Inductively wireless power transfer is used in various applications to charge products including, but not limited to, electric-powered transportation carts, power tools, and cooking appliances. In particular, wireless power chargers for portable electronic devices, such as mobile phones, personal digital assistants (PDAs), or E-readers, have recently entered the market. This can enhance the convenience of charging portable devices without any cumbersome power cord. Although inductively coupled WPT has high efficiency, the spacing between the transmitting and receiving antennas must be very close. To solve this problem, the mid-range WPT technology with a spatial freedom has been required.
For efficient non-radiative mid-range WPT, the resonant coupling method which uses resonant transmitting and receiving antennas is being developed. The transfer efficiency of WPT using the resonant coupling method is sensitive to various conditions including a receiving antenna at different operating distances, close proximity of a metallic object, or multiple receiving devices because it is difficult to maintain a high Q-factor. Although several techniques such as automatic impedance matching circuit, frequency tracking, and metamaterials have been studied to obtain the stable efficiency of WPT in the near-field, impedance mismatch has still been a problem when a receiving antenna has been placed at the different operating distance with regard to the transmitting antenna.
In this dissertation, the antiparallel loop for the near-field power transfer and communications has been proposed.
The first aim is to theoretically analyze the mutual inductance between the transmitting and receiving antennas using a magnetic coupling and the corresponding transfer efficiency with regard to the different operating distance in the near-field. Furthermore, the theoretical analysis related to the loaded Q-factor between the transmitting and receiving antennas in the near-field data communications has been performed. To overcome the impedance mismatch problem by the different operating distance, the fundamental design parameter for the power and data transfer has been analyzed, and the correlation between the design parameters such as the radii of the loop, the number of turns, and current ratio between the forward and reverse loops have been examined methodically and in detail.
The second is to give the basic solution for the impedance mismatch phenomenon within the operating distance. Based on the system approaches, the operating principle of the proposed antiparallel loop without the additional tuning circuits and complicated algorithms has been introduced. After analyzing the mutual inductance and the transfer efficiency of the proposed antiparallel loop within the operating range, the numerical simulation and experimental verification have been performed. To improve the degradation of the performance due to the problems that occur during the implementation of the proposed antiparallel loop, the capacitor-loaded antiparallel loop has also been proposed. It has been proved that the current-controlled characteristic of the capacitor-loaded antiparallel loop has the attractive performance for the near-field power and data transfer from the theoretical analysis and experimental verification.
Finally, since a receiving antenna is placed in a close proximity of a metallic plate in many practical applications (e.g. a HF RFID smart shelf system, a charging pad for mobile devices, or NFC terminals), the close proximity effects of metallic environments on the transmitting antenna using conventional and proposed antiparallel loops for near-field powering have been presented from the viewpoint of the frequency splitting and overall transfer efficiency with regard to the distance.
유도결합방식의 무선전력전송은 전기구동 운송수단, 전동공구, 주방 주리기구 등을 포함하는 다양한 충전 제품들에 널리 활용되고 있다. 특히 휴대 전화기, PDA, 전자북과 같은 휴대용 전자기기를 위한 무선 충전기가 최근 시장에 출시되고 있다. 이러한 무선 충전기기는 충전코드 없이 휴대용 기기들을 충전할 수 있어서 사용자에게 편리함을 제공해 준다. 하지만, 유도결합을 이용한 무선전력전송은 높은 효율에도 불구하고, 송수신안테나간의 동작거리가 매우 가까워야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공간 자유도를 갖는 수십 cm 거리에서의 무선전력전송 기술이 요구되고 있다.
효율적인 비방사 수십 cm 거리의 무선전력전송을 위해서는 공진형 송수신 안테나를 사용하는 공진형 커플링 방식이 개발되고 있다. 다양한 동작거리를 갖는 수신 장치의 위치, 금속 물체 주위에서의 동작, 다중 수신 장치를 갖는 경우에 공진형 방식을 사용하는 무선전력전송의 전송효율은 높은 Q-factor를 유지가 어려워서 매우 민감하게 반응한다. 이러한 문제에 대하여 자동 임피던스 보정 회로를 이용하거나, 공진주파수를 추적하여 해당 주파수로 동작하는 방법, 혹은 메타 물질을 이용하는 방법을 통하여 근접장에서 안정적인 전송효율을 갖도록 연구되었지만, 송신안테나에 따른 수신안테나의 동작거리가 변경될 때, 임피던스 부정합으로 인하여 전송효율 및 통신환경에 열악한 성능을 갖는 문제가 발생된다.
본 학위논문에서는 근접장에서 전력전송 및 데이터 통신을 위한 역평행 루프를 제안하였다. 논문의 주요한 내용은 다음과 같다.
첫번째로 근접장 중 다양한 동작거리에서의 자계 커플링을 이용하는 송수신 안테나에서, 안테나간의 상호인덕턴스 및 그에 상응하는 전송효율을 이론적으로 분석하였다. 더욱이, 송신안테나로부터 근접장의 수신안테나에 의한 부하시Q값에 의한 변화를 이론적으로 분석하였다. 동작거리의 변경에 따라 임피던스 부정합 문제를 해결하기 위하여 전력 및 데이터 전송 관점에서 근본적인 설계 파라메터를 살펴보고, 또한, 루프의 반경, 턴수, 순방향 및 역방향간의 전류비 등의 설계 파라메터간 상호관계를 세세히 분석하였다.
이러한 이론적인 분석을 바탕으로 동작거리에 따른 임피던스 부정합 현상의 근본적인 해결책으로 전력전송 및 통신을 위한 시스템 관점에서 추가적인 매칭 회로 및 알고리즘을 요구하지 않는 역평행 루프를 제안하고, 그에 따른 동작원리를 소개하였다. 동작범위 안에서 제안한 역평행 루프를 이용한 송신안테나와 수신안테나 간의 상호 인덕턴스와 전송 효율을 분석한 후에, 모의해석과 실험적인 결과를 통하여 비교 및 검증하였다. 제안된 역평행 루프의 구현시 정확한 턴수비의 구현상의 문제로 인하여 발생되는 성능저하를 향상시키기 위해 커패시터 부하를 갖는 역평행 루프를 제안하였다. 커패시터 값의 변화를 통한 전류비의 변화로 역평행 루프 특성을 동일하게 갖도록 하며, 이론적인 분석과 실험적인 검증을 통해 근접장에서 전력 및 데이터 전송에 관한 성능을 비교 평가하였다.
마지막으로, 고주파 RFID 스마트 선반, 휴대장치의 충전패드, 근거리통신 단말기 등과 같은 실제 응용에서는 수신 코일이 금속판에 근접한 상태에 놓여지기 때문에 기존의 단방향 코일과 제안된 역평행 코일이 실제 이러한 금속환경에 근접했을 때, 동작거리에 따른 주파수 분리 및 전체적인 전송효율에 관점에서 성능을 검증하였다.
