KR20160076978A - 크기 조정 가능한 안테나를 갖는 다중대역 무선주파수 에너지 활용 - Google Patents

크기 조정 가능한 안테나를 갖는 다중대역 무선주파수 에너지 활용 Download PDF

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Abstract

무선 주파수(RF) 에너지 활용장치는 유연한 플라스틱 기판상에 형성된 조정 가능한 메타물질 공진기 안테나 및 정류회로를 포함한다. 상기 메타물질 공진기 안테나는 상기 유연한 기판상에 등각적이면서도 고정적으로 배치되며(즉, 인쇄 또는 증착/에칭되는) 연결 부분들에 의해 연결된 1차 및 2차 안테나 부분들을 사용하여 무선 주파수들에서 공진하여 포착된 무선 주파수 신호들이 서로 180°위상 차이 나는 2개의 안테나 극점들에서 발생되도록 구성되는 금속(예컨대, 은(銀)) 구조를 포함한다. 상기 정류회로는 상기 유연한 기판상에 인쇄되거나 그렇지 않으면 형성되는 부가적인 금속 구조들, 및 상기 포착된 무선 주파수 신호들로부터의 양의 전압 펄스들을 출력 노드로 전달하도록 구성되는 1개 이상의 회로소자들을 포함한다. 다양한 메타물질 공진기 안테나 구성들이 설명되어 있다.

Description

크기 조정 가능한 안테나를 갖는 다중대역 무선주파수 에너지 활용{MULTIBAND RADIO FREQUENCY (RF) ENERGY HARVESTING WITH SCALABLE ANTENNA}
본 발명은 다중대역 무선주파수 에너지 활용에 관한 것으로, 특히 저비용의 크기 조정 가능한 무선주파수 에너지 활용장치에 관한 것이다.
정류(整流) 안테나(rectenna, rectifying antenna)는 무선파 에너지를 직류전류로 변환하는데 사용되는 특정 형태의 안테나이다. 정류 안테나는 전력을 무선파들에 의해 전송하는 무선전력 전송 시스템들에 사용된다. 전형적인 정류 안테나소자는 쌍극 소자들에 걸쳐 연결된 다이오우드를 갖는 쌍극 안테나로 구성된다. 상기 다이오우드는 직류 전류(DC) 전력을 발생하기 위해 상기 무선파들에 의해 상기 안테나에 유기된 교류 전류(AC)를 정류하며, 그 다음으로, 이것은 상기 다이오우드에 연결된 부하에 전력을 공급하기 위해 사용된다. 쇼트키 다이오우드들(Schottky diodes)은 가장 낮은 전압 강하 및 가장 높은 속도를 가지므로 전도 및 스위칭에 기인하는 가장 낮은 전력 손실을 가지기 때문에 이 쇼트키 다이오우드들이 대개 사용된다. 큰 정류 안테나는 다수의 그러한 쌍극 소자들의 배열로 구성된다. 무선 주파수 에너지를 효율적으로 포착하는 정류 안테나를 개발하려는 중대한 동기가 존재한다. 정보를 전송하는 무선 주파수(RF) 신호들의 증가하는 사용으로 인하여, 무선 주파수 에너지의 존재는 거의 보편적이다(ubiquitous). 게다가, 전송된 무선 주파수 신호들의 사용되지 않은 부분들(즉, 수신기에 의해 포착되지 않고 변환되지 않는 부분들)은 사용되지 않은 무선 주파수 신호들에서 전송된 에너지가 주위 물질에서 흡수되므로 손실된다는 점에서 기본적으로 "낭비"된다. 이와 같이, 원격/휴대용 장치들용의 전원들을 공급하는 것 말고도, 사용되지 않은 주위의 무선 주파수 에너지를 효율적으로 재변환할 수 있는 적합한 정류 안테나는 밧데리들 및 다른 원격 전원들을 대체함으로써 전체적인 에너지 욕구를 감소시킨다.
무선 주파수 에너지를 직류 전력으로 변환할 수 있는 종래의 정류 안테나들은 주위의 무선 주파수 에너지를 활용할 수 없다. 현존하는 무선 주파수 정류 안테나들은 높은 무선 주파수 전력 밀도 레벨들(전형적으로 1 W/m2의 위의)의 존재하에서만 사용 가능한 직류 전압들을 발생할 수 있으므로, 전용 고-전력 전송기들이 충분히 높은 에너지들에서 무선 주파수 에너지를 발생하는 무선전력 전송 시스템들에 전형적으로 사용된다. 주위의 무선 주파수 에너지는 전형적으로 아주 낮으므로(mW로부터 μW까지), 에너지 활용을 위한 종래의 무선 주파수 정류 안테나들의 사용은 원격 위치들에서는 비효율적이라고 증명되었다. 또한, 안테나들을 활용하는 종래의 정류 안테나 장치들은 단일 대역(즉, 협대역 무선 주파수 신호들을 활용)이며 정류회로들은 부피가 크므로, 크기를 조정 가능하지 않다.
필요한 것은 주위의 무선 주파수 에너지를 신뢰성 있게 활용할 수 있는 저비용, 고-변환-효율 및 전기적으로 작은 무선 주파수 정류 안테나이다. 특히, 필요한 것은 다른 무선 주파수 주파수들을 수용하도록 크기 조정 가능함으로써, 광범위한 무선 주파수 신호원들을 사용하여 원격 장치들(예컨대, 센서들)에 대한 에너지 발생을 용이하게 하는 안테나를 포함하는, 낮은 에너지 레벨들(즉, 수십 mW 및 그 이하)을 갖는 다대역 무선 주파수 신호 에너지를 활용할 수 있는 무선 주파수 에너지 활용장치이다.
본 발명은 전기적으로 소형의 그리고 거의 완벽한 무선 주파수 에너지 흡수 가능한 참신한 메타물질(metamaterial) 공진기 안테나들을 활용하는 공간적으로 효율적인 무선 주파수 에너지 활용장치들(정류 안테나들)에 관한 것이다. 상기 메타물질(metamaterial) 공진기 안테나는 인쇄 전자기술(printed electronics techniques)을 사용하는 저비용 제조를 용이하게 하는 방식으로 기판(예컨대, 전도성(예컨대, 은(銀)) 잉크를 인쇄하거나 금속층을 증착/에칭함으로써 형성된)상에 등각적이면서도 고정적으로 배치되는 1개 이상의 금속 구조들을 포함한다. 상기 메타물질 공진기 안테나를 형성하는 상기 적어도 하나의 금속 구조는 전체의 안테나 구조가 관련된 대역폭 범위 내에 있는 무선 주파수들에서 공진하도록 이격된(병렬로) 접혀진 구성으로 배치되며 2개의 연결 부분들에 의해 연결되고, 상기 2개의 안테나 극점들에서 발생된 포착된 무선 주파수 신호들이 서로 180°만큼 위상 차이 나도록 구성되는 2개의 1차 안테나 부분들 및 적어도 하나의 2차 안테나 부분을 포함한다. 여기에 설명된 것과 같은 메타물질 공진기 안테나들은 고(高)임피던스를 갖고 거의 완벽한 흡수를 나타내도록 조정될 수 있다. 상기 정류회로는 상기 안테나 극점들에 연결되고, 사용 가능한 출력전압을 발생하기 위해 상기 2개의 포착된 무선 주파수 신호들로부터의 양의 전압 펄스들을 결합하도록 구성되는 회로소자들(1개 이상의 다이오우드들, 커패시터들, 인덕터들 및/또는 저항들)을 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 메타물질 공진기 안테나는 더 큰 안테나의 공개 공간들 내에 더 작은 안테나를 용이하게 수용하도록 함으로써, 장치의 공간(크기)을 크게 변화시키지 않고서도 광범한 무선 주파수들의 포착을 용이하게 함으로써, 이미 존재하는 무선 주파수 신호들(예컨대, 주위의 와이파이(Wi-Fi) 신호들로부터의) 또는 전용 충전 무선 주파수원(源)들을 사용하여 광범하게 분산된 IC 장치들(예컨대, 센서들, 프로세서들, 등등)에 원격으로 전원을 공급하는 것을 용이하게 한다.
