KR20160135238A - 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 시스템들, 방법들, 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시물은 이물질들을 검출하기 위한 장치들 및 방법들을 제공한다. 물체의 존재를 검출하기 위한 장치는 무선 충전가능 차량에 부착된 적어도 하나의 레이더 안테나를 포함한다. 적어도 하나의 레이더 안테나는 차량이 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 레이더 신호를 송신하고 레이더 신호를 수신하도록 구성된다. 장치는 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 공간에서의 물체의 존재를 결정하도록 구성된 레이더 프로세싱 회로를 더 포함한다. 레이더 프로세싱 회로는 또한 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하도록 구성된다.

Description

미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 시스템들, 방법들, 및 장치{SYSTEMS, METHODS, AND APPARATUS FOR RADAR-BASED DETECTION OF OBJECTS IN A PREDETERMINED SPACE}
본 개시물은 일반적으로 무선 전력 전송에 관한 것으로, 더 구체적으로는 그라운드 기반 충전 유닛으로부터 차량 기반 충전 유닛으로의 무선 전력 전송에 관련된 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다. 더 구체적으로는 본 개시물은 레이더-기반 기법들을 이용하는 미리 결정된 공간에서의 이물질 (foreign object) 들의 검출에 관한 것이다.
유도성 전력 전송 (inductive power transfer; IPT) 시스템들은 에너지의 무선 전송의 하나의 예를 제공한다. IPT 에서, 1 차 (또는 "송신기") 전력 디바이스는 2 차 (또는 "수신기") 전력 디바이스에 전력을 송신한다. 송신기 및 수신기 전력 디바이스들 각각은 유도성 커플러, 통상적으로 전류 전달 재료들을 포함하는 권선들의 단일 코일 또는 다중 코일 배열체 (arrangement) 를 포함한다. 1 차 인덕터를 통과하는 교류는 교번 자기장을 생성한다. 2 차 인덕터가 1 차 인덕터에 근접하게 배치될 때, 교번 자기장은 패러데이의 법칙에 따라 기전력 (electromotive force; EMF) 을 2 차 인덕터에 유도하고, 그에 의해 2 차 전력 수신기 디바이스에 전력을 전송한다. 통상적으로, 초저주파 (very low frequency; VLF) 또는 저주파 (low frequency; LF) 대역들, 예를 들어, 20 kHz 내지 150 kHz 의 범위에서의 주파수들은 차량 충전 애플리케이션들에서 IPT 를 위해 이용된다.
가정 및 공공 주차 구역들 양쪽 모두에서 수 킬로와트의 전력 레벨들에서의 차량들로의 유도성 전력 전송은 근접한 장비 및 사람들의 안전을 위해 특수한 보호 대책들을 필요로 할 수도 있다. 이러한 대책들은 IPT 시스템의 임계 공간에서의 이물질들의 검출을 포함할 수도 있는데, 특히 여기서 이러한 이물질들은 강한 교번 자기장들에 노출된다면 과도한 와전류들 및 가열을 받게 된다. 이것은 특히 임계 공간이 개방되고 액세스가능한 시스템들에 해당될 수도 있다. 이러한 대책들은 또한 생물들, 예를 들어 인간들, 인간들의 손발들, 또는 동물들의 검출을 포함하여, 이들이 이러한 강한 전자기장들에 노출되는 것을 보호할 수도 있다.
IPT 시스템의 임계 공간은 전자기장 레벨들이 소정의 임계 레벨들을 초과하는 공간으로서 정의될 수도 있다. 이들 레벨들은 인간 노출에 대한 규제 한도들, 금속성 이물질들에서의 와전류 가열 영향들에 의해 결정되는 자속 밀도 한도들, 또는 특정 제품 또는 특정 유스 케이스 (use case) 에 적용가능한 표준에 의해 특정된 것들과 같은 다른 한도들에 기초할 수도 있다. 이에 따라, 미리 결정된 공간에서의 물체 (object) 들의 레이더-기반 검출을 위한 시스템들, 방법들, 및 장치들이 바람직하다.
첨부된 청구항들의 범위 내의 시스템들, 방법들 및 디바이스들의 다양한 구현들은 각각 수 개의 양태들을 가지며, 이들 양태들 중 하나의 양태가 단독으로 본 명세서에서 설명되는 바람직한 속성들을 책임지고 있는 것은 아니다. 첨부된 청구항들의 범위를 제한하는 일 없이, 일부 중요한 피처들이 본 명세서에서 설명된다.
본 명세서에서 설명되는 대상물의 하나 이상의 구현들의 상세들이 아래의 설명 및 첨부 도면들에 제시된다. 다른 피처들, 양태들 및 이점들은 이 설명, 도면들, 및 청구항들로부터 명백해질 것이다. 다음의 도면들의 상대적인 치수들은 일정한 비율로 도시되지 않을 수도 있다는 것에 주목한다.
본 개시물의 하나의 양태는 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 인쇄 회로 보드를 포함한다. 장치는 인쇄 회로 보드의 중심 부분 상에 배치된 적어도 하나의 레이더 송신 안테나를 포함한다. 장치는 인쇄 회로 보드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들을 포함하고, 그 레이더 수신 안테나들 각각은 적어도 하나의 레이더 송신 안테나로부터 레이더 신호를 수신하도록 구성된다. 장치는 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일을 포함한다.
본 개시물의 다른 양태는 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법의 구현을 제공한다. 방법은 인쇄 회로 보드의 중심 부분 상에 배치된 적어도 하나의 레이더 송신 안테나로부터의 레이더 신호를 송신하는 단계를 포함한다. 방법은 인쇄 회로 보드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트를 적어도 활용하여 레이더 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 레이더 프로세싱 회로를 활용하여 물체의 존재를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일에 전력을 공급하는 단계를 포함한다.
본 개시물의 또 다른 양태는 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 제공한다. 장치는, 무선 충전가능 차량에 부착되고 차량이 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 레이더 신호를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 레이더 안테나를 포함한다. 적어도 하나의 레이더 안테나는 또한 레이더 신호를 수신하도록 구성된다. 장치는 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 공간에서의 물체의 존재를 결정하도록 구성된 레이더 프로세싱 회로를 더 포함한다. 레이더 프로세싱 회로는 또한 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하도록 구성된다.
본 개시물의 또 다른 양태는 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법의 구현을 제공한다. 방법은 인쇄 회로 보드 상의 어레이에 배열된 복수의 레이더 안테나들 중 적어도 하나의 안테나로부터의 레이더 신호를 송신하는 단계를 포함한다. 방법은 차량이 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 차량 상의 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 레이더 신호를 송신하는 단계를 포함한다. 방법은 차량 상의 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 레이더 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 물체의 존재를 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하는 단계를 포함한다.
도 1 은 예시적인 구현에 따른, 전기 차량을 충전하기 위한 예시적인 무선 전력 전송 시스템의 다이어그램이다.
도 2 는 도 1 의 무선 전력 전송 시스템의 예시적인 코어 컴포넌트들의 개략적 다이어그램이다.
도 3 은 도 1 의 무선 전력 전송 시스템의 예시적인 코어 및 부수적인 컴포넌트들을 도시하는 다른 기능 블록 다이어그램이다.
도 4 는 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 다수의 선택가능 송신 안테나들 및 별개의 다수의 선택가능 수신 안테나들을 갖는 예시적인 레이더 시스템의 개략도이다.
도 5 는 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 송신 또는 수신 안테나들로서 구성가능한 다수의 선택가능 안테나들을 갖는 다른 예시적인 레이더 시스템의 개략도이다.
도 6 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 레이더 신호들을 전송하는 것과 수신하는 것 양쪽에 대해 구성가능한 다수의 선택가능 안테나들을 갖는 다른 레이더 시스템의 개략도이다.
도 7 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 다수의 선택가능 송신 안테나들 및 별개의 다수의 선택가능 수신 안테나들을 병치 (collocate) 된 쌍들로 갖는 다른 레이더 시스템의 개략도이다.
도 8 은 예시적인 구현에 따른, 송신 및 수신을 위한 별개의 포트들을 갖는 레이더 검출기 유닛의 블록 다이어그램이다.
도 9 는 예시적인 구현에 따른, 다수의 송신 포트들 및 다수의 수신 포트들을 갖는 레이더 검출기 유닛의 블록 다이어그램이다.
도 10 은 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛을 단일 포트 레이더 검출기 유닛으로 컨버팅하기 위한 방향성 커플러를 도시한다.
도 11 은 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛을 단일 포트 레이더 검출기 유닛으로 컨버팅하기 위한 서큘레이터를 도시한다.
도 12 는 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛으로부터 가상 단일 포트 레이더 검출기 유닛을 형성하기 위한 송신 안테나 및 수신 안테나의 병치된 쌍을 도시한다.
도 13 은 예시적인 구현에 따른, 평면 단일 코일 IPT 커플러 ("원형" 패드) 의 중심에 배치된 레이더 송신 안테나 및 그 패드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 안테나들의 배열체를 도시한다.
도 14 는 도 13 의 레이더 안테나들의 배열체의 측면도를 도시한다.
도 15 는 도 13 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드를 도시한다.
도 16 은 도 15 의 인쇄 회로 보드의 측면도를 도시한다.
도 17 은 예시적인 구현에 따른, 평면 단일 코일 IPT 커플러 ("원형" 패드) 위의 어레이에 배치된 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 레이더 안테나들 또는 쌍으로 된 송신 및 수신 레이더 안테나들의 배열체를 도시한다.
도 18 은 도 17 의 레이더 안테나들의 배열체의 측면도를 도시한다.
도 19 는 도 17 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드를 도시한다.
도 20 은 도 19 의 인쇄 회로 보드의 측면도를 도시한다.
도 21 은 예시적인 구현에 따른, 평면 이중 코일 IPT 커플러 ("더블 D" 패드) 의 중심에 배치된 레이더 송신 안테나들 및 그 패드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 안테나들의 배열체를 도시한다.
도 22 는 도 21 의 레이더 안테나들의 배열체의 측면도를 도시한다.
도 23 은 도 21 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드를 도시한다.
도 24 는 도 23 의 인쇄 회로 보드의 측면도를 도시한다.
도 25 는 예시적인 구현에 따른, 평면 이중 코일 IPT 커플러 ("더블 D" 패드) 위의 어레이에 배치된 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 레이더 안테나들 또는 쌍으로 된 송신 및 수신 레이더 안테나들의 배열체를 도시한다.
도 26 은 도 25 의 레이더 안테나들의 배열체의 측면도를 도시한다.
도 27 은 도 25 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드를 도시한다.
도 28 은 도 27 의 인쇄 회로 보드의 측면도를 도시한다.
도 29 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버의 내부 크로스토크 및 전파 경로들을 포함하는 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델을 도시한다.
도 30 은 예시적인 구현에 따른, 크로스토크 소거의 모델을 도시한다.
도 31 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버의 내부 크로스토크를 측정하기 위한 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델을 도시한다.
도 32 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버 유닛에서의 크로스토크 측정을 위한 안테나 포트 종단 배열체를 도시한다.
도 33 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템의 임펄스 응답을 측정하기 위한 안테나 포트 바이패스 배열체를 도시한다.
도 34 는 예시적인 구현에 따른, 시스템의 응답을 측정하기 위한 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델을 도시한다.
도 35 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에 대한 이산 주파수 도메인 포스트 프로세싱 캐스케이드를 예시한다.
도 36 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에 대한 이산 시간 도메인 포스트 프로세싱 캐스케이드를 예시한다.
도 37 은 예시적인 구현에 따른, 시스템 캘리브레이션을 위한 기준 레이더 응답 감산 (subtraction) 의 모델을 도시한다.
도 38 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에서의 레이더 응답들의 시간-차분 검출을 위한 1 차 이산-시간 무한 임펄스 응답 필터를 예시한다.
도 39 는 예시적인 구현에 따른, 이물질의 존재시 캘리브레이팅된 시스템의 레이더 응답의 예시적인 레이더 이미지를 도시한다.
도 40 은 예시적인 구현에 따른, 차량이 이동한 후에 캘리브레이팅된 시스템의 레이더 응답의 예시적인 레이더 이미지를 도시한다.
도 41 은 예시적인 구현에 따른, 예시적인 레이더 시스템에서의 다중경로 레이더 전파를 예시한다.
도 42 는 도 41 의 제 1 수신 안테나와 연관된 송신 전파 경로들에 대한 이상화된 분해된 레이더 응답을 예시한다.
도 43 은 도 41 의 제 2 수신 안테나와 연관된 송신 전파 경로들에 대한 이상화된 분해된 레이더 응답을 예시한다.
도 44 는 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 플로우차트이다.
도 45 는 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 다른 플로우차트이다.
도 46 은 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 다른 플로우차트이다.
도 47 은 예시적인 구현에 따른, 차량측 전개가능 평면 레이더 안테나를 예시한다.
도 48 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위한 레이더 안테나들의 선형 어레이를 갖는 차량측 레이더 시스템의 다수의 연속 뷰들을 예시한다.
도면들에 예시된 다양한 피처들은 일정한 비율로 도시되지 않을 수도 있다. 이에 따라, 다양한 피처들의 치수들은 명료성을 위해 임의로 확대되거나 축소될 수도 있다. 또한, 도면들 중 일부는 주어진 시스템, 방법 또는 디바이스의 컴포넌트들 모두를 도시하지 않을 수도 있다. 마지막으로, 유사한 참조 부호들은 명세서 및 도면들 전반에 걸쳐 유사한 피처들을 표시하기 위해 사용될 수도 있다.
첨부된 도면들과 관련되어 아래에 제시된 상세한 설명은 예시적인 구현들의 설명으로서 의도되고, 본 발명이 실시될 수도 있는 유일한 구현들을 표현하려고 의도된 것이 아니다. 본 설명 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "예시적인" 은 "예, 경우, 또는 예시로서 기능하는" 것을 의미하고, 반드시 다른 예시적인 구현들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로서 해석되어서는 안된다. 상세한 설명은 예시적인 구현들의 완전한 이해를 제공할 목적으로 특정 상세들을 포함한다. 일부 경우들에서, 일부 디바이스들은 블록 다이어그램 형태로 도시된다.
본 명세서에 개시된 개념들은 레이더 원리들 및 기법들에 기초하고, 미리 결정된 3 차원 공간에서 금속성 및 비-금속성 이물질 (foreign object) 들 중 어느 하나 또는 이들 양쪽을 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 기본 원리들 및 기법들은 전자기파들, 예를 들어, 마이크로파들의 이용에 주로 적용된다. 그러나, 이러한 원리들 및 기법들은 또한 일부 변경들 및 제한들에 의해 음파들, 예를 들어, 초음파들의 이용에 적용될 수도 있다. 단순화를 위해, 모든 설명들은 통상적으로 1 GHz 이상의 주파수들에서의 마이크로파들의 이용을 지칭한다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 유용한 주파수 범위들은 1 내지 10 GHz, 12 내지 27 GHz, 및/또는 77 내지 81 GHz, 예를 들어, 자동차 대역들일 수도 있다. 그러나, 본 출원은 이와 같은 것으로 제한되지 않고 상기 언급된 값들보다 더 크거나, 그 사이이거나 또는 그 미만인 방사선 또는 전자기파들의 주파수들이 부가적으로 고려된다.
본 명세서에 개시된 기본 레이더 방법들은 일반적으로 의사-랜덤 (pseudo-random) 시퀀스들을 송신하는 초광대역 (Ultra-Wide-Band; UWB) 기술을 가정하지만 이 방법들이 그것으로 제한되는 것으로서 해석되어서는 안된다. 이들은, 송신 펄스들, FMCW, 의사-잡음 파형들 (FSK, PSK), 멀티-톤 신호들에 기초한 기법들과 같은, 시간 도메인에서 충분한 분해능을 제공하는 임의의 광대역 기술로 구현될 수도 있다. 일부는 단순한 CW 신호를 송신하는 것과 같은, 주파수 (도플러) 도메인에서 충분한 분해능을 제공하는 협대역 기술로도 작용할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 원리들 및 기법들은 적어도 하나의 레이더 송신기, 예를 들어, 레이더 송신 안테나, 및 적어도 하나의 레이더 수신기, 예를 들어, 레이더 수신 안테나를 가정한다. 그러나, 이러한 원리들 및 기법들은 이와 같이 제한되는 것으로서 해석되어서는 안된다. 예를 들어, 이러한 원리들 및 기법들은, 예를 들어, 신호를 변조시키는 것에 의해, 신호를 딜레이시키는 것에 의해, 또는 신호를 주파수 시프트시키는 것에 의해, 재송신된 신호를 변경시킬 수도 있는 적어도 하나의 패시브 레이더 신호 트랜스폰더, 액티브 레이더 신호 트랜스폰더, 또는 신호 리피터를 활용할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 레이더-기반 이물질 검출 (foreign object detection; FOD) 방법들 및 구현들은 IPT 충전 시스템 그리고 바람직하게는 베이스 서브시스템 그리고 구체적으로는 베이스 IPT 커플러, 즉, 베이스 패드에 완전히 통합되는 것으로 여겨진다. 그러나, 본 명세서에 개시된 방법들은 또한 비-통합된 독립형, 즉, 별개의, 솔루션들에 적용될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 FOD 통합 개념들 및 솔루션들은 베이스 IPT 커플러에의 통합을 가정한다. 이들은 또한 차량 커플러 통합에 적용될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 방법들 및 구현들은 베이스 유닛에 통합된 송신 및 수신 안테나들 양쪽을 가정한다. 그러나, 이러한 방법들 및 구현들은 이와 같이 제한되는 것으로서 해석되어서는 안된다. 때때로 "s21" 이라고 지칭되는, 경로 감쇠의 측정에 기초하는 방법들은 베이스측에 레이더 송신 안테나들을 그리고 차량측에 레이더 수신 안테나들을 이용할 수도 있고, 또는 그 역으로 이용할 수도 있다.
패시브 레이더 신호 트랜스폰더들 또는 액티브 레이더 신호 트랜스폰더들을 이용하는 방법들은 베이스측에 1 차 송신 및 수신 안테나들을 그리고 차량측에 트랜스폰더들을 이용할 수도 있고, 또는 그 역으로 이용할 수도 있다.
본 명세서에서 구체적으로 다루지 않았지만, FOD 시스템은 이물질의 존재가 결정되는 경우, 전력 전송 (충전) 이 중단되거나 또는 보다 낮은 전력 레벨에서 계속될 수도 있도록 무선 충전 제어 시스템에 연결된 것으로 가정된다.
FOD 통합 개념들 및 솔루션들을 개시할 목적으로 본 명세서에서 가정된 IPT 커플러들은 제한이 아니라 예시적인 것으로서 해석되어야 한다. 이러한 예시적인 IPT 커플러들은, 예를 들어 구리 리츠선으로 이루어진 코일 구조물, 예를 들어 연질 페라이트 재료를 포함하는 페라이트 구조물, 및 예를 들어 알루미늄을 포함하는 전도성 백 플레이트로 구성되는 것으로 가정된다. IPT 커플러들의 2 개의 주요한 타입들이 본 명세서에서 고려된다: "원형"-타입 커플러 및 "이중-코일" 또는 "더블 D"-타입 커플러. 본 개시물에 명시적으로 도시되지 않았지만, 레이더-기반 FOD 는 다른 타입의 IPT 커플러들, 예를 들어, 일부 변경을 갖는 "양극성"-타입 또는 "솔레노이드"-타입 커플러에 통합될 수도 있다.
또한, 단순화를 위해 설명들 및 도면들은 단일 이물질을 도시한다. 그러나, 본 명세서에 개시된 방법들 및 장치들은, 일반적으로, 미리 결정된 공간 내의 2 개 이상의 물체 (object) 로 인한 비정상 상태를 검출하는 잠재력을 갖는다. 이러한 물체는 담뱃갑, 콜라 캔, 또는 요거트 컵을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 쓰레기 및 폐물과 같은 무생물, 뿐만 아니라 고양이, 강아지, 또는 기니피그를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 동물 또는 인간의 손발과 같은 생물일 수도 있다.
전력을 무선으로 전송하는 것은 물리적인 전기 전도체들의 이용 없이 송신기로부터 수신기로 전기장들, 자기장들, 전자기장들, 또는 다른 것과 연관된 임의의 형태의 에너지를 전송하는 것을 지칭할 수도 있다 (예를 들어, 전력이 자유 공간을 통해 전송될 수도 있다). 무선 필드 (예를 들어, 자기장) 로 출력된 전력은 전력 전송을 달성하기 위해 "수신 코일" 에 의해 수신되거나, 캡처되거나, 또는 커플링될 수도 있다.
전기 차량은 본 명세서에서 원격 시스템을 설명하기 위해 사용되며, 그 예는, 그의 운동 능력들의 부분으로서, 충전가능 에너지 저장 디바이스 (예를 들어, 하나 이상의 재충전가능 전기화학 전지들 또는 다른 타입의 배터리) 로부터 도출된 전력을 포함하는 차량이다. 제한이 아닌 예들로서, 일부 전기 차량들은, 전기 모터들 이외에, 직접적인 운동을 위해 또는 차량의 배터리를 충전하기 위해 전통적인 연소 엔진을 포함하는 하이브리드 전기 차량들일 수도 있다. 다른 전기 차량들은 전력으로부터 모든 운동 능력을 도출할 수도 있다. 전기 차량은 자동차로 제한되지 않고 모터사이클들, 카트들, 스쿠터들 등을 포함할 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 원격 시스템은 본 명세서에서 전기 차량 (electric vehicle; EV) 의 형태로 설명된다. 더욱이, 충전가능 에너지 저장 디바이스를 이용하여 적어도 부분적으로 전력공급될 수도 있는 다른 원격 시스템들이 또한 고려된다 (예를 들어, 개인용 컴퓨팅 디바이스들과 같은 전자 디바이스들 등).
