 필드 내에 위치하는 하나 이상의 수신부(14b-d)를 포함한다. 각각의 수신부(14b-d)는 송신부(12a) 및/또는 다른 수신부(14)와 통신할 수 있다. 이것은 송신부(12)의 근거리 필드의 밖에 있을 수 있는 수신부가 상술한 방법으로 하나 이상의 리피터(18)를 이용하여 도달할 수 있음을 알 수 있다. 다른 예에서는, 수신부(14)는 송신부(12)의 원거리 필드에 위치할 수 있으며, 통신을 위해 송신부(12)의 방사 필드를 사용한다. 이와 같은 원거리 필드 통신은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 원거리 필드 통신기술과 유사한 방법으로 달성된다.
네트워크내의 장치(11)는 여러 방법으로 데이터 전송을 처리하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 장치(11) 및 그 안테나(13, 15)는 (1) 데이터만을 수신하고; (2) 데이터만을 송신하고; 또는 (3) 수신 및 송신하기 위한 공용 안테나 또는 수신 및 송신하기 위한 분리형 및 전용 안테나 어느 한쪽을 이용하여, 데이터를 수신 및 송신하도록 설계될 수 있다. 게다가, 장치(11)는 데이터와 파워 전송 양쪽을 처리하도록 설계될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 각 장치(11)는 다음과 같이 설계할 수가 있다: (1) 데이터만 전송; (2) 파워만 전송; (3) 각 장치(11)가 데이터 및 파워 전송을 위한 공용 안테나를 가지거나, 각 장치(11)가 데이터 및 파워 전송을 위한 분리, 전용 안테나를 가지고, 각 장치(11)가 송/수신 데이터의 조합을 이용하는 데이터 및 파워를 전송하도록 설계될 수 있다.
각 수신부(14)는 네트워크(10) 상의 수신부(14)에 고유한 전자 식별(ID)을 가질 수 있다. ID는 네트워크 상의 특정 수신부(14)를 위한 식별자로서 기능하고, 네트워크 상의 수신부(14)가 통신을 위한 네트워크(10) 상의 다른 수신부(14)를 식별하도록 허용한다. 데이터 전송 세션을 개시하려면, 송신 장치는 그 ID로 수신 장치를 식별하고, 기동 명령을 사용하여 통신을 개시한다. 데이터 전송은 지정된 변조 방식을 사용한다. 보안 프로토콜은 장치에 저장되고 그것에 의해 전송된 데이터가 안전하고, 설계된 네트워크(10)에 있지 않는 부정한 장치에 액세스할 수 없도록 사용될 수 있다.
주기적인 데이터 통신이 송신부(12)와 하나 이상의 수신부(14) 사이 또는 수신부(14)와 하나 이상의 다른 수신부(14) 사이에서 일어날 수 있다. 송신부-수신부 통신에서, 송신부(12)는 그 ID에 근거하여 특정의 수신부(14)를 식별하고, 통신 세션을 개시할 수 있다. 한편, 수신부(14)는 그 ID에 근거하여 송신부(12)를 식별하고, 통신 세션을 개시할 수 있다. 통신 세션은, 송신부(12) 또는 수신부(14)의 어느 한쪽에 의해 종료될 수 있다.
수신부-수신부 통신에서, 양 수신부(14)는 직접 통신으로 서로 직접 연결할 수 있다. 혹은, 양 수신부(14)는 송신부(12)를 중개로 이용하여 서로 연결할 수 있다. 이러한 경우, 각 수신부(14)는 송신부(12)와 연결하고, 송신부(12)는 하나의 수신부( 14)로부터 정보를 수신하고, 그것을 다른 수신부(14)로 송신할 수 있다. 다르게는, 두 수신부(14)는 수신부(14)로부터 신호를 수신하고 그것을 다른 수신부(14)로 전송할 수 있는 하나 이상의 리피터(18)를 이용하여 통신할 수 있다.하나 이상의 리피터(18)은 하나 이상의 독립된 공진 안테나이거나, 임의의 회로로 독립될 수 있다.