게다가, 상기 메타물질 공진기 안테나 배열은 기판상에 형성되고 다른 무선 주파수들용으로 구성될 수 있기 때문에, 본 발명은 저렴한 유연성 플라스틱 기판들 및 비용 효율이 높은 인쇄 전자기술들을 사용한 무선 주파수 활용장치의 저비용 생산을 용이하게 함으로써, 사용 가능한 에너지로 변환될 수 있는 상기 무선 주파수 대역을 최대화하면서도 전체의 제조비용을 최소화한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 정류회로는 제조비용을 추가로 최소화하기 위해 상기 안테나를 갖는 상기 기판 표면상에 등각적으로 배치(즉, 동일한 잉크-젯 인쇄 실행 동안 발생된)되는 전도성 구조들을 포함한다. 한 실시예에서, 상기 정류회로는 사용 가능한 출력전압을 발생하기 위해 상기 2개의 포착된 무선 주파수 신호들을 결합하는 종래의 배전압 회로(倍電壓回路)(예컨대, 그라이나허 회로(Greina cher circuit))를 활용한다. 바람직한 실시예에서, 상기 정류회로는 최소 에너지 손실을 갖는 출력전압을 발생하는 방식으로 상기 2개의 포착된 무선 주파수 신호들을 결합하도록 구성되는 2개의 다른 제로 바이어스 쇼트키 다이오우드들 및 커패시터를 활용한다. 본 발명의 상기 메타물질 공진기 안테나들이 이러한 참신한 정류회로들과 결합될 때, 그 결과의 무선 주파수 에너지 활용장치들은 고에너지 변환효율을 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 상기 메타물질 공진기 안테나는 양방향으로 대칭적인 2개의 금속 성분들로 구성되는 참신한 2-부분 쌍극 안테나 배열을 사용하여 구현된다. 이 경우, 각각의 금속 성분은 상기 1차 안테나 부분들중 하나, 상기 연결 부분의 하나, 및 상기 연결 부분으로부터 상기 안테나 극점의 하나에 인접하여 위치한 말단점으로 뻗어 있는 2차 안테나 부분을 포함한다. 상기 1차 안테나 부분 및 상기 2차 안테나 부분은 동심(同心)적으로 배열되며(즉, 그것들이 균일한 갭 간격에 의해 분리되도록), 이것은 바람직한 포착된 무선 주파수 신호 특성들을 발생시킨다. 일련의 특정 실시예들에서, 상기 1차 및 2차 부분들은 1개 이상의 90°각들(코너들(corners))에서 연결되는 일직선의(선형의) 선 부분들에 의해 형성되고, 여기서, 목표 무선 주파수에서 공진하도록 상기 안테나를 "동조(tuning)"하는 것은 상기 1개 이상의 일직선의 부분들의 길이를 증가시키거나, 2개 또는 3개의 상호 연결된 부분들을 활용하는 것을 포함한다. 이러한 배열에서, 상기 안테나는 안테나 공간을 실질적으로 증가시키지 않고서도 광범한 무선 주파수들을 포착하기 위해 "동조"될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 1차 및 2차 부분들은 연결 부분에 의해 연결되는 동심적으로 구부러진(예컨대, 반원형의) 선 부분들에 의해 형성된다. 한 실시예에서, 상기 연결 부분은 상기 1차 및 2차 부분들이 동일한 길이를 가질 수 있도록 하는 계단-형태의 선(step-shaped wire)을 사용하여 구현된다.
본 발명의 다른 다양한 실시예들에 따르면, 상기 메타물질 공진기 안테나는 둥근 단부들을 갖는 직사각형과 유사한 형태를 갖는 인접한 단일 금속구조에 의해 형성된 참신한 "경주트랙-형태(racetrack-type)" 구성을 사용하여 구현되며, 상기 둥근 단부의 부분들인 "곡선부들(curves)"은 내부의 "인필드(infield)" 영역들로 뻗어 있다. 이 경우, 상기 1차 안테나 부분들은 동일 선상에 있으며 상기 안테나 극점들로부터 반대 방향들로(예컨대, 아래쪽으로 그리고 위쪽으로) 뻗어 있고, 2차 단일 안테나 부분은 상기 1차 부분들에 평행하게 배치되며 상기 1차 부분들로부터 이격되어 있고, 1쌍의 "개방 원형(open circle)" 연결 부분들은 상기 1차 부분들 및 상기 2차 부분들을 연결하기 위해 사용됨으로써, 상기 "개방 원형(open circle)" 연결 부분들중 각각으로부터 상기 경주트랙의 상기 "인필드 (infield)" 부분으로 뻗어 있는 구부러진 단부들을 포함하는 경주트랙-형태 구조를 형성한다. 이 배열은 상기 2-부분 안테나 구성(위에 설명된)보다 실질적으로 더 높은 범위에 걸쳐 무선 주파수 신호들을 포착하는 것으로 발견되었으며, 인접한 구부러진 극점들을 분리하는 갭을 변화함에 의해, 또는 1개 이상의 부가적인 "경주트랙들"을 상기 안테나 구조에 부가함으로써 추가로 동조 가능하다.
본 발명은 추가로 메타물질 공진기 안테나들 및 관련된 정류회로들을 포함하는 다수의 무선 주파수 에너지 활용장치들이 결합된 출력전압을 발생하기 위해 상호 연결되는 시스템들에 관한 것이다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 형태들 및 장점들은 다음의 설명, 첨부된 청구항들, 및 첨부된 도면들과 관련하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 주파수 에너지 활용장치를 도시하는 상면 사시도.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 제1 2-부분 안테나 구성을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치를 도시하는 상면 사시도.
도 3A는 도 2의 2-부분 안테나를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치를 도시하는 단순도.
도 3B는 둥지 형태의 배열의 도 3A의 3개의 무선 주파수 에너지 활용장치들을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템을 도시하는 단순화된 도면.
도 4A, 4B 및 4C는 본 발명의 다른 특정 실시예들에 따른 2-부분 안테나 구성들을 도시하는 단순화된 도면들.
도 5는 본 발명의 다른 하나의 특정 실시예에 따른 2-부분 안테나들을 활용하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템을 도시하는 단순화된 도면.
도 6A 및 도 6B는 본 발명의 다른 특정 실시예들에 따른 구부러진 2-부분 안테나 구성들을 도시하는 단순화된 도면들.
도 7은 본 발명의 다른 하나의 특정 실시예에 따른 "경주트랙-형태" 메타물질 공진기 안테나를 도시하는 상면도.
도 8은 도 7의 상기 "경주트랙-형태" 안테나를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치를 도시하는 단순도.
도 9는 본 발명의 다른 하나의 특정 실시예에 따른 "경주트랙-형태" 안테나들을 활용하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템을 도시하는 단순화된 도면.
도 10A 및 도 10B는 본 발명의 다른 실시예들에 따라, 각각 2-루프 및 3-루프 "경주트랙" 안테나들을 도시하는 상면도들.
본 발명은 무선 주파수 에너지 활용에 있어서의 개선에 관한 것이다. 다음의 설명은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 특정 응용 및 그 필요조건들에 관한 본문에 제공된 것으로 제조 가능하고 사용 가능하게 하도록 제공되어 있다. 여기에 사용되는 "결합된(coupled)" 및 "연결된(connected)"의 용어들은 다음과 같이 정의된다. "연결된"의 용어는, 예컨대, 정상적인 집적회로 제조기술에 따라 형성된 금속선에 의한, 2개의 회로 소자들간의 직접적인 연결을 설명하기 위해 사용된다. 이에 반해, "결합된"의 용어는 2개의 회로소자들간의 직접적인 연결 또는 간접적인 연결을 설명하기 위해 사용된다. 예를 들어, 2개의 결합된 소자들은 금속선에 의해 직접적으로 연결될 수도 있거나, 매개 회로소자(예컨대, 커패시터, 저항, 인덕터, 또는 트랜지스터의 소스/드레인 단자들에 의해)에 의해 간접적으로 연결될 수도 있다. 바람직한 실시예에 대한 다양한 수정들은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 다른 실시예들에 적용될 수도 있다. 그러므로, 본 발명은 도시된 그리고 설명된 특정 실시예들에 제한되지는 않으나, 여기에 설명된 참신한 특징들 및 원리들과 광범위하게 부합될 것이다.
도 1은 본 발명의 일반적인 실시예에 따른 무선 주파수 에너지 활용장치 (100)를 도시하는 상면 사시도이다. 무선 주파수 에너지 활용장치(100)는 참신한 메타물질 공진기 안테나(120) 및 정류회로(130)를 활용한다.
