KR20150023244A - 반사하는 캐비티에서 복수의 경로를 따른 무선 파워 수집 - Google Patents

반사하는 캐비티에서 복수의 경로를 따른 무선 파워 수집 Download PDF

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Abstract

장치는 전자기 에너지로 여기될 때, 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가지는 전기장을 생성하는 캐비티를 포함하는 구조를 포함한다. 장치는 캐비티 내에서 센서를 더 포함한다. 센서는 캐비티 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나들을 가진다.

Description

반사하는 캐비티에서 복수의 경로를 따른 무선 파워 수집{Wireless power harvesting along multiple paths in a reverberent cavity}
통상의 항공기에서, 센서들은 온도, 수분 함수량(moisture content), 연료 레벨(fuel level), 산소 레벨(oxygen level) 및 다른 물리 양들(physical quantities)을 측정하기 위하여 연료 탱크에 위치될 수 있다. 센서들은 연료 탱크 외부의 소스로부터 전력을 받는데, 이는 연방 법규들(Federal regulations)이 배터리들과 슈퍼커패시터들(supercapacitors)과 같은 파워 저장 디바이스들(power storage devices)이 연료 탱크 내에 위치하는 것을 금지하기 때문이다.
전자 파워(Electrical power)는 연료 탱크들로 연장되는 와이어들(wires)에 의하여 센서들(sensors)로 공급될 수 있다. 이러한 와이어들은 또한 데이터 커뮤니케이션(data communications)에 사용될 수 있다. 그러나, 와이어들은 항공기에 무게를 추가한다. 추가된 무게는 항공기 작동 비용을 증가시킨다. 또한 와이어들은 점검을 하기 때문에 유지 비용을 증가시킨다.
그렇지 않으면, 센서들은 주위의 소스들(예를 들어, 진동(vibration), 열 및 태양에서 오는 열, 빛(solar))로부터 에너지를 수집할 수 있다. 그러나, 주위의 소스들로부터 수집하는 것은 연료 탱크와 같은 컨파인드 구조(confined structures)에서 신뢰할 수 없고 일관성이 없을 수 있고, 실행 가능하지 않을 수 있다.
본 명세서에서 실시예에 따라, 전자기 에너지로 여기될 때 장치가 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가지는 전기장을 생성하는 캐비티를 포함하는 구조를 포함한다. 장치는 또한 캐비티 내의 센서를 더 포함한다. 센서는 캐비티 내에 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
본 명세서에서 다른 실시예에 따라, 방법은 반사하는 캐비티(reverberant cavity)에서 센서를 작동하는 단계를 포함하고, 이는 캐비티 내에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들(orientations)로부터 입사하는 에너지(energy)를 수집하는 단계, 수집된 에너지를 병합하는 단계(combining) 및 센서에 파워를 공급하기 위하여 병합된 에너지를 이용하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 다른 실시예에 따라, 비히클(vehicle)은 연료 탱크와, 연료 탱크 내에 설치된 연료 탱크 센서(fuel tank sensor)를 포함한다. 센서는 탱크 내에 상이한 경로들을 따라 에너지를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
본 명세서에서 다른 실시예에 따라, 항공기는 연료 탱크, 및 연료 탱크 내의 복수의 연료 탱크 센서들을 포함한다. 연료 탱크 센서들 중 적어도 몇몇은 탱크에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들로부터 입사하는 가용 파워(operational power incident)를 무선으로 모으기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
본 명세서에서 다른 실시예에 따르면, 센서는 상이한 경로에 따라 지향된 복수의 안테나들과, 안테나들 상에서 수집된 파워를 병합하기 위한 회로를 포함한다. 안테나들은 상이한 주파수들로 튜닝된다(tuned). 파워가 임의의 안테나들 상으로 수신되지 않으면, 센서는 비-가용(non-operational)이 되도록 구성된다. 센서는 물리 양(physical quantity)을 측정하기 위하여 회로로부터 파워를 이용하기 위한 변환기(transducer)를 더 포함한다.
본 명세서에서 다른 실시예에 따라, 센서 시스템은 물리적인 파라미터들(physical parameters)의 측정들을 수행하기 위한 복수의 센서들을 포함하고, 각각의 센서는 가용 에너지를 수집하기 위한 복수의 안테나들과 회로를 포함하고, 안테나들은 상이한 주파수들로 튜닝된다.
본 발명의 일 태양에 따라, 전자기 에너지로 여기될 때, 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가지는 전기장을 생성하는 캐비티를 포함하는 구조; 및 캐비티 내의 센서를 포함하는 장치가 제공되고, 센서는 캐비티 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
유리하게 캐비티는 경계 조건들을 변경한다.