도 1 은 예시적인 구현에 따른, 전기 차량 (112) 을 충전하기 위한 예시적인 무선 전력 전송 시스템 (100) 의 다이어그램이다. 무선 전력 전송 시스템 (100) 은 전기 차량 (112) 이 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 에 가까이 주차되어 있는 동안 전기 차량 (112) 의 충전을 가능하게 한다. 2 대의 전기 차량들을 위한 공간들은 대응하는 베이스 무선 충전 시스템 (102a 및 102b) 위에 주차되도록 주차 영역에 예시되어 있다. 일부 구현들에서, 로컬 배전 센터 (130) 는 전력 백본 (132) 에 연결되고, 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 공급을 전력 링크 (110) 를 통해 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 에 제공하도록 구성될 수도 있다. 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 은 또한 전력을 무선으로 전송 또는 수신하기 위한 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 을 포함한다. 전기 차량 (112) 은 배터리 유닛 (118), 전기 차량 유도 코일 (116), 및 전기 차량 무선 충전 시스템 (114) 을 포함할 수도 있다. 전기 차량 유도 코일 (116) 은, 예를 들어, 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 의해 생성된 전자기장의 영역을 통해, 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 과 상호작용할 수도 있다.
일부 예시적인 구현들에서, 전기 차량 유도 코일 (116) 은 전기 차량 유도 코일 (116) 이 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 의해 생성된 에너지장에 로케이팅될 때 전력을 수신할 수도 있다. 그 에너지장은 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 의해 출력된 에너지가 전기 차량 유도 코일 (116) 에 의해 캡처될 수도 있는 영역에 대응한다. 예를 들어, 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 의해 출력된 에너지는 전기 차량 (112) 을 충전하거나 전력공급하기에 충분한 레벨에 있을 수도 있다. 일부 경우들에서, 그 에너지장은 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 의 "근접장 (near field)" 에 대응할 수도 있다. 근접장은 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 로부터 멀리 전력을 방사하지 않는 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 내의 전류들 및 전하들로부터 발생되는 강한 리액티브 필드들이 존재하는 영역에 대응할 수도 있다. 일부 경우들에서, 근접장은 아래에 추가로 설명되는 바와 같이 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 의 파장의 약 1/2π 내인 (그리고 전기 차량 유도 코일 (116) 에 대해 그 역인) 영역에 대응할 수도 있다.
로컬 배전 (1130) 은 통신 백홀 (134) 을 통해 외부 소스들 (예를 들어, 전력 그리드) 과, 그리고 통신 링크 (108) 를 통해 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 과 통신하도록 구성될 수도 있다.
일부 구현들에서, 전기 차량 유도 코일 (116) 은 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 과 정렬되고, 그에 따라, 운전자가 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 대해 올바르게 전기 차량 (112) 을 포지셔닝시키는 것에 의해 간단히 근접장 영역 내에 배치될 수도 있다. 다른 구현들에서, 운전자는 전기 차량 (112) 이 무선 전력 전송을 위한 "스위트 (sweet)" 스폿 상에 적절히 배치되는 때를 결정하기 위해 시각적 피드백, 청각적 피드백, 또는 이들의 조합들이 주어질 수도 있다. 또 다른 구현들에서, 전기 차량 (112) 은 정렬 오차가 허용가능한 값에 도달할 때까지 앞뒤로 (예를 들어, 지그재그 이동들로) 전기 차량 (112) 을 이동시킬 수도 있는 오토파일럿 시스템에 의해 포지셔닝될 수도 있다. 이것은 전기 차량 (112) 이 그 차량을 조정하기 위해 서보 스티어링 휠, 초음파 센서들, 및 지능 (intelligence) 이 구비된다면 최소 운전자 개입만을 가지거나 이러한 개입 없이 전기 차량 (112) 에 의해 자동적으로 그리고 자율적으로 수행될 수도 있다. 또 다른 구현들에서, 전기 차량 유도 코일 (116), 베이스 시스템 유도 코일 (104a), 또는 이들의 조합은 그 유도 코일들 (116 및 104a) 을 더 정확히 배향시키고 이들 사이에 더 효율적인 커플링을 전개시키기 위해 서로에 대해 이들을 변위 및 이동시키기 위한 기능성을 가질 수도 있다.
베이스 무선 충전 시스템 (102a) 은 다양한 로케이션들에 로케이팅될 수도 있다. 제한이 아닌 예들로서, 일부 적합한 로케이션들은 전기 차량 (112) 소유자의 집에서의 주차 영역, 종래의 석유-기반 주유소들 이후에 모델링된 전기 차량 무선 충전을 위해 예비된 주차 영역들, 및 쇼핑 센터들 및 근무처들과 같은 다른 로케이션들에서의 주차장들을 포함한다.
전기 차량들을 무선으로 충전하는 것은 수많은 이익들을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 충전은 사실상 운전자 개입 및 조작들 없이 자동적으로 수행되어, 그에 의해 사용자에 대한 편의를 개선시킬 수도 있다. 또한 노출된 전기 콘택들 및 기계적 마모가 없어서, 그에 의해 무선 전력 전송 시스템 (100) 의 신뢰성을 개선시킬 수도 있다. 케이블들 및 커넥터들에 의한 조작들이 필요하지 않을 수도 있고, 옥외 환경에서 습기 및 물에 노출될 수도 있는 케이블들, 플러그들, 또는 소켓들이 존재하지 않아서, 그에 의해 안전성을 개선시킬 수도 있다. 또한 가시적이거나 액세스가능한 소켓들, 케이블들 및 플러그들이 존재하지 않아서, 그에 의해 전력 충전 디바이스들의 잠재적인 파손을 감소시킬 수도 있다. 추가로, 전기 차량 (112) 은 전력 그리드를 안정화시키기 위해 분산된 저장 디바이스들로서 이용될 수도 있으므로, 도킹-투-그리드 (docking-to-grid) 솔루션이 이용되어 차량-대-그리드 (Vehicle-to-Grid; V2G) 동작에 대한 차량들의 가용성을 증가시킬 수도 있다.
도 1 을 참조하여 설명된 바와 같은 무선 전력 전송 시스템 (100) 은 또한 심미적이고 방해되지 않는 이점들을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 차량들 및/또는 보행자들에 대해 방해될 수도 있는 충전 컬럼들 및 케이블들이 존재하지 않을 수도 있다.
차량-대-그리드 능력의 추가 설명으로서, 무선 전력 송신 및 수신 능력들은 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 이 전기 차량 (112) 으로 전력을 전송하고 전기 차량 (112) 이 예를 들어 에너지 부족시에 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 으로 전력을 전송하도록 상호적이도록 구성될 수도 있다. 이러한 능력은 재생가능한 에너지 생성 (예를 들어, 바람 또는 태양) 에서 초과 수요 및 부족에 의해 초래된 에너지 부족시에 전기 차량들이 전체 배전 시스템에 전력을 기여하게 하는 것에 의해 전력 배전 그리드를 안정화시키는데 유용할 수도 있다.
도 2 는 도 1 의 무선 전력 전송 시스템 (100) 의 예시적인 코어 컴포넌트들의 개략적 다이어그램이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템 (200) 은 인덕턴스 (L1) 를 갖는 베이스 시스템 유도 코일 (204) 을 포함하는 베이스 시스템 송신 회로 (206) 를 포함할 수도 있다. 무선 전력 전송 시스템 (200) 은 인덕턴스 (L2) 를 갖는 전기 차량 유도 코일 (216) 을 포함하는 전기 차량 수신 회로 (222) 를 더 포함한다. 본 명세서에서 설명된 구현들은 1 차 및 2 차 양쪽 모두가 공통 공진 주파수로 튜닝되는 경우 자기 또는 전자기 근접장을 통해 1 차 구조물 (송신기) 로부터 2 차 구조물 (수신기) 로 에너지를 효율적으로 커플링하는 것이 가능한 공진 구조물을 형성하는 용량적으로 로딩된 와이어 루프들 (즉, 멀티-턴 코일들) 을 이용할 수도 있다. 그 코일들은 전기 차량 유도 코일 (216) 및 베이스 시스템 유도 코일 (204) 용으로 이용될 수도 있다. 에너지를 커플링하기 위해 공진 구조물들을 이용하는 것은 "자기 커플링된 공진", "전자기 커플링된 공진", 및/또는 "공진 유도" 라고 지칭될 수도 있다. 무선 전력 전송 시스템 (200) 의 동작이 베이스 무선 전력 충전 시스템 (202) 으로부터 전기 차량 (112) 으로의 전력 전송에 기초하여 설명될 것이지만, 이것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 상술된 바와 같이, 전기 차량 (112) 은 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 으로 전력을 전송할 수도 있다.
도 2 를 참조하면, 전력 공급부 (208) (예를 들어, AC 또는 DC) 는 전기 차량 (112) 으로 에너지를 전송하기 위해 베이스 무선 전력 충전 시스템 (202) 으로 전력 (PSDC) 을 공급한다. 베이스 무선 전력 충전 시스템 (202) 은 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (236) 를 포함한다. 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (236) 는 표준 메인 AC 전력으로부터 적합한 전압 레벨에서의 DC 전력으로 전력을 컨버팅하도록 구성된 AC/DC 컨버터, 및 DC 전력을 무선 고전력 전송에 적합한 동작 주파수에서의 전력으로 컨버팅하도록 구성된 DC/저주파 (LF) 컨버터와 같은 회로부를 포함할 수도 있다. 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (236) 는 원하는 주파수에서 전자기장을 방출하기 위해 베이스 시스템 유도 코일 (204) 과 직렬인 커패시터 (C1) 를 포함하는 베이스 시스템 송신 회로 (206) 로 전력 (P1) 을 공급한다. 커패시터 (C1) 는 베이스 시스템 유도 코일 (204) 과 병렬로 또는 직렬로 커플링될 수도 있고, 또는 병렬 또는 직렬 토폴로지의 임의의 조합으로 수 개의 리액티브 엘리먼트들로 형성될 수도 있다. 커패시터 (C1) 는 원하는 주파수에서 공진하는 베이스 시스템 유도 코일 (204) 과 함께 공진 회로를 형성하기 위해 제공될 수도 있다. 베이스 시스템 유도 코일 (204) 은 전력 (P1) 을 수신하고 전기 차량 (112) 을 충전하거나 전력공급하기에 충분한 레벨에서 전력을 무선으로 송신한다. 예를 들어, 베이스 시스템 유도 코일 (204) 에 의해 무선으로 제공된 전력 레벨은 킬로와트 (kW) 정도일 수도 있다 (예를 들어, 1 kW 에서부터 110 kW 이상 또는 이하까지의 어딘가).
베이스 시스템 유도 코일 (204) 을 포함하는 베이스 시스템 송신 회로 (206) 및 전기 차량 유도 코일 (216) 을 포함하는 전기 차량 수신 회로 (222) 는 실질적으로 동일한 주파수들로 튜닝될 수도 있고, 베이스 시스템 유도 코일 (204) 및 전기 차량 유도 코일 (116) 중 하나에 의해 송신된 전자기장의 근접장 내에 포지셔닝될 수도 있다. 이 경우, 베이스 시스템 유도 코일 (204) 및 전기 차량 유도 코일 (116) 은 커패시터 (C2) 및 전기 차량 유도 코일 (116) 을 포함하는 전기 차량 수신 회로 (222) 로 전력이 전송될 수도 있도록 서로 커플링될 수도 있다. 커패시터 (C2) 는 원하는 주파수에서 공진하는 전기 차량 유도 코일 (216) 과 함께 공진 회로를 형성하기 위해 제공될 수도 있다. 커패시터 (C2) 는 전기 차량 유도 코일 (204) 과 병렬로 또는 직렬로 커플링될 수도 있고, 또는 병렬 또는 직렬 토폴로지의 임의의 조합으로 수 개의 리액티브 엘리먼트들로 형성될 수도 있다. 엘리먼트 (k(d)) 는 코일 분리에서 발생하는 상호 커플링 계수를 표현한다. 등가 저항들 (Req,1 및 Req,2) 은 유도 코일들 (204 및 216) 및 안티-리액턴스 커패시터들 (C1 및 C2) 에 고유할 수도 있는 손실들을 표현한다. 전기 차량 유도 코일 (316) 및 커피시터 (C2) 를 포함하는 전기 차량 수신 회로 (222) 는 전력 (P2) 을 수신하고 전기 차량 충전 시스템 (214) 의 전기 차량 전력 컨버터 (238) 로 전력 (P2) 을 제공한다.
전기 차량 전력 컨버터 (238) 는, 다른 것들 중에서도, 동작 주파수에서의 전력을 전기 차량 배터리 유닛 (218) 의 전압 레벨과 매칭된 전압 레벨의 DC 전력으로 다시 컨버팅하도록 구성된 LF/DC 컨버터를 포함할 수도 있다. 전기 차량 전력 컨버터 (238) 는 전기 차량 배터리 유닛 (218) 을 충전하기 위해 컨버팅된 전력 (PLDC) 을 제공할 수도 있다. 전력 공급부 (208), 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (236), 및 베이스 시스템 유도 코일 (204) 은 고정식일 수도 있고 상기 논의된 바와 같이 다양한 로케이션들에 로케이팅될 수도 있다. 배터리 유닛 (218), 전기 차량 전력 컨버터 (238), 및 전기 차량 유도 코일 (216) 은 전기 차량 (112) 의 부분 또는 배터리 팩 (미도시) 의 부분인 전기 차량 충전 시스템 (214) 에 포함될 수도 있다. 전기 차량 충전 시스템 (214) 은 또한 전력을 다시 그리드로 피딩하기 위해 전력을 전기 차량 유도 코일 (216) 을 통해 베이스 무선 전력 충전 시스템 (202) 으로 무선으로 제공하도록 구성될 수도 있다. 전기 차량 유도 코일 (216) 및 베이스 시스템 유도 코일 (204) 각각은 동작 모드에 기초하여 송신 또는 수신 유도 코일들로서 작용할 수도 있다.
도시되지 않았지만, 무선 전력 전송 시스템 (200) 은 무선 전력 전송 시스템 (200) 으로부터 전기 차량 배터리 유닛 (218) 또는 전력 공급부 (208) 를 안전하게 연결해제하기 위해 로드 연결해제 유닛 (load disconnect unit; LDU) 을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 긴급 또는 시스템 고장의 경우, LDU 는 무선 전력 전송 시스템 (200) 으로부터 로드를 연결해제하도록 트리거링될 수도 있다. LDU 는 배터리로의 충전을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템에 부가하여 제공될 수도 있거나, 또는 그 LDU 는 배터리 관리 시스템의 부분일 수도 있다.
또한, 전기 차량 충전 시스템 (214) 은 전기 차량 유도 코일 (216) 을 전기 차량 전력 컨버터 (238) 에 선택적으로 연결하고 연결해제하기 위한 스위칭 회로부 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 전기 차량 유도 코일 (216) 을 연결해제하는 것은 충전을 중단할 수도 있고 또한 (송신기로서 작용하는) 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 에 의해 "보여지는" 바와 같은 "로드" 를 조정할 수도 있는데, 이것은 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 으로부터 (수신기로서 작용하는) 전기 차량 충전 시스템 (114) 을 "클로킹하기 (cloak)" 위해 이용될 수도 있다. 송신기가 로드 센싱 회로를 포함하는 경우 로드 변화들이 검출될 수도 있다. 이에 따라, 베이스 무선 충전 시스템 (202) 과 같은 송신기는 전기 차량 충전 시스템 (114) 과 같은 수신기들이 베이스 시스템 유도 코일 (204) 의 근접장에 존재하는 때를 결정하기 위한 메커니즘을 가질 수도 있다.
상술된 바와 같이, 동작시, 차량 또는 배터리로의 에너지 전송을 가정한다면, 입력 전력은 베이스 시스템 유도 코일 (204) 이 에너지 전송을 제공하기 위한 장을 생성하도록 전력 공급부 (208) 로부터 제공된다. 전기 차량 유도 코일 (216) 은 방사된 장에 커플링되고 전기 차량 (112) 에 의한 저장 또는 소비를 위해 출력 전력을 생성한다. 상술된 바와 같이, 일부 구현들에서, 베이스 시스템 유도 코일 (204) 및 전기 차량 유도 코일 (116) 은 전기 차량 유도 코일 (116) 의 공진 주파수 및 베이스 시스템 유도 코일 (204) 의 공진 주파수가 매우 가깝거나 실질적으로 동일할 때 상호 공진 관계에 따라 구성된다. 베이스 무선 전력 충전 시스템 (202) 과 전기 차량 충전 시스템 (214) 사이의 송신 손실들은 전기 차량 유도 코일 (216) 이 베이스 시스템 유도 코일 (204) 의 근접장에 로케이팅될 때 최소이다.
진술된 바와 같이, 효율적인 에너지 전송은 원거리장 (far-field) 으로 전자기파에서의 에너지의 대부분을 전파하기보다는 송신 유도 코일의 근접장에서의 에너지의 많은 부분을 수신 유도 코일에 커플링함으로써 발생한다. 근접장에 있을 때, 커플링 모드는 송신 유도 코일과 수신 유도 코일 사이에서 확립될 수도 있다. 이러한 근접장 커플링이 발생할 수도 있는 유도 코일들 주위의 영역은 본 명세서에서 근접장 커플링 모드 영역이라고 지칭된다.
도시되지 않았지만, 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (236) 및 전기 차량 전력 컨버터 (238) 양쪽은 오실레이터, 드라이버 회로 예컨대 전력 증폭기, 필터, 및 무선 전력 유도 코일과의 효율적인 커플링을 위한 매칭 회로를 포함할 수도 있다. 오실레이터는 조정 신호에 응답하여 조정될 수도 있는 원하는 주파수를 생성하도록 구성될 수도 있다. 오실레이터 신호는 제어 신호들에 응답하는 증폭 양으로 전력 증폭기에 의해 증폭될 수도 있다. 필터 및 매칭 회로는 고조파들 또는 다른 원하지 않는 주파수들을 필터링하고 무선 전력 유도 코일에 전력 컨버전 모듈의 임피던스를 매칭하기 위해 포함될 수도 있다. 전력 컨버터들 (236 및 238) 은 또한 배터리를 충전하기에 적합한 전력 출력을 생성하기 위해 정류기 및 스위칭 회로부를 포함할 수도 있다.
개시된 구현들 전반에 걸쳐 설명된 전기 차량 유도 코일 (216) 및 베이스 시스템 유도 코일 (204) 은 "루프" 안테나들, 그리고 더 구체적으로는 멀티-턴 루프 안테나들로서 지칭되거나 구성될 수도 있다. 유도 코일들 (204 및 216) 은 또한 본 명세서에서 "자기" 안테나들로서 지칭되거나 구성될 수도 있다. 용어 "코일" 은 다른 "코일" 에 커플링을 위한 에너지를 무선으로 출력하거나 수신할 수도 있는 컴포넌트를 지칭하도록 의도된다. 코일은 또한 전력을 무선으로 출력하거나 수신하도록 구성되는 타입의 "안테나" 로서 지칭될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 코일들 (204 및 216) 은 전력을 무선으로 출력하거나, 무선으로 수신하거나, 및/또는 무선으로 릴레이하도록 구성되는 타입의 "전력 전송 컴포넌트들" 의 예들이다. 루프 (예를 들어, 멀티-턴 루프) 안테나들은 에어 코어 (air core) 또는 물리적 코어 예컨대 페라이트 코어를 포함하도록 구성될 수도 있다. 에어 코어 루프 안테나는 코어 영역 내에 다른 컴포넌트들의 배치를 허용할 수도 있다. 강자성체 또는 강자성체 재료를 포함하는 물리적 코어 안테나들은 보다 강한 전자기장 및 개선된 커플링의 전개를 허용할 수도 있다.
상기 논의된 바와 같이, 송신기와 수신기 사이의 에너지의 효율적인 전송은 송신기와 수신기 사이의 매칭되거나 거의 매칭된 공진 동안 발생한다. 그러나, 송신기와 수신기 사이의 공진이 매칭되지 않는 경우라도, 에너지는 보다 낮은 효율로 전송될 수도 있다. 에너지의 전송은, 송신 유도 코일로부터 자유 공간으로 에너지를 전파시키기보다는, 송신 유도 코일의 근접장으로부터의 에너지를, 이러한 근접장이 확립되는 영역 내에 (예를 들어, 공진 주파수의 미리 결정된 주파수 범위 내에, 또는 근접장 영역의 미리 결정된 거리 내에) 상주하는 수신 유도 코일에 커플링함으로써 발생한다.
공진 주파수는 상술된 바와 같이 유도 코일 (예를 들어, 베이스 시스템 유도 코일 (204)) 을 포함하는 송신 회로의 인덕턴스 및 커패시턴스에 기초할 수도 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 인덕턴스는 일반적으로 유도 코일의 인덕턴스일 수도 있는 반면, 커패시턴스는 원하는 공진 주파수에서 공진 구조물을 생성하기 위해 유도 코일에 부가될 수도 있다. 제한이 아닌 예로서, 도 2 에 도시된 바와 같이, 커패시터는 전자기장을 생성하는 공진 회로 (예를 들어, 베이스 시스템 송신 회로 (206)) 를 생성하기 위해 유도 코일과 직렬로 부가될 수도 있다. 이에 따라, 보다 큰 직경의 유도 코일들의 경우, 공진을 유도하기 위해 필요한 커패시턴스의 값은 코일의 직경 또는 인덕턴스가 증가함에 따라 감소할 수도 있다. 인덕턴스는 또한 유도 코일의 턴들의 수에 의존할 수도 있다. 더욱이, 유도 코일의 직경이 증가함에 따라, 근접장의 효율적인 에너지 전송이 증가할 수도 있다. 다른 공진 회로들이 가능하다. 다른 제한이 아닌 예로서, 커패시터는 유도 코일의 2 개의 단자들 사이에 병렬로 배치될 수도 있다 (예를 들어, 병렬 공진 회로). 더욱이, 유도 코일은 유도 코일의 공진을 개선시키기 위해 고품질 (Q) 팩터 (factor) 를 갖도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, Q 팩터는 300 이상일 수도 있다.