메타물질 공진기 안테나(120)는 인쇄 전자기술들을 사용하는 저비용 제조를 용이하게 하는 방식으로 기판(101)(예컨대, 전도성(예컨대, 은(銀)) 잉크를 인쇄하거나 금속층을 증착/에칭함으로써 형성된)상에 등각적이면서도 고정적으로 배치되는 적어도 하나의 금속 구조(123)를 포함한다. 금속 구조(123)는 이격되어(평행하게) 접혀진 배열로 배치되고 2개의 연결 부분들(123-31 및 123-32)에 의해 연결되는 2개의 1차 안테나 부분들(123-11 및 123-12) 및 적어도 하나의 2차 안테나 부분(123-2)을 포함한다. 특히, 제1 1차 안테나 부분(123-11)은 제1 안테나 극점 (121)으로부터 제1 중앙점(123-11A)으로 뻗어 있고, 제2 1차 안테나 부분(123-12)은 제2 안테나 극점(122)으로부터 제2 중앙점(123-21A)으로 뻗어 있다. 2차 안테나 부분(123-2)은 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들에 평행하게 배치되고 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들로부터 균일한 갭 거리(S)만큼 이격되어 있으며, 상기 2차 안테나 부분(123-2)은 제3 중앙점(123-12A)에 배치된 제1 단부 및 제4 중앙점(123-22A)에 배치된 반대편의 제2 단부를 갖는다.
제1 연결 부분(123-31)은 제1 및 제3 중앙점들(123-11A 및 123-12A) 사이에 연결되고, 제2 연결 부분(123-32)은 제2 및 제4 중앙점들(123-21A 및 123-22A) 사이에 연결되며, 이 연결 부분들은 1차 및 2차 부분들보다 실질적으로 더 짧다. 이들 부분들 중 각각은 두께 T (예컨대, 8 미크롱(microns)) 및 선폭 LW (예컨대, 2.5mm)을 갖는 연장된 금속선 구조로 구성된다. 1차 안테나 부분들(123-11 및 123-12) 및 2차 안테나 부분(123-2)의 전체 길이를 조정함으로써, 전체의 안테나 구조는 관련된 목표 대역폭 범위 내에 있는 무선 주파수들을 공진하도록 조정되며, 안테나 극점들(121 및 122)에서 발생된 포착된 무선 주파수 신호들 V121 및 V122 이 서로 180°위상 차이가 나도록 구성된다. 메타물질 공진기 안테나(120)는 전기적으로 소형이며, 어떤 정류회로들과 결합될 때는, 거의 완벽한 무선 주파수 에너지 흡수를 용이하게 한다. 본 발명에 따라 형성된 메타물질 공진기 안테나들의 장점은, 아래에 설명된 바와 같이, 고(高)임피던스를 갖고 거의 완벽한 흡수를 나타내도록 조정될 수 있다. 상기 정류회로(130)는 상기 안테나 극점들(121/122)에 결합되며, 사용 가능한 출력전압 VOUT 을 발생하기 위해 상기 2개의 포착된 무선 주파수 신호들 V121&V122 로부터의 양의 전압 펄스들을 결합하도록 구성되는 회로소자들(1개 이상의 다이오우드들, 커패시터들, 인덕터들 및/또는 저항들)을 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 메타물질 공진기 안테나 배열은 더 큰 안테나의 개방 공간들 내에 더 작은 안테나를 수용하는 것을 용이하게 함으로써, 상기 장치의 공간(크기)을 크게 변화시키지 않고서도 광범위한 무선 주파수들의 포착을 용이하게 함으로써, 이미 존재하는 무선 주파수 신호들(예컨대, 주위의 와이파이 신호들로부터의) 또는 전용충전 무선 주파수원(源)들을 사용하여 넓게 분산된 IC 장치들(예컨대, 센서들, 프로세서들, 등등)에 전원을 원격으로 공급하는 것을 용이하게 하는 크기 조정 가능한 플랫폼(platform)을 제공하게 된다.
게다가, 상기 메타물질 공진기 안테나 배열은 기판상에 형성되고 다른 무선 주파수들용으로 구성될 수 있기 때문에, 본 발명은 저렴하면서도 유연한 플라스틱 기판들 및 비용-효율적인 인쇄 전자기술들을 사용하는 무선 주파수 활용장치의 저비용 생산을 용이하게 함으로써, 사용 가능한 에너지로 변환될 수 있는 무선 주파수 대역을 최대화하면서도 전체 제조비용을 최소화한다.
도 1에 관해 다시 설명하자면, 정류회로(130)는 제조비용을 추가로 최소화하기 위해 상기 기판 표면(102)을 포함한다(즉, 안테나(120)를 형성하기 위해 사용된 것과 유사한 잉크-젯 인쇄 동작 동안 발생된)상에 등각적으로 배치되는 전도성 구조들(133-1 내지 133-4). 상기 예시된 그리고 바람직한 실시예에서, 정류회로(130)는 최소 에너지 손실을 갖는 출력전압 VOUT 을 발생하는 방식으로 상기 2개의 포착된 무선 주파수 신호들 V121 및 V122 을 결합하도록 구성되는 2개의 다른 제로 바이어스 쇼트키 다이오우드들 D1 및 D2 및 커패시터 C1을 활용한다. 특히, 제1 다이오우드 D1은 제1 안테나 극점(121) 및 제1 노드(N1) 사이의 전도성 구조(133-1)에 의해 결합된다(이 경우, 이것은 전도성 구조(133-3)에 의해 실시된다). 커패시터 C1의 제1 단자는 전도성 구조(133-2)에 의해 제2 안테나 극점(122)에 결합되며, 제2 단자는 전도성 구조(133-3)(노드 N1)에 연결된다. 제2 다이오우드 D2는 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 이것은 전도성 구조(133-4)에 의해 실시된다. 제2 커패시터(C2)는 제1 안테나 극점(121) 및 노드(N2) 사이에 결합되며, 한 실시예에서, 전도성 구조(133-1)는 접지 또는 다른 전압원에 결합된다. 예시적인 실시예에서, 다이오우드 D1은 아주 낮은 순방향 전압(예컨대, 120 mV 정도), 1.0 V 정도의 역방향 피크전압, 및 5kΩ의 역방향 전류 저항을 갖는 (제1) 제로 바이어스 쇼트키 다이오우드를 사용하여 실시된다. 다이오우드 D2는 150 mV 정도의 순방향 전압(즉, 다이오우드 D1의 순방향 전압과 같거나 다이오우드 D1의 순방향 전압보다 더 큰), 및 적어도 2.0 V의 역방향 피크전압(즉, 다이오우드 D1의 역방향 피크전압보다 더 큰), 및 적어도 10kΩ의 역방향 전류 저항(즉, 다이오우드 D1의 역방향 전류 저항보다 더 큰)을 갖는 (제2) 제로 바이어스 쇼트키 다이오우드를 사용하여 실시된다. 커패시터들 C1 및 C2은 개별적인(예컨대, 표면 장착된) 커패시터 구조들이거나, 제조된 커패시터 구조들(예컨대, 인쇄 전자(印刷電子)(printed electronics)를 사용하여)이며, 직류(DC) 출력전압 VOUT 의 특성들(전류 및 전압)에 따라 결정된 값을 갖고, 실제의 실시예에서는 10pF의 보통의 용량값을 가진다. 이러한 배열에서, 제1 노드(N1)에서 발생된 제1 중간전압은 제1 무선 주파수 신호 V121 의 양(陽)의 전압 펄스들의 합을 포함하며, 이것들은 제1 다이오우드(D1), 및 제2 무선 주파수(RF) 신호 V122 를 통해 통과하고, 이것은 제1 커패시터(C1)를 통해 통과한다. 이러한 배열에서, 제2 중간전압은 상기 제1 노드(N1)로부터 상기 제2 다이오우드(D2)를 통해 통과하는 양(陽)의 전압 펄스들에 따라 제2 노드(N2)에서 발생된다. 본 발명의 상기 메타물질 공진기 안테나들은 이러한 참신한 정류회로와 결합되며, 그 결과의 무선 주파수 에너지 활용장치들은 종래의 정류회로들이 활용될 때보다 고에너지 변환효율을 나타낸다. 그러나, 다른 실시예들에서(미도시), 본 발명의 상기 메타물질 공진기 안테나들 및 종래의 정류회로들(예컨대, 2개의 포착된 무선 주파수 신호들을 결합하기 위해 그라이나허(Greinacher) 회로와 같은 배전압 회로를 사용하는)을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치들은 사용 가능한 출력전압을 발생하기 위해 유익하게 활용될 수도 있다.