유리하게, 센서는 안테나들로부터 수집된 파워를 병합하기 위하여 회로를 포함한다. 바람직하게는, 센서는 측정을 수행하기 위하여 병합된 파워를 이용하기 위한 변환기(transducer)를 포함한다. 바람직하게는, 센서는 병합된 파워에 의하여 작동되는 데이터 전송기(data transmitter)를 더 포함한다.
유리하게, 센서는 캐비티 내에서 에너지 페이드(energy fade) 동안 비-가용(non-operational)이 되도록 구성된다. 바람직하게는, 센서는 200 마이크로줄(microjoules) 이하의 에너지를 저장한다.
유리하게, 본 발명은 전자기 에너지로 캐비티를 여기하기 위하여 캐비티 내의 적어도 하나의 방사 엘리먼트(radiating element) 및 캐비티 외부의 파워 공급기(power supply)를 더 포함한다.
유리하게, 안테나들은 상이한 평면들(planes)과 오리엔테이션들(orientations)을 가진다. 바람직하게는, 안테나들은 공간적으로 변위되고(spatially displaced) 직교하게 지향된다(orthogonally oriented). 바람직하게는, 안테나들은 전자기 에너지의 주파수에서 파장의 일부에 의하여 공간적으로 변위된다.
유리하게, 안테나들은 상이한 주파수 밴드들(different frequency bands)로 튜닝된다.
유리하게, 본 발명은 캐비티 내에 적어도 하나의 추가 센서를 더 포함하고, 각각의 추가 센서는 캐비티 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나들을 가진다. 바람직하게는, 적어도 하나의 센서의 상이한 안테나들은 상이하고 이용 가능한 주파수들로 튜닝된다. 그렇지 않으면, 적어도 하나의 센서의 모든 안테나들은 특정 주파수로 튜닝된다. 그렇지 않으면, 상이한 센서들은 캐비티의 물리적인 제약을 활용하기 위하여 상이한 주파수들로 튜닝된다.
유리하게, 구조는 연료 탱크를 포함한다.
유리하게, 구조는 항공기 승객 선실을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 반사하는 캐비티에서 센서를 작동하는 단계를 포함하는 방법이 제공되고, 이 단계는 캐비티 내에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들로부터 입사하는 에너지를 수집하는 단계; 수집된 에너지를 병합하는 단계; 및 센서에 파워를 공급하기 위하여 병합된 에너지를 이용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 연료 탱크와 연료 탱크 내에 설치되는 연료 탱크 센서를 포함하는 비히클이 제공되고, 센서는 탱크 내에서 상이한 경로들을 따라 에너지를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나를 가진다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 연료 탱크와 연료 탱크 내에 있는 복수의 연료 탱크 센서들을 포함하는 항공기가 제공되고, 연료 탱크 센서들 중 적어도 몇몇은 탱크 내에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들로부터 입사하는 가용 파워를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
유리하게, 연료 탱크는 윙 박스(wing box)에 포함되고, 와이어들은 윙 박스의 날개보들(spars)을 관통하고 연료 탱크 내부에 방사 엘리먼트들에서 멈춘다.
유리하게, 본 발명은 승객 선실과 선실 내의 복수의 선실 센서들을 더 포함하고, 선실 센서들 중의 적어도 몇 개는 선실 내에서 상이한 경로들을 따라 에너지를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들을 가진다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 상이한 경로들을 따라 지향되고 상이한 주파수로 튜닝된 복수의 안테나들; 안테나들 상에서 수집된 파워를 병합하기 위한 회로; 및 물리 양을 측정하기 위하여 회로로부터 파워를 이용하기 위한 변환기를 포함하는 센서가 제공되고, 센서는 임의의 안테나들 상에서도 파워가 수신되지 않으면 비-가용이 되도록 구성된다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 물리적인 파라미터들의 측정들을 수행하기 위한 복수의 센서들을 포함하는 센서 시스템이 제공되고, 각각의 센서는 가용 에너지를 수집하기 위한 회로와 복수의 안테나들을 가지고, 안테나들은 상이한 주파수들로 튜닝된다.
이러한 특징들과 기능들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 성취될 수 있고, 다른 실시예들에 결합될 수 있다. 또한 실시예들의 구체 사항들은 하기의 설명과 도면들을 참조하여 볼 수 있다.
도 1은 캐비티와 캐비티 내의 센서를 가지는 구조를 포함하는 장치를 도시한다.
도 2는 캐비티 내에서 상이한 경로를 따라 에너지를 수집하고, 수집된 에너지를 병합하고, 센서 기능을 수행하기 위한 병합된 에너지를 사용하는 센서를 도시한다.
도 3은 반사하는 캐비티 내에서 전자 파워를 수집하는 방법을 도시한다.
도 4a, 4b 및 4c는 센서의 상이한 구성들을 도시한다.
도 5는 항공기를 도시한다.
도 6은 연료 탱크와 복수의 센서들을 포함하는 윙 어셈블리를 도시한다.