하나 이상의 장치 사이에서 에너지를 효율적으로 전송하기 위한, 도 15 및 도 17에 나타낸 시스템 및 방법은, 청소기, 다리미, 텔레비젼, 컴퓨터 주변기기와 같은 가전제품을 동작시키고; 감시 장비, 야간 투시 장치, 센서 노드 및 장치와 같은 군사 애플리케이션; 자동차나 기차 성능과 안전성을 모니터링 하도록 설계된 센서와 같은 운송 애플리케이션; 플랩, 방향타 또는 랜딩 기어의 제어와 같은 항공 애플리케이션; 우주 기술; 전력 무인 선박 애플리케이션과 같은 해상 애플리케이션; 도로 센서와 같은 트래픽 제어 애플리케이션; 산업 애플리케이션; RFID 태그와 응답기(transponder)와 같은 에셋 트래킹(asset tracking); 로봇 네트워크 및 의료 장치용으로 다양하게 사용될 수 있다.
일반적인 근거리 필드 파워 및 데이터 전송 시스템
본 개념에 의해 알 수 있듯이, 근거리 필드 파워와 데이터 전송은 같은 물리적 원리로부터 도출된다. 함께 이용할 때, 근거리 필드 파워와 데이터 전송은 다양한 시스템을 만들 수 있는 기회를 제공한다. 이하는 근거리 필드 파워와 데이터 전송을 위한 일반적인 시스템에 대해 설명한다.
근거리 필드 파워와 데이터 네트워크(또한, 이하 "NF-PDAT"라 함)는 복수의 송신과 수신부로 구성될 수 있다. 간단하게는, 단일 송신부(12)와 단일 수신부(14)로 구성되는 단순한 네트워크를 생각한다. 이하의 설명에서는, 송신부(12)로부터 수신부(14)와 수신부(14)에 결합된 로드로 전송되는 에너지의 경로를 설명한다.
처음에는, PDAT 네트워크를 구동하는데 필요한 에너지는, 프라이머리 소스로부터 얻어져야 한다. 프라이머리 소스는 메인 50/60Hz의 콘센트, 표준 배터리, 콘센트에 연결 가능한 충전 배터리, 또는 간접 충전되는 충전 배터리일 수 있다. 콘센트는 그 형태로 충분하기 때문에 에너지를 얻는 하나의 바람직한 방법이다. 장치가 콘센트에 접속할 수 없거나, 휴대성이 요구되는 경우, 배터리가 사용된다. 덧붙여 충전 배터리도 사용된다. 충전 배터리는 저장된 에너지가 용량이하로 떨어질 때 보충된다. 배터리 소모가 빠르게 이루어지거나, 적절한 크기의 배터리에 비해 너무 작은 공간을 가지거나, 또는 배터리를 교체하기 위한 한정적인 접근을 가지는 장치에서 배터리 충전이 이루어지는 것이 알려져 있다. 콘센트 또는 다른 전지와 같은 파워의 프라이머리 소스는 충전 배터리의 배터리 수명을 보충하기 위해 사용된다. 대부분의 장치에서는, 재충전은 시간의 짧은 기간(예를 들면, 노트북 및 휴대폰) 동안 콘센트에 배터리를 접속하는 것으로써 이루어진다. 일부 애플리케이션(예를 들면, 이식된 의료장치)에서는, 파워 코드로의 직접 부착이 불가능하다. 그러한 상황에서는, 외부 전원으로의 유도 결합과 같은 간접적인 충전 방법이 사용된다. 충전이 다른 방법에 의해 이루어지는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 에너지 소스와 장치 사이에 깨끗한 연결(clear line-of-sight)이 존재하는 경우, 옵티컬 링크, 레이저, 또는 고도-지시 무선-주파수 빔은 에너지를 전송하기 위해 사용될 수 있다.