도 2는 유연한 플라스틱 기판(101A)의 상면(102A) 상에 등각적으로 배치되는 금속 구조들에 의해 형성된 개방형 C-형태의 2-부분 안테나(120A)를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치(100A)를 도시하는 상면 사시도이다. 안테나(120A)는 2개의 양방향으로 대칭의 금속 성분들(123A-1 및 123A-2)로 이루어진 2-부분 쌍극 안테나 배열의 실시예 1을 나타낸다. 금속 성분(123A-1)은 제1 안테나 극점(121A)으로부터 뻗어 있는 제1 1차 안테나 부분(123A-11), 상기 제1 1차 안테나 부분(123A-11)의 단부에 부착된 제1 연결 부분(123A-13), 및 연결 부분(123A-13)으로부터 제1 안테나 극점(121A)에 인접하여 배치된 제1 말단점(123A-13A)으로 뻗어 있는 제1 2차 안테나 부분(123A-12)을 포함한다. 제1 1차 안테나 부분(123A-11) 및 제1 2차 안테나 부분(123A-12)은 동심적으로 배열되어 균일한 갭 간격(GS)이 그들의 전체 길이를 따라 제1 1차 안테나 부분(123A-11) 및 제1 2차 안테나 부분(123A-12)을 분리한다. 유사하게, 제2 금속 성분(123A-2)은 제2 안테나 극점(122A)으로부터 뻗어 있는 제2 1차 안테나 부분(123A-21), 제2 연결 부분(123A-23), 및 제2 연결 부분(123A-23)으로부터 제2 안테나 극점(122A)에 인접하여 배치된 제2 말단점(123A-23A)으로 뻗어 있는 제2 2차 안테나 부분(123A-22)을 포함하며, 제2 1차 안테나 부분(123A-21) 및 제2 2차 안테나 부분(123A-22)은 또한 동심적으로 배열되며 갭 간격(GS)에 의해 그들의 전체 길이를 따라 분리된다. 금속 성분들(123A-1 및 123A-2)은 종합적으로 3개의 변들상에 중앙 영역(127)을 에워싸는 개방형 C-형태 패턴을 형성한다.
도 3A는 도 2의 무선 주파수 에너지 활용장치(100A)를 도시하는 단순도이다. 장치(100A)는 아래에 설명된 다른 실시예들의 설명을 단순화하기 위해 단일 선 구조들을 사용하는 개방형 C-형태 2-부분 안테나(120A)를 도시한다. 즉, 도 3A는 일반화된 정류회로(130A)에 결합된 안테나(120A)를 단순화된 형태로 도시하며, 1차 안테나 부분들(123A-11 및 123A-21), 2차 부분들(123A-12 및 123A-22), 및 연결 부분들(123A-13 및 123A-23)은 굵은 검정색 선들에 의해 표기되어 있다. 도 3A에 추가로 예시된 바와 같이, 1차 안테나 부분들(123A-11 및 123A-21) 및 2차 부분들(123A-12 및 123A-22)은 모서리부(corner portion)에 의해 연결된 적어도 2개의 선형 부분들을 포함한다. 예를 들어, 도 3A의 상부에 관해 설명하자면, 제2 1차 안테나 부분(123A-21)은 모서리(90°각)부(123A-21A)에 의해 연결된 2개의 선형 부분들(123A-211 및 123A-212)을 포함한다.
도 3B는 안테나(120A)(위에 설명된)의 개방형 C-형태 구성의 장점을 예시하는 둥지 형태의 배열로 구성된 3개의 무선 주파수 에너지 활용장치들(100A-1, 100A-2 및 100A-3)을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템(200A)을 도시하는 단순화된 도면이다. 특히, 장치들(100A-1, 100A-2 및 100A-3)은 각각 3개의 개방형 C-형태 안테나들(120A-1, 120A-2 및 120A-3)을 포함하며, 예를 들어, 도 5와 관련하여 아래에 설명된 것과 유사한 병렬 구성을 활용하는, 관련된 정류회로(130A-1, 130A-2 및 130A-3)에 결합된 그 각각은 결합된 시스템 출력전압 VOUT - SYS 을 용이하게 발생한다. 도 3B에 예시된 바와 같이, 위에 설명된 개방형 C-형태 구성을 사용하는 메타물질 공진 안테나들을 형성하는 것에 대한 장점은 다른 크기의 다수의 안테나들이 동심적으로 "둥지 형태로 수용(nested)"될 수 있고, 이것은 전체 장치/시스템공간을 증가시키지 않고서도 무선 주파수들의 광범위에 걸쳐 무선 주파수 에너지를 용이하게 포착하게 한다. 즉, 안테나들(120A-1, 120A-2 및 120A-3)은 다른 크기들을 가지며, 각각은 다른 인덕턴스를 가지므로 다른 무선 주파수에서 공진한다. 안테나들(120A-2 및 120A-3)을 안테나(120A-1)의 공간 내부에 수용함으로써, 시스템(200A)은, 안테나(120A)에 대해 필요한 기판 면적을 증가시키지 않고서도, 안테나(120A-1)만을 사용하여 가능한 것보다는 무선 주파수들의 광범위에 걸친 에너지의 포착을 용이하게 한다.
도 4A, 4B 및 4C는 본 발명의 다른 특정 실시예들에 따라 안테나 인덕턴스를 조정하기 위한 다른 해결책들(즉, 도 3B에 예시된 바와 같이, 안테나 크기를 증가시키는 것 이외에도)을 예시하는 3개의 부가적인 2-부분 쌍극 안테나 구성들을 도시하는 단순화된 도면들이다. 각각의 경우에서, 상기 1차 안테나 부분들 및 2차 안테나 부분들은 종합적으로 C-형태 패턴을 형성하는 3개의 상호 연결된 선형 부분들을 포함하며, 상기 3개의 선형 부분들의 치수들은 메타물질 공진기 안테나들이 다른 인덕턴스 값들을 성취하기 위해 어떻게 조정되는지를 예시하기 위해 변경됨으로써, 상기 안테나들은 다른 무선 주파수들에서(그리고 그럼으로써 다른 무선 주파수들로부터 에너지를 수집) 공진하도록 변경된다. 예를 들어, 도 4A에 관해 설명하자면, 안테나(120B)는 안테나(120A)에 관하여 위에 설명된 것(도 2)과 유사한 방식으로 연결부들(123B-13 및 123B-23)에 의해 연결되는 1차 부분들(123B-11 및 123B-21) 및 2차 부분들(123B-12 및 123B-22)을 포함한다. 안테나(120B)의 전체 길이(L) 및 폭(X1)이 안테나(120A)(도 2)의 것과 유사하다고 가정하면, 도 4A는 안테나 (120B)의 인덕턴스가 제3(수직) 부분을 상기 1차 및 2차 안테나 부분들의 각각에 부가함으로써 전체 안테나 공간에 대한 거의 없는 또는 최소의 변화를 가지면서도 다른 인덕턴스들을 성취하도록 조정될 수 있음을 예시한다. 예를 들어, 제2 1차 안테나 부분(123B-21)은 C-형태 패턴을 형성하는 3개의 상호 연결된 선형 부분들 (123B-211, 123B-212 및 123B-213)을 포함하고, 수직 안테나 부분(123B-213)은 안테나(120B)의 전체 공간을 증가시키지 않고서도 1차 안테나 부분(123B-21)의 길이를 길이 Y1만큼 증가시킨다. 도 4B는 추가적인 조정이 이러한 제3(수직) 부분들을 추가로 길게 함으로써 성취됨을 나타낸다. 안테나(120C)는 안테나(120B)의 것과 유사한 방식으로 연결부분들(123C-13 및 123C-23)에 의해 연결되는 3-부분 1차 부분들(123C-11 및 123C-21) 및 2차 부분들(123C-12 및 123C-22)을 포함하지만, 안테나(120C)의 인덕턴스는 부가적인 부분을 길게 함에 의해 변경된다. 특히, 제2 1차 안테나 부분(123C-21)은 3개의 상호 연결된 선형 부분들(123C-211, 123C-212 및 123C-213)을 포함하며, 수직 안테나 부분(123C-213)은 안테나(120C)의 전체 공간을 증가시키지 않고서도 안테나(120B)의 인덕턴스와 비교하여 안테나(120C)의 인덕턴스를 증가시키는 길이(Y2)를 갖는다. 도 4C는 1차 부분들(123D-11 및 123D-21) 및 2차 부분들(123D-12 및 123D-22)의 수평 부분들을 폭(X2)으로 넓힘에 의해 한층 높은 인덕턴스를 성취하는 안테나(120D)를 예시한다. 예를 들어, 제2 1차 안테나 부분(123D-21)은 3개의 상호 연결된 선형 부분들(123D-211, 123D-212 및 123D-213)을 포함하며, 수평 안테나 부분(123D-212)은 안테나(120C)의 전체 공간을 상당히 증가시키지 않고서도 안테나(120C)의 인덕턴스와 비교하여 안테나(120D)의 인덕턴스를 증가시키는 폭(X2)을 갖는다.