도 1을 참조하면, 캐비티(120)와 전자기 에너지로 캐비티를 여기시키기 위한 소스를 가지는 구조(110)를 도시한다. 여기 소스(excitation source)는 캐비티(120) 내부의 방사 엘리먼트(radiating element, 130), 전송기(transmitter, 131) 및 캐비티(120) 외부의 파워 공급기(power supply, 132)를 포함한다. 캐비티의 외부로 도시되었음에도 불구하고, 전송기(131)는 내부에 위치될 수 있다.
전자기 에너지로 여기될 때, 캐비티(120)는 에너지를 반사하고, 정상파 전기장(standing wave electric field)을 만든다. 캐비티(120)의 벽(122)은 전자기 에너지를 반사하는 재료(예를 들면, 금속)로 만들어 질 수 있고, 또는 벽(122)은 전자기 에너지를 반사하는 재료(페인트 또는 호일)로 코팅되거나 덮힐 수 있다. 전자기 에너지의 파장은 캐비티(120)의 크기에 비하여 작다. 캐비티(120)의 가장 작은 크기는 몇 파장 길이일 수 있다. 예를 들어, 통상적인 항공기의 연료 탱크의 캐비티(120)는 마이크로파장 에너지로 여기될 수 있다.
캐비티(120) 내에 임의의 주어진 포인트(point)에서 파워는 캐비티(120)의 경계 조건들(boundary conditions)에 의하여 좌우된다. 경계 조건들이 변동을 거듭하지 않고 여기가 계속된다면, 정상파 패턴을 가지는 전기장이 생성될 것이다. 전기장은 최소 값과 최대 값 사이에서 변할 것이다. 그러나, 경계 조건들에서의 조금의 변동들 조차도 캐비티(120) 내에 최소값과 최대값의 위치들에 영향을 미친다. 무작위는 캐비티(120) 내에 위치, 오리엔테이션, 주파수 및 대상들의 기하학적인 상태에서의 작은 동요로부터 야기될 수 있다. 경계 조건들이 무작위로 변경되면, 최소값과 최대값의 위치는 무작위로 변한다. 결과적으로, 캐비티(120) 내의 전기장은 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가진다.
통상적인 항공기의 연료 탱크와 같은 구조를 고려한다. 연료 탱크의 벽은 상대적으로 고정된 경계들을 제공한다. 튜빙(tubing), 립(ribs) 및 브랭킷(brackets)과 같이, 연료 탱크 내부에 있는 다른 재료 표면 경계들도 마찬가지다. 그러나, 그것들은 역학적인 구조와 공기 역학적인 부하 때문에 합당한 설계 제한 내에서 변하는 굴곡을 보여준다. 더욱이, 탱크에서 연료의 임의의 출렁임 또는 다른 움직임은 경계 조건들이 바뀌도록 야기할 것이다.
통상적인 항공기의 승객 선실과 같은 구조로 고려한다. 선실의 벽은 상대적으로 고정된 경계들을 제공한다. 그러나, 선실 벽들은 또한 역학적인 구조와 공기 역학적인 부하 때문에 합당한 설계 제한 내에서 변하는 굴곡을 보여준다. 더욱이, 선실 내의 사람들은 또한 재료 표면 경계들을 제공한다. 선실 내에서 사람들이 움직임에 따라, 경계 조건들은 변한다.
센서(140)는 캐비티(120) 내에 위치된다. 캐비티(120)가 전자기 에너지로 여기됨에 따라, 센서(140)는 캐비티(120) 내에 무작위 위치들에서 최소값과 최대값을 가지는 전기장을 만난다. 센서(140)은 또한 데드 존들(dead zones), 즉 매우 낮은 순간적인 에너지(extremely low instantaneous energy)의 존들을 만난다. 데드 존들은 경계 조건들의 변동에 의하여 영향을 받아서, 캐비티(120)의 여기저기로 움직일 수 있다.
캐비티(120) 내의 경계 조건들에서의 변동들(fluctuations)이 유리하게 이용될 수 있다. 캐비티(120)는 반사하는 캐비티로 작용하도록 여기되고, 센서(140)는 캐비티(120) 내부에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들로부터 에너지를 무선으로 수집하고, 수집된 에너지를 병합하고, 센서 기능을 수행하기 위하여 병합된 에너지를 이용하도록 구성된다.
몇몇의 실시예에서, 여기는 그 자체로 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 야기할 수 있다. 전기장의 진폭은 주파수의 기능이다. 펄스 여기는 지속 사인파(continuous wave sinusoid)와는 다른 주파수 성분을 가질 것이다. 상이한 형태의 파형의 펄스 체인(pulsed chain)은 제한된 시간에 널(nulls)만 존재하도록 모드들(modes)을 여기저기로 이동하는데 도움이 될 수 있다.
