The method of wireless power transmission which uses magnetic resonance is similar to magnetic induction method that is used for electric shaver and cell-phone power transmission. These two methods use the magnetic field to transmit the power to the receiver. Magnetic induction method has high power transmission efficiency. But, power transmission range of this method is very short. On the other hand, magnetic resonant method has relatively high power transmission efficiency and long transmission range. However, most of magnetic resonant wireless power transmission system use low resonant frequency(about MHz). It is hard to integrate the wireless power transfer system which uses low resonant frequency to bio implant devices because of antenna size. There is another problem of the wireless power transfer system using coil antenna. If we use coil antenna to transmit the power to the receiving devices, the central axis of transmit and receive antenna should be matched to transmit the power efficiently. If not, power transfer efficiency is rapidly decreased. Also, wireless power transfer system using coil antenna is hard to integrate the circuit.
In this thesis, we select the slot antenna to transmit the power because slot antenna is easily to be integrated to the circuit. Then, we determined the resonant frequency as 910.4 MHz which is one of the ISM band(Industrial Scientific Medical band) frequency from 902 MHz to 928 MHz. High resonant frequency helps us to miniaturize the antenna because antenna size is determined from the wave length at the resonant frequency. Slot antenna size is generally represented as $\lambda/2$. But, it can be reduced to $\lambda/4$ by using half-slot antenna. So, the size of half-slot antenna is about 9 cm at the resonant frequency 910.4 MHz. To reduce the size of the antenna, we insert C shape structure in the main slot and use the sub-slot to make the current path much longer. From this process, we successfully miniaturize the antenna to 1.8 cm whose size is the same as reference system.
Existing wireless power transfer systems based on slot antenna use two slot antenna to transmit the power. If we use two slot antennas to transmit the power, source resistance and load resistance are directly connected to the antenna. Then, quality factor(Q-factor) which is related with power transfer efficiency is decreased. Therefore, to solve this problem, we proposed wireless power transfer system using 2 resonating slot antennas in this thesis. From this idea, source and load resistance are detached from the resonator which plays an important role for power transmission. So, the Q-factor of the resonator is increased. We also design the wireless power transfer system using 2 slot antennas to compare it with proposed wireless power transfer systems in the same environment. We derive the equation of power transfer efficiency and quality factor of conventional and proposed wireless power transfer systems.
We verify the derived equation and performance of proposed wireless power transfer system using simulation. We use matlab to calculate the numerical evaluation and obtain the highest Q-factor for proposed wireless power transfer systems. Then, we simulated the designed systems using CST microwave studio 2010 and obtained the power transfer efficiency from the simulation. The results of this simulation represent the power transfer efficiency of proposed wireless power transfer system using 4 slot antennas is higher than other systems.
자기 공진식 무선 전력 전송 방법은 최근 전기 면도기, 휴대전화 배터리 충전 등에서 무선 전력 전송 기술로 사용되고 있는 자기 유도식 전력 전송에서 사용하는 것과 같이 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 방법이다. 하지만 자기 유도식 전력 전송의 경우 전력의 전송거리가 매우 짧은 문제점이 존재하며 적당한 전송 거리를 보장하면서 높은 전송 효율을 나타내는 자기 공진식 전력 전송 방식이 자기 유도식 전력 전송의 단점을 보완하기 위한 기술로 대두되었다. 하지만 현재까지 연구된 자기 공진식 전력 전송의 경우 상대적으로 낮은 주파수를 사용하여 안테나의 크기가 크기 때문에 바이오 임플란트 장치에 적용 하는데 한계가 있다. 코일 안테나를 사용할 경우 송신단과 수신단의 중심축이 정확하게 일치했을 경우에 최대 효율을 보이고, 중심축이 일치하지 않을 경우 전송 효율의 감소가 심하게 일어나는 문제점도 존재한다. 또한 코일 안테나의 경우 시스템에 집적하기 어렵기 때문에 체내에 삽입되어야 하는 바이오 임플란트 장치에서는 사용이 힘들다.
본 논문에서는 코일 안테나의 집적 문제를 해결하기 위해서 상대적으로 시스템에 집적이 용이한 슬롯 안테나를 이용하는 전력 전송 방법을 선택하였다. 또한 바이오 임플란트 장치에 집적할 때 안테나의 크기 문제를 해결하기 위해서 제안하는 무선 전력 전송 시스템의 공진주파수를 산업, 과학, 의료용 기기에서 사용 가능한 주파수 대역인 ISM band인 902 $\sim$ 928 MHz에 해당하는 910.4 MHz를 사용하였다. 주파수가 높아질수록 안테나의 크기를 줄이는데 유리하기 때문에 흔히 자기 공진식 무선 전력 전송에서 사용하는 주파수보다 높은 주파수를 선택하였고, 슬롯 안테나의 크기를 줄이기 위해서 910.4 MHz에서 공진하는 하프-슬롯(half-slot) 안테나를 디자인하였다. 이렇게 디자인 된 일반적인 하프-슬롯 안테나의 크기를 줄이기 위해 주(main) 슬롯에 작은 슬롯이 이어지는 구조를 갖도록 하여 전체적으로 전류가 흐를 수 있는 길이를 늘려줌으로써 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분을 크게 하였다. 또한 주 슬롯 내부에 C 모양의 구조물을 삽입하여 C 모양 구조물에도 전류가 흐르도록 함으로써 안테나를 소형화 하였다. 실제 910.4 MHz에서 공진하는 하프-슬롯 안테나의 크기는 약 8 cm 정도이지만 본 논문에서는 안테나의 크기를 바이오 임플란트 장치에 집적이 가능하며 참조 시스템과 비교가 가능하도록 1.8 cm 크기만큼 안테나를 소형화 하였다. 또한 기존의 시스템보다 작은 크기의 안테나를 디자인하여 전송효율이 향상 되도록 하였다.
기존의 슬롯 안테나를 사용하는 전력 전송에서는 2개의 슬롯 안테나를 이용하여 전력을 전송한다. 하지만 2개의 슬롯 안테나를 사용할 경우 전력을 전송하고 받는 안테나에 소스(source)와 로드(load)의 저항이 직접적으로 연결되게 되어 안테나 자체의 Q-factor가 감소하는 효과가 나타난다. Q-factor가 감소하면 전달되는 전력 또한 감소하게 되기 때문에 이런 현상을 개선하기 위해서 본 논문에서는 2개의 슬롯 안테나를 공진기로 이용하는 슬롯 안테나 무선 전력 전송 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안된 슬롯 안테나를 이용하는 전력 전송 시스템의 성능을 평가하기 위해서 비교시스템으로 2개의 슬롯 안테나를 사용하는 기존의 무선 전력 전송 시스템을 같은 환경에서 디자인하여 3가지 시스템의 등가회로를 디자인하고 이로부터 전송효율과 Q-factor 값을 계산하였다.
또한 matlab과 CST microwave studio 2010을 이용한 시뮬레이션 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 공진 슬롯 안테나 기반 무선 전력 전송 시스템이 기존의 시스템보다 높은 Q-factor를 가지며 실제로 디자인한 안테나를 이용했을 때 제안하는 시스템이 참조 시스템에 비해 높은 전력 전송 효율을 나타낸다는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