도 5는 시스템 출력전압 VOUT - SYS 의 전류 레벨을 최대화하기 위해 공통 접지원 및 공통 시스템 출력 노드들 사이에서 병렬로 연결되는 무선 주파수 에너지 활용장치들(100E-1, 100E-2 및 100E-3)을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템(200 E)을 도시하는 단순화된 회로도이다. 결합된 시스템 출력전압 VOUT - SYS 의 발생을 용이하게 하기 위해, 장치들(100E-1, 100E-2 및 100E-3)은 각각 결합을 용이하게 하는 방식으로 그들의 각각의 출력전압들 VOUT1 을 VOUT3 에 공급하기 위해 최적화되는 유사한 정류회로들(130E-1, 130E-2 및 130E-3)을 포함한다. 각각의 정류회로들 (130E-1, 130E-2 및 130E-3)은 도 1과 관련하여 위에 설명된 바와 같이 구성된 다이오우드들(D1 및 D2) 및 커패시터(C1)를 포함한다. 게다가, 정류회로들(130E-1, 130E-2 및 130E-3)은 그것들이 각각 노드(N2)에서 발생된 상기 중간전압을 직류 출력전압들(VOUT1 내지 VOUT3)로 변환하도록 구성된 출력 제어회로들(135E-1, 135E-2 및 135E-3)을 포함한다는 점에서 유사하다. 이러한 출력전압들을 용이하게 결합하기 위해, 출력 제어회로들(135E-1, 135E-2 및 135E-3)은 직류 출력전압들(VOUT1 내지 VOUT3)을 시스템 출력 노드(VOUT - SYS)에서의 결합을 위해 저장하도록 구성되는 기본적으로 커패시터(C1)와 유사한 용량을 갖는 (제2) 커패시터(C2), 제3 다이오우드(D3) 및 저장 커패시터(C4)를 포함한다. 예를 들어, 출력 제어회로(135E-1)에 관해 설명하자면, 다이오우드(D3)는 노드들 N2 및 N3(정류회로(130E-1)에 대한 출력 노드로서 기여하는) 사이에서 연결되며, 저장 커패시터(C4)의 제1 단자는 노드(N3), 및 저장 커패시터(C4)의 제2 단자 및 제1 안테나 극점(121A)(예컨대, 인가된 접지 전위에) 사이에서 연결된 저항(R2)에 연결된다. 실제적인 실시예에서, 다이오우드 (D3)는 다이오우드(D2){예컨대, 미국 CA, 산타클라라의 에질런트 테크놀로지 사(社)에 의해 제조된 HSMS2850 표면 장착 제로 바이어스 쇼트키 검출기 다이오우드(HSMS2850 Surface Mount Zero Bias Schottky Detector Diode manufactured by Agilent Technologies of Santa Clara, CA, USA)}를 실시하는데 활용된 것과 유사한 다이오우드 소자를 사용하여 실시된다. 커패시터(C3)는 직류 출력전압 VOUT 의 특성들(전류 및 전압), 및 시스템 출력 노드 VOUT - SYS 상에 존재하는 시스템 전압의 크기 및 특성들에 따른 크기의 용량성 소자를 사용하여 실시된다. 위에 설명한 다이오우드 및 커패시터 성분값들을 활용하는 예시적인 실제의 실시예에서, 커패시터(C3)는 100pF의 용량을 갖고, 저항(R2)은 1Ω의 공칭 저항값을 가진다. 출력 제어회로들(135E-2 및 135E-3)은 출력 제어회로(135E-1)와 동일하게 구성된다.
도 5에 도시된 실시예의 특징에 따르면, 각각의 장치(100E-1, 100E-2 및 100E-3)는 다른 2-부분 쌍극 메타물질 공진기 안테나들(120A, 120B 및 120C)을 포함하며, 이것에 의해 장치들(100E-1, 100E-2 및 100E-3)은 다른 주파수들을 갖는 무선 주파수 에너지를 출력전압들(VOUT1, VOUT2 및 VOUT3)로 변환하도록 구성된다. 2-부분 쌍극 메타물질 공진기 안테나들(120A, 120B 및 120C)은 위에 상세히 설명되어 있다. 안테나들(120A, 120B 및 120C)은 다른 구성들(크기들)을 갖고, 그 각각은 각각의 안테나가 공진하는 주파수들에서의 충분한 무선 주파수 에너지의 유용성에 의존하여 출력전압을 발생한다. 시스템(200E)은 그러므로 3개의 다른 안테나 배열들을 활용함으로써 단일 안테나를 사용하여 가능한 것보다 더욱 넓은 무선 주파수 범위에 걸쳐 출력전류를 발생하도록 구성된다.
도 6A 및 도 6B는 본 발명의 부가적인 다른 특정 실시예들에 따른 2개의 구부러진 2-부분 메타물질 공진기 안테나들(120F 및 120G)을 도시하는 단순화된 도면들이다. 위에 설명된 일직선부의 실시예들과 유사하게, 각 안테나(120F 및 120G)는 양방향으로 대칭인 2개의 금속 성분들(123F-1 및 123F-2 및 123G-1 및 123G-2)을 포함하며, 각각은 짧은 연결부분에 의해 연결되는 동심의, 연속적으로-구부러진(예컨대, 실질적으로 반원형의) 1차 및 2차 선 부분들을 포함한다.
도 6A에 관해 설명하자면, 안테나(120F)의 금속 성분(123F-1)은 안테나 극점(121F)으로부터 (제1) 중앙점(123A-11A)으로 뻗어 있는 구부러진 1차 부분(123F-11), 중앙점(123F-11A)으로부터 중앙점(123F-12A)으로 뻗어 있는 일직선의 연결부분(123F-13), 상기 제2 중앙점(123F-12A)으로부터 말단점(124F-13A)으로 뻗어 있는 구부러진 2차 안테나 부분(123F-12)을 포함한다. 구부러진 1차 부분(123F-11) 및 구부러진 2차 안테나 부분(123F-12)은 동심적으로 배열되어 그것들은 그들의 전체 길이를 따라 균일한 갭 간격(GS) 만큼 분리된다. 유사하게, 금속 성분(123F-2)은 안테나 극점(121F)으로부터 일직선의 연결부분(123F-23)으로 뻗어 있는 구부러진 1차 부분(123F-21), 및 연결부분(123F-23)으로부터 말단점(124F-23A)으로 뻗어 있는 구부러진 2차 안테나 부분(123F-22)을 포함하며, 구부러진 1차 부분(123F-21) 및 구부러진 2차 안테나 부분(123F-22)은 동심적으로 배열된다.
도 6B에 관해 설명하자면, 안테나(120G)의 금속 성분(123G-1)은 또한 안테나 극점(121G)으로부터 중앙점(123A-11A)으로 뻗어 있는 구부러진 1차 부분(123G-11), 중앙점(123G-11A)으로부터 중앙점(123G-12A)으로 뻗어 있는 일직선의 연결부분(123 G-13), 상기 제2 중앙점(123G-12A)으로부터 말단점(124G-13A)으로 뻗어 있는 구부러진 2차 안테나 부분(123G-12)을 포함하며, 구부러진 1차 부분(123G-11) 및 구부러진 2차 안테나 부분(123G-12)은 동심적으로 배열되고, 금속 성분(123G-2)은 안테나 극점(122G)으로부터 일직선의 연결부분(123G-23)으로 뻗어 있는 구부러진 1차 부분(123G-21), 및 연결부분(123G-23)으로부터 말단점(124G-23A)으로 뻗어 있는 구부러진 2차 안테나 부분(123G-22)을 포함하며, 구부러진 1차 부분(123G-21) 및 구부러진 2차 안테나 부분(123G-22)은 동심적으로 배열된다. 안테나(120G)는, 안테나(120F)의 연결 부분들(123F-13 및 123F-23)은 일직선의(선형 형태의) 선 구조들에 의해 실시되며, 안테나(120G)의 연결 부분들(123G-13 및 123G-23)은 1차 안테나 부분들(123G-11 및 123G-21)의 길이가 제1 2차 안테나 부분들(123G-12 및 123G-22)의 길이들과 같도록 구성된 2-부분 단계-형태 선 구조들을 포함한다는 점에서, 안테나(120F)와 다르며, 이것은 개선된 안테나 성능을 용이하게 한다.