상술된 바와 같이, 일부 구현들에 따르면, 서로의 근접장에 있는 2 개의 유도 코일들 사이의 커플링 전력이 개시된다. 상술된 바와 같이, 근접장은 전자기장들이 존재하는 유도 코일 주위의 영역에 대응할 수도 있지만, 유도 코일로부터 멀리 전파하거나 방사하지 않을 수도 있다. 근접장 커플링 모드 영역들은, 통상적으로 파장의 작은 부분 내에서, 유도 코일의 물리적 볼륨에 가까운 볼륨에 대응할 수도 있다. 일부 구현들에 따르면, 단일 및 멀티-턴 루프 안테나들과 같은 전자기 유도 코일들은, 실제적인 구현들에서의 자기 근접장 진폭들이 전기 타입 안테나 (예를 들어, 소형 다이폴) 의 전기 근접장들에 비해 자기 타입 코일들에 대해 더 높은 경향이 있으므로, 송신 및 수신 양쪽 모두를 위해 이용된다. 이것은 그 쌍 사이에 잠재적으로 보다 높은 커플링을 허용한다. 더욱이, "전기" 안테나들 (예를 들어, 다이폴들 및 모노폴들) 또는 자기 및 전기 안테나들의 조합이 이용될 수도 있다.
도 3 은 도 1 의 무선 전력 전송 시스템 (300) 의 예시적인 코어 및 부수적인 컴포넌트들을 도시하는 다른 기능 블록 다이어그램이다. 무선 전력 전송 시스템 (300) 은 통신 링크 (376), 유도 링크 (366), 및 베이스 시스템 유도 코일 (304) 및 전기 차량 유도 코일 (316) 을 위한 정렬 시스템들 (352, 354) 을 예시한다. 도 2 를 참조하여 상술된 바와 같이, 그리고 전기 차량 (112) 으로의 에너지 흐름을 가정한다면, 도 3 에서, 베이스 충전 시스템 전력 인터페이스 (354) 는 AC 또는 DC 전력 공곱부 (126) 와 같은 전력 소스로부터 충전 시스템 전력 컨버터 (336) 로 전력을 제공하도록 구성될 수도 있다. 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (336) 는 베이스 시스템 유도 코일 (304) 을 그의 공진 주파수에서 또는 공진 주파수에 가깝게 여기시키기 위해 베이스 충전 시스템 전력 인터페이스 (354) 로부터 AC 또는 DC 전력을 수신할 수도 있다. 전기 차량 유도 코일 (316) 은, 근접장 커플링 모드 영역에 있을 때, 공진 주파수에서 또는 공진 주파수에 가깝게 발진하기 위해 근접장 커플링 모드 영역으로부터 에너지를 수신할 수도 있다. 전기 차량 전력 컨버터 (338) 는 전기 차량 유도 코일 (316) 로부터의 발진 신호를 전기 차량 전력 인터페이스를 통해 배터리를 충전하기에 적합한 전력 신호로 컨버팅한다.
베이스 무선 충전 시스템 (302) 은 베이스 충전 시스템 제어기 (342) 를 포함하고, 전기 차량 충전 시스템 (314) 은 전기 차량 제어기 (344) 를 포함한다. 베이스 충전 시스템 제어기 (342) 는, 예를 들어, 컴퓨터, 및 전력 배전 센터, 또는 스마트 전력 그리드와 같은 다른 시스템들 (미도시) 에 대한 베이스 충전 시스템 통신 인터페이스 (162) 를 포함할 수도 있다. 전기 차량 제어기 (344) 는, 예를 들어, 차량 상의 온보드 컴퓨터, 다른 배터리 충전 제어기, 차량들 내의 다른 전자 시스템들, 및 원격 전자 시스템들과 같은 다른 시스템들 (미도시) 에 대한 전기 차량 통신 인터페이스를 포함할 수도 있다.
베이스 충전 시스템 제어기 (342) 및 전기 차량 제어기 (344) 는 별개의 통신 채널들을 갖는 특정 애플리케이션에 대한 서브시스템들 또는 모듈들을 포함할 수도 있다. 이들 통신 채널들은 별개의 물리적 채널들 또는 별개의 논리 채널들일 수도 있다. 제한이 아닌 예들로서, 베이스 충전 정렬 시스템 (352) 은 자율적으로 또는 오퍼레이터 지원으로 베이스 시스템 유도 코일 (304) 및 전기 차량 유도 코일 (316) 을 더 가깝게 정렬하기 위한 피드백 메커니즘을 제공하기 위해 통신 링크 (376) 를 통해 전기 차량 정렬 시스템 (354) 과 통신할 수도 있다. 유사하게, 베이스 충전 유도 시스템 (362) 은 베이스 시스템 유도 코일 (304) 및 전기 차량 유도 코일 (316) 을 정렬함에 있어서 오퍼레이터를 유도하기 위한 피드백 메커니즘을 제공하기 위해 유도 링크를 통해 전기 차량 유도 시스템 (364) 과 통신할 수도 있다. 또한, 베이스 무선 전력 충전 시스템 (302) 과 전기 차량 충전 시스템 (314) 사이에 다른 정보를 통신하기 위해 베이스 충전 통신 시스템 (372) 과 전기 차량 통신 시스템 (374) 에 의해 지원되는 별개의 범용 통신 링크들 (예를 들어, 채널들) 이 존재할 수도 있다. 이 정보는 전기 차량 특성들, 배터리 특성들, 충전 스테이터스, 및 베이스 무선 전력 충전 시스템 (302) 및 전기 차량 충전 시스템 (314) 양쪽 모두의 전력 능력들에 관한 정보뿐만 아니라, 전기 차량 (112) 에 대한 유지보수 및 진단 데이터를 포함할 수도 있다. 이들 통신 채널들은, 예를 들어, 블루투스, 지그비, 셀룰러 등과 같은 별개의 물리적 통신 채널들일 수도 있다.
전기 차량 제어기 (344) 는 또한 전기 차량 주요 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 배터리 관리 시스템 (BMS) (미도시), 마이크로파 또는 초음파 레이더 원리들에 기초한 주차 지원 시스템, 반자동 주차 동작을 수행하도록 구성된 브레이크 시스템, 및 보다 높은 주차 정확성을 제공할 수도 있는 대규모로 자동화된 주차 "파크 바이 와이어 (park by wire)" 를 지원하도록 구성된 스티어링 휠 서보 시스템을 포함할 수도 있어서, 그에 따라 베이스 무선 충전 시스템 (102a) 및 전기 차량 충전 시스템 (114) 중 임의의 것에서의 기계적 수평 유도 코일 정렬에 대한 필요성을 감소시킨다. 추가로, 전기 차량 제어기 (344) 는 전기 차량 (112) 의 전자기기와 통신하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전기 차량 제어기 (344) 는 시각적 출력 디바이스들 (예를 들어, 대시보드 디스플레이), 음향/오디오 출력 디바이스들 (예를 들어, 부저, 스피커들), 기계적 입력 디바이스들 (예를 들어, 키보드, 터치 스크린, 및 포인팅 디바이스들 예컨대 조이스틱, 트랙볼 등), 및 오디오 입력 디바이스들 (예를 들어, 전자 음성 인식을 갖는 마이크로폰) 과 통신하도록 구성될 수도 있다.
더욱이, 무선 전력 전송 시스템 (300) 은 검출 및 센서 시스템들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 시스템 (300) 은 운전자 또는 차량을 충전 스폿으로 적절히 유도하기 위한 시스템들에서의 이용을 위한 센서들, 분리/커플링이 요구된 유도 코일들을 상호 정렬하기 위한 센서들, 전기 차량 유도 코일 (316) 이 커플링을 달성하기 위해 특정 높이 및/또는 포지션으로 이동하는 것을 막을 수도 있는 물체들을 검출하기 위한 센서들, 및 시스템의 신뢰성있고 손상이 없으며 안전한 동작을 수행하기 위해 시스템들에서의 이용을 위한 안전 센서들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 안전 센서는 안전 반경을 넘어서 무선 전력 유도 코일들 (104a, 116) 에 접근하는 동물들이나 아이들의 존재의 검출, 가열 (유도 가열) 될 수도 있는 베이스 시스템 유도 코일 (304) 에 가까운 금속 물체들의 검출, 및 베이스 시스템 유도 코일 (304) 상의 백열성 물체와 같은 위험한 이벤트들의 검출을 위한 센서를 포함할 수도 있다.
무선 전력 전송 시스템 (300) 은 또한 유선 연결을 통한 플러그-인 충전을 지원할 수도 있다. 유선 충전 포트는 전기 차량 (112) 으로 또는 전기 차량 (112) 으로부터 전력을 전송하기에 앞서 2 개의 상이한 충전기들의 출력들을 통합할 수도 있다. 스위칭 회로들은 무선 충전 및 유선 충전 포트를 통한 충전 양쪽 모두를 지원하는데 필요한 기능성을 제공할 수도 있다.
베이스 무선 충전 시스템 (302) 및 전기 차량 충전 시스템 (314) 사이에서 통신하기 위해, 무선 전력 전송 시스템 (300) 은 대역내 시그널링 및 RF 데이터 모뎀 (예를 들어, 비허가 대역에서의 라디오를 통한 이더넷) 양쪽을 이용할 수도 있다. 대역외 통신은 차량 사용자/소유자에게 부가 가치 (value-add) 서비스들의 할당을 위해 충분한 대역폭을 제공할 수도 있다. 무선 전력 캐리어의 낮은 심도 진폭 또는 위상 변조는 최소 간섭을 갖는 대역내 시그널링 시스템으로서 기능할 수도 있다.
또한, 일부 통신은 특정 통신 안테나들을 이용하는 일 없이 무선 전력 링크를 통해 수행될 수도 있다. 예를 들어, 무선 전력 유도 코일들 (304 및 316) 은 또한 무선 통신 송신기들로서 작용하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 베이스 무선 전력 충전 시스템 (302) 의 일부 구현들은 무선 전력 경로 상의 키잉 (keying) 타입 프로토콜을 인에이블시키는 제어기 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 미리 정의된 프로토콜로 미리 정의된 간격들에서 송신 전력 레벨을 키잉함으로써 (진폭 시프트 키잉), 수신기는 송신기로부터의 직렬 통신을 검출할 수도 있다. 베이스 충전 시스템 전력 컨버터 (336) 는 베이스 시스템 유도 코일 (304) 에 의해 생성된 근접장의 부근에 액티브 전기 차량 수신기들의 존재 또는 부존재를 검출하기 위한 로드 센싱 회로 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 예로서, 로드 센싱 회로는 베이스 시스템 유도 코일 (104a) 에 의해 생성된 근접장의 부근에 액티브 수신기들의 존재 또는 부존재에 의해 영향받는, 전력 증폭기로 흐르는 전류를 모니터링한다. 전력 증폭기 상의 로딩에 대한 변화들의 검출은 에너지를 송신하기 위해 오실레이터를 인에이블시킬지 여부, 액티브 수신기와 통신할지 여부, 또는 이들의 조합을 결정함에 있어서의 이용을 위해 베이스 충전 시스템 제어기 (342) 에 의해 모니터링될 수도 있다.
무선 고전력 전송을 가능하게 하기 위해, 일부 구현들은 10 내지 150 kHz 의 범위에서의 주파수에서 전력을 전송하도록 구성될 수도 있다. 이 저주파 커플링은 솔리드 스테이트 디바이스들을 이용하여 달성될 수도 있는 고도로 효율적인 전력 컨버전을 가능하게 할 수도 있다. 또한, 다른 대역들에 비해 무선 시스템들과 보다 적은 공존 이슈들이 존재할 수도 있다.
에너지 전송 레이트 (전력 레벨), 동작 주파수, 1 차 및 2 차 자기 구조물들의 사이즈 및 설계 및 이들 사이의 거리에 의존하는 유도 충전에 대해, 일부 로케이션들에서의 에어 갭 내의 자속 밀도는 0.5 mT 를 초과할 수도 있고 수 밀리테슬라에 도달할 수도 있다. 소정 양의 충분한 전도성 재료 (예를 들어, 금속) 를 포함하는 물체가 1 차 및 2 차 구조물들 사이의 공간 내에 삽입되는 경우, 이 물체에서 와전류들이 생성되고 (렌츠의 법칙), 이는 전력 손실 및 후속 가열 영향들을 초래할 수도 있다. 이 유도 가열 영향은 자속 밀도, 교번 자기장의 주파수, 물체의 전도 구조물의 사이즈, 형상, 배향 및 전도성에 의존한다. 물체가 충분히 긴 시간 동안 자기장에 노출될 때, 이 물체는 몇몇 관점에서 위험하다고 고려될 수도 있는 온도들로 가열될 수도 있다. 하나의 위험은 물체가 가연성 재료들을 포함하는 경우 또는 물체가 이러한 재료들과 직접 접촉하고 있는 경우, 예를 들어, 얇은 금속화 포일을 포함하는 담뱃갑의 경우 자기 점화 (self-ignition) 될 수도 있다. 다른 위험은 예컨대 뜨거운 물체, 예를 들어, 동전 또는 키를 들어올릴 수도 있는 사람의 손이 데일 수도 있다. 다른 위험은 1 차 또는 2 차 구조물의 플라스틱 인클로저에 손상을 입힐 수도 있다, 예를 들어, 물체가 플라스틱 내로 녹아내린다.
실질적으로 비-전도될 수도 있지만 현저한 히스테리시스 효과를 나타낼 수도 있는 강자성체 재료들을 포함하는 물체들에서 또는 히스테리시스 및 와전류 손실들 양쪽을 발생시키는 재료들에서 온도 증가가 또한 예상될 수도 있다. 이에 따라, 이러한 물체들을 검출하는 것은 대응하는 유해 결과들을 회피하게 하는데 이롭다. 물체 검출 시스템이 무선 전력을 제공하기 위한 시스템 내에 통합되는 경우, 유해 물체의 검출에 응답하여, 이 시스템은 유해 물체를 제거하기 위해 대책들이 취해질 수도 있을 때까지 전력 레벨을 감소시키거나 또는 셧다운시킬 수도 있다.
가정 및 공공 구역들에서 전기 차량들의 충전과 같은 유도성 전력 전송의 소정 적용들에서, 사람들 및 장비의 안전을 위해 임계 온도들로 가열시킬 잠재력을 갖는 이물질들을 검출할 수 있도록 하는 것이 의무적일 수도 있다. 이것은 특히, 임계 공간이 공개되어 있고 액세스가능하여 이물질들이 이 공간에 우연히 들어올 수도 있거나 또는 (예를 들어, 사보타주 (sabotage) 의 경우) 의도적으로 놓일 수도 있는 시스템들에 해당될 수도 있다.
본 명세서에서 설명된 구현들은 미리 정의된 공간에 로케이팅될 수도 있는 위험한 이물질들을 자동적으로 검출하는 것에 관련된다. 게다가, 미리 결정된 3 차원 공간에서 이물질들을 검출하기 위한 마이크로파들의 이용은 수 개의 이점들을 갖는다. 광학 및 적외선 방법들과는 대조적으로, 마이크로파 센서들은 이들이 물, 오염 및 기계적 영향으로부터 보호받도록 플라스틱 인클로저 뒤에, 예를 들어, 베이스 패드의 인클로저 뒤에 장착될 수 있다. 그에 따라, 이러한 마이크로파 센서들은 기계적 보호 및 자동 클리닝을 위한 특수한 대책들을 필요로 하지 않을 수도 있다. 이것은 또한 유도성 센싱 방법들에 대해서도 해당될 수도 있다. 그러나, 통상적으로 보다 낮은 MHz 주파수 범위에서의 주파수들에서의 유도성 센싱은 GHz 범위에서의 주파수들을 이용하는 방법들과는 대조적으로 IPT 에 의해 생성되는 전자기장들로부터의 간섭에 대해 일반적으로 더 민감한 것으로 고려될 수도 있다. 게다가, 센스 루프들로부터의 거리에 따라 감도가 급속히 감소되는 순수 유도성 방법들에 비하면 마이크로파 센싱의 감도는 더 균일한 것으로 고려된다. 레이더-기반 방법들이 금속성과 비-금속성 물체들 사이를 구별하는 것이 불가능할 수도 있지만, 이 방법들은 무생물과 생물 양쪽을 검출하는 잠재력을 갖는다.
도 4 는 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 다수의 선택가능 송신 안테나들 및 별개의 다수의 선택가능 수신 안테나들을 갖는 예시적인 레이더 시스템의 개략도 (400) 이다. 이러한 시스템은 송신-타입 (s21) 레이더 검출 시스템으로 고려될 수도 있다. 이 시스템은 송신 (예를 들어, TX OUT) 및 수신 (예를 들어, RX IN) 을 위한 별개의 마이크로파 포트들을 갖는 레이더 검출기 유닛 (422) 을 포함할 수도 있다. 이 시스템은 복수의 레이더 송신 안테나들 (402, 404, 406 및 408) (통칭하여 송신 안테나들 (402 내지 408)) 을 부가적으로 포함할 수도 있는데 이 레이더 송신 안테나들 각각은 스위칭 매트릭스 (410) 를 통해 레이더 검출기 유닛 (422) 의 송신 포트에 연결되도록 선택가능하다. 마찬가지로, 이 시스템은 복수의 레이더 수신 안테나들 (412, 414, 416 및 418) (통칭하여 수신 안테나들 (412 내지 418)) 을 부가적으로 포함할 수도 있는데 이 레이더 수신 안테나들 각각은 스위칭 매트릭스 (420) 를 통해 레이더 검출기 유닛 (422) 의 수신 포트에 연결되도록 선택가능하다. 하나의 예시적인 구현에서, 단지 하나의 송신 안테나 및 하나의 수신 안테나가 한 번에 레이더 검출기 유닛 (422) 에 연결될 수도 있다. 레이더 송신 안테나들 (402 내지 408) 은 베이스 패드 (424) 의 표면 아래에 그리고 서로 충분히 공간적으로 분리된 로케이션들에 장착될 수도 있다. 물체의 부존재시, 예를 들어, 차량이 존재하지 않고 이물질이 존재하지 않는 경우, 레이더 송신 안테나들 (402 내지 408) 중 임의의 것에 의해 송신된 신호는 단지 도 4 에 나타낸 직접 경로 (direct path) 를 통해 레이더 수신 안테나들 (412 내지 418) 중 임의의 것에 의해 수신될 수도 있다. 차량의 존재시, 송신된 신호는 또한 차량 표면 (426), 예를 들어, 차량 패드 또는 차량의 언더보디에서의 반사를 통해 수신될 수도 있다. 이물질의 존재는 송신된 신호에 대한 하나 이상의 반사 경로들을 부가할 수도 있고 또는 차량 반사 경로들 중 임의의 것 및/또는 직접 경로를 섀도잉하거나 (shadow) 또는 부분적으로 섀도잉할 수도 있다. 이에 따라, 부가적인 전파 경로들의 출현 및/또는 기존 전파 경로들에 대한 변화들은 이물질의 존재를 나타낼 수도 있다.
도 5 는 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 송신 또는 수신 안테나들로서 구성가능한 다수의 선택가능 안테나들을 갖는 다른 예시적인 레이더 시스템의 개략도 (500) 이다. 이 시스템 변형은 또한 송신-타입 (s21) 레이더 검출 시스템으로서 고려될 수도 있다. 이 시스템은 도 4 와 관련되어 이전에 설명된 것과는 상이한 레이더 안테나 어레이 셋업 및 상이한 스위치 매트릭스 셋업을 포함할 수도 있다. 이 시스템은 레이더 검출기 유닛 (522), 스위치 매트릭스 (520) 및 복수의 레이더 안테나들 (512, 514, 516 및 518) (통칭하여 512 내지 518) 을 포함할 수도 있다. 복수의 레이더 안테나들 (512 내지 518) 각각은 레이더 송신 안테나 또는 레이더 수신 안테나로서 기능할 수도 있고 이들 각각은 레이더 검출기 유닛 (522) 의 송신 포트 또는 수신 포트 중 어느 하나에 연결되도록 선택가능하다. 일부 구현들에서, 복수의 레이더 안테나들 (512 내지 518) 중 단지 2 개가 한 번에 이용될 수도 있는데, 제 1 레이더 안테나는 레이더 신호를 송신하기 위한 것이고 제 2 안테나는 레이더 신호를 수신하기 위한 것이다. 도시된 바와 같이, 레이더 송신 안테나 (예를 들어, 레이더 안테나 (512)) 로서 구성된 안테나로부터 송신된 레이더 신호는, 베이스 패드 표면 (524) 과 차량 표면 (526) 사이의 하나 이상의 반사 경로들 및 직접 경로 중 하나 또는 이들 양쪽을 통해 레이더 수신 안테나 (예를 들어, 레이더 안테나 (516)) 로서 구성된 다른 안테나에 의해 수신될 수도 있다. 레이더 안테나들 (512 내지 518) 중 하나가 스위칭 매트릭스 (520) 를 통해 레이더 검출기 유닛 (522) 의 송신 포트에 연결될 때, 그 레이더 안테나는 레이더 송신 안테나로서 구성될 수도 있다. 마찬가지로, 레이더 안테나들 (512 내지 518) 중 하나가 스위칭 매트릭스 (520) 를 통해 레이더 검출기 유닛 (522) 의 수신 포트에 연결될 때, 그 레이더 안테나는 레이더 수신 안테나로서 구성될 수도 있다.
도 6 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 레이더 신호들을 전송하는 것과 수신하는 것 양쪽에 대해 구성가능한 다수의 선택가능 안테나들을 갖는 다른 레이더 시스템의 개략도 (600) 이다. 이러한 시스템은 또한 반사-타입 (s11) 레이더 시스템으로서 알려져 있을 수도 있다. 이 시스템은 레이더 신호들의 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 마이크로파 포트를 단지 갖는 레이더 검출기 유닛 (622), 스위치 매트릭스 (620) 및 복수의 레이더 안테나들 (612, 614, 616 및 618) (통칭하여 612 내지 618) 을 포함할 수도 있다. 일부 구현들에서, 각각의 레이더 안테나 (612 내지 618) 는 스위치 매트릭스 (620) 를 통해 단일 마이크로파 포트에 연결되도록 선택가능할 수도 있다. 이러한 구현들에서, 레이더 안테나들 (612 내지 618) 중 단지 하나가 한 번에 단일 마이크로파 포트에 연결될 수도 있다. 연결된 레이더 안테나에 의해 송신된 레이더 신호들은 또한 동일한 레이더 안테나에 의해 수신된다. 따라서, 레이더 안테나들 (612 내지 618) 각각은 레이더 신호가 송신될 때 제 1 시간에서 레이더 송신 안테나로서 구성될 수도 있고, 그 후에, 이물질 (628) 또는 차량 표면 (626) 중 어느 하나에 의해 반사된 후에, 송신된 레이더 신호가 안테나에서 수신될 때 제 2 시간에서 레이더 수신 안테나로서 구성될 수도 있다.