에너지의 대체 소스는 시스템 전원 인가 또는 시스템 내의 구성 요소(예: 배터리 충전)에 에너지를 제공하는 데 사용할 수 있다. 이것들은 에너지의 한 형태에서 전기 에너지로 전환하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 한 예는 운동 에너지에서 전기 에너지로 전환하는 것이다. 이것은 움직임을 에너지로 변환함으로써 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 몸에 부착된 장치는 몸의 움직임을 교류 전류를 생성하기 위한 발전기의 로터를 회전하도록 사용할 수 있다. 또 다른 예는 빛 에너지에서 전기 에너지로 전환하는 것이다. 예를 들어, 외부에 배치된 태양광 전지는 태양광이나 실내 주위 빛을 에너지로 변환 할 수 있다. 또 다른 예에서는, 압력의 변화가 전기 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 장치에 적절하게 위치한 압전기는 압력의 변화(예: 공기 압력 변경 또는 접촉을 통한 직접 압력)를 전기 전류로 변환될 수 있다. 또 다른 예에서는, 온도 경사(thermal gradient)가 전기 에너지로 변환될 수 있다. 예를 들어, 장치 내에 위치한 열전기 생성기(TEG)는 장치를 건너서 온도 경사를 전기 에너지로 변환하는 데 사용될 수 있다. 그러한 TEG는 열에너지의 일부가 전기 에너지로 변환하기 때문에 자신이 동작하는 동안 열을 발생하는 장치에 유용하다.
본 개념은 또한 고효율의 무선 파워 및 데이터 원격 시스템의 사용을 위한 다층 복수 턴 안테나를 설계하는 방법을 포함한다. 동작의 특정 주파수 감안할 때, 다음 단계의 하나 이상이 애플리케이션 특정 안테나를 설계하기 위해 계속된다.:
1. 충분한 결합 계수를 위해 필요한 최소 인덕턴스를 얻기 위해서, 분석 계산과 시스템 레벨 시뮬레이션을 실행한다.
2. 분석 계산(예를 들면, 결합 계수, 야기 전압 등)에 의거하여, 적절한 인덕턴스에 필요한 턴 수를 선택한다.
3. 제조 기술에 의거하여 어느 쪽이 높은지 약 2배의 스킨 깊이나 최소 허용으로 하는 도체층의 두께를 선택한다.
4. 제조 기술에 의한 최소 허용이 되는 절연 두께 또는 원하는 성능을 달성하기 위한 큰 두께를 선택한다.
5. 가능한 최대의 표면 영역(애플리케이션에 따름)을 선택한다.
이 영역은 반드시 정방형 또는 원형일 필요가 없다. 시스템 전체에 적합한 임의의 형상으로 할 수 있고, 다른 구성의 주변을 지날 수(meander) 있다.
6. 제조 기술 및 애플리케이션에 따라 가능한층의 최대 수를 선택한다.
7. 스텝 1 및 2로부터 턴 수와 함께 수치 모델링 툴(예를 들면, MoM, FDTD, FEM, MLFMM, 또는 일부 다른 것이나 이들의 조합에 의거한 것)의 다층 복수 턴 안테나를 설계하고, 층 및 다른 파라미터의 수를 최적화한다(스텝 3-6).
a. 최대 품질 인자가 선택된 주파수의 어디쯤에서 얻어지는지 확인한다.
b. 이 품질 인자의 인덕턴스가 최소 허용량(시스템 레벨의 제약으로부터) 보다 큰지 또는 같은 지를 확인한다.
c. 필요하다면, 기생 용량 효과(이전 부분 참조)를 줄임으로써 E필드가 최소화 되는지 확인한다.
본 발명의 개념은 또한 안테나가 설계된 후의 안테나를 제조하는 방법을 포함한다. 다층 복수 턴 안테나는 예를 들어 PCB/세라믹/금속 프린팅 프로세스의 특정 마스크를 통하여, 또는 반도체 공정에서 증착되는(deposited) 금속 스트립을 채용한다. 안테나를 제조하는 다른 방법은, 절연층 및 장소(location)를 통한 설계에서의 납땜에 의한 다중 스트립 단락에 의해, 각각 분리된 상단에 위치하는 하나 이상의 테이프/리본/시트/리프와 함께 전도성 테이프/리본/시트/리프를 활용할 수 있다. 안테나를 제조하는 또 다른 방법은 도전성 테이프/리본에 대해 그것과 유사한, 도전성 시트 또는 "리프" (예를 들어, 금이나 구리박막)와 다음 스텝으로부터 특정 형태로 잘라진다. 3차원 프린팅 프로세스(예를 들어, Eoplex Technologies에 의해 제공되는 것과 같은)는 물리 증기 증착, 얇은 필름 증착, 두꺼운 필름 증착과 같은 금속 증착 프로세스에 더하여 사용될 수 있다.