도 7은 본 발명의 다른 하나의 특정 실시예에 따른 "경주트랙-형태" 메타물질 공진기 안테나(120H)를 도시하는 상면도이다. 상기한 바와 같은 상기 2-부분 쌍극 실시예들과 다르게, 안테나(120H)는 단일-부분(내장형, 인접한) 금속성분(123H)을 갖는데, 상기 금속성분(123H)은 상기 "경주트랙(racetrack)"의 제1 변상에 배치된 (제1 및 제2) 1차 안테나 부분들(123H-11 및 123H-12), 상기 "경주트랙 (racetrack)"의 제2 변상에 배치된 2차 안테나 부분(123H-2), 및 상기 "경주트랙 (racetrack)"의 2개의 "곡선부들(curves)"을 형성하는 2개의 개방-원형 연결부분들(12H-31 및 123H-32)을 포함한다. 1차 안테나 부분들(123H-11 및 123H-12)은 동일 선상으로 배열되고 상기 제1 및 제2 안테나 극점들(121H 및 122H) 사이에 정의된 갭(GW)에 의해 분리되는 선형 금속 구조들이다. 즉, 도 7에 관해 설명하자면, 1차 안테나 부분(123H-11)은 극점(121H)으로부터 제1 중앙점(123H-11A)으로 아래쪽으로 일직선으로 뻗어 있고, 1차 안테나 부분(123H-21)은 극점(122H)으로부터 제2 중앙점(123H-21A)으로 위쪽으로 뻗어 있다. 2차 안테나 부분(123H-2)은 1차 안테나 부분들(123H-11 및 123-12)에 평행하게 그리고 1차 안테나 부분들(123H-11 및 123-12)로부터 거리 S만큼 이격되어 배치된 연속적인 금속구조이며, 실질적으로 제3 및 제4 중앙점들(123H-12A 및 123H-22A) 사이의 전체 길이 L 만큼 뻗어 있다. 연결 부분(123H-31)은 1차 안테나 부분(123H-11)의 하부와 2차 안테나 부분(123H-2)의 하부 사이(즉, 중앙점들(123H-11A 및 123H-12A) 사이)에 연결된 반원형부(123H-311), 반원형부(123H-311)로부터 공간(127)으로(즉, 1차 안테나 부분(123H-11) 및 2차 안테나 부분(123H-2) 사이의 영역으로) 뻗어 있는 (제1 및 제2) 구부러진 단부들(12 3H-312 및 123H-313)을 포함한다. 연결 부분(123H-32)은 제2 1차 안테나 부분 (123H-12) 및 2차 안테나 부분(123H-2)의 상단들 사이에(즉, 중앙점들(123H-21A 및 123H-22A 사이) 연결된 반원형 부분(123H-321), 및 반원형 부분(123H-321)으로부터 공간(127)으로 뻗어 있는 (제3 및 제4) 구부러진 단부들(123H-322 및 123H-323)을 포함한다. 그 결과의 "경주트랙-형" 안테나 구성은 관련된 대역폭 범위에서 공진하여 안테나 극점들(121H 및 122H) 상에서 발생된 포착된 무선 주파수 신호들이 서로 180°위상 차이가 난다. 안테나(120H)에 의해 제공된 장점은 이러한 "경주트랙-형" 안테나 구성이 위에 설명된 2-부분 쌍극 안테나 구성들보다 실질적으로 더 높은 주파수 범위에 걸쳐 무선 주파수 신호들을 포착하는 것으로 발견되었다는 점이다. 상기 2-부분 구성들과 유사하게, 안테나(120H)의 임피던스는 안테나 공간(크기)의 증가 또는 감소에 의해 조정 가능하다. 게다가, 아래에 부가적으로 상세히 설명된 바와 같이, 상기 "경주트랙-형" 안테나 구성은 상기 구부러진 단부들을 분리하는 갭들의 변경(예컨대, 단부들(123H-322 및 123H-323)을 분리하는 거리)에 의해, 또는 1개 이상의 부가적인 "경주트랙 루프들"을 상기 안테나 구조에 부가함으로써 전체 공간을 변화시키지 않고서도 추가적인 "조정 가능성(tunability)"을 용이하게 한다. 실제의 실시예에서, "경주트랙-형" 안테나는 8μm의 두께 및 2.5mm의 선폭(LW)을 갖는 부분들을 갖는 PET 기판(250μm 두께)상에 배치된 은(銀) 잉크(10μΩ/cm)를 사용하여 본 발명의 발명자들에 의해 형성되었고, 경주트랙 구조는 120mm의 길이 L를 갖는 일직선부 및 6.45mm의 내경 r을 갖는(즉, 거의 5.8 인치의 전체 안테나 길이를 갖는) 연결부분들을 포함하며, 상기 구부러진 단부들은 60°의 개방각 Ψ, 및 2.5mm의 갭폭 GW을 사용하여 형성된다. 그 결과의 구조는 914 MHz에서 피크 효율로서 공진하는 것으로 발견되었으며, 거의 825 MHz 내지 1050 MHz 의 범위에서 수신 전력에서의 10% 미만의 손실을 나타냈다.
도 8은 도 7의 "경주트랙-형태" 메타물질 공진기 안테나(120H)를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치(100H)를 도시하는 단순도이다. 이 경우, 정류회로 (130H)는 정류회로(130H)의 다른 소자들로의 포착된 무선 주파수 신호들의 적절한 전송을 용이하게 하는데 필요한 2개의 개별적인 인덕터들(L1H 및 L2H)을 포함한다. 특히, 인덕터((L1H)는 제1 안테나 극점(121H) 및 다이오우드(D1) 사이에서 결합되며, 인덕터((L2H)는 안테나 극점(122H) 및 커패시터(C1) 사이에 결합된다. 한 실시예에서, 인덕터들(L1H 및 L2H)은 동일한(공통의) 인덕턴스 값을 갖고, 안테나 (120H) 및 정류회로(130H)의 소자들(즉, 커패시터(C1), 다이오우드들(D1 및 D2)), 및 출력 제어회로(135H)를 갖는 평형 회로를 형성하며, 이것은 "다대역 무선 주파수 에너지 활용을 위한 정류회로"의 명칭의 계류중인 일련 출원번호 14/582,002호[대리인 문서번호 20140443US01 (XCP-203-1)]에 설명된 임의의 구성들을 사용하여 실시될 수도 있다.
도 9는 각각 "경주트랙-형태" 메타물질 공진기 안테나들(120H-1 내지 120H-3)을 포함하는 3개의 장치들(100H-1, 100H-2, 및 100H-3)로 이루어진 무선 주파수 에너지 활용 시스템(200H)을 도시하는 단순화된 도면이며, 장치들(100H-1, 100H-2, 및 100H-3)의 출력단자들은 직렬로 연결되어 적어도 하나의 무선 주파수 에너지 활용장치의 제2 안테나 극점이 인접한 무선 주파수 에너지 활용장치의 출력 노드에 연결된다.