도 2를 추가적으로 참조하면, 센서(140)의 예가 도시된다. 센서(140)는 캐비티(120) 내에 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위하여 복수의 안테나들(210)을 가진다. 안테나들(210)은 안테나들(210) 상에 수집된 파워를 정류하고(rectifying) 병합하기 위하여 정류기(rectifier, 220)에 연결된다. 정류기(220)는 전파 식별 태그들(RFID tags)을 위한 더블링 다이오드들(doubling diodes)에 유사할 수 있다.
센서(140)는 변환기(230), 데이터를 처리하고 데이터의 측정과 전송을 제어하는 시스템 파워 매니지먼트(management)를 위한 제어부(240), 및 안테나들(210)을 통하여 데이터를 전달하기 위한 트랜시버(250)를 더 포함한다. 예를 들어, 제어부(240)는 변환기(230)로부터의 아날로그 신호가 전송을 위해서 견본이 되고, 트랜시버(250)로 통과하는 속도를 제어할 수 있다. 제어부(240)는 또한 변환기의 요구사항들에 따라 디지타이징(digitizing), 및 변환(converting) 또는 크기 조정(scaling)을 수행할 수 있다.
정류기(220)는 DC 파워를 요구하는, 제어부(240), 변환기(230) 및 트랜시버(250)를 포함하는 모든 구성요소들로 작동 파워를 공급한다. 이러한 구성요소들은 작동을 위하여 수집된 파워만을 사용한다. 파워가 공급될 때, 제어부(240)는 변환기(230)로부터 아날로그 측정을 얻고, 캐비티(120) 내에서 물리적인 파라미터(예를 들면, 온도)를 측정한다. 센서(140)는 임의의 적합한 파워 저장부를 가지고 있지 않다. 센서(140)는 수집된 파워가 제공되지 않을 때, 비-가용(non-operational)이다. 따라서, 파워 페이드 동안, 센서(140)는 비-가용이 되도록 구성된다.
도 3을 참조하면, 반사하는 캐비티(120)에서 센서(140)를 사용하는 방법이 도시된다. 블록(310)에서, 센서(140)는 작동하지 않는다. 센서(140)는 임의의 상당한 파워를 저장하기 않기 때문에 파워를 수신하지 않고, 데이터를 모으지 않는다.
블록(320)에서, 데이터를 측정할지 여부가 결정된다. 몇몇의 실시예들에서, 센서(140)는 스케쥴에 따라 측정을 하고, 그에 맞춰 파워가 전달될 것으로 프로그램될 수 있다. 파워가 스케쥴된 시간에 사용 가능하지 않는 경우, 측정은 수행되지 않고 견본은 스킵된다. 다른 실시예들에서, 측정은 센서(140)가 파워를 만날 때마다 이루어질 수 있다. 캐비티(120)를 여기하는 결정은 더 큰 시스템에 의하여 이루어질 수 있다.
블록(330)에서, 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가지는 전기장을 생성하기 위하여 전자기 에너지로 캐비티(120)를 여기함으로써 센서(140)가 작동된다. 센서(140)는 캐비티(120) 내에서 복수의 방향들과 오리엔테이션으로부터 작동 에너지를 수집하고, 수집된 에너지를 정류하고 병합하며, 캐비티(120)의 물리적인 파라미터를 측정하기 위하여 수집된 에너지를 사용한다. 센서(140)는 또한 데이터를 제어부로 다시 전송하기 위하여 수집된 에너지를 사용할 수 있다.
블록(340)에서, 센서 데이터는 센서(140)로부터 수신된다. 여기 소스는 양-방? 데이터와 명령 교환을 다루는 트랜시버(transceiver)를 또한 포함할 수 있다. 따라서, 센서 데이터는 캐비티(120)를 가로지르는 와이어를 연결하지 않고 얻어진다. 게다가, 데이터 콜렉션은, 에너지를 위하여 주위의 소스들에 의존하는 데이터 콜렉션과는 다르게 일관되고, 신뢰할 수 있다.
반사하는 캐비티의 이용은 자유 공간 시스템을 넘는 추가적인 이점들을 제공한다. 평균 파워는 반사하는 캐비티에서 더 큰 경향이 있다. 본 명세서에서 사용되는 평균 파워는 한 포인트에 가까운 많은 위치들 또는 복수의 주파수들에 대한 엄밀한 위치에서 수신되는 파워와 관계가 있다. 임의의 싱글 포인트에서의 또는 캐비티 내에서의 이산 주파수(discrete frequency)에서 순간적인 파워가 커질 수 있고, 이것은 넓게 변동될 것이다. 데드 존은 일어날 수 있다. 변동들은 둔화되고, 싱글 포인트에서 순간적인 파워 대신에 상이한 경로들로부터의 평균 파워를 얻음으로써 데드 존이 방지된다.