본 개념은 다층 프린트 배선 기판, 프린트 회로 기판, 및 다층 상호 접속과 함께 반도체 제조 기술을 위한 현재의 제조 기술을 통합(incorporated)하여 부여할 수 있다. 제조 기술의 진보가 이루어지면, 다층 복수 턴 안테나는 그러한 개선으로부터 크게 이득을 얻는 것이 기대된다. 종래의 제조 기술에 대한 호환성은 이 안테나를 종래의 회로 기판으로 비교적 용이하게 통합하도록 해준다. 이러한 진보는 또한 정확한 재현성과 작은 기능 사이즈(즉, 고해상도)를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 시스템의 설계 및 구조는 확장된 범위(즉, 무선 송수신 안테나간의 이격 거리)를 가능하게 한다. 범위의 증가는, 파워가 보다 큰 거리를 넘어 전송되도록 하고, 수신기로부터 한층 더 떨어져 있는 송신기를 가능하게 해준다. 예를 들면, RFID와 같은 애플리케이션에서, 고주파 호출기(interrogators)에 대한 태그 판독 범위는 3피트 이상이 되지 않고, 팔레트(pallet) 트래킹과 같은 특정 애플리케이션에 대해 불충분했다. 본 시스템의 무선 안테나는, 이 특정의 애플리케이션이 더 나은 확장 판독 범위 성능에 필요한 호출(interrogator) 신호를 반영하는 것이 가능함을 요구하는 집중된(concentrated) 파워를 전달하는 것에 의하여, RFID를 통해서 팔레트 트래킹에 대한 개선을 제공한다. 군사 시스템과 같은 다른 애플리케이션에서는, 본 발명에 의해 제공되는 확장 범위는 장소에 도달하기 힘든 장치 또는 가혹한 환경의 장치로 파워의 전달을 가능하게 한다. 가전제품에서, 확장 범위는 사용자가 보다 편리한 장소로부터 장치로 에너지를 충전하거나 전송하는 것을 가능하게 한다.
본 시스템은 또한 단일 디자인 컨셉, 즉 다층 복수 턴 안테나로부터 여러 동작 요구를 할 수 있다. 본 시스템은 수신기 안테나, 소스 안테나, 송수신기(소스와 수신기 역할) 및 리피터 안테나와 같은 역할을 할 수 있다. 또한, 디자인은 회로(예를 들어, RF 필터 회로, RF 매칭 회로)에 집중 요소(lumped element)로서 단독적인 인덕터 디자인으로 사용될 수 있다.
본 발명의 MLMT 안테나 구조는 다양한 회로 설계 구현(embodiment)으로 나타낼 수 있다. MLMT 안테나 구조에 대한 등가 회로도는 도 20에 주어진다. 그것은 다음의 파라미터를 포함한다.
LM = 고유 유도 용량
CM = 고유 정전 용량
RM = 고유 저항
MLMT 안테나 구현의 특성은 LM, RM, 및 CM의 설계 값, 동작 중심 주파수 및 터미널 1와 터미널 2에서 위치하는 추가 구성에 따른다.
동작의 각도 주파수를 ω로 한다.
다음에 입력 임피던스, MLMT 안테나 구현의 Zinput는 1(a) 및 1(b)에 의거하여 식 1(c)에 의해 일반적인 형태(term)로 주어진다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006

다음에 본 발명의 MLMT 안테나 구조는 여러 회로 디자인 구현으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, MLMT 안테나 구조는 3개의 모드로 동작할 수 있다.
모드 1: 집중 상수 회로(lumped element circuit)의 구현과 같은 인덕터가, 식 2(a)에 의해 주어지는 조건 1일 때, 식 2(b)이 되는 것을 만족하는 경우,
등가 회로도 도 21로 주어진다.