설명된 실시예의 특징에 따르면, 각각의 에너지 활용장치(100H-1 내지 100H-3)는 실질적으로 동일한 "경주트랙" 안테나 구성을 포함한다. 예를 들어, 상기한 바와 같이, 장치(100H-1)는 관련된 대역폭 범위 내의 무선 주파수들에서 공진하도록 구성된 "경주트랙" 안테나(120H-1)를 포함한다. 장치(100H-2)는 안테나(120H-2)를 포함하며 장치(100H-3)는 안테나(120H-3)를 포함하고, 안테나들(120H-2 및 120 H-3)은 구성면에서 안테나(120H-1)와 실질적으로 동일하다(즉, 3개의 모든 안테나들이 동일한 무선 주파수에서 공진하도록, 그리고 실질적으로 3개의 모든 안테나들이 동일한 양의 에너지를 발생하도록). 각각의 에너지 활용장치(100H-1 내지 100H-3)는 또한 실질적으로 동일한 정류회로를 포함한다. 예를 들어, 장치(100H-1)는 안테나 극점(121H-1) 및 제1 노드(N1) 사이에 결합된 제1 다이오우드(D1), 극점(121H -1) 및 제1 노드(N1) 사이에 결합된 제1 커패시터(C1), 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2) 사이에 연결된 제2 다이오우드(D2)를 포함하는 정류회로(130H-1)를 포함한다. 정류회로(130H-1)는 또한 노드(N2)에서 발생된 중간전압을 직류 출력전압 VOUT1 으로 변환하도록 구성되는 노드(N2)에 결합된[즉, 제3 다이오우드(D3), 커패시터 (C1)와 유사한 용량을 갖는 제2 커패시터(C2), 및 저장 커패시터(C4)에 의해] 출력 제어회로(135H-1)를 포함한다. 유사하게, 에너지 활용장치들(100H-2 및 100H-3)은 각각 다이오우드들(D1 및 D2) 및 커패시터(C1), 및 각각의 직류 출력전압들(VOUT2 및 VOUT3)을 발생하는 출력 제어회로들(135H-2 및 135H-3)(다이오우드(D3) 및 커패시터들(C2 및 C4)을 포함하는)을 갖는 정류회로들(130H-2 및 130H-3)을 포함한다.
시스템(200H)에 의해 실시된 직렬-연결 배열에 따르면, 무선 주파수 에너지 활용장치들(100H-1 내지 100H-3)은 직류 출력전압들(VOUT1, VOUT2 및 VOUT3)이 결합되어 시스템 출력전압(VOUT - SYS)이 최대화되도록 연결된다. 특히, 무선 주파수 에너지 활용장치(100H-2)의 제1 안테나 극점(121H-2)은 무선 주파수 에너지 활용장치(100H-3)의 출력 노드에 연결되고[즉, 장치(100H-2)의 접지면이 직류 출력전압(VOUT3)이 되도록], 이것에 의해 장치(100H-2)의 출력 노드에서 발생된 직류 출력전압 (VOUT2)의 전압 레벨이 직류 출력전압(VOUT3)에 의해 "증가"된다. 유사하게, 무선 주파수 에너지 활용장치(100H-1)의 안테나 극점(121H-1)은 무선 주파수 에너지 활용장치(100H-3)의 출력 노드에 연결되고, 이것에 의해 장치(100H-1)의 출력 노드에서 발생된 직류 출력전압(VOUT1)의 전압 레벨이 직류 출력전압들(VOUT2 및 VOUT3)에 의해 "증가"된다. 이런 고로, 시스템 출력전압(VOUT - SYS)의 전압 레벨은 직렬 배열에 의해 최대화된다.
예시는 되지 않았지만, 상기 "경주트랙-형" 안테나 구성은 또한 도 3B와 관하여 위에 설명되고 도시된 것과 유사한 둥지 형태의 장치 배열에서 사용될 수도 있다.
도 10A 및 도 10B는 본 발명의 다른 실시예들에 따라, 각각 2-루프 "경주트랙형" 메타물질 공진기 안테나(120J) 및 3-루프 "경주트랙형" 메타물질 공진기 안테나를 도시하는 상면도들이다. 상기 "경주트랙" 형태의 길이 및 반경 지름들을 변경함으로써, 그리고 구부러진 단부들 사이의 갭 거리를 변경함으로써, 경주트랙 안테나의 임피던스를 조정하는 것 이외에도, 1개 이상의 부가적인 "루프" 구조들을 부가함에 의해(즉, 아래에 설명된 바와 같이, 단일 내장형 금속 안테나 구조가 2개 이상의 "루프들"을 포함하도록) 안테나의 임피던스를 조정하는 것이 또한 가능하다.
도 10A에 관해 설명하자면, 도 7과 관하여 위에서 설명된 실시예와 유사하게, 안테나(120J)는, 도 7과 관하여 위에 설명된 방식으로 구성되는, 각각 극점들(121J 및 122J)로부터 뻗어 있는 1차 안테나 부분들(123J-11 및 123J-12)에 의해 형성된 제1 "루프" 구조 주변영역(127-1), (제1) 2차 안테나 부분(123J-21), 및 (제1 및 제2) 원형 연결부분들(123J-31 및 123J-32)을 포함한다. 게다가, 안테나(120J)는 제1 2차 안테나 부분(123J-21)에 의해 형성된 제2 "루프" 구조 주변영역(127-2), 1차 안테나 부분들(123J-11 및 123J-12) 및 제1 2차 안테나 부분(123J-21)에 평행하게 배치된 제2 2차 안테나 부분(123J-22)[즉, 제1 2차 안테나 부분(123J-21)이 1차 안테나 부분들(123J-11 및 123J-12) 및 제2 2차 안테나 부분(123J-22) 사이에 있도록], 상기 제1 2차 안테나 부분(123J-21)의 제1 하단 및 상기 제2 2차 안테나 부분(123J-22)의 제1 하단 사이에 연결된 제3 반원형부(123J-331)를 포함하는 (제3) 연결 부분(123J-33), 및 제3 반원형부(123J-331)로부터 영역(127-2)으로 뻗어 있는 (제5 및 제6) 구부러진 단부들(123J-332 및 123J-333), 및 2차 안테나 부분(123J-22)의 상단 및 2차 안테나 부분(123J-21)의 상단 사이에 연결된 제4 반원형부(123J-341)를 포함하는 (제4) 연결부분(123J-34), 및 반원형부(123J-341)로부터 공간(127-2)으로 뻗어 있는 (제7 및 제8) 구부러진 단부들(12 3J-342 및 123J-343)을 포함한다.
도 10B에 관해 설명하자면, 도 10A에 관해 설명된 실시예와 유사하게, 안테나(120K)는 각각 극점들(121K 및 122K)로부터 뻗어 있는 1차 안테나 부분들(123J-11 및 123J-12)에 의해 형성된 제1 "루프" 구조, (제1) 2차 안테나 부분(123J-21), 및 (제1 및 제2) 원형 연결부분들(123J-31 및 123J-32), 및 (제1) 2차 안테나 부분(123J-21)에 의해 형성된 제2 "루프" 구조, (제2) 2차 안테나 부분(123J-22), 및 (제3 및 제4) 원형 연결부분들(123J-33 및 123J-34)을 포함한다. 게다가, 안테나(120J)는 (제2) 2차 안테나 부분(123J-22)에 의해 형성된 제3 "루프" 구조, (제3) 2차 안테나 부분(123J-23), 2차 안테나 부분들(123J-22 및 123J-23)의 하단들을 연결하는 (제5) 연결부분(123J-35), 및 2차 안테나 부분들(123J-22 및 123J-23)의 상단들을 연결하는 (제6) 연결부분(123J-36)을 포함한다. 상기 제3 "루프" 구조의 부가는 추가로 안테나(120J)의 인덕턴스와 비교하여 안테나(120K)의 전체 인덕턴스를 증가시킨다(도 10A).