게다가, 평균 파워는 캐비티 내의 포지션에 의존하지 않는다. 이것은 자유 공간 시스템 또는 조금의 반사만이 일어나는 환경의 경우가 아니다.
에너지는 결국 캐비티에서 많은 반사들 중 하나로부터 수신기로 가져다 줄 것이기 때문에, 자유 공간 시스템에 비교될 때 다른 이점은 반사하는 캐비티에서 안테나 배치와 오리엔테이션은 훨씬 덜 중요하다. 몇몇의 실시예들에서, 반사하는 캐비티에서 안테나들의 오리엔테이션과 배치를 임의로 할 수 있다.
또한 다른 이점은 안테나가 특정한 형태로 제한되지 않는다는 것이다. 안테나 형태는 변환기와의 통합 또는 폼 팩터(form factor)에 영향을 받을 수 있다.
본 명세서에서 센서를 위하여, 전자 기술은 작은 회로 보드에 설치되는 어느 정도의 구성요소들과 칩들로 편입된다. 회로 보드는 안테나들과 패키지될(packaged) 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 패키지는 허메티컬리 실드(hermetically sealed)될 수 있다.
본 명세서에서 센서는 임의의 특정 형상으로 제한되지 않는다. 센서(140)의 세 개의 상이한 형상의 예가 도 4a, 4b 및 4c에 도시된다. 이러한 세 개의 형상은 안테나들의 상이한 배치와 오리엔테이션을 이용한다.
도 4a는 정육면체의 형태를 가지는 센서(410)를 도시한다. 정육면체-형태 센서(410)는 공간적으로 분리되고 직교 평면으로 지향되는 표면 안테나(420)를 가진다. 정육면체-형태 센서(410)의 몇몇의 실시예들은 6 면 모두에 안테나들(420)을 가질 수 있다. 다른 실시예들은 6 면보단 적은 면에 안테나들(420)을 가질 수 있다. 안테나들(420)을 1/4 또는 1/2 파장의 간격으로 놓는 것은 널을 피할 가능성을 증가시킬 것이다. 직교 오리엔테이션은 널을 피할 가능성을 더 증가시킨다.
도 4b는 구 형태를 가지는 센서(430)를 도시한다. 구-형태 센서(430)의 반지름은 작동 주파수의 파장의 일부이다. 안테나들(440)은 구-형태 센서(430)의 상이한 패치들(patches) 상에 위치한다. 파워는 직교 및/또는 비-직교 평면들을 따라 모일 수 있다.
도 4c는 카드 형태를 가지는 센서(450)를 도시한다. 안테나들(460)은 동일한 평면에 기다랗게 가로 놓여있을 수 있으나, 파장의 일부(예를 들어, 1/4 또는 1/2 파장)로 이격된다. 카드-형태 센서(450)의 이점은 캐비티 내의 면에 부착하기 위한 "벗겨서 붙이는(peel and stick)" 표면을 가진다는 것이다.
이러한 세 개의 형상에서, 모든 센서 전자 기술이 안테나들 이면에 포함되고 포팅(potted)될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 포팅(potting)은 안테나들의 외부 표면 상에 놓여질 수 있다.
본 명세서의 센서는 도 4a, 4b 및 4c에 도시된 형상에 제한되지 않는다. 다른 형상들은 독립적인 축 어레이들과 포크들(arrays and forks)을 포함하고, 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 센서의 몇몇의 실시예들은 패치 안테나들을 이용할 수 있다. 다른 실시예들은 접힌 다이폴(folded dipoles) 또는 스파이럴(spiral) 안테나를 이용할 수 있다. 안테나 종류들은 센서의 기하학적인 제약들(geometry constraints)과 파워 요구사항들(power requirements)에 의해 결정된다.
게다가, 본 명세서에서 센서는 고정된 안테나들로 제한되지 않는다. 몇몇의 실시예들은, 안테나들이 파워 수집을 강화하기 위하여 이동될 수 있다. 예를 들어, 전자 기술들은 정류기로부터 DC 전압을 감정하기 위하여 루프 최적화를 통하여 그 자체 조정 메커니즘(self calibrating mechanisms)을 측정하는 것을 포함할 수 있고, 압전기 디바이스(piezoelectric devices)는 최대 전압을 얻을 때까지 안테나를 이동할 수 있다.
본 명세서에서 장치는 캐비티 내에서 싱글 센서(single sensor)에 제한되지 않는다. 복수의 센서들이 사용될 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 모든 센서들이 복수의 경로들을 따라 에너지를 수집하지 않는다. 센서가 방사 엘리먼트(130) 근처에 위치되고 그것의 가시선(line-of-sight) 경로가 차단되지 않으면, 그것의 안테나가 일렬로 배열되어 있는 경우에 더 잘 수행할 것이다. 반사되는 경로들에 추가로, 가시선 경로가 존재하고 강력할 것이다.