도시되지 않았지만, 도 6 에 도시된 시스템의 일부 구현들에서, s11-타입 레이더에 기초한 시스템은 각각의 안테나 엘리먼트에 대한 전용 레이더 검출기 유닛을 포함할 수도 있다. 이러한 구현들에서 스위치들에 대한 필요성이 없을 수도 있고 안테나 급전선 (antenna feeder line) 들이 사실상 없을 수도 있다. 이러한 경우, 레이더 검출기 유닛들은 안테나 엘리먼트들에 가깝게 로케이팅될 수도 있다. 한 번에 동작하는 레이더 검출기 유닛들의 개수는 시스템이 신뢰성있게 동작할 수 있는 신호 대 간섭 비에 따라 하나 이상일 수도 있다.
도 7 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들을 검출하기 위해 다수의 선택가능 송신 안테나들 및 별개의 다수의 선택가능 수신 안테나들을 병치 (collocate) 된 쌍들로 갖는 다른 레이더 시스템의 개략도 (700) 이다. 예를 들어, 이 시스템은 복수의 병치된 레이더 송신 안테나들 (702, 704, 706 및 708) (통칭하여 702 내지 708) 및 레이더 수신 안테나들 (712, 714, 716 및 718) (통칭하여 712 내지 718) 의 쌍들, 스위치 매트릭스 (720) 및 마이크로파 송신 포트 및 마이크로파 수신 포트를 갖는 레이더 검출기 유닛 (722) 을 포함할 수도 있다. 레이더 송신 및 수신 안테나들의 쌍이 병치될 수도 있지만, 신호가 반드시 레이더 송신 안테나에 의해 송신되고 병치된 레이더 수신 안테나에 의해 수신될 필요는 없을 수도 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 레이더 신호는 레이더 송신 안테나 (702) 에 의해 송신되고, 이물질 (728) 및 차량 표면 (726) 중 하나 또는 이들 양쪽에 의해 반사되며, 레이더 수신 안테나 (714) 및/또는 레이더 수신 안테나 (716) 에 의해 수신될 수도 있는 한편, 다른 레이더 신호는 레이더 송신 안테나 (704) 에 의해 송신되고 이와 유사하게 레이더 수신 안테나 (716) 에 의해 수신될 수도 있다. 이 시스템은 도 4 내지 도 7 의 시스템들 중에서 송신 또는 수신 안테나들에 대해 어레이 엘리먼트들을 구성함에 있어서 가장 높은 유연성을 제공할 수 있다.
도 8 은 예시적인 구현에 따른, 송신 및 수신을 위한 별개의 포트들을 갖는 레이더 검출기 유닛의 블록 다이어그램 (800) 이다. 레이더 검출기 유닛은, 예를 들어, 도 4, 도 5, 또는 도 7 중 임의의 도면의 레이더 검출기 유닛 (422, 522, 722) 일 수도 있다. 레이더 검출기 유닛은 의사-잡음 (pseudo-noise; PN) 코드를 포함하는 의사-랜덤 시퀀스를 결정하기 위한 마이크로제어기 (802) 를 포함할 수도 있고 이 PN 코드를 레이더 검출기 유닛의 송신 브랜치와 수신 브랜치 양쪽에 대해 통신하도록 구성될 수도 있다. 송신 브랜치는 변조기 (808) 에 연결된 PN 코드 생성기 (804) 를 포함할 수도 있는데, 이 변조기는 로컬 오실레이터 (812) 로부터 공통 로컬 오실레이터 신호를 수신하고 변조된 PN 코드를 증폭기 (810) 에 통신한다. 증폭기 (810) 의 출력은 레이더 검출기 유닛의 송신 포트에 연결될 수도 있다.
수신 브랜치는 레이더 검출기 유닛의 수신 포트로부터 레이더 신호들을 수신하도록 구성된 전치증폭기 (816) 를 포함하고 증폭된 수신된 레이더 신호를 복조기 (814) 에 출력할 수도 있고, 이 복조기는 또한 다운-컨버터 또는 직교 믹서라고 지칭될 수도 있고 로컬 오실레이터 (812) 로부터 동위상 및 직교-위상 (0°및 90°) 공통 로컬 오실레이터 신호들을 수신하고 동위상 및 직교-위상 복조된 레이더 신호들 (I 및 Q) 을 상관기 (806) 에 출력할 수도 있으며, 이 상관기는 제어기 (802) 로부터 PN 코드를 수신할 수도 있다. 송신 브랜치 및 수신 브랜치 양쪽은 수신된 신호들의 위상 동기 상관을 보증하기 위해 공통 로컬 오실레이터 신호를 활용할 수도 있다. 상관기 (806) 는 상관된 동위상 및 직교-위상 복조된 레이더 신호들 (I 및 Q) 을 각각의 아날로그-디지털 컨버터 (A/D; 818) 에 통신하도록 구성될 수도 있다. 각각의 A/D (818) 는 디지털 포스트 프로세서 (820) 에 연결될 수도 있고, 이 디지털 포스트 프로세서는 마이크로제어기 (802) 와 통신할 수도 있다. 그의 사용자 인터페이스에서, 레이더 검출기 유닛은 송신 포트와 수신 포트 사이에 채널의 복합 (동위상 및 직교 컴포넌트) 레이더 응답을 제공할 수도 있다.
마이크로파 경로에서 삽입 손실들을 감소시키기 위해, 도 9 에 도시된 바와 같이, 다수의 송신 및 다수의 수신 포트 레이더 검출기 유닛에서 발생되는 기저 대역에서의 복조 후에 안테나 선택이 수행될 수도 있다. 도 9 는 예시적인 구현에 따른, 다수의 송신 포트들 및 다수의 수신 포트들을 갖는 레이더 검출기 유닛의 블록 다이어그램 (900) 이다. 도 9 의 레이더 검출기 유닛의 동작은 아래에 설명되는 몇몇을 제외하고는 도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛과 관련되어 이전에 설명된 것과 실질적으로 동일할 수도 있다. 따라서, 마이크로제어기 (902), PN 코드 생성기 (904), 상관기 (906), A/D 컨버터들 (918), 디지털 포스트 프로세서 (920) 및 로컬 오실레이터 (912) 각각은 도 8 의 마이크로제어기 (802), PN 코드 생성기 (804), 상관기 (806), A/D 컨버터들 (818), 디지털 포스트 프로세서 (820) 및 로컬 오실레이터 (812) 각각에 대해 상술된 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수도 있다. 그러나, 도 9 의 레이더 검출기 유닛은 도 8 에서처럼 각각의 하나보다는 N 개의 송신 경로들 및 N 개의 수신 경로들을 포함한다. 따라서, 송신 경로들 내에서, 도 9 의 레이더 검출기 유닛은 N 개의 변조기들 (908) 을 병렬로 포함할 수도 있고, 이 변조기들 각각은 스위치 매트릭스 (924) 를 통해 PN 코드 생성기 (904) 에 연결되도록 구성된다. 도 9 의 레이더 검출기 유닛은 N 개의 증폭기들 (910) 을 부가적으로 포함하고, 이 증폭기들 각각은 N 개의 변조기들 (908) 의 각각의 하나로부터 입력을 수신한다. 마찬가지로, N 개의 수신 경로들 내에서, 도 9 의 레이더 검출기 유닛은 N 개의 전치증폭기들 (912) 을 병렬로 포함할 수도 있고, 이 전치증폭기들 각각은 레이더 검출기 유닛의 각각의 수신 포트로부터 신호를 수신하도록 구성되고, 증폭된 수신된 레이더 신호를 N 개의 복조기들 (914) 의 각각의 하나에 출력하도록 구성된다. N 개의 복조기들 (926) 각각의 동위상 및 직교-위상 출력은 스위치 매트릭스 (926) 를 통해 상관기 (906) 에 연결되도록 구성될 수도 있다.
N 개의 변조기들 (908) 및 N 개의 복조기들 (914) 모두에 대한 공통 로컬 오실레이터 (912) 는 0°및 90°로컬 오실레이터 신호를 생성하도록 구성되고, 이 신호는 로컬 오실레이터 (912) 에 연결된 동위상 및 직교 입력들을 갖는 전력 분할기 (922) 의 각각의 출력들을 통해 N 개의 변조기들 (908) 및 N 개의 복조기들 (914) 각각에 분산된다.
충분한 프로세싱 이득을 제공하는 길이를 갖는 상이한 PN-시퀀스들을 이용하는 것은 동시에 동작하는 다수의 독립적인 레이더 검출기 유닛들의 이용을 가능하게 할 수도 있다. 따라서 다수의 레이더 채널들이 동시에 모니터링되어 단위 시간 당 획득될 수 있는 레이더 응답들의 수를 증가시킬 수도 있다.
도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛, 또는 대안적으로 도 9 의 2N-포트 레이더 검출기 유닛은, 도 10 및 도 11 과 각각 관련되어 설명되는 바와 같이, 하나 또는 N 개의 방향성 커플러들 또는 하나 또는 N 개의 서큘레이터들을 각각 활용하는 것에 의해 단일-포트 유닛으로서 구성될 수도 있다.
도 10 은 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛을 단일 포트 레이더 검출기 유닛으로 컨버팅하기 위한 방향성 커플러 (1000) 를 도시한다. 방향성 커플러 (1000) 는 종단 단자, 송신 단자, 수신 단자, 및 합성 송신/수신 단자를 갖는 종래의 방향성 커플러일 수도 있다. 방향성 커플러 (1000) 는 대략 3dB 의 삽입 손실에 대응하는, 대략 3dB 의 커플링을 가질 수도 있다. 방향성 커플러 (1000) 의 송신 및 수신 포트들에 대해, 도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛 (822) 의 송신 및 수신 포트들, 또는 도 9 의 2N 포트 레이더 검출기 유닛 (922) 의 N 개의 송신 및 수신 포트들 중 대응하는 하나를 각각 연결하는 것에 의해, 도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛 (822), 또는 도 9 의 2N 포트 레이더 검출기 유닛 (922) 의 N 개의 송신 및 수신 포트들 중 하나는, 예를 들어 도 6 에 도시된 바와 같이, 하나 또는 N 개의 단일 포트 레이더 검출기 유닛들로 각각 컨버팅될 수도 있다.
도 11 은 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛을 단일 포트 레이더 검출기 유닛으로 컨버팅하기 위한 서큘레이터 (1100) 를 도시한다. 서큘레이터 (1100) 는 송신 포트, 수신 포트, 및 합성 송신/수신 포트를 포함할 수도 있다. 서큘레이터 (1100) 의 임의의 포트에 입력되는 RF 또는 마이크로파 신호는 화살표로 정의된 회전 방향으로만 다음 포트에 송신된다. 예를 들어, 송신 포트로의 신호 입력은 수신 포트가 아니라 합성 송신/수신 포트로 송신될 것이고, 합성 송신/수신 포트로의 신호 입력은 송신 포트가 아니라 수신 포트로 송신될 것이다. 이러한 방법으로, 도 11 의 서큘레이터 (1100) 의 송신 및 수신 포트들에 대해 도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛 (822) 의 송신 및 수신 포트들을 각각 연결하는 것에 의해, 도 8 의 2 포트 레이더 검출기 유닛 (822) 은, 예를 들어 도 6 에 도시된 바와 같이, 단일 포트 레이더 검출기 유닛으로 컨버팅될 수도 있다.
도 12 는 예시적인 구현에 따른, 2 포트 레이더 검출기 유닛으로부터 가상 단일 포트 레이더 검출기 유닛을 형성하기 위한 송신 안테나 및 수신 안테나의 병치된 쌍을 도시한다. 병치된 쌍 (1200) 은 얼마간의 최소 공간 분리를 갖는 수신 안테나 (1202) 및 송신 안테나 (1204) 를 포함할 수도 있다.
도 13, 도 14, 도 17, 도 18, 도 21, 도 22, 도 25 및 도 26 은 일부 예시적인 구현들에 따른 통합 개념들 및 안테나 배열체 (arrangement) 들의 상이한 변형들을 예시한다. 도 15, 도 16, 도 19, 도 20, 도 23, 도 24, 도 27 및 도 28 은 도 13, 도 14, 도 17, 도 18, 도 21, 도 22, 도 25 및 도 26 과 연관된 인쇄 회로 보드들 (PCB들, 또한 인쇄 배선 보드 (PWB) 들이라고도 알려짐) 의 변형들을 각각 예시한다. 이들 변형들은 예컨대 상이한 호스트 IPT 커플러 타입들에 의해 및/또는 다른 설계 및 최적화 기준들에 의해 주어지는 공간 제약들로부터 발생될 수도 있다. 호스트 IPT 커플러들 각각은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 전도성 백 플레이트 위에 배치되는 페라이트 구조물 위에 배치된 코일 구조물로 구성되는 것으로 가정된다.
도 13 은 예시적인 구현에 따른, 평면 단일 코일 IPT 커플러 ("원형" 패드) 의 중심에 배치된 레이더 송신 안테나 및 그 패드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 안테나들의 배열체 (1300) 를 도시한다. 배열체 (1300) 는 도 4, 도 5, 또는 도 7 중 임의의 도면과 관련되어 이전에 설명된 바와 같이 송신-타입 (s21) 레이더 시스템에 대응할 수도 있다. 배열체 (1300) 는 전도성 백 플레이트 (1302), 그 전도성 백 플레이트 (1302) 위에 배치된 페라이트 층 (1304), 및 그 페라이트 층 (1304) 위에 배치된 무선 전력을 송신하기 위한 코일 (1306) 을 포함할 수도 있다. 배열체 (1300) 는 전도성 백 플레이트 (1302) 와 페라이트 층 (1304) 사이에 배치된 PCB (1312) 를 부가적으로 포함할 수도 있다. PCB (1312) 는 PCB (1312) 의 중심에 로케이팅된 단일 레이더 송신 안테나 (1310) 를 포함할 수도 있고, 이 PCB 는 이 송신 안테나 (1310) 가 포지셔닝되도록 배치되거나 포지셔닝될 수도 있는데 여기서 자속 밀도는 비교적 낮고 여기서 페라이트 층 (1304) 의 일부는 감소된 두께를 가질 수도 있거나 또는 성능의 상당한 손실 없이 생략될 수도 있다. PCB (1312) 는 베이스 패드 및/또는 PCB (1312) 의 주변 영역, 예를 들어, 주변부 상에 배치된 복수의 수신 안테나들 (1308) 을 부가적으로 포함할 수도 있는데 그 수신 안테나들까지는 페라이트 층 (1304) 이 연장되지 않지만 그 아래로 전도성 백 플레이트 (1302) 가 연장된다. 배열체 (1300) 는 레이더 송신 안테나 (1310) 와 각각의 레이더 수신 안테나들 (1308) 사이의 경로 길이에 가장 작은 변동을 제공할 수도 있다. 배열체는 임계 공간에 모든 로케이션들에서의 적절한 감도뿐만 아니라 패드의 실질적으로 완전한 커버리지를 부가적으로 제공할 수도 있다.
작은 이물질은, 레이더 송신 안테나 (1310) 와 레이더 수신 안테나들 (1308) 중 하나의 레이더 수신 안테나 사이의 낮은 차수의 프레넬 구역 (예를 들어, 차수 n ≤ 3) 내에 이물질이 로케이팅되는 경우에만, 레이더 송신 안테나 (1310) 와 레이더 수신 안테나들 (1308) 중 임의의 레이더 수신 안테나 사이의 송신에 현저히 영향을 미칠 수도 있다는 것에 주목한다. 예를 들어, 이물질이 레이더 송신 안테나 (1310) 와 레이더 수신 안테나들 (1308) 중 하나의 레이더 수신 안테나를 임의의 포인트에서 교차하는 (레이더 송신 안테나 (1310) 와 각각의 레이더 수신 안테나들 (1308) 사이에 점선들로 도시된) 가상 직선으로부터 수직하는 방향으로 너무 멀리 오프셋되는 경우, 이 이물질은 레이더 수신 안테나 (1308) 에 의해 검출가능하지 않을 수도 있다. 그러나, 이물질이 여전히 레이더 송신 안테나 (1310) 및 이웃하는 레이더 수신 안테나 (1308) 의 낮은 차수의 프레넬 구역 내에 있는 경우, 이 이물질은 이웃하는 레이더 수신 안테나에 의해 여전히 검출될 수도 있다.
더 완전한 이해를 위해, 프레넬 구역은, 안테나의 방사 패턴으로 볼륨들을 정의하는, 이론적으로 무한한 개수의 동심 타원들 중 하나이다. 제 1, 또는 가장 안쪽의, 프레넬 구역의 단면은 원형이고, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 임의의 포인트에서의 그의 반경은 다음 식에 따라 결정될 수도 있다:
식 1:
Figure pct00001
여기서 Fn 은 임의의 포인트 p 에서의 미터 단위의 n 번째 프레넬 구역 반경이고, d1 은 미터 단위의 한쪽 단부까지의 포인트 p 의 거리이고, d2 는 미터 단위의 다른쪽 단부까지의 포인트 p 의 거리이며, λ 는 미터 단위의 송신된 신호의 파장이다. 따라서, 가장 큰 검출능의 영역은 레이더 송신 안테나와 각각의 레이더 수신 안테나 사이의 중간포인트에 있을 것이다.
레이더 송신 안테나 (1310) 위의 패드의 중심에 배치된 물체는 모든 레이더 수신 안테나들 (1308) 에서의 모든 레이더 채널들에 영향을 미칠 수도 있다. 소정의 유스 케이스들에 대해 그리고 일부 검출 스킴들에서, 이것은 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 불리한 것으로 고려될 수도 있다. 따라서, 일부 구현들 (미도시) 에서, 베이스 패드 및/또는 PCB (1312) 의 중심에 2 개 이상의 레이더 송신 안테나 (예를 들어, 4 개의 레이더 송신 안테나들) 를 배치시키는 것 및/또는 레이더 수신 안테나들의 상이한 그룹을 레이더 송신 안테나 각각에 할당하는 것은 유리할 수도 있다.
도 14 는 도 13 의 레이더 안테나들의 배열체 (1300) 의 측면도 (1400) 를 도시한다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (예를 들어, 레이더 박스) (1402) 은 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (1304) 의 일부에 실질적으로 PCB (1312) 의 전방측 상에 그리고 중심에 배치될 수도 있다. 이것은 유리하게는 베이스 패드 어셈블리의 더 콤팩트한 구성 및 감소된 치수들을 가능하게 할 수도 있다.
도 15 는 도 13 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드 (1500) 를 도시한다. PCB (1312) 는 도 13 과 관련되어 이전에 설명된 배열체(들) 에서의 레이더 송신 안테나 (1310) 및 복수의 레이더 수신 안테나들 (1308) 을 포함할 수도 있다. PCB (1312) 는 안테나들 (1308/1310), 복수의 안테나 급전선들 (1502), 및 레이더 검출기 유닛 (1402) 에 대한 캐리어로서 기능할 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (1402) 은, 도 8 내지 도 12 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은, 아날로그 및 디지털 프로세서들뿐만 아니라 스위치들, 전력 배전기들, 증폭기들, 변조기들, 복조기들과 같은 액티브 회로부 모두를 통합할 수도 있다.
레이더 송신/수신 안테나들 (1308/1310) 은 90°양각에서의 방사 최소치 및 전방향성 방위각 방사 패턴을 나타내는 단순한 수직 사분-파장 모노폴 안테나들일 수도 있다. 레이더 수신 안테나들 (1310) 에 대해, 레이더 송신 안테나 (1310) 로의 얼마간의 지향성은 검출 감도를 향상시키기 위해 유리할 수도 있다. PCB (1312) 상에 인쇄될 수 있는 안테나 구조물들, 예를 들어, 슬롯 안테나들, "비발디 (Vivaldi)" 안테나들, 또는 야기형 (Yagi-like) 멀티-엘리먼트 안테나들이 또한 채용될 수도 있다. 레이더 시스템의 부분적 대역폭에 따라, 코니컬 또는 로그-주기 멀티-엘리먼트 안테나들 또는 프랙탈 안테나들과 같은 광대역 안테나들이 또한 이용될 수도 있다. 레이더 솔루션이 더 지향성을 갖는 안테나들을 요구하는 경우, 복수의 안테나들로 이루어진 페이즈드-어레이 (phased-array) 가 이용될 수도 있다. 페이즈드-어레이는 PCB 예를 들어 패치 안테나들의 어레이 상에 인쇄될 수도 있다. 비-통합된 (별개의) 솔루션들에 대해, 혼 안테나들, 나선 안테나들 또는 다른 구조물들 예컨대 프레넬 렌즈들이 또한 적용될 수도 있다.
레이더 동작 주파수에 따라, 송신 손실들을 최소화하기 위해 PCB (1312) 의 기판 재료에 대한 특수한 요건들이 존재할 수도 있다. 대안적으로, PCB (1312) 는 표준 유리 섬유 강화 플라스틱, 예를 들어, FR4 로 이루어질 수도 있지만, 급전선들 (1502) 에 대한 로컬로 임베딩된 저손실 기판 재료를 갖는다. 급전선들 (1502) 에 대해, 임의의 알려진 마이크로파 송신 라인 기법들 예컨대 스트립 라인, 마이크로스트립 라인, 공면 라인, 슬롯 라인 등이 적용될 수도 있다. 상부와 하부의 그라운드 평면 사이에 개재된 금속의 평탄한 스트립을 이용하는 스트립 라인들은, EM 필드들이 PCB (1312) 의 위와 아래에 있을 수도 있는 재료들에 의해 영향받지 않으므로 특히 유용한 것으로 고려될 수도 있다.
도 16 은 도 15 의 인쇄 회로 보드 (1312) 의 측면도 (1600) 를 도시한다. 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (1402) 은 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (1304) 의 일부에 실질적으로 PCB (1312) 의 전방측 상에 그리고 중심에 배치된다.