본 발명의 무선 주파수 에너지 활용장치들/활용 시스템들의 제조와 관련된 제조비용이 위에 설명된 인쇄기술을 사용하여 최소화되지만, 여기에 설명된 다수의 장점들이 다른 제조기술들을 사용하여 성취될 수도 있다. 예를 들어, 상기 안테나 및 정류회로는 정상적인 인쇄회로기판 방법들을 사용하여 단단한 또는 유연한 기판상에서 제조될 수도 있다. 선택적으로, 상기 장치들 및 시스템들은 기계 가공 또는 소결(燒結)에 의해 형성될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 실질적으로 평평한 표면을 갖는 기판;
    상기 기판의 상기 표면상에 등각적이면서도 고정적으로 배치되는 적어도 하나의 금속 성분을 포함하는 메타물질(metamaterial) 공진기 안테나로서, 상기 적어도 하나의 금속 성분은 :
    제1 안테나 극점으로부터 제1 중앙점으로 연장하는 제1 1차 안테나 부분,
    제2 안테나 극점으로부터 제2 중앙점으로 연장하는 제2 1차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들에 평행하게 배치되고 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들로부터 균일한 갭 거리만큼 이격된 적어도 하나의 2차 안테나 부분으로서, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 제3 중앙점에 배치된 제1 단부 및 제4 중앙점에 배치된 반대편의 제2 단부를 갖는, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제3 중앙점들 사이에 연결된 제1 연결 부분, 및
    상기 제2 및 제4 중앙점들 사이에 연결된 제2 연결 부분,
    을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들 및 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 관련된 대역폭 범위 내의 무선 주파수들에서 공진하여 제1 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제1 안테나 극점 상에서 발생되고 제2 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제2 안테나 극점 상에서 발생되도록 구성되며, 상기 제1 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제2 포착된 무선 주파수 신호로부터 180°위상 차이가 나는, 상기 메타물질 공진기 안테나; 및
    상기 제1 및 제2 안테나 극점들에 연결된 정류회로로서, 상기 제1 및 제2 포착된 무선 주파수 신호들로부터의 양(陽)의 전압 펄스들을 출력 노드로 전달하도록 구성된 회로소자들을 포함하는, 상기 정류회로;
    를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기 안테나를 형성하는 상기 적어도 하나의 연장된 금속구조는 은 잉크 물질(silver ink material)을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류회로는 상기 기판의 상기 표면상에 등각적이면서도 고정적으로 배치된 복수의 전도성 구조들을 추가로 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정류회로는 추가로 :
    상기 제1 안테나 극점 및 제1 노드 사이에 결합된 제1 다이오우드;
    상기 제2 안테나 극점 및 상기 제1 노드 사이에 결합된 제1 커패시터; 및
    상기 제1 노드 및 제2 노드 사이에 결합된 제2 다이오우드;
    를 포함하며,
    상기 제1 다이오우드는 상기 제2 다이오우드보다 더 낮은 순방향 전압을 갖고, 상기 제1 다이오우드는 상기 제2 다이오우드보다 더 낮은 역방향 전압을 가지며, 이것에 의해 상기 제1 노드에서 발생된 제1 중간전압은 상기 제1 다이오우드를 통해 전달되는 상기 제1 무선 주파수 신호 및 상기 제1 커패시터를 통해 전달되는 상기 제2 교류신호의 양의 전압 펄스들의 합을 포함하고, 이것에 의해 제2 중간전압이 상기 제2 다이오우드를 통해 상기 제1 노드로부터 전달되는 양의 전압 펄스들에 따라 상기 제2 노드에서 발생되는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 정류회로는 그라이나허 회로(Greinacher circuit)를 포함하는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안테나는 양방향으로 대칭인 제1 및 제2 금속 성분들을 포함하는 2-부분 쌍극 안테나를 포함하며;
    상기 제1 금속 성분은 상기 제1 1차 안테나 부분, 상기 제1 연결 부분, 및 상기 제1 연결 부분으로부터 상기 제1 안테나 극점에 인접하여 배치된 제1 말단점으로 연장하는 제1 2차 안테나 부분을 포함하며, 상기 제1 1차 안테나 부분 및 상기 제1 2차 안테나 부분은 동심적으로 배열되어 균일한 갭 간격이 상기 제1 1차 안테나 부분 및 상기 제1 2차 안테나 부분을 그들의 전체 길이를 따라 분리하고;
    상기 제2 금속 성분은 상기 제2 1차 안테나 부분, 상기 제2 연결 부분, 및 상기 제2 연결 부분으로부터 상기 제2 안테나 극점에 인접하여 배치된 제2 말단점으로 연장하는 제2 2차 안테나 부분을 포함하며, 상기 제2 1차 안테나 부분 및 상기 제2 2차 안테나 부분은 동심적으로 배열되어 균일한 갭 간격이 상기 제2 1차 안테나 부분 및 상기 제2 2차 안테나 부분을 그들의 전체 길이를 따라 분리하는 무선 주파수 에너지 활용장치.
  7. 복수의 무선 주파수 에너지 활용장치들을 포함하는 무선 주파수 에너지 활용 시스템으로서, 각각의 무선 주파수 에너지 활용장치는 :
    기판의 표면상에 등각적이면서도 고정적으로 배치되는 적어도 하나의 금속 성분을 포함하는 메타물질(metamaterial) 공진기 안테나로서, 상기 적어도 하나의 금속 성분은 :
    제1 안테나 극점으로부터 제1 중앙점으로 연장하는 제1 1차 안테나 부분,
    제2 안테나 극점으로부터 제2 중앙점으로 연장하는 제2 1차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들에 평행하게 배치되고 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들로부터 균일한 갭 거리만큼 이격된 적어도 하나의 2차 안테나 부분으로서, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 제3 중앙점에 배치된 제1 단부 및 제4 중앙점에 배치된 반대편의 제2 단부를 갖는, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제3 중앙점들 사이에 연결된 제1 연결 부분, 및
    상기 제2 및 제4 중앙점들 사이에 연결된 제2 연결 부분,
    을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들 및 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 관련된 대역폭 범위 내의 무선 주파수들에서 공진하여 제1 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제1 안테나 극점 상에서 발생되고 제2 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제2 안테나 극점 상에서 발생되도록 구성되며, 상기 제1 포착된 무선 주파수 신호가 상기 제2 포착된 무선 주파수 신호로부터 180°위상 차이가 나는, 상기 메타물질 공진기 안테나; 및
    상기 제1 및 제2 안테나 극점들에 연결된 정류회로로서, 상기 정류회로는 상기 제1 및 제2 포착된 무선 주파수 신호들로부터의 양의 전압 펄스들을 출력 노드로 전달하도록 구성된 회로소자들을 포함하는 정류회로;
    를 포함하고,
    상기 복수의 무선 주파수 에너지 활용장치들은 결합된 시스템 출력전압을 발생하기 위해 함께 결합되는 무선 주파수 에너지 활용 시스템.
  8. 적어도 하나의 금속 성분을 포함하는 메타물질 공진기 안테나로서, 상기 적어도 하나의 금속 성분은 :
    제1 안테나 극점으로부터 제1 중앙점으로 연장하는 제1 1차 안테나 부분,
    제2 안테나 극점으로부터 제2 중앙점으로 연장하는 제2 1차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들에 평행하게 배치되고 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들로부터 균일한 갭 거리만큼 이격된 적어도 하나의 2차 안테나 부분으로서, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 제3 중앙점에 배치된 제1 단부 및 제4 중앙점에 배치된 반대편의 제2 단부를 갖는, 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분,
    상기 제1 및 제3 중앙점들 사이에 연결된 제1 연결 부분, 및
    상기 제2 및 제4 중앙점들 사이에 연결된 제2 연결 부분,
    을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들 및 상기 적어도 하나의 2차 안테나 부분은 관련된 대역폭 범위 내의 주파수들에서 공진하여 제1 포착된 신호가 상기 제1 안테나 극점 상에서 발생되고 제2 포착된 신호가 상기 제2 안테나 극점 상에서 발생되도록 구성되며, 상기 제1 포착된 신호가 상기 제2 포착된 신호로부터 180°위상 차이가 나는 메타물질 공진기 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 성분은 단일 내장형 금속 성분을 포함하며, 상기 단일 내장형 금속 성분은 :
    동일선상으로 배열되고 상기 제1 및 제2 안테나 극점들 사이에 정의된 갭에 의해 분리되는 선형 구조들을 포함하는 상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분들;
    상기 제1 및 제2 1차 안테나 부분에 평행하게 배치된 상기 2차 안테나 부분;
    상기 제1 1차 안테나 부분 및 상기 2차 안테나 부분의 제1 단부 사이에 연결된 제1 반원형부를 포함하는 제1 개방-원형 패턴을 포함하는 상기 제1 연결 부분으로서, 제1 및 제2 만곡된 단부들이 상기 제1 반원형부로부터 상기 제1 1차 안테나 부분 및 상기 2차 안테나 부분 사이의 공간으로 연장하는, 상기 제1 연결 부분; 및
    상기 제2 1차 안테나 부분 및 상기 2차 안테나 부분의 제2 단부 사이에 연결된 제2 반원형부를 포함하는 제2 개방-원형 패턴을 포함하는 상기 제2 연결 부분으로서, 제3 및 제4 만곡된 단부들이 상기 제2 반원형부로부터 상기 제2 1차 안테나 부분 및 상기 2차 안테나 부분 사이의 공간으로 연장하는, 상기 제2 연결 부분;
    을 포함하는 메타물질 공진기 안테나.
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