본 명세서에서 장치의 몇몇의 실시예들은 싱글 주파수를 가지는 에너지를 수집하는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 각각의 센서의 안테나들은 싱글 주파수로 튜닝된다. 또는, 센서는 상이한 주파수들로 튜닝된 상이한 안테나들을 포함한다.
그러나, 본 명세서에서 장치는 싱글 주파수에서의 에너지의 수집에 제한되지 않는다. 몇몇의 실시예들에서, 캐비티는 2 이상의 주파수에서 전자기 에너지로 여기되고, 센서들은 복수의 주파수들에서 파워를 수집한다. 몇몇의 예가 지금 제공될 것이다. 이러한 예들에서, 수집할 수 있는 에너지는 입력 파워 레벨의 기능과 주파수이다.
제 1 예로서, 센서의 상이한 안테나들은 상이하고 이용 가능한 주파수들로 튜닝된다. 센서는 상이한 주파수에서 파워를 수집하고, 수집한 파워를 병합하고, 작동을 위하여 병합된 파워를 이용한다. 주파수 사이에서 전환할 필요가 없다. 센서가 (어떤 이유든지) 어떤 주파수에서 파워를 수집할 수 없다면, 단순히 그 주파수는 병합된 파워에 기여하지 않을 것이다.
정육면체-형태 센서를 고려한다. 평행한 표면 상의 안테나들은 동일한 주파수로 튜닝될 수 있고, 그 반면에 직교 면들 상의 안테나들은 상이한 주파수들로 튜닝될 수 있다. 세 개의 직교 방향들의 세 개의 상이한 주파수에서, 센서가 파워를 수집할 수 있다.
제 2 예로서, 센서의 안테나들은 동일한 주파수로 튜닝되나, 상이한 센서들은 상이한 주파수들로 튜닝된다. 이러한 것은 캐비티의 물리적인 제약을 활용하기 위하여 행해질 수 있다. 매우 작은 애퍼쳐(aperture)를 가지는 가지는 컨파인드 격실(confined compartment)을 가지는 큰 캐비티를 고려한다. 더 낮은 주파수로 튜닝된 센서들은 캐비티 내에 위치된다. 그러나, 더 낮은 주파수는 작은 애퍼쳐에 의하여 보호될 수 있고, 애퍼쳐 내로 결합하지 않는다. 그러므로 격실에 위치하는 센서들은 애퍼쳐 내로 결합할 수 있는 높은 주파수로 튜닝된다.
본 명세서에서 구조는 특별히 어떤 것으로도 한정되지 않는다. 예들은 화물 콘테이너, 잠수함의 캐비티-포함 구조, 배 갑판들 아래의 캐비티-포함 구조, 공장들의 캐비티-포함 구조, 냉장고들 및 냉동기들, 및 외부의 환경으로부터 보호되도록 설계되는 시설들을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
도 5를 참조하면, 다른 예를 도시한다: 항공기(510). 항공기는 기체(fuselage, 520), 윙 어셈블리들(wing assemblies, 530), 및 꼬리부분(empennage, 540)을 포함하고, 이는 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 가지는 전기장을 생성하기 위하여 여기될 수 있는 다양한 캐비티들을 포함한다.
제 1 예로서, 윙 어셈블리들(530)은 연료 탱크들을 포함하는 윙 박스들을 포함한다. 그것들의 크기가 주어지고, 연료 탱크들은 마이크로웨이브(microwave) 에너지로 여기될 수 있다. 연료 탱크들의 내부 표면들은 마이크로웨이브 에너지를 반사하는 재료(예를 들면, 알루미늄, 탄소 섬유 강화 플라스틱)로 만들어진다. 연료 탱크가 마이크로웨이브 에너지로 여기됨으로써, 탱크 내에 연료의 움직임과 역학적인 구조(dynamic structural)와 공기 역학적인 부하(aerodynamic loading)에 의한 구조적인 굴곡(structural flexure)은 전기장에서의 변동을 야기할 것이고, 이는 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 야기할 것이다. 연료 탱크에서의 데드 존(dead zones)은 연료의 움직임과 구조적인 굴곡 때문에 여기저기로 움직일 수 있다.
이러한 상태들은 연료 탱크에서 상이한 물리적인 파라미터들을 측정하는데 유리하게 사용될 수 있다. 물리 양의 예들은 온도, 수분 함수량, 연료 레벨, 산소 레벨, 압력 및 스트레인(strain)을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
도 6을 추가적으로 참조한다. 연료 탱크(600) 내의 물리 양들은 연료 탱크(600) 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나들을 가지는 복수의 센서들(610)에 의하여 측정된다. 센서(610)는 연료 탱크(600) 내에 설치된다. 센서들(610)은 다이일렉트릭 스탠드-오프(dielectric stand-offs, 630)를 통하여 립들(620)에 설치될 수 있다.