도 17 은 예시적인 구현에 따른, 평면 단일 코일 IPT 커플러 ("원형" 패드) 위의 어레이에 배치된 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 레이더 안테나들 또는 쌍으로 된 송신 및 수신 레이더 안테나들의 배열체 (1700) 를 도시한다. 도 13 에서 설명된 바와 같이, 배열체 (1700) 는 전도성 백 플레이트 (1702), 그 전도성 백 플레이트 (1702) 위에 배치된 페라이트 층 (1704), 및 그 페라이트 층 (1706) 위에 배치된 코일 (1706) 을 포함할 수도 있다. 배열체 (1700) 는 코일 (1706) 위에 배치된 PCB (1712) 를 부가적으로 포함할 수도 있다. PCB (1712) 는 레이더 안테나들 (1708) 의 어레이를 포함할 수도 있다. 어레이의 각각의 안테나 (1708) 는, 도 6 과 관련되어 이전에 설명된 바와 같은, 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 안테나, 또는 대안적으로, 도 7 과 관련되어 이전에 설명된 바와 같은, 한 쌍의 안테나들, 송신을 위한 제 1 안테나 및 수신을 위한 제 2 안테나를 포함할 수도 있다. 안테나들 (1708) 은 IPT 패드 및/또는 PCB (1712) 의 영역에 걸쳐 규칙적인 패턴으로 배치될 수도 있다. s21-타입 레이더에 대해, 안테나들은, 예를 들어 어레이에서 이웃하는 엘리먼트들의 쌍들 사이에, 가장 짧은 송신 경로들을 위해 구성될 수도 있다.
도 18 은 도 17 의 레이더 안테나들의 배열체 (1700) 의 측면도 (1800) 를 도시한다. 도 18 에 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (1802) 은 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (1704) 의 일부에 실질적으로 PCB (1712) 의 후방측 상에 그리고 중심에 배치될 수도 있다. 이것은 유리하게는 베이스 패드 어셈블리의 더 콤팩트한 구성 및 감소된 치수들을 가능하게 할 수도 있다.
도 19 는 도 17 에 도시된 레이더 안테나 배열체를 갖는 인쇄 회로 보드 (1712) 를 도시한다. PCB (1712) 는 도 17 과 관련되어 이전에 설명된 배열체에서의 레이더 안테나들 (1708) 의 어레이를 포함한다. PCB (1712) 는 안테나들 (1708), 복수의 안테나 급전선들 (1902), 및 레이더 검출기 유닛 (1802) 에 대한 캐리어로서 기능할 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (1802) 은 PCB (1802) 의 후방측 상에 그리고 그 중심에 장착될 수도 있는데 여기서 자속 밀도는 비교적 낮고 여기서 페라이트는 성능의 상당한 손실 없이 생략될 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (1802) 은 도 8 내지 도 12 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 액티브 회로부 모두를 통합할 수도 있다.
레이더 안테나들 (1708) 은 PCB (1712) 상에 인쇄될 수도 있다. 적합한 안테나 타입들의 예들로는 반파 다이폴들, 바이-트라이앵글들 (2D 바이-코니컬) 안테나들, 패치 안테나들, 슬롯 안테나들 또는 충분한 대역폭 및 높은 양각들에서의 최대 이득을 갖는 유사한 방사 구조물들을 포함할 수도 있다. 구성과 관련하여, PCB (1712) 는 도 15 의 PCB (1312) 와 실질적으로 동일할 수도 있다. PCB (1712) 는, 도 15 와 관련되어 설명된 것처럼, 급전선들 (1902) 에 대한 로컬로 임베딩된 저손실 기판 재료를 더 포함할 수도 있다.
도 20 은 도 19 의 인쇄 회로 보드 (1712) 의 측면도 (2000) 를 도시한다. 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (1802) 은 실질적으로 PCB (1712) 의 후방측 상에 그리고 그 중심에 배치된다.
도 21 은 예시적인 구현에 따른, 평면 이중 코일 IPT 커플러 ("더블 D" 패드) 의 중심에 배치된 레이더 송신 안테나들 및 그 패드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 안테나들의 배열체 (2100) 를 도시한다. 배열체 (2100) 는 도 4, 도 5, 또는 도 7 중 임의의 도면과 관련되어 설명된 바와 같이 송신-타입 (s21) 레이더 시스템에 적합할 수도 있다. 배열체 (2100) 는 전도성 백 플레이트 (2102), 그 전도성 백 플레이트 (2102) 위에 배치된 페라이트 층 (2104), 그 페라이트 층 (2104) 위에 배치된 무선 전력을 송신하기 위한 제 1 코일 (2106) 및 제 2 코일 (2114) 을 포함할 수도 있다. 배열체 (2100) 는 전도성 백 플레이트 (2102) 와 페라이트 층 (2104) 사이에 배치된 PCB (2112) 를 부가적으로 포함할 수도 있다. PCB (2112) 는 제 1 코일 (2106) 및 제 2 코일 (2116) 의 라운딩된 코너들 위에 그리고 그에 가깝게 2 개의 미이용된 공간들에 배치된 제 1 레이더 송신 안테나 (2110) 및 제 2 레이더 송신 안테나 (2114) 를 포함할 수도 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 레이더 송신 안테나들 (2110/2114) 은 실질적으로 PCB (2112) 의 중심 부분에 로케이팅될 수도 있다. 이들 로케이션들에서 자속 밀도는 비교적 낮고 페라이트 층 (2104) 의 일부들은 상당한 성능 손실 없이 절단될 수도 있다. 이 안테나 배열체 및 구성은 임계 공간에 모든 로케이션들에서의 충분한 감도 및 패드 영역의 양호한 커버지리를 제공할 수도 있다. 대안적으로, 제 1 및 제 2 레이더 송신 안테나들 (2110/ 2114) 은, 도 13 에 도시된 것과 유사한, 제 1 및 제 2 코일들 (2106/2114) 의 중심 (미도시) 과 일치하는 PCB (2112) 상의 포지션에 배치될 수도 있다. PCB (2112) 는 베이스 패드 및/또는 PCB (2112) 의 주변 영역, 예를 들어, 주변부 상에 배치된 복수의 수신 안테나들 (2108) 을 부가적으로 포함할 수도 있는데 여기서 페라이트 층 (2104) 이 연장되지 않지만 그 아래로 전도성 백 플레이트 (2102) 가 연장된다.
도 22 는 도 21 의 레이더 안테나들의 배열체 (2100) 의 측면도 (2200) 를 도시한다. 도 22 에 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (2202) 은 PCB (2112) 의 전방측 상에, 그리고 그것이 2 개의 IPT 코일들 (2106/2116) 의 라운딩된 코너들에 의해 형성된 공간에 그리고 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (2104) 의 일부에 정합하도록 하는 포지션에 배치될 수도 있다. 이것은 유리하게는 베이스 패드 어셈블리의 더 콤팩트한 구성 및 감소된 치수들을 가능하게 할 수도 있다.
도 23 은 도 21 에 도시된 레이더 안테나 배열체 (2100) 를 갖는 인쇄 회로 보드 (2112) 를 도시한다. PCB (2112) 는 레이더 송신 안테나들 (2110 및 2114) 및 복수의 레이더 수신 안테나들 (2108) 을 포함할 수도 있다. PCB (2112) 는 안테나들 (2108/2110/2114), 복수의 안테나 급전선들 (2302), 및 레이더 검출기 유닛 (2202) 에 대한 캐리어로서 기능할 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (2202) 은 도 8 내지 도 12 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 액티브 회로부 모두를 통합할 수도 있다.
PCB (2112) 는 표준 유리 섬유 강화 플라스틱, 예를 들어, FR4 로 이루어질 수도 있지만, 급전선들 (2302) 에 대한 로컬로 임베딩된 저손실 기판 재료를 갖는다. 급전선들 (2302) 에 대해, 임의의 알려진 마이크로파 송신 라인 기법들 예컨대 스트립 라인, 마이크로스트립 라인, 공면 라인, 슬롯 라인 등이 적용될 수도 있다. 상부와 하부의 그라운드 평면 사이에 개재된 금속의 평탄한 스트립을 이용하는 스트립 라인들은, EM 필드들이 PCB (2112) 의 위와 아래에 있을 수도 있는 재료들에 의해 영향받지 않으므로 특히 유용한 것으로 고려될 수도 있다.
도 24 는 도 23 의 인쇄 회로 보드 (2112) 의 측면도 (2400) 를 도시한다. 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (2202) 은 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (2104) 의 일부에 PCB (2112) 의 전방측 상에 배치된다.
도 25 는 예시적인 구현에 따른, 평면 이중 코일 IPT 커플러 ("더블 D" 패드) 위의 어레이에 배치된 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 레이더 안테나들 또는 쌍으로 된 송신 및 수신 레이더 안테나들의 배열체 (2500) 를 도시한다. 배열체 (2500) 는 전도성 백 플레이트 (2502), 그 전도성 백 플레이트 (2502) 위에 배치된 페라이트 층 (2504), 그 페라이트 층 (2504) 위에 배치된 제 1 코일 (2506) 및 제 2 코일 (2514) 을 포함할 수도 있다. 배열체 (2500) 는 제 1 및 제 2 코일들 (2506/2514) 위에 배치된 PCB (2512) 를 부가적으로 포함할 수도 있다. PCB (2512) 는 레이더 안테나들의 어레이를 포함할 수도 있다. 어레이의 각각의 엘리먼트 (2508) 는, 도 6 과 관련되어 이전에 설명된 바와 같은, 송신 및 수신 양쪽을 위한 단일 안테나, 또는 대안적으로, 도 7 과 관련되어 이전에 설명된 바와 같은, 한 쌍의 안테나들, 송신을 위한 제 1 안테나 및 수신을 위한 제 2 안테나를 포함할 수도 있다. 안테나 어레이 엘리먼트들 (2508) 은 IPT 패드 및/또는 PCB (2512) 의 영역에 걸쳐 규칙적인 패턴으로 배치될 수도 있다. s21-타입 레이더에 대해, 안테나들은, 예를 들어 어레이에서 이웃하는 엘리먼트들의 쌍들 사이에, 가장 짧은 송신 경로들을 위해 구성될 수도 있다.
도 26 은 도 25 의 레이더 안테나들의 배열체 (2500) 의 측면도 (2600) 를 도시한다. 도 26 에 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (2602) 은 감소된 또는 제로 두께를 갖는 페라이트 층 (2504) 의 일부에 실질적으로 PCB (2512) 의 후방측 상에 특히 형상화 및 배치될 수도 있다. 이것은 유리하게는 베이스 패드 어셈블리의 더 콤팩트한 구성 및 감소된 치수들을 가능하게 할 수도 있다.
도 27 은 도 25 에 도시된 레이더 안테나 배열체 (2500) 를 갖는 인쇄 회로 보드 (2512) 를 도시한다. PCB (2512) 는 레이더 안테나들 (2508) 의 어레이를 포함한다. PCB (2700) 는 안테나들 (2508), 복수의 안테나 급전선들 (2702), 및 레이더 검출기 유닛 (2602) 에 대한 캐리어로서 기능할 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (2602) 은 PCB (2512) 의 후방측 상에 장착될 수도 있는데, 여기서 자속 밀도는 비교적 낮고 여기서 페라이트는 성능의 상당한 손실 없이 생략될 수도 있다. 레이더 검출기 유닛 (2602) 은 도 8 내지 도 12 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 액티브 회로부 모두를 통합할 수도 있다.
레이더 안테나들 (2508) 은 PCB (2512) 상에 인쇄될 수도 있다. 구성과 관련하여, PCB (2512) 는 도 15 의 PCB (1312) 와 실질적으로 동일할 수도 있다. PCB (2512) 는, 도 15 와 관련되어 설명된 것처럼, 급전선들 (2702) 에 대한 로컬로 임베딩된 저손실 기판 재료를 더 포함할 수도 있다.
도 28 은 도 27 의 인쇄 회로 보드 (2512) 의 측면도 (2800) 를 도시한다. 도시된 바와 같이, 레이더 검출기 유닛 (2602) 은 실질적으로 PCB (2512) 의 후방측 상에 배치된다.
도 4, 도 5, 도 7 및 도 13 내지 도 28 에 대해 레이더 송신 안테나들로서 나타낸 안테나들은 레이더 수신 안테나들로서 구성될 수도 있고 그 역으로 구성될 수도 있는데, 이는 안테나 포트들의 쌍 사이에서 보여지는 전파 채널이 상호적인 것으로 고려될 수도 있기 때문이다.
특정된 오경보 확률에서의 검출 확률의 관점에서 정의될 수도 있는 검출 신뢰성은, 시스템 복잡도, 예를 들어, 레이더 채널들의 개수에 의해 소정 범위로 제어될 수도 있다. 안테나들의 개수가 많을수록, 레이더 채널들이 더 많이 형성될 수 있고 검출 신뢰성이 일반적으로 더 높아진다. s21-기반 레이더 시스템에 대한 안테나들의 적합한 개수는 16 개일 수도 있는 한편, s11-기반 시스템은 그 개수가 30 개일 수도 있다.
도 29 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버의 내부 크로스토크 및 전파 경로들을 포함하는 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델 (2900) 을 도시한다. 시스템 모델 (2900) 에서, 설명된 신호들 및 응답들 모두는 복소 기저 대역 표현들로서 고려될 것이고, 이산 시간 샘플들 모두는 복소수들로서 고려될 것이다. 시스템 모델 (2900) 은, 도 8 및 도 9 중 어느 하나 또는 이들 양쪽과 관련되어 이전에 설명된 바와 같이, 변조기의, 증폭기 스테이지들의, 그리고 송신기에서의 임의의 선형 신호 왜곡 영향의 임펄스 응답을 포함하는 레이더 송신기 임펄스 응답 를 표현하는 박스 (2902) 에 입력된 디랙 (Dirac) 펄스로 가정될 수도 있는 입력 송신 펄스 s(t) 를 도시한다. 이 모델은 그 후에 3 개의 별개의 박스들 (2904, 2906 및 2908) 로 분기될 수도 있다. 박스 (2904) 는 적어도 하나의 이물질의 존재로 인한 신호 전파에서의 변화를 표현하는 이물질의 임펄스 응답
Figure pct00003
를 표현할 수도 있다. 박스 (2906) 는, 임의의 이물질들을 배제하지만, 안테나 급전선들뿐만 아니라 송신 및 수신 안테나에 의해 야기되는 선형 왜곡 영향들을 포함하는, 레이더 시스템의 감도에 의해 주어지는 범위에서의 임의의 구조물에서 반사되고 회절된 파동들, 직접 표면파를 포함할 수도 있는 모든 전파 경로들을 표현하는 환경의 임펄스 응답
Figure pct00004
를 표현할 수도 있다. 박스 (2908) 는 레이더 검출기 유닛의 내부 송신-수신 경로 신호 크로스토크를 표현하는 크로스토크에 대한 임펄스 응답
Figure pct00005
를 표현할 수도 있다. 박스들 (2904, 2906 및 2908) 각각의 응답은 합산기 (2914) 에서 합산될 수도 있고 그 후에 박스 (2910) 로 전달되는데, 이 박스는, 도 8 및 도 9 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같이, 입력 필터, 전치증폭기, 복조기, 상관기 및 수신기에서의 임의의 선형 신호 왜곡 영향의 임펄스 응답을 포함하는 수신기의 임펄스 응답
Figure pct00006
를 표현할 수도 있다. 박스 (2910) 의 출력은 합산기 (2916) 에 입력될 수도 있는데 여기서 이 합산기는 임의의 열 잡음 영향 그리고 어쩌면 또한 일부 위상 잡음 영향들을 포함하는 상가성 잡음 컴포넌트 n(t) 와 합산되어, 모델링된 수신된 레이더 응답 r(t) 를 출력한다. 수신된 레이더 신호 r(t) 는 수신된 레이더 응답 r(t) 의 이산-시간 표현을 출력하는 샘플러 (2912) 에 입력될 수도 있고, 여기서 r(n) 은 특정 레이더 애플리케이션에 대해 관심있는 시간 간격을 커버하는 범위에서 개수들 n 을 갖는 시퀀스에서 n 번째 샘플을 표시한다.
모델 (2900) 은 도 4, 도 5, 및 도 7 중 임의의 도면에 도시된 바와 같은 송신 타입 (s21) 시스템, 또는 도 6 에 도시된 바와 같은 반사 타입 (s11) 레이더 시스템 중 어느 하나에, 그리고 본 명세서에서 정의된 바와 같은 단순한 펄스 레이더에 주로 적용될 수도 있다. 더욱이, 모델 (2900) 은 임의의 의사-잡음 시퀀스 또는 수신기에서 상관되었을 때 펄스로 변환되는 임의의 다른 신호를 송신하는 레이더 시스템에 적용될 수도 있다. 이들 레이더 시스템들 모두는 이상적인 송신 펄스 및 일부 선형 왜곡 (펄스 정형) 함수들을 이용하여 모델링될 수도 있다. 이 시스템이 PN-시퀀스 레이더 시스템인 경우, 송신기 임펄스 응답 (2902) 및 수신기 임펄스 응답 (2910) 은 또한 PN-코드 변조기의 펄스 정형 및 선형 왜곡 영향들 및 상관기의 선형 왜곡 영향들을 각각 포함하는 것으로 고려된다.
도 30 은 예시적인 구현에 따른, 크로스토크 소거의 모델 (3000) 을 도시한다. 이물질의 영향을 최대화하고 그에 따라 검출 성능을 향상시키기 위해, 도 29 의 샘플러 (2912) 로부터 출력된 시퀀스 r(n) 은 추가로 프로세싱될 수도 있다. 일부 구현들에서, 측정된 크로스토크
Figure pct00007
은 신호 프로세싱의 제 1 단계에서 합산기 (3002) 에서 시퀀스 r(n) 으로부터 감산 (subtracte) 된다. 샘플들 r(n) 으로부터 감산되는 측정된 크로스토크
Figure pct00008
은 연속적으로 수신된 시퀀스들의 필터링된/평균화된 버전
Figure pct00009
으로 고려될 수도 있다. 정상 시스템 동작/구성에서 결과적인 시간 시퀀스는 r'(n) 으로 표시된다.
도 31 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버의 내부 크로스토크를 측정하기 위한 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델 (3100) 을 도시한다. 도시된 바와 같이, 이 모델 (3100) 은 이물질의 임펄스 응답
Figure pct00010
를 표현하는 박스 (2904) 및 환경의 임펄스 응답
Figure pct00011
를 표현하는 박스 (2906) 를 제외하고는 모델 (2900) 에 도시된 박스들 모두를 포함한다.
도 32 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 트랜시버 유닛에서의 크로스토크 측정을 위한 안테나 포트 종단 배열체 (3200) 를 도시한다. 레이더 검출기 유닛 (3202) 의 내부 크로스토크는 송신 및 수신 포트들로부터 송신 및 수신 안테나들을 각각 연결해제하는 것 그리고 50 옴 저항기들 (3204 및 3206) 로 종단된 흡수성 스위치들을 이용하는 것에 의해, 예를 들어 이 스위치들이 개방될 때, 측정될 수도 있다.
신호 프로세싱의 제 2 단계에서, 레이더 시스템의 전체 임펄스 응답은 등화 필터
Figure pct00012
을 이용하여 등화될 수도 있다. 시간 도메인에서 펄스 샤프닝 (pulse sharpening) 에 대응하는, 전체 레이더 주파수 응답을 등화하거나 또는 평탄하게 하는 것은, 보다 높은 시간/거리 분해능을 발생시킬 수도 있다. 보다 높은 시간/거리 분해능은 원하지 않는 레이더 에코 경로들을 구별하고 이물질 검출 시스템의 감도를 증가시키는데 유리할 수도 있다. 레이더 트랜시버의 시스템 주파수 응답이 그의 이론적 변조 스펙트럼으로부터 예상된 것보다 더 강한 롤-오프를 나타내는 경우 그리고 수신 신호 대 잡음 비 (SNR) 가 충분히 높은 경우, 등화가 특히 유용할 수도 있다.
이 제 2 단계의 경우, 소위 시스템 임펄스 응답
Figure pct00013
의 제 2 측정이 필요하다. 도 33 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템의 임펄스 응답을 측정하기 위한 안테나 포트 바이패스 배열체 (3300) 를 도시한다. 시스템 임펄스 응답은 감쇠기 (3304/3306) 를 통해 레이더 검출기 유닛 (3302) 의 수신 안테나 포트에 송신 안테나 포트를 직접 연결하는 것에 의해 측정될 수도 있다. 일단 안테나 포트들이 감쇠기들 (3304/3306) 을 통해 서로 연결된다면, 송신 및 수신 경로들 사이의 크로스토크는 감산될 수도 있고,
Figure pct00014
의 연속적으로 수신된 시퀀스들은 필터링/평균화되어 순수한 시스템 임펄스 응답을 획득할 수도 있다.
도 34 는 예시적인 구현에 따른, 시스템의 응답을 측정하기 위한 레이더 시스템 구성의 선형 시스템 모델 (3400) 을 도시한다. 이 모델 (3400) 은 이물질의 임펄스 응답
Figure pct00015
를 표현하는 박스 (2904) 및 환경의 임펄스 응답
Figure pct00016
를 표현하는 박스 (2906) 를 제외하고는 실질적으로 도 29 의 모델 (2900) 의 컴포넌트들 모두를 포함할 수도 있고, 이 박스 (2906) 는 감쇠기들 (3304/3306) 의 임펄스 응답을 표현하는 박스 (3402) 로 대체되는데, 이는 이 감쇠기들이 이제 전체 환경 임펄스 응답을 표현하기 때문이다. 송신 및 수신 경로들 사이의 크로스토크의 감산을 도시하기 위해, 모델 (3400) 은 도 30 과 관련되어 이전에 설명된 합산 단계를 부가적으로 포함하여, 출력에 이산-시간 시스템 응답 r sys (n) 을 제공한다. 도 34 의 출력 r sys (n) 은 도 30 과 관련되어 이전에 설명된 출력 r'(n) 에 대응할 수도 있다.