Figure pat00007
Figure pat00008

모드 2: 공진기가 2개 타입 중 하나인, 스탠드 얼론 탱크 회로(stand-alone tank circuit)로 구현 또는 HF 및/또는 RF회로로 구현되는 공진기(resonator)인 경우,
타입 1 : 식 3으로 주어지는 조건 2일 때 자기 공진이 만족하는 경우, 등가 회로도는 도 22a 및 22b에 주어진다.
Figure pat00009

타입 2 : 직렬 또는 병렬로 커패시터 CADDED 추가에 의해 공진이 달성되는 공진기 경우, 직렬 및 병렬 커패시터 추가를 나타내는 등가 회로도는 도 23a 및 23b에 주어진다. 모드 2 타입 2의 회로도는 도 24a, 24b, 및 24c에 주어진다.
두 타입 1 및 타입 2에서, LPickup 및 Lfeed 는 각각 픽업 인덕터와 피드 인덕터를 참조한다. 이것들은 MLMT 구조, LM 의 인덕턴스 값보다 작은 인덕턴스를 가지고, MLMT 구조로 특정 커플링을 가진 코일이다. 커플링은 나머지 시스템으로부터 또는 시스템에 MLMT 구조로 또는 MLMT 구조로부터 파워 전송을 위한 바람직한 매칭 조건을 달성하기 위해서 변화될 수 있다. 단순함과 컨셉의 증명을 위해, 이하에 기술되는 실시예(embodiment)는 실례(illustration)를 목적으로 공진을 달성하는 단일 커패시터, CADDED 예를 제공한다. 실제의 회로에 있어서, 복수의 커패시터 및/또는 인덕터 및/또는 저항을 포함하는 보다 복잡한 회로가 사용될 수 있다. 도 22 및 24에서 나타낸 모든 실시예는 시스템의 송신부측 및/또는 수신측에서 사용될 수 있다.
모드 3: 식 4를 만족하는 조건 3일 때 커패시터의 경우,
Figure pat00010

기존의 기술과 비교되는 본 시스템에서의층 및 커스터마이징 배선 세그먼트의 고유한 배치는, 기존의 기술로부터 실현된 것보다 2배 이상 높은 품질 인자에 의해 나타난 것처럼, 유사성에 있어서 개선된 시스템의 성능 및 작은 패키지 부피를 나타내고 있다. 특정 속성, 특정 형태, 길이 및 두께로 재질을 결합하고, 레이아웃을 결정하는 것에 의해, 본 시스템은 바람직한 응답을 최적으로 달성하는 특정 애플리케이션(무선 조직 자극, 무선 원격, 무선 구성 충전, 무선 비파괴 검사, 무선 감지, 및 무선 에너지 또는 전원 관리를 포함하나 한정되지는 않음)에 인덕턴스와 품질 인자를 페어링 가능하게 한다.
본 시스템의 다른 특정의 이점은 증가 주파수(스킨 효과라 알려진 현상에 기인해)와 관련되는 도체 손실을 줄임으로써, 동등 또는 작은 설계 크기의 파워 및/또는 데이터 전송을 위한 근거리 필드 마그네틱 커플링(NFMC)의 더 많은 효율 수단이 가능하다. 제안 시스템은 또한, 기존의 제조 기술(예를 들면 다층 프린팅 배선 기판)에 의해 비교적 용이하게 달성될 수 있는 솔루션을 제공하고, 그것들을 IC, 저항, 커패시터, 표면 실장 부품 등과 같은 다른 회로 구성으로 통합할 수 있다. 본 시스템의 다른 이점은 소비 전력을 저감하여 긴 배터리 유지(해당하는 경우), 안테나의 줄(Joule) 발열의 감소, 전자 기기(appliance)/장치의 환경 자원의 소비를 감소 및 높은 에너지 효율 장치로부터 전달되는 다른 이득을 포함한다.
이 무선 시스템으로부터 이득을 얻는 다른 애플리케이션들은 지형 탐사(geo-sensing), 석유 탐사, 결점 검사, 휴대용 전자, 군사, 방위 및 의료기기, 다른 의료 임플란트(implantable), 의료 비-임플란트(non-implantable), 상용, 군용, 항공 우주, 산업 및 다른 전자 기기나 장치 애플리케이션을 포함하며 여기에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 효율의 향상으로부터 이득을 얻을 수 있는 애플리케이션뿐만 아 니라 유도 소자(inductive element)의 사용을 요구하는 애플리케이션도 커버할 수 있음을 알 수 있다.