연료 탱크(600) 내에 센서들(610)은 연료 환경에서 센서 상에서 허용되는 제한된 에너지 저장의 제한 때문에 임의의 상당한 양의 에너지도 저장하지 않는다. 예를 들어, 센서들(610)은 약 200 마이크로줄 이상의 에너지는 저장할 수 없다. 연방 법규는 배터리들과 슈퍼커패시터들(supercapacitors)과 같은 파워 저장 디바이스들이 연료 탱크 내에 위치하는 것을 금지한다.
여기는 파워(미도시) 소스와 하나 이상의 트랜시버(미도시)와 방사 엘리먼트들(640)에 의하여 적용된다. 파워 소스는 연료 탱크(600) 외부에 위치하고, 방사 엘리먼트들(640)은 연료 탱크(600) 내부에 위치한다. 각각의 트랜시버는 연료 탱크(600) 내부 또는 외부에 위치할 수 있다.
제 1 예로서, 싱글 방사 엘리먼트는 마이크로웨이브 여기의 싱글 밴드를 전체 연료 탱크(600)에 제공한다. 모든 센서들(610)은 연료 탱크로 상이한 경로들을 따라 에너지를 수집한다. 따라서, 모든 센서들(610)은 가시선으로 방해물들(625)에 관계없이 파워를 수신한다.
제 2 예로서, 복수의 방사 엘리먼트들(640)은 연료 탱크(600)로 마이크로웨이브 여기의 싱글 밴드를 제공한다(이 예는 도 6에 도시된다). 이러한 배열은 연료 탱크(600)를 가로지르는 적용 범위(coverage)를 보증한다. 확실한 예로, 이는 또한 방사 엘리먼트(640)로 직접적인 가시선을 허용할 것이다. 가시선 경로가 방해되지 않는다면, 방사 엘리먼트(640)에 맞추어 조정된 안테나를 가진 센서(615)는 복수의 경로들을 따라 에너지를 모으는 센서(610) 대신에 사용될 수 있다.
제 3 예로서, 복수의 방사 엘리먼트들(640)은 상이한 주파수 밴드들에서 여기를 제공한다. 각각의 센서(610)의 안테나들은 이러한 상이한 주파수들 중 하나로 튜닝된다. 예를 들어, 윙 팁(wing tip)에 놓여진 센서들(610)이 실질적으로 더 작은 캐비티를 만나는 반면에, 윙 루트(wing root)에 가까운 윙에 놓여진 센서들(610)은 매우 큰 캐비티를 만난다. 제 1 및 제 2 주파수(f1과 f2)에서 여기는 윙에 적용된다. 윙 루트에 가까운 센서들(610)의 안테나들은 제 1 주파수(f1)로 튜닝되고, 제 2 주파수(f2)로 또한 튜닝될 수 있다. 윙 팁에서 센서들(610)의 안테나는 제 2 주파수(f2)로만 튜닝된다. 그렇지 않으면, 윙 팁의 센서들(610)은 제 1 주파수(f1)로 튜닝된 몇몇의 안테나들과 제 2 주파수(f2)로 튜닝된 다른 안테나들을 가진다. 윙 팁 센서(610)가 성능 면에서의 저하를 찾으면, 그것은 채널들을 전환할 수 있고 제 2 주파수에서 작동할 수 있다.
방사 엘리먼트들(640)은 날개보(wing spar, 650)를 따라 위치될 수 있고, 그리고 날개보에 설치될 수 있다. 연료 탱크(600)는 방사 엘리먼트들(640)로 유선의 파워를 얻기 위하여 관통될 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, 방사 엘리먼트들(640)은 파워만을 제공하기 위하여 사용된다. 양-방향의 데이터 커뮤니케이션은 분류 시스템에 의하여 수행될 것이다. 다른 실시예들에서, 방사 엘리먼트들(640)은 또한 양-방향 데이터 커뮤니케이션과 명령들을 다룰 수 있을 것이다.
데이터 측정은 항공기의 원격지(예를 들면, 항공 전자 기기 베이)에서 항공 전자 기기(예를 들면, 비행기 컴퓨터)로 커뮤니케이션될 수 있다. 커뮤니케이션은 와이어들을 통하여 수행될 수 있고, 또는 케뮤니케이션은 무선으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 무선 전송들은 Bommer U.S. Patent No. 8,026,857에 설명된 전자기 캐비티의 특성을 가지는 하나 이상의 항공기 구성요소들에 의하여 형성된 무선 버스(wireless bus)로 전파될 수 있다.
따라서, 파워는 연료 탱크(600)를 가로지르는 와이어들을 사용하지 않고 연료 탱크 센서들로 공급된다. 와이어들의 제거는 무게를 감소시키고, 이는 항공기 작동 비용을 감소시킨다. 연료 탱크(600) 내부에서 와이어들의 복잡한 경로가 제거되기 때문에, 설치 시간도 또한 감소한다. 더욱이, 연료 탱크(600)들의 점검은 회피되고, 이는 유지 비용을 감소한다.