일단 이 시스템 응답 r sys (n) 이 결정되었다면, 시스템 응답의 역 함수를 활용하는 등화 필터는 시스템 응답을 소거하도록 활용될 수도 있다. 입력 r'(n) 및 출력 r''(n) 을 갖는 이 등화 필터는 이산 푸리에 변환된 (DFT) 버전들을 이용하는 것에 의해 이산 주파수 도메인에서 가장 잘 설명될 수도 있다:
식 2:
Figure pct00017
그리고 식 3:
Figure pct00018
여기서
Figure pct00019
는 이산 푸리에 변환 (DFT) 을 표시하고, k 는 주파수 시퀀스의 k 번째 샘플이다.
식 4 의 측정된 복소 시스템 주파수 응답의 역은, 식 5 에 의해 도시된 바와 같이, 등화 필터
Figure pct00020
로서 이용된다:
식 4:
Figure pct00021
식 5:
Figure pct00022
등화 필터의 출력은 다음과 같이 이산 주파수 도메인에서 표현될 수도 있다:
Figure pct00023
여기서
Figure pct00024
이다.
제 3 단계에서, 등화 필터의 출력은 필터링되어, 수신되고 등화된 레이더 응답 r''(n) 에서 잡음/오차 변동을 감소시킬 수도 있다. 예를 들어, 필터 출력 시퀀스 r''(n) 에서 평균 제곱 오차를 최소화하는 "최적" 의 잡음 필터는 잘 알려진 추정 이론을 이용하여 찾을 수 있다:
식 7:
Figure pct00025
여기서
Figure pct00026
이고,
Figure pct00027
는
Figure pct00028
의 켤레 복소수이고,
Figure pct00029
은 유닛-샘플 시퀀스이며,
Figure pct00030
는 필터 출력 잡음 프로세스의 스펙트럼 밀도의 추정치
Figure pct00031
이고, 여기서
Figure pct00032
는 등화기 이후의 잡음 프로세스의 실현을 표시하고
Figure pct00033
는 예상 값을 표시한다.
최적의 잡음 필터에 대해 상기 식 7 을 검사하는 것에 의해, 필터
Figure pct00034
는 신호 대 잡음 비 (SNR) 가 높은 경우 수신된 레이더 신호의 주파수 응답을 자동적으로 넓힐 것이지만 SNR 이 낮은 경우 주파수 응답을 좁힐 것으로 인식될 수 있다. 낮은 SNR 조건들에서, 등화 필터
Figure pct00035
의 영향은 보다 작은 잡음 오차를 위해 시간 분해능에서의 희생을 초래할 수도 있다. 사실상, 낮은 SNR 조건들에서,
Figure pct00036
및
Figure pct00037
의 필터 캐스케이드는 잡음 감소 필터로서 작용할 수도 있다.
Figure pct00038
에 대한 잡음 추정기는 도 8 및/또는 도 9 에 도시된 레이더 검출기 유닛의 디지털 프로세싱 기능의 부분일 수도 있다.
제 4 단계에서, 수신된 등화된 그리고 잡음 필터링된 레이더 응답은 윈도잉 함수 (windowing function)
Figure pct00039
를 이용하여 부가적으로 필터링되어, 시간/주파수 프로세싱에 의해 야기되는 임펄스 응답에서의 사이드 로브 (side lobe) 들이 억제될 수도 있다. 그러나, 윈도잉은 시간 분해능에서의 감소를 초래할 것이다. 주파수 도메인에서 적합한 윈도잉 함수는 롤-오프 부분 및 평탄 부분을 가질 수도 있다. 롤-오프 부분은, 예를 들어, 레이즈드-코사인 함수 (raised-cosine function) 에 의해 정의될 수도 있다. 롤-오프 팩터, 예를 들어, 롤-오프 부분과 평탄 부분 사이의 셰어 (share) 는, 특정 애플리케이션에 대해 적절하게 그리고 요구된 대로 선정될 수도 있는 파라미터이다.
필터링 함수들의 캐스케이드는, 도 36 에 도시된 바와 같은 시간 도메인 표현에 대응하는, 도 35 에 도시된 바와 같은 필터 함수들의 주파수 도메인 표현을 이용하여 디지털 신호 프로세서 상에서 바람직하게 구현될 수도 있다. 도 35 는 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에 대한 이산 주파수 도메인 포스트 프로세싱 캐스케이드 (3500) 를 예시한다. 도 36 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에 대한 이산 시간 도메인 포스트 프로세싱 캐스케이드 (3600) 를 예시한다. 주파수 도메인에서, 콘볼루션 동작들
Figure pct00040
은 단순한 샘플간 복소 곱셈들에 대응한다. 주파수 도메인 프로세싱은 수신된 레이더 응답 r'(n) 이 고속 푸리에 변환 (FFT) 을 이용하여 이산 주파수 도메인으로 우선 변환되도록 요구한다. 필터링 동작들 이후에, 시퀀스들은 역 FFT 에 의해 다시 변환되어, 등화된, 잡음 필터링된 그리고 윈도잉된 시간 응답을 제공할 수도 있다:
식 8:
Figure pct00041
.
비교적 작은 이물질들이, 레이더 혼란체 (radar clutter) 라고도 또한 지칭되는 강한 신호 반사들을 갖는 환경에서 검출되어야 하는 경우, 이물질 검출 시스템은 환경으로부터의 강한 에코들이 중성화되도록 요구할 수도 있다. 이 프로시저는 "캘리브레이션", "학습", 또는 "혼란체 소거" 라고 지칭될 수도 있다. 캘리브레이션은 임의의 이물질의 부존재시 기준 레이더 응답
Figure pct00042
을 측정하고 저장하며 각각의 수신된 레이더 응답으로부터 기준 응답을 감산하는 것에 의해 수행될 수도 있다. 도 29 의 선형 시스템 모델 (2900) 을 참조하여, 이 기준 응답
Figure pct00043
은 환경의 진정한 임펄스 응답
Figure pct00044
의 노이지 (noisy) 하고 필터링된 버전,
Figure pct00045
의 이산-시간 버전과 동등하다.
도 37 은 예시적인 구현에 따른, 시스템 캘리브레이션을 위한 기준 레이더 응답 감산의 모델을 도시한다. 도 37 에서, 캘리브레이션은, 등화, 잡음 필터링, 및 윈도잉 이후에, 합산기 (3702) 에서 저장된 기준
Figure pct00046
을
Figure pct00047
으로부터 감산하고, 관심있는 진정한 레이더 응답
Figure pct00048
을 전달하는 것에 의해, 시간 시퀀스
Figure pct00049
상에서 수행된다. 이물질의 부존재시 그리고 완전히 캘리브레이팅된 시스템에 대해,
Figure pct00050
은 모든 n 에 대해 사실상 제로이다. 따라서, 검출 공간 내에 배치된 충분히 큰 물체는 논-제로 레이더 응답
Figure pct00051
을 야기할 것이다.
일부 다른 예시적인 구현들에서, 검출은 복소 샘플들
Figure pct00052
보다는 절대적 크기들
Figure pct00053
에 기초하여 수행된다. 절대적 크기들에 의존하는 것은, 레이더 송신기와 레이더 수신기들 사이의 위상 코히런스에 대한 요건을 제거하여, 송신 및 수신 유닛들이 상이한 로케이션들에 있고 상호 위상 동기화 없이 실행하고 있는 솔루션들을 가능하게 한다. 절대적 크기들을 검출하는 것은 또한 아래에 더 상세히 다루어지는 바와 같이 변화하는 레이더 환경으로부터의 임의의 외란 (disturbance) 영향을 감소시키도록 의도적으로 선정될 수도 있다. 캘리브레이션은 그 후에 복소 샘플들
Figure pct00054
보다는 절대적 크기들
Figure pct00055
에 기초하여 수행될 수도 있다.
복수의 안테나들을 이용하는 시스템은
Figure pct00056
에 의해 표시될 수도 있는 복수의 레이더 응답들을 제공할 수도 있는데, 여기서
Figure pct00057
이다. 인덱스 i 는 상이한 공간적 로케이션들에서 수신되거나 및/또는 송신되는 레이더 응답들을 지정하므로 공간 인덱스라고 지칭된다. 이들 M 개의 응답들은, 도 4 내지 도 7 및 도 13 내지 도 28 중 임의의 도면과 관련되어 이전에 설명된 바와 같이, 임의의 적절한 안테나 배열체 및 구성을 이용하여 송신 타입 (s21) 레이더에 의해 또는 반사 타입 (s11) 레이더에 의해, 또는 이들 양쪽에 의해 획득되었을 수도 있다. 일반적으로, 이들 레이더 응답들은 이물질에 의해 상이하게 영향받을 것이다.
등화된, 필터링된, 그리고 "클리닝된" 레이더 응답들
Figure pct00058
에 기초하여 물체를 검출하는 것에 대한 수 개의 접근법들이 존재한다. 하나의 이러한 접근법은 이물질의 존재를 결정하기 위해 단순한 임계치 검출을 이용한다. 임의의 세트의 획득된 응답들
Figure pct00059
(여기서
Figure pct00060
임) 의 적어도 하나의 샘플이 결정된 임계치를 초과하는 크기
Figure pct00061
을 갖는 경우, 시스템은 물체가 존재한다는 결정을 행할 수도 있다. 어떠한 샘플도 결정된 임계치를 초과하지 않는 경우, 물체가 존재하지 않는다는 결정이 행해질 수도 있다.
결정된 임계치는 임계치 평가를 통해 획득되는 가변 값 또는 고정된 값일 수도 있다. 그것은
Figure pct00062
모두에 대해 일정한 값일 수도 있는데, 여기서 N 는 시퀀스 길이이고, 또는 그것은 n 의 함수인 가변 값일 수도 있다. 임계치는, 잡음 변동을 추정하는 것에 의해, 히스토그램으로부터 백분위를 컴퓨팅하는 것에 의해, 이산 함수
Figure pct00063
의 모멘트들, 예를 들어, 제 1 모멘트 (무게 중심) 및 제 2 모멘트 (응답 속도의 측정치) 을 컴퓨팅하는 것에 의해, 통계적 평가를 통해, 예를 들어 네이만-피어슨 (Neyman-Pearson) 테스트 트레이딩-오프 검출 확률 대 오검출 (false detection) 확률을 이용하는 베이지안 (Bayesian) 법칙들을 이용하여, 하나 이상의 연속적으로 수신된 레이더 응답들
Figure pct00064
으로부터 도출될 수도 있고, 여기서 j 는 시간 인덱스를 표시한다.
부가적으로, 물체 검출을 위해 제한된 관련 시간 간격
Figure pct00065
의 샘플들
Figure pct00066
만이 판정 프로세스에 고려된다는 것을 의미하는, 시간 게이팅 (time gating) 이 적용될 수도 있다. 또 다른 접근법에서, 시간 간격
Figure pct00067
에서 레이더 응답
Figure pct00068
의 피크 값의 포지션은 판정 프로세스 동안 고려될 수도 있다.
또 다른 접근법에서, 물체들은 연속적으로 획득된 레이더 응답들
Figure pct00069
에서의 시간적 변화들에 기초하여 검출될 수도 있다. 도 38 은 예시적인 구현에 따른, 레이더 시스템에서의 레이더 응답들의 시간-차분 검출을 위한 1 차 이산-시간 무한 임펄스 응답 필터 (3800) 를 예시한다. 도 38 에 도시된 바와 같이, 딜레이 엘리먼트 (3804) 를 이용하여 네거티브 가중된 (-b1) 단일-샘플-딜레이된 응답을 합산기 (3802) 에 피드백하는 것에 의해
Figure pct00070
(여기서
Figure pct00071
임) 의 시계열의 관련 부분들의 이산-시간 "하이-패스" 필터링에 의해 시간-차분 검출이 달성될 수도 있다. IIR 필터는 복수의 딜레이 엘리먼트들 (예를 들어, 시프트 레지스터) 을 이용하여 보다 높은 차수로 될 수도 있다. 하이-패스 필터링은 시스템을 빈번하게 캘리브레이팅하는 것과 동등한 것으로 고려될 수도 있다. 시간-차분 검출을 이용하면, 물체는 그 물체가 검출 공간 내에 도입된 후에 제한된 주기 동안 단지 "가시적" 이다. 응답은 그 응답이 검출 시스템의 잡음 플로어 아래로 완전히 들어갈 때까지 필터 계수들 a 0 및 b 1 에 의해 결정된 필터의 시간 상수에 의존하는 레이트로 없어진다. 그러나, 그것은 물체가 검출 공간으로부터 제거될 때 다시 가시적으로 될 수도 있다. 이 방법은 캘리브레이션 오차들에 매우 둔감할 수도 있고 캘리브레이션에 대한 필요성까지도 완전히 제거할 수도 있다.
또 다른 접근법에서, 물체들은 시간 j 에서 동시에 획득된 레이더 응답들의 세트
Figure pct00072
(여기서
Figure pct00073
임) 에서의 차이들에 기초하여 검출될 수도 있다. 예시적인 구현에서, 시스템은, 세트
Figure pct00074
이 임계치를 능가하는 적어도 하나의 응답 및 임계치를 능가하지 않는 적어도 하나의 응답을 포함하는 경우, 이물질의 존재를 결정한다. 세트
Figure pct00075
에서의 모든 값들이 임계치를 초과하는 경우, 환경의 변화 (예를 들어, 외란) 가 결정되고 이물질이 없다고 가정된다. 이러한 또는 유사한 판정 방법들이 공간-차분 검출 접근법으로서 분류될 수도 있다.
상기 검출 접근법들은 또한 조합되어, 환경 변화들에 대한 최대 강건도가 요구되는 조인트 공간- 및 시간-차분 검출을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 획득 레이트가 충분히 높다고 추정하면, 물체 검출은 도플러 주파수 도메인으로 확장될 수도 있다. 이러한 접근법들은 이동 및 비-이동 물체들 사이를 구별하는데 유용할 수도 있다. 예시적인 방법에서, 연속적으로 획득된 레이더 응답들의 시퀀스들은 이산 도플러 도메인으로 변환된다. 이것은 도 9 내지 도 12 에 따른 N D 개의 연속 샘플들
Figure pct00076
의 블록을 통해 그리고 각각의 시간 딜레이 n 에 대해 개별적으로 슬라이딩 또는 이동 DFT 를 이용하여 달성될 수도 있다:
식 9:
Figure pct00077
식 10:
Figure pct00078
식 11:
Figure pct00079
식 12:
Figure pct00080
Figure pct00081
각각의 레이더 채널 i 에 대한 매 시간 인스턴트 j 마다 업데이트되는 결과적인 2 차원 세트의 샘플들
Figure pct00082
은 이동 산란 함수라고 지칭될 수도 있다. 산란 함수는 이동 및 비-이동 물체들 사이를 구별하기 위해 시간-딜레이 게이팅 및 도플러 시프트 게이팅 중 적어도 하나를 이용하는 것에 의해 시간-딜레이 도메인 및 도플러 시프트 도메인 중 적어도 하나에서 선택적으로 물체들의 검출을 가능하게 한다. 더욱이, 동시에 획득된
Figure pct00083
(여기서
Figure pct00084
임) 에서의 차이들뿐만 아니라 시간-딜레이 및 도플러 시프트 도메인 중 하나에서의 게이팅된 산란 함수
Figure pct00085
의 피크 값들은 판정 프로세스에서 고려될 수도 있다.
요구된 연산력을 감소시키기 위해, DFT 는 N D 개의 레이더 응답들이 획득된 후에 단지 한 번 블록 기반으로 (block-wise) 수행될 수도 있다. 부가적으로, DFT 는 재귀적 (무한 응답) 알고리즘에 기초하여, 예를 들어 Goerzel 알고리즘을 이용하여, 이동 DFT 로서 구현될 수도 있다.
다른 구현에서, 디지털 로우 패스 필터 및 디지털 하이 패스 필터는 이동 및 비-이동 물체들로부터의 응답들 사이를 구별하기 위해 이용될 수도 있다. 또 다른 구현에서, 2 개의 연속적으로 획득된 레이더 응답들의 대응하는 샘플들 사이의 위상 차이는 이동 및 비-이동 물체들로부터의 응답들 사이를 구별하기 위해 컴퓨팅된다. 잡음을 감소시키기 위해, 부가적인 시간-평균이 활용될 수도 있다.
또 다른 구현에서, 단순한 CW 레이더 신호들이 활용되고 검출이 도플러 시프트 도메인에서만 수행된다. 그러나, 이러한 구현은 정지된 물체들을 검출하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 다중경로 전파 환경에서, 이동하는 이물질로부터 수신된 도플러 시프트 도메인에서의 레이더 응답들은 분산 또는 산란될 수도 있는데, 이는 다양한 전파 경로들은 일반적으로 도플러 효과에 의해 상이하게 영향받기 때문이다.
레이더 응답들은, 예를 들어 패턴 인식, 그래픽 사용자 인터페이스, 시스템의 기능의 모니터링 또는 증명의 목적들을 위해, 특성 패턴들이 "가시적" 으로 되도록 레이더 이미지로 표현될 수도 있다.
개수 K 의 TX 안테나들을 갖고, 각각의 TX 안테나에 대해, 개수 M 의 RX 안테나들 (그에 따라 M 개의 레이더 채널들) 을 갖는 s21-타입 레이더에 기초한 본 발명의 예시적인 구현에 따른 시스템에 대해, 레이더 이미지는 도 39 및 도 40 에 도시된 바와 같이 극선 (스파이더) 다이어그램 상에서 레이더 응답들을 방사상으로 맵핑시키는 것에 의해 획득될 수도 있다. 도 39 는 예시적인 구현에 따른, 이물질의 존재시 캘리브레이팅된 시스템의 레이더 응답의 예시적인 레이더 이미지 (3900) 를 도시한다. 도 40 은 예시적인 구현에 따른, 차량이 이동한 후에 캘리브레이팅된 시스템의 레이더 응답의 예시적인 레이더 이미지 (4000) 를 도시한다. 도 39 및 도 40 양쪽에서, 이산 시간-딜레이 n 은 각각의 다이어그램의 중심으로부터의 거리 ρ 로서 방사상으로 맵핑되고, 각각의 레이더 채널 i 는 별개의 각도들
Figure pct00086
에서의 상이한 반경과 맵핑되고, 인접한 각도들
Figure pct00087
및
Figure pct00088
은 바람직하게는 물리적으로 인접한 레이더 수신 안테나들에 대응하고, 여기서 각각의 각도는 각각의 플롯의 중심으로부터 방사상으로 연장되는 점선들로 표시될 수도 있다. 샘플들의 세기
Figure pct00089
은 z 방향으로 맵핑되고, 이것은 2D 블랙 및 화이트 플롯, 2D 또는 3D 의사-컬러 플롯, 2D 또는 3D 윤곽 라인 플롯 등에 의해 디스플레이될 수도 있다. 2D 보간 함수는 별개의 포인트들보다는 평활한 출현을 디스플레이하기 위해 이용될 수도 있다. 바람직하게는, 레이더 이미지는 복수의 레이더 채널들에 속하는 각각의 레이더 송신 안테나에 대해 개별적으로 생성된다.
개수 M 의 레이더 송신/수신 안테나들 또는 병치된 레이더 송신 및 레이더 수신 안테나들을 갖는 s11-타입 레이더에 기초한 본 발명의 예시적인 구현에 따른 시스템에 대해, 가상 4D 레이더 이미지가 생성될 수도 있다. 이것은 레이더 응답들을 데카르트 좌표 시스템에서의 포인트들의 어레이에 연관시키는 것에 의해 달성될 수도 있고, 이 포인트들 (x,y) 는 안테나들의 물리적 로케이션들을 표현하고, 샘플들의 이산 시간 및 세기
Figure pct00090
은
Figure pct00091
-축 및
Figure pct00092
-축 상에서 각각 맵핑된다. 4D 이미지는 이미지를 슬라이싱하여 선택된 시간 딜레이 인스턴스들 n 에 대한 일련의 2D 의사 컬러 플롯들을 생성하는 것에 의해 가시화될 수도 있다.
상술된 바와 같은 시간-딜레이 및 도플러 도메인에서의 검출에 기초한 본 발명의 예시적인 구현에 따른 시스템에 대해, 산란 함수는 2D 블랙 및 화이트 플롯, 2D 또는 3D 의사-컬러 플롯, 2D 또는 3D 윤곽 라인 플롯 등에 의해 적합한 보간 또는 평활 함수를 이용하여 디스플레이될 수도 있다. 2D 보간 함수는 별개의 포인트들보다는 평활한 출현을 달성하기 위해 이용될 수도 있다. 바람직하게는, 산란 다이어그램은 각각의 레이더 채널에 대해 개별적으로 생성된다.
이물질 검출 시스템이 도플러 도메인에서 단독 검출에 기초하는 경우, 레이더 이미지는 도 39 및 도 40 과 관련되어 이전에 설명된 바와 같이 극선 (스파이더) 다이어그램 상에서 도플러 응답들 (도플러 스펙트럼들) 을 방사상으로 맵핑하는 것에 의해 획득될 수도 있다.
레이더 이미지들은 또한 시간-딜레이 도메인에서, 도플러 도메인에서, 또는 이들 양쪽의 도메인들에서 연속적으로 획득된 레이더 응답들로부터 생성될 수도 있다. 이들 이미지들은, 레이더 이미지들, 예를 들어, 이동하는 이미지들의 시간적 시퀀스들로서 고려될 수도 있다.
차량의 존재시, 직접 표면 경로 이외에, s21-타입 시스템의 상이한 수신기들로부터 획득된 레이더 응답은 통상적으로, 차량의 언더보디 구조물에서 또는 차량 패드에서 반사된 전파 경로들 (파동 모드들) 로부터 나온, 보다 강하고 딜레이된 컴포넌트들을 나타낼 것이다. 일부 딜레이된 컴포넌트들은 멀티-홉 경로들을 통해서라도 수신 안테나에 도달할 수도 있다. 차량 구조물 및 베이스 패드 표면에서 교호로 바운싱하는 파동들이 존재한다.