상기 설명은 최선의 형태 및/또는 다른 예시라고 간주되는 것에 의해 설명했지만, 다양한 변경이 그 안에서 변경 될 수 있으며, 본 주제는 다양한 형태와 예제에 구현되고, 그 개념은 수많은 애플리케이션에 적용될 수 있고, 이 중 일부만이 여기에 설명되어 있음을 알 수 있다. 일부 및 모든 애플리케이션을 청구하는 다음의 청구항에 의해서, 본 개념의 진정한 범위내에 속하는 다양한 변경 및 변화가 이루어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 무선 통신용 구조체에 있어서,
    다수의 도전체층과,
    상기 다수의 도전체층의 각각을 분리하는 절연체층과,
    상기 다수의 도전체층 중에서 두 개 이상을 연결하는 최소한 한 개의 커넥터로 구성되며,
    전기 신호가 한 주파수에서 상기 구조체내에 유도되는 경우에는 전기 저항이 감소되는 무선 통신용 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 도전체층은, 도전성 테이프, 도전성 리본 및 침착된(deposited) 금속중에서 최소한 한 개를 포함하는 무선 통신용 구조체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 주파수는 100kHz-10GHz에 이르는 주파수 범위로부터 선택되는 무선 통신용 구조체.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수는 100kHz-10GHz에 이르는 주파수 범위 안에 있는 주파수 밴드가 되는 무선 통신용 구조체.
  5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체층의 각각은, 평행 방향으로 배치되어 있는 무선 통신용 구조체.
  6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체층의 개수는, 층들의 총 개수와 동일하거나 총 갯수보다 더 적으며, 전기적으로 평행 방향으로 배치되어 있는 무선 통신용 구조체.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
    평행 형태로 전기적으로 연결된 상기 다수의 도전체층은,
    평행 형태로 전기적으로 연결된 한 개 이상의 제 2의 다수의 도전체층과 전기적으로 직렬 형태로 연결되어 있는 무선 통신용 구조체.
  8. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호는, 에너지 신호, 전류, 전압, 전원 신호 및 데이터 신호중에서 최소한 한 개를 포함하는 무선 통신용 구조체.
  9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서,
    100보다 큰 품질 인자를 가지는 무선 통신용 구조체.
  10. 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서,
    저항기, 인덕터, 및 커패시터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 회로 요소를 추가로 포함하는 무선 통신용 구조체.
  11. 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는, 한 개의 단면 형태를 가지고 있으며,
    상기 단면 형태는, 원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형 및 타원형의 단면들 중에서 최소한 한 개의 단면 형태가 되는 무선 통신용 구조체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 커넥터는 비어, 납땜, 태브, 배선, 핀, 리벳 등중에서 최소한 한 개를 포함하는 무선 통신용 구조체.
  13. 제 1항에 있어서,
    구조적 형태를 추가로 포함하며,
    상기 구조적 형태는,
    원형 솔레노이드 구성, 정사각형 솔레노이드 구성, 원형 나선 구성, 정사각형 나선 구성, 직사각형 구성, 삼각형 구성, 원형 나선-솔레노이드 구성, 정사각형 나선-솔레노이드 구성, 및 등각 솔레노이드 구성 중에서 최소한 한 개를 포함하는 무선 통신용 구조체.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 도전체층은, 최소한 한 개의 턴을 가지는 무선 통신용 구조체.
  15. 제 1항에 있어서,
    최소한 한 개의 도전층은 전기적 도전성 물질로부터 형성되며,
    최소한 한 개의 절연체는 전기적 절연 물질로부터 형성되는 무선 통신용 구조체.
  16. 제 1항에 있어서,
    공진기, 안테나, RFID 태그, RFID 트랜스폰더, 및 의료 기기 중에서 최소한 한 개를 포함하는 장치내에 내장 가능한 무선 통신용 구조체.
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