항공기와 관련하여, 본 명세서에서 시스템과 방법은 연료 탱크로 제한되지 않는다. 제 2 예로서, 본 명세서에서 시스템과 방법은 항공기 기체에서의 승객 선실에 적용될 수 있다.
승객 선실의 내부 표면들은 마이크로웨이브 에너지를 반사하는 재료로 만들어진다. 승객 선실이 마이크로웨이브 에너지로 여기되어, 선실 내에 승객들의 움직임과, 역학적인 구조와 공기 역학적인 부하에 의한 구조적인 굴곡은 전기장에서의 변동을 야기할 것이고, 이는 필드 진폭과 극성의 무작위 분포를 야기한다.
이러한 상태들은 승객 선실에서 상이한 물리적 파라미터들(예를 들어, 선실 압력과 온도)을 측정하기 위하여 유리하게 사용된다. 예를 들어, 센서들은 패널 천장 위, 의자 밑, 및 조리실에 설치될 수 있다. 선실 내의 하나 이상의 안테나들은 선실 센싱 시스템(이는 항공 전자 기기 베이 내의 구성요소임)에 연결될 수 있다.
선실 내에 센서들의 몇몇의 안테나들은 선실에서 일반적으로 찾아지는 무선 디바이스(예를 들어, 와이-파이 장치들)의 주파수로 튜닝될 수 있다. 따라서, 파워는 백그라운드(background)에서 패시브하게(passively) 이러한 무선 장치로부터 수집될 수 있다.
본 명세서에서 센싱하는 것은 항공기의 연료 탱크와 승객 선실에 제한되는 것은 아니다. 다른 예들은 하-갑판 조리실(below-deck galleys), 항공 전자 기기 베이(avionics bays), 화물 섹션(cargo sections), 관(ducts) 및 기체 강화 하부구조(예를 들어, 보강재)를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.

Claims (15)

  1. 전자기 에너지로 여기될 때, 필드 진폭(field amplitude)과 극성의 무작위 분포(randomized distribution)를 가지는 전기장을 생성하는 캐비티(cavity, 102)를 포함하는 구조(structure, 110); 및
    캐비티(102) 내의 센서(sensor, 140, 610, 615)를 포함하고,
    상기 센서의 캐비티(102) 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나(antennas, 210)를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐비티(102)는 경계 조건들을 변경하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서(140, 610, 615)는 안테나들(210)로부터 수집된 파워를 병합하기(combining) 위한 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 센서(140, 610, 615)는 측정을 수행하기 위하여 병합된 파워를 이용하기 위한 변환기(transducer, 230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(140, 610, 615)는 캐비티(102) 내에서 파워 페이드(power fade) 동안 비-가용(non-operational)이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    센서(140, 610, 615)는 200 마이크로줄(microjoules) 이하의 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기 에너지로 캐비티(102)를 여기하기 위하여 캐비티(102) 내의 적어도 하나의 방사 엘리먼트(radiating element, 130) 및 캐비티(102) 외부의 파워 공급기(power supply, 132)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    안테나들(210)은 상이한 평면들(planes)과 오리엔테이션들(orientations)을 가지고,
    안테나들(210)은 공간적으로 변위되고(spatially displaced) 직교하게 지향되는(orthogonally oriented) 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    안테나들(210)은 전자기 에너지의 주파수에서 파장의 일부에 의하여 공간적으로 변위되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    안테나들(210)은 상이한 주파수 밴드들(bands)로 튜닝되는(tuned) 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐비티(102) 내에 적어도 하나의 추가 센서(140, 610, 615)를 더 포함하고,
    각각의 추가 센서는 캐비티 내에서 상이한 경로들을 따라 동작 파워를 무선으로 수집하기 위한 복수의 안테나들을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    적어도 하나의 센서(140, 610, 615)의 모든 안테나들(210)이 특정 주파수로 튜닝되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상이한 센서들(140, 610, 615)는 캐비티(102)의 물리적인 제약(physical constraint)을 활용하기 위하여 상이한 주파수로 튜닝되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조는 연료 탱크(600) 또는 항공기 승객 선실 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 반사하는(reverberant) 캐비티(102) 내의 센서(140, 610, 615)를 작동시키는 단계를 포함하는 방법으로서, 반사하는 캐비티 내의 센서를 작동시키는 단계는,
    캐비티(102) 내에서 복수의 방향들과 오리엔테이션들로부터 입사하는 에너지를 수집하는 단계;
    수집된 에너지를 병합하는 단계; 및
    센서(140, 610, 615)에 파워를 공급하기 위하여 병합된 에너지를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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