도 41 은 예시적인 구현에 따른, 예시적인 레이더 시스템 (4100) 에서의 다중경로 레이더 전파를 예시한다. 다중경로 전파 시나리오는, 도 4, 도 5, 도 7, 도 13 내지 도 16, 및 도 21 내지 도 24 중 임의의 도면과 관련되어 이전에 설명된 바와 같이, 베이스 패드의 주변부를 따라 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들 및 중심 레이더 송신 안테나를 갖는 s21-타입 레이더 시스템에 대응할 수도 있다. 명료성을 위해, 단지 주요한 전파 경로들만이 도시되고 1 내지 8 로 라벨링된 원들로 도시된 바와 같이 라벨링된다. 레이더 수신 안테나들 (4112 및 4114) 각각에서 가능하다면 획득되는 연관된 분해된 레이더 응답들은 도 42 및 도 43 에 각각 디스플레이된다. 이들 응답들은 양적으로 정확한 것이 아니라 단지 질적으로 예시되는 것으로 고려되어야 한다.
이 시나리오 (4100) 는 표면 (4124), 레이더 송신 안테나 (4102), 적어도 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 및 제 2 레이더 수신 안테나 (4114) 를 갖는 베이스 패드를 포함할 수도 있다. 또한 차량 또는 차량 패드의 표면 (4126), 모니터링될 임계 공간 내의 이물질 (4128), 및 레이더 송신 안테나 (4102) 에 의해 송신되고 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 및 제 2 레이더 수신 안테나 (4114) 중 하나 또는 이들 양쪽에 의해 수신되는 레이더 신호들의 8 개의 예시적인 전파 경로들이 도시된다. 전파 경로 1 은 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 사이의 직접 경로에 대응할 수도 있다. 전파 경로 2 는 차량 표면 (4126) 에서의 단일 반사를 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다. 전파 경로 3 은 차량 표면 (4124) 및 베이스 패드 표면 (4124) 양쪽에서의 다수의 반사들을 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다. 전파 경로 4 는 이물질 (4128) 에서의 반사를 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다. 전파 경로 5 는 이물질 (4128) 및 차량 표면 (4126) 양쪽에서의 다수의 반사들을 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 1 레이더 수신 안테나 (4112) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다.
전파 경로 6 은 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 2 레이더 수신 안테나 (4114) 사이의 직접 전파 경로에 대응할 수도 있다. 전파 경로 7 은 차량 표면 (4126) 에서의 단일 반사를 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 2 레이더 수신 안테나 (4114) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다. 그리고 전파 경로 8 은 차량 표면 (4126) 및 베이스 패드 표면 (4124) 양쪽에서의 다수의 반사들을 포함하는, 레이더 송신 안테나 (4102) 와 제 2 레이더 수신 안테나 (4114) 사이의 전파 경로에 대응할 수도 있다. 도 42 에 도시된 8 개의 전파 경로들은 완전한 것이 아니라 예시적인 것임에 주목한다.
이전에 설명된 바와 같이, 도 42 는 도 41 의 제 1 수신 안테나 (4112) 와 연관된 송신 전파 경로들에 대한 이상화된 분해된 레이더 응답 (4200) 을 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 41 의 전파 경로들 1 내지 5 는 도 41 의 제 1 수신 안테나 (4112) 와 연관된다. 도 43 은 도 41 의 제 2 수신 안테나 (4114) 와 연관된 송신 전파 경로들에 대한 이상화된 분해된 레이더 응답 (4300) 을 예시한다. 도시된 바와 같이, 도 41 의 전파 경로들 6 내지 8 는 도 41 의 제 2 수신 안테나 (4114) 와 연관된다.
단일 레이더 송신 안테나 및 복수의 레이더 수신 안테나들을 이용하는 시스템에서, 송신 안테나로부터 원거리에 있는 포지션에 로케이팅된 이물질은 물체에 가장 가까운 수신 안테나들의 레이더 응답들에 주로 영향을 미친다. 그러나, 물체가 송신 안테나에 가깝게 배치되는 경우, 그것은 일반적으로 그의 레이더 단면, 형상, 및 배향에 따라, 수신 안테나들 모두의 응답들에 영향을 미친다.
레이더-기반 접근법을 포함하는 3 차원 공간에서의 FOD 에 대한 대부분의 접근법들에 대한 하나의 주요한 도전과제는 차량의 이동들이다. 유도성 충전 베이스 위에 주차된 차량이 절대적으로 정적이라고 고려될 수 없다. 풍력들, 강설, 타이어 압력에서의 변화들 등 뿐만 아니라 차량에 들어오거나 차량을 이탈하는 사람들 또는 다른 로드들은, 레이더 안테나들을 통합할 수도 있는 베이스 유닛의 포지션들에 대한 차량의 언더보디 구조물의 산발적인 또는 빈번한, 대수롭지 않은 또는 주요한 이동들을 야기할 수도 있다. 이러한 이동들은 도 29 와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 환경의 레이더 응답
Figure pct00093
에서의 변화들로 고려될 수도 있다. 이러한 변화들은 이전 캘리브레이션을 일시적으로 또는 영구적으로 무효화할 수도 있다. 이러한 변화들에 대한 레이더-기반 FOD 방법의 자화율은 레이더 시스템에 이용되는 주파수 또는 파동 길이 그리고 이물질들에 대한 시스템의 일반적 감도에 의존할 수도 있다. 파장이 짧을수록, 차량의 이동들에 대해 시스템이 더 민감해질 수도 있다.
그러나, 차량 섀시의 이동들은 유사한 방식으로 그리고 동시에 레이더 채널들 모두에 영향을 미칠 가능성이 매우 높다. 이러한 가정은 도 6 에 도시된 바와 같은 s11-타입 레이더 시스템뿐만 아니라 도 4, 도 5, 및 도 7 에 도시된 바와 같은 s21-타입 레이더 시스템 양쪽에 대해 유효할 수도 있다. 이러한 특성은 이동하는 차량으로부터의 외란 영향들을 완화시키기 위해 그리고 물체들과 원하지 않는 환경 영향들 사이를 구별하기 위해 이용될 수도 있다.
차량 섀시의 이동들은 또한 차량의 온보드의 인스톨된 가속도계들을 이용하여 검출될 수도 있다. 가속도계들로부터의 신호들은 이동하는 차량으로부터의 외란 영향들을 완화시키기 위해 레이더 응답들과 상관될 수도 있다. 이러한 시스템은 이동하는 이물질들과 이동하는 차량 섀시 사이를 구별하기 위해 차량 내의 적어도 하나의 가속도계로부터의 신호들을 시계열의 레이더 응답들과 상관시킬 수도 있다. 상관이 정의된 임계치를 초과하는 경우, 검출들은 차량의 이동들에 의해 야기되는 것으로 고려된다.
레이더-기반 방법에 대한 다른 도전과제는 레이더 시스템을 통합한 베이스 유닛의 표면 상의 눈, 얼름 또는 물일 수도 있다. 이들 환경 팩터들은 또한, 캘리브레이션을 무효화할 수도 있고 시간에 걸쳐 변화할 수도 있는 레이더 응답들에서의 변화들을 야기할 수도 있다. 시간-차분 검출을 이용하는, 예를 들어, 짧은 충분한 시간 상수로 하이 패스 필터링하는 시스템은, 예를 들어, 바운싱하는 차량 섀시에 의해 생성된 것들과 같은 갑작스러운 변화들이 아닌 차량의 느린 이동들에 대처하는 것이 가능할 수도 있다. 그러나, 상술된 바와 같은 시간-차분 및 공간-차분 검출 양쪽에 기초한 시스템은 느린 것뿐만 아니라 산발적인, 급속한 이동들에 대처하는 것이 가능할 수도 있다.
상기 도전과제들은 지적 창안된 안테나 배열체 및 정교한 패턴 인식 알고리즘을 이용하여 충족될 수도 있다. 이물질들뿐만 아니라 레이더 환경에 대한 변화들 또는 외란들은 레이더 응답에서 특성 패턴들을 나타낼 수도 있다. 이러한 특성 패턴들은, 예를 들어, 시간-딜레이 도메인에서, 도플러 도메인에서, 이들 양쪽의 도메인들에서, 또는 이동하는 레이더 이미지들의 시간적 시퀀스로서, 상기 개시된 방법에 따라 생성되는 레이더 이미지에서 찾을 수도 있다.
예시적인 구현에 따른 시스템은 이물질들과 외란들 사이를 구별하기 위한 패턴 인식을 이용할 수도 있다. 패턴 인식 알고리즘은 시간-딜레이 도메인 및 도플러 도메인 중 적어도 하나에서 특성 패턴들에 대해 트레이닝될 수도 있다. 그것은 또한 레이더 이미지들의 시간적 시퀀스들에서의 특성 패턴들에 기초하여 트레이닝될 수도 있다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 다른 시스템은, 예를 들어, 시스템이 차량의 존재 또는 부존재에 따라 상이한 검출 스킴들 및 판정 기준들을 적용한다는 것을 의미하는 적응 패턴 인식을 이용한다. 예시적인 시스템은 차량의 부존재시 공간-차분 검출 스킴에 주로 의존하지만, 차량의 존재시에는 시간- 및 공간-차분 검출 양쪽을 이용할 수도 있다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 또 다른 시스템은 시간-딜레이 응답들 (딜레이 스펙트럼들) 에서의 특성 패턴들에 대해 트레이닝된다. 상이한 수신기 사이트들에서 측정된 딜레이 스펙트럼들에서의 소정의 특성들 및 상호관계들뿐만 아니라 이들의 시간적 전개는 이동하는 물체들로부터의 응답들과 레이더 환경으로부터의 혼란체 사이를 구별하는 것에 도움을 줄 수도 있다. 레이더 혼란체는 도 40 에 도시된 바와 같은 더 균일한 확산을 갖는 이미지들을 생성할 수도 있지만, 물체들은 도 39 에 전형적으로 도시된 바와 같은 더 집중된 패턴들을 생성한다. 이러한 특성들은, 예를 들어, 도 17, 도 21 또는 도 24 에 도시된 바와 같이, 상이한 로케이션들에 포지셔닝된 적어도 2 개의 TX 안테나들을 갖는 안테나 구성들에 대해 명백해질 수도 있다.
예시적인 구현에서, 시스템은 이물질과 레이더 혼란체 사이를 구별하기 위해 레이더 이미지에서 시간-딜레이의 제 1 모멘트 (무게 중심) 및 제 2 모멘트 (확산을 표현함) 중 적어도 하나를 컴퓨팅할 수도 있다. 레이더 이미지는 상술된 바와 같은 이미징 방법들 중 하나로 획득될 수도 있다. 다른 예시적인 구현은 레이더 응답들에서 획득된 시간 딜레이 데이터에 기초한 삼각측량 방법들, 예를 들어, 도착 시간 (time of arrival; TOA) 을 이용한다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 제 4 시스템은 단순한 CW 레이더 시스템을 이용하고 도플러 도메인에서 패턴 인식을 이용한다. 상이한 수신기 사이트들에서 측정된 도플러 스펙트럼들에서의 소정의 특성들 및 상호관계들뿐만 아니라 이들의 시간적 전개는 이동하는 이물질들로부터의 응답들과 레이더 혼란체 사이를 구별하는 것을 도울 수도 있다. 예시적인 구현에서, 시스템은 레이더 이미지에서 도플러의 제 1 모멘트 (무게 중심) 및 제 2 모멘트 (확산을 표현함) 중 적어도 하나를 컴퓨팅할 수도 있다. 레이더 이미지는 상술된 바와 같은 이미징 방법들 중 하나로 획득될 수도 있다.
다른 예시적인 구현은 도플러 스펙트럼들에서 획득된 도플러 데이터에 기초한 삼각측량 방법들, 예를 들어, 도착 주파수 (frequency of arrival; FOA) 기법들을 이용하여 임계 공간 내측의 물체를 결정하여 차량 섀시의 이동들 및/또는 이 공간 외측에 로케이팅되는 이동하는 물체들을 구별한다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 다른 시스템은 적합하게 창안된 안테나 배열체 및 알고리즘을 이용하고, 이것은, 조합하여, 임계 공간 주위의 "커튼" 또는 마이크로파 보호 구역처럼 작용한다. 이 구역 내에서 통과하는 검출가능한 사이즈의 임의의 물체가 잠재적으로 검출될 것이다.
예시적인 구현에 따른 또 다른 시스템은 전개가능 안테나 또는 전개가능 안테나 시스템을 이용한다. 도 47 은 예시적인 구현에 따른, 차량측 전개가능 평면 레이더 안테나 (4722) 를 예시한다. 단일 안테나 (4722) 로서 도시되었지만, 본 출원은 단일 안테나 (4722) 가 복수의 안테나들을 포함하는 배열체들을 고려한다. 안테나 (4722) 는 차량이 충전 베이스 패드 (4724) 위에 주차하였을 때 전개될 수도 있다. 이 전개가능 안테나 (4722) 는, 도 47 에 예시된 바와 같이, 차량 장착될 수도 있고, 또는 대안적으로 충전 베이스 패드 (4724) 의 부분일 수도 있다. 차량 장착된 경우 그리고 이용하고 있지 않을 때, 안테나 (4722) 는 차량의 언더보디 (4726) 에서의 리세스 (recess; 4728) 에 집어넣을 수도 있다. 이용을 위해, 예를 들어, 전력 전송이 활성화되기 전에, 하나 이상의 안테나들 (4722) 은 임계 공간을 모니터링하기에 적합한 높이로 전개되고 낮춰질 수도 있다. 안테나 시스템은 평면 페이즈드-어레이, 한 쌍의 (TX 및 RX 용) 혼 안테나들 또는 충분한 지향성을 제공하는 임의의 안테나 타입의 것 중 하나일 수도 있다.
레이더-기반 이물질 검출을 위한 다른 접근법은 임계 공간을 모니터링하기 위해 적어도 하나의 방향성 TX/RX 안테나 및 스캐닝 기법들을 이용한다. 임계 공간을 스캐닝하기 위해, 적어도 하나의 레이더 안테나의 빔은 전자적으로 또는 기계적으로 스티어링될 수도 있다.
레이더 스캐닝에 기초한 예시적인 구현에 따른 또 다른 시스템에서, 임계 공간은 평면 (2D) 페이즈드-어레이인 적어도 하나의 안테나를 이용하여 모니터링될 수도 있다. 이러한 안테나는 베이스 충전 서브시스템의 부분일 수도 있고 또는 대안적으로 차량측에 배치될 수도 있다. 안테나는 공간을 모니터링하기에 적합한 로케이션에 배치된 독립형 (비-통합된) 유닛일 수도 있다. 차량측에 배치된 경우, 이용하고 있지 않을 때, 안테나는 차량의 언더보디에서의 리세스에 집어넣을 수도 있고 도 47 에 예시된 방식으로 이용을 위해 전개될 수도 있다.
레이더 스캐닝에 기초한 예시적인 구현에 따른 또 다른 시스템에서, 임계 공간은 기계적으로 이동, 예를 들어, 회전 또는 스윙하고 있는 적어도 하나의 안테나를 이용하여 모니터링될 수도 있다. 안테나는 단일 TX/RX 혼 안테나 또는 한 쌍의 TX 및 RX 용 혼 안테나들을 포함할 수도 있다. 차량측에 장착된 경우, 혼 안테나들은, 이용하고 있지 않을 때 차량의 언더보디에서의 리세스에 집어넣을 수도 있고, 이용을 위해, 예를 들어, 전력 전송이 활성화되기 전에 전개될 수도 있다.
레이더 스캐닝에 기초한 이물질 검출을 위한 추가 시스템에서, 임계 공간은 TX/RX 레이더 안테나들의 선형 (1 차원) 어레이를 이용하여 스캐닝될 수도 있다. 도 48 은 예시적인 구현에 따른, 이물질들 (4828) 을 검출하기 위한 레이더 안테나들의 선형 어레이 (4810) 를 갖는 차량측 레이더 시스템의 다수의 연속 뷰들 (4800 내지 4803) 을 예시한다. 단 하나의 안테나만이 가시적이지만, 어레이 (4810) 는, 차량의 이동의 1 차 방향에 수직인, 도 48 의 안팎으로의 방향을 따라 이어지는 1 차원 어레이에 배열된 복수의 안테나들을 가질 수도 있다. 어레이 (4810) 는 적어도 임계 공간의 폭 (미도시) 의 어레이 (4810) 의 방향으로 폭 (또는 길이) 을 가질 수도 있다. 안테나 어레이 (4810) 는 (이동 방향 화살표의 방향으로 차량 패드의 좌측에 대한 오프셋으로서 도시된) 차량의 이동의 1 차 방향으로 차량 충전 패드 앞에 또는 뒤에 그리고 차량 (4826) 의 하부에서의 적합한 로케이션에 장착될 수도 있다. 이동의 1 차 방향은 차량에 대해 순 또는 역 방향으로 차량의 턴하지 않은 타이어들의 방향과 평행할 수도 있다. 이러한 배열체는 차량이 충전 베이스 패드 (4824) 에 접근함에 따라 선형 어레이 (4810) 가 우선 임계 공간 위로 이동하여 차량이 충전을 위해 "스위트 스폿" 위에 정지되었을 때, 임계 공간이 이미 완전히 스캐닝되었음을 보장한다. 실시간 차량 포지션 데이터와 함께, 예를 들어, 연속 뷰들 (4800, 4801, 4802 및 4803) 각각에 도시된 포지션들에서 취득된 연속적으로 획득된 레이더 응답들은, 임계 공간의 3D 레이더 지형 이미지를 생성하도록 이와 같이 포스트 프로세싱될 수도 있다. 이물질들 (4828) 은 그 후에 지형 이미지에 기초하여 패턴 인식 기법들을 이용하여 검출될 수도 있다. 포스트 프로세싱은 하나의 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar; SAR) 기법을 포함할 수도 있다.
차량이 이동하고 있는 동안의 레이더-스캐닝은 또한 전자 빔 스티어링을 이용하고 운전 방향에 수직인 방향으로 빔을 편향시켜서 달성될 수도 있다. 이 방법은 적어도 임계 공간의 폭의 길이에 걸쳐 연장될 수도 있는 도 48 과 관련되어 상술된 선형 어레이보다 물리적으로 더 짧은 안테나 시스템 (예를 들어, 페이즈드 어레이) 으로 작용할 수도 있다.
포지션 데이터는 차량 속도 센서 (예를 들어, 휠 속도 센서) 로부터, 차량 온보드 가속도계로부터 또는 상술된 바와 같이 유도 및 정렬을 위해 이용되는 포지셔닝 시스템으로부터 획득될 수도 있다.
차량이 이동하고 있는 동안의 레이더 스캐닝은 차량이 "스위트" 스폿 상에 주차했을 때 임계 공간이 "클리어" 한지 (이물질들이 없는지) 여부를 결정하기 위해 이용될 수도 있다. 본 명세서에서 설명된 하나의 다른 검출 방법은 예를 들어 충전을 위해 차량이 주차되어 있는 동안 임계 공간을 모니터링하는 것에 적용될 수도 있다.
레이더 스캐닝은 또한, 예를 들어, 도로 내에 임베딩된 무선 충전 인프라스트럭처를 이용하여 차량들이 이동하는 동안 충전되는 시스템 (동적 충전 및 준동적 충전) 에서 도로 상의 이물질을 검출하기 위한 솔루션일 수도 있다. 이물질 검출은 차량들이 느리게 이동하고 있거나 또는 일시적으로 정지해 있는 경우 준동적 충전을 위해 특히 중요한 것으로 고려된다. 차량 속도가 충분히 높은 경우, 이물질들이 강한 자기장들에 노출되는 지속기간은 충준히 짧을 수도 있어서 이 이물질들은 임계 온도들보다 높이 가열되지 않을 것이다. 이것은 특히 다수의 도로-임베딩된 IPT 커플러 섹션들을 이용하는 동적 시스템에 해당될 수도 있는데, 이 도로-임베딩된 IPT 커플러 섹션들은 차량의 길이보다 더 짧고 차량이 그 전력 공급 섹션보다 높은 시간 주기 동안에만 활성화될 수도 있다.
예시적인 구현에 따른 추가 시스템은 얼음 및 눈에 의한 상기 언급된 이슈들을 회피하기 위해 베이스 유닛 또는 차량 유닛 중 적어도 하나의 유닛의 제상 (defrosting) 또는 가열을 이용할 수도 있다.
예시적인 구현에 따른 또 다른 시스템은, 레이더 환경으로부터의, 예를 들어 차량으로부터의 영향들을 축소하도록 차량 패드의 인클로저에 및/또는 주변 차량 언더보디 구조물 상에 마이크로파 흡수성 재료들 및/또는 표면들을 이용할 수도 있고, 이는 검출 신뢰성을 개선시킬 수도 있다.
액티브 표면들, 예를 들어, 메타 재료들은, 알려진 방식으로 레이더 환경으로부터의 응답들을 변경하는데 이용될 수도 있다. 이들 액티브 표면들은 반사된 신호들을 변조, 위상 시프트, 및/또는 주파수 시프트하도록 전자적으로 제어가능할 수도 있다. 예시적인 구현에 따른 시스템은 이물질들과 레이더 혼란체 사이를 구별하기 위해 액티브 표면들을 이용한다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 다른 시스템은 차량에 의해 재송신된 신호들을 마킹하기 위해, 하나 이상의 구별되는 패시브 또는 액티브 트랜스폰더들, 또는 태그들을 이용한다. 재송신된 신호들은 수신된 신호의 변조된 버전, 시간-시프트된 버전, 위상-시프트된 버전, 및 주파수-시프트된 버전 중 적어도 하나일 수도 있다. 이들 재송신된 신호들의 시그니처들은 이물질들에 의해 영향받은 응답들과 환경으로부터의 응답들 사이를 구별하기 위한 적어도 부분적 근거로서 기능할 수도 있다.
예시적인 구현에 따른 추가 시스템은 이물질들을 셰이킹하거나 또는 진동시키는 수단을 활용할 수도 있다. 이동하거나 진동하는 물체들은 이물질들과 레이더 혼란체 사이를 구별하는데 도움을 줄 수도 있는 도플러 스펙트럼들에서의 특성 패턴들을 생성할 수 있다. 금속성 물체들의 경우, 이러한 수단은 펄싱된 자기장일 수도 있다. 펄싱된 자기장은, 베이스 IPT 커플러 코일에 의해, 예를 들어, IPT 전력 공급부의 주기적 온-오프 스위칭을 활용하여 1 차 전류를 변조시키는 것에 의해 또는 필터링되지 않은 DC 전력 공급부로부터 IPT 시스템을 동작시켜 전력 라인 주파수 (예를 들어, 100 Hz, 120 Hz) 의 2 배로 절반 사인파 변조를 생성하는 것에 의해, 생성될 수도 있다. 이러한 효과는 금속성 물체에 유도된 와전류들에 의해 설명될 수도 있다. 유도된 와전류들은 렌츠의 법칙에 따라 1 차 코일과 물체 사이에 자기력들 (로렌츠 힘들) 을 야기시킨다.
Figure pct00094
에서 동작하는 IPT 시스템의 경우, 이들 힘들은 자기장의 레벨 및 그래디언트에 따른 강도를 갖는 이중 주파수
Figure pct00095
에서 교번력뿐만 아니라 정지력으로 분해될 수도 있다.
Figure pct00096
에서의 1 차장 (primary field) 이, 예를 들어, < 200 Hz 인 초저주파에 의해 진폭 변조되는 경우, "정적" 컴포넌트는 물체의 약간의 진동들을 생성할 수도 있고, 여기서 진동 진폭은 물체의 사이즈 및 질량에 크게 의존한다.
상기 개시된 방법들 및 수단은 조합하여 및/또는 상호보완적인 방식으로 이용될 수도 있다. 이들은 또한 구체적으로 다루지 않거나 또는 본 명세서에 개시되지 않은 다른 검출 방법들과 조합하여 및/또는 상호보완적인 방식으로 이용될 수도 있다.
본 발명의 예시적인 구현에 따른 다른 시스템은 상호보완적인 방식으로 유도성 센싱 방법 및 마이크로파 레이더 방법의 하나의 조합을 이용한다. 예를 들어, 이러한 시스템은 유도성 센서들이 통합된 표면 상에 또는 그에 가깝게 로케이팅된 금속성 물체들을 검출하기 위한 유도성 센싱, 및 유도성 센싱에 의해 커버되지 않은 상호보완적인 공간에서 임의의 이물질을 검출하기 위한 마이크로파 레이더를 이용할 수도 있다. 다른 구현은 차량이 없을 때 보다 큰 3 차원 공간에서 금속성 물체를 검출하기 위해 더 민감한 유도성 방법을 이용할 수도 있지만, 차량이 존재할 때 (예를 들어, 베이스 유닛 위에 주차했을 때), 유도성 센싱은 상술된 바와 같은 마이크로파 레이더 방법과 조합하여 표면에 가까운 물체들에 대해 이용될 수도 있다.
레이더-기반 FOD 의 일부 컴포넌트들 및 기능성들은 또한 차량 유도 및 정렬의 목적들을 위한 차량 포지셔닝을 위해 상승작용으로 이용될 수도 있다. 예시적인 구현에 따른 시스템은 FOD 및 포지셔닝을 위해 적어도 하나의 레이더 시스템 컴포넌트를 상승작용으로 이용한다. 컴포넌트는 레이더 송신기, 레이더 수신기 및 레이더 트랜스폰더 중 적어도 하나일 수도 있다. 레이더 트랜스폰더는 액티브 트랜스폰더 및 패시브 트랜스폰더 중 하나일 수도 있고 그 레이더 트랜스폰더는 차량의 부분 또는 베이스 충전 유닛의 부분일 수도 있다. 포지셔닝은 도착 시간 (TOA) 및 도착 주파수 (FOA) 삼각측량 방법 중 적어도 하나에 기초할 수도 있다.
도 44 는 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 플로우차트 (4400) 이다. 도 44 에 설명된 단계들 또는 액션들은 도 29 내지 도 43 중 임의의 도면과 관련되어 추가로 논의된 바와 같이 도 4, 도 5, 도 7, 도 8 내지 도 16 및 도 21 내지 도 24 에 도시된 회로들, 디바이스들, 또는 배열체들 중 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에서 구현되거나, 또는 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에 의해 수행될 수도 있다. 블록 4402 는 인쇄 회로 보드의 중심 부분 상에 배치된 적어도 하나의 레이더 송신 안테나로부터의 레이더 신호를 송신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4404 는 인쇄 회로 보드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트를 적어도 활용하여 레이더 신호를 수신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4406 은 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 레이더 프로세싱 회로를 활용하여 물체의 존재를 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나의 구현에서, 레이더 프로세싱 회로는 도 8 및 도 9 중 어느 하나와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 회로일 수도 있다. 블록 4408 은 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일에 전력을 공급하는 것을 포함할 수도 있다.
도 45 는 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 다른 플로우차트 (4500) 이다. 도 45 에 설명된 단계들 또는 액션들은 도 29 내지 도 43 중 임의의 도면과 관련되어 추가로 논의된 바와 같이 도 6, 도 8 내지 도 12, 도 17 내지 도 20 및 도 25 내지 도 28 에 도시된 회로들, 디바이스들, 또는 배열체들 중 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에서 구현되거나, 또는 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에 의해 수행될 수도 있다. 블록 4502 는 인쇄 회로 보드 상의 어레이에 배열된 복수의 레이더 안테나들 중 적어도 하나의 안테나로부터의 레이더 신호를 송신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4504 는 복수의 레이더 안테나들 중 적어도 하나의 안테나로부터 레이더 신호를 수신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4506 은 수신된 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 레이더 프로세싱 회로를 활용하여 물체의 존재를 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나의 구현에서, 레이더 프로세싱 회로는 도 8 및 도 9 중 어느 하나와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 회로일 수도 있다. 블록 4508 은 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일에 전력을 공급할지 여부를 결정하는 것을 포함할 수도 있다.
도 46 은 예시적인 구현에 따른, 미리 결정된 공간에서의 물체들의 레이더-기반 검출을 위한 예시적인 방법의 다른 플로우차트 (4600) 이다. 도 46 에 설명된 단계들 또는 액션들은 도 8 내지 도 12, 도 47 및 도 48 에 도시된 회로들, 디바이스들, 또는 배열체들 중 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에서 구현되거나, 또는 임의의 회로, 디바이스, 또는 배열체에 의해 수행될 수도 있다. 블록 4602 는 차량이 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 차량 상의 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 레이더 신호를 송신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4604 는 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 레이더 신호를 수신하는 것을 포함할 수도 있다. 블록 4606 은 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 레이더 프로세싱 회로를 활용하여 물체의 존재를 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나의 구현에서, 레이더 프로세싱 회로는 도 8 및 도 9 중 어느 하나와 관련되어 이전에 설명된 바와 같은 회로일 수도 있다. 블록 4608 은 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하는 것을 포함할 수도 있다.
상술된 방법들의 다양한 동작들은 다양한 하드웨어 및/또는 소프트웨어 컴포넌트(들), 회로들, 및/또는 모듈(들) 과 같은, 동작들을 수행하는 것이 가능한 임의의 적합한 수단에 의해 수행될 수도 있다. 일반적으로, 도면들에 예시된 임의의 동작들은 동작들을 수행하는 것이 가능한 대응하는 기능적 수단에 의해 수행될 수도 있다.
정보 및 신호들은 다양한 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 이용하여 표현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 설명의 전반에 걸쳐 언급될 수도 있는 데이터, 명령들, 커맨드들, 정보, 신호들, 비트들, 심볼들, 및 칩 (chip) 들은 전압들, 전류들, 전자기파들, 자기 장들 또는 입자들, 광학 장들 또는 입자들, 또는 이들의 임의의 조합으로 표현될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 구현들과 관련되어 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 방법 단계들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들 양쪽의 조합들로서 구현될 수도 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 상호교환가능성을 명확히 예시하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들을 그들의 기능성 관점에서 일반적으로 상술되었다. 이러한 기능성이 하드웨어로서 또는 소프트웨어로서 구현되는지 여부는 전체 시스템에 부과되는 설계 제약들 및 특정 애플리케이션에 의존한다. 설명된 기능성은 각각의 특정 애플리케이션에 대한 다양한 방법들로 구현될 수도 있지만, 이러한 구현 판정들은 구현들의 범위로부터의 벗어남을 야기시키는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 명세서에 개시된 구현들과 관련되어 설명된 다양한 예시적인 블록들, 모듈들, 및 회로들은 본 명세서에서 설명되는 기능들을 수행하도록 설계된 범용 하드웨어 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적 회로 (ASIC), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그래밍가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 하드웨어 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안적으로는, 그 하드웨어 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 또한, 하드웨어 프로세서는 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어, DSP 및 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 협력하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로도 구현될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 구현들과 관련되어 설명된 기능들 및 방법의 단계들은 하드웨어로, 하드웨어 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로, 또는 이들 둘의 조합으로 직접 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 그 기능들은 유형의 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체 상에 하나 이상의 명령들 또는 코드로서 저장되거나 또는 송신될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 랜덤 액세스 메모리 (RAM), 플래시 메모리, 판독 전용 메모리 (ROM), 전기적으로 프로그래밍가능한 ROM (EPROM), 전기적으로 소거가능한 프로그래밍가능 ROM (EEPROM), 레지스터들, 하드 디스크, 착탈가능 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는, 하드웨어 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 정보를 저장 매체에 기입할 수 있도록 하드웨어 프로세서에 커플링된다. 대안으로, 저장 매체는 하드웨어 프로세서와 일체적일 수도 있다. 디스크 (disk) 및 디스크 (disc) 는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 콤팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광 디스크, 디지털 다기능 디스크 (DVD), 플로피 디스크 및 블루레이 디스크를 포함하며, 여기서 디스크 (disk) 들은 데이터를 자기적으로 보통 재생하지만, 디스크 (disc) 들은 레이저로 데이터를 광학적으로 재생한다. 또한, 상기의 조합들도 컴퓨터 판독가능 매체들의 범위 내에 포함되어야 한다. 하드웨어 프로세서 및 저장 매체는 ASIC 에 상주할 수도 있다. ASIC 는 사용자 단말기에 상주할 수도 있다. 대안적으로, 하드웨어 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기에 개별 컴포넌트들로서 상주할 수도 있다.
본 개시물을 요약할 목적으로, 소정의 양태들, 이점들 및 신규한 피처들이 본 명세서에 설명되었다. 임의의 특정 구현에 따라 모든 이러한 이점들이 반드시 달성될 수도 있는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 교시되거나 제안될 수도 있는 바와 같은 다른 이점들을 반드시 달성하는 일 없이 본 명세서에서 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수도 있다.
상술된 구현들의 다양한 변경들이 쉽게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반 원리들은 본 출원의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 다른 구현들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 출원은 본 명세서에서 보여진 구현들로 제한되도록 의도된 것이 아니라, 본 명세서에 개시된 원리들과 신규한 피처들에 부합하는 가장 넓은 범위를 부여받게 하려는 것이다.

Claims (30)

  1. 물체 (object) 의 존재를 검출하기 위한 장치로서,
    인쇄 회로 보드;
    상기 인쇄 회로 보드의 중심 부분 상에 배치된 적어도 하나의 레이더 송신 안테나;
    상기 인쇄 회로 보드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들로서, 상기 레이더 수신 안테나들 각각은 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나로부터 레이더 신호를 수신하도록 구성되는, 상기 복수의 레이더 수신 안테나들; 및
    상기 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일
    을 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송신 코일은 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나를 둘러싸는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송신 코일에 인접하게 배치된 상기 무선 충전기의 제 2 송신 코일을 더 포함하고,
    적어도 하나의 송신 안테나는 상기 제 1 및 제 2 송신 코일들의 코너에 인접하게 그리고 상기 제 1 및 제 2 송신 코일들의 각각의 사이에 배치되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송신 코일에 인접하게 배치된 상기 무선 충전기의 제 2 송신 코일을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나는 제 1 레이더 송신 안테나 및 제 2 레이더 송신 안테나를 포함하고,
    상기 제 1 송신 코일은 상기 제 1 레이더 송신 안테나를 둘러싸고 상기 제 2 송신 코일은 상기 제 2 레이더 송신 안테나를 둘러싸는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    레이더 프로세싱 회로를 더 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    상기 레이더 프로세싱 회로로부터 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나 및 상기 복수의 레이더 수신 안테나들을 연결해제하는 것;
    상기 레이더 프로세싱 회로에서 유도된 크로스토크 신호를 결정하는 것; 및
    수신된 상기 레이더 신호로부터 상기 크로스토크 신호를 감산 (subtracte) 하는 것
    에 의해 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나와 상기 복수의 레이더 수신 안테나들 사이의 크로스토크를 소거하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    레이더 프로세싱 유닛의 송신 안테나 포트가 상기 레이더 프로세싱 유닛의 수신 안테나 포트에 연결되는 동안 상기 장치의 임펄스 응답을 측정하는 것;
    측정된 상기 임펄스 응답의 역 함수를 갖는 등화 필터를 수신된 상기 레이더 신호에 적용하는 것
    에 의해 상기 장치의 임펄스 응답을 등화하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    시간-차분 검출로서, 상기 레이더 프로세싱 회로는 수신된 상기 레이더 신호를 필터링하고; 필터링된 상기 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과할 때 상기 물체의 존재를 결정하도록 구성되는, 상기 시간-차분 검출; 및
    공간-차분 검출로서, 상기 레이더 프로세싱 회로는, 상기 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트 중 적어도 하나의 레이더 수신 안테나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과하고 상기 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트 중 적어도 하나의 다른 레이더 수신 안테나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 상기 미리 결정된 임계치를 초과하지 않을 때, 상기 물체의 존재를 결정하도록 구성되는, 상기 공간-차분 검출
    중 적어도 하나를 활용하여 상기 물체의 존재를 검출하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  9. 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법으로서,
    인쇄 회로 보드의 중심 부분 상에 배치된 적어도 하나의 레이더 송신 안테나로부터의 레이더 신호를 송신하는 단계;
    상기 인쇄 회로 보드의 주변부 상에 배치된 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트를 적어도 활용하여 상기 레이더 신호를 수신하는 단계;
    수신된 상기 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 레이더 프로세싱 회로를 활용하여 상기 물체의 존재를 결정하는 단계; 및
    상기 물체의 존재를 결정하는 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 인쇄 회로 보드 위에 배치된 무선 충전기의 제 1 송신 코일에 전력을 공급하는 단계
    를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 송신 코일은 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나를 둘러싸는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 송신 코일에 인접하게 배치된 상기 무선 충전기의 제 2 송신 코일을 더 포함하고,
    적어도 하나의 송신 안테나는 상기 제 1 및 제 2 송신 코일들의 코너에 인접하게 그리고 상기 제 1 및 제 2 송신 코일들의 각각의 사이에 배치되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나는 제 1 레이더 송신 안테나 및 제 2 레이더 송신 안테나를 포함하고,
    상기 제 1 송신 코일은 상기 제 1 레이더 송신 안테나를 둘러싸고 제 2 송신 코일은 상기 제 2 레이더 송신 안테나를 둘러싸는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나와 상기 복수의 레이더 수신 안테나들 사이의 크로스토크를 소거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 소거하는 단계는,
    레이더 프로세싱 회로로부터 상기 적어도 하나의 레이더 송신 안테나 및 상기 복수의 레이더 수신 안테나들을 연결해제하는 단계;
    상기 레이더 프로세싱 회로에서 유도된 크로스토크 신호를 결정하는 단계; 및
    수신된 상기 레이더 신호로부터 상기 크로스토크 신호를 감산하는 단계
    를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 장치의 임펄스 응답을 등화하는 단계를 더 포함하고,
    상기 등화하는 단계는,
    레이더 프로세싱 유닛의 송신 안테나 포트가 상기 레이더 프로세싱 유닛의 수신 안테나 포트에 연결되는 동안 상기 임펄스 응답을 측정하는 단계;
    측정된 상기 임펄스 응답의 역 함수를 갖는 등화 필터를 수신된 상기 레이더 신호에 적용하는 단계
    를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 물체의 존재를 결정하는 단계는,
    수신된 상기 레이더 신호를 필터링하는 것; 필터링된 상기 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과할 때 상기 물체의 존재를 결정하는 것을 포함하는 시간-차분 검출; 및
    상기 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트 중 적어도 하나의 레이더 수신 안테나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과하고 상기 복수의 레이더 수신 안테나들의 서브세트 중 적어도 하나의 다른 레이더 수신 안테나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 상기 미리 결정된 임계치를 초과하지 않을 때, 상기 물체의 존재를 결정하는 것을 포함하는 공간-차분 검출
    중 적어도 하나를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  16. 물체의 존재를 검출하기 위한 장치로서,
    무선 충전가능 차량에 부착된 적어도 하나의 레이더 안테나; 및
    레이더 프로세싱 회로를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나는:
    상기 차량이 상기 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 상기 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 레이더 신호를 송신하고; 그리고
    상기 레이더 신호를 수신하도록 구성되고,
    상기 레이더 프로세싱 회로는:
    수신된 상기 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 상기 공간에서의 상기 물체의 존재를 결정하고; 그리고
    상기 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나는 이용하고 있지 않을 때 상기 차량의 리세스 (recess) 에 저장되고, 이용하고 있을 때 상기 물체의 존재를 결정하기에 충분한 상기 리세스의 외측의 높이로 전개되도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나는 이용하고 있을 때 회전 또는 스윙 방식 중 하나로 이동하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나는 상기 차량의 이동의 1 차 방향에 실질적으로 수직인 차원을 따라 어레이에 배열된 복수의 레이더 안테나들을 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나는 상기 차량의 이동의 1 차 방향으로 상기 무선 전력 수신기로부터 미리 결정된 거리에 배치되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    상기 레이더 프로세싱 회로로부터 상기 적어도 하나의 레이더 안테나를 연결해제하는 것;
    상기 레이더 프로세싱 회로에서 유도된 크로스토크 신호를 결정하는 것; 및
    수신된 상기 레이더 신호로부터 상기 크로스토크 신호를 감산하는 것
    에 의해 크로스토크를 소거하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    레이더 프로세싱 유닛의 송신 안테나 포트가 상기 레이더 프로세싱 유닛의 수신 안테나 포트에 연결되는 동안 임펄스 응답을 측정하는 것;
    측정된 상기 임펄스 응답의 역 함수를 갖는 등화 필터를 수신된 상기 레이더 신호에 적용하는 것
    에 의해 상기 장치의 임펄스 응답을 등화하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이더 프로세싱 회로는,
    시간-차분 검출로서, 상기 레이더 프로세싱 회로는 수신된 상기 레이더 신호를 필터링하고; 필터링된 상기 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과할 때 상기 물체의 존재를 결정하도록 구성되는, 상기 시간-차분 검출; 및
    공간-차분 검출로서, 상기 레이더 프로세싱 회로는, 적어도 하나의 레이더 안테나들 중 하나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과하고 상기 적어도 하나의 레이더 안테나들 중 다른 하나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 상기 미리 결정된 임계치를 초과하지 않을 때, 상기 물체의 존재를 결정하도록 구성되는, 상기 공간-차분 검출
    중 적어도 하나를 활용하여 상기 물체의 존재를 검출하도록 구성되는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치.
  24. 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법으로서,
    차량이 상기 차량의 이동의 1 차 방향으로 이동함에 따라 무선 충전기와 상기 차량의 무선 전력 수신기 사이의 공간으로 상기 차량 상의 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 레이더 신호를 송신하는 단계;
    상기 차량 상의 상기 적어도 하나의 레이더 안테나를 활용하여 상기 레이더 신호를 수신하는 단계;
    수신된 상기 레이더 신호의 적어도 하나의 특성에 기초하여 상기 물체의 존재를 결정하는 단계; 및
    상기 물체의 존재를 결정한 것에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 무선 충전기로부터의 전력을 수신하기 위한 표시를 제공하는 단계
    를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나를, 이용하고 있지 않을 때 상기 차량의 리세스에 저장하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나를, 이용하고 있을 때 상기 물체의 존재를 결정하기에 충분한 상기 리세스의 외측의 높이로 전개시키는 단계
    를 더 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 송신하는 단계와 상기 수신하는 단계 중 하나의 단계 또는 이들 양쪽의 단계들 동안 회전 또는 스윙 방식 중 하나로 상기 적어도 하나의 레이더 안테나를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    크로스토크를,
    상기 장치의 레이더 프로세싱 회로로부터 상기 적어도 하나의 레이더 안테나를 연결해제하는 것;
    상기 레이더 프로세싱 회로에서 유도된 크로스토크 신호를 결정하는 것; 및
    수신된 상기 레이더 신호로부터 상기 크로스토크 신호를 감산하는 것
    에 의해 소거하는 단계를 더 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 장치의 임펄스 응답을 등화하는 단계를 더 포함하고,
    상기 등화하는 단계는,
    레이더 프로세싱 유닛의 송신 안테나 포트가 상기 레이더 프로세싱 유닛의 수신 안테나 포트에 연결되는 동안 상기 임펄스 응답을 측정하는 단계;
    측정된 상기 임펄스 응답의 역 함수를 갖는 등화 필터를 수신된 상기 레이더 신호에 적용하는 단계
    를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 물체의 존재를 결정하는 단계는,
    수신된 상기 레이더 신호를 필터링하는 것; 필터링된 상기 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과할 때 상기 물체의 존재를 결정하는 것을 포함하는 시간-차분 검출; 및
    상기 적어도 하나의 레이더 안테나로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과하고 상기 적어도 하나의 레이더 안테나의 다른 것으로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 상기 미리 결정된 임계치를 초과하지 않을 때, 상기 물체의 존재를 결정하는 것을 포함하는 공간-차분 검출
    중 적어도 하나를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 물체의 존재를 결정하는 단계는, 적어도 하나의 레이더 안테나들 각각으로부터의 수신된 상기 레이더 신호가 미리 결정된 임계치를 초과할 때 상기 물체의 오존재 (false presence) 로서 차량의 이동을 식별하는 단계를 포함하는, 물체의 존재를 검출하기 위한 장치를 동작시키는 방법.
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