A novel synthesized magnetic field focusing technology (SMF) is firstly proposed and non-radiative but focused magnetic field is experimentally demonstrated as one-dimensional and two-dimensional exam-ples. Contrary to common belief, a magnetic field can be focused arbitrarily by increasing the number of cur-rent-controlled transmitting coils in a manner similar to that of conventional beam-forming. However, the proposed SMF is independent of the frequency when it ranges from the DC to the RF. Chronic problems as-sociated with conventional wireless power transfer and magnetic induction tomography technologies, for ex-ample, poor resolution and electromagnetic interference due to the extent of the magnetic field, can be re-solved by using the proposed SMF technology.
At the verification of one-dimensional (1-D) SMF, spatial resolution of the magnetic field of an exper-imental setup composed of ten transmitting coils spaced 5 cm apart with a 90-cm-long ferrite core was 12.5 cm at a distance of 10 cm, which is four times of that of a non-focusing case and which may increase if more coils are used. The measured main-lobe to side-lobe ratio (MSR) for the focused case was 10.4 dB, and with empirically determined current distribution for the suppression of the side-lobe, the MSR was improved to 20 dB at a resolution expense of 28% but with a lower maximum current by 21%.
Two-dimensional (2-D) SMF is also verified with simulation and experimental setup for ten-by-ten (10 x 10) core structure with 100 transmitting coils which are spaced 1 cm apart from each other. Theoretical derivation of 2-D SMF, based on the Biot-Savart’s law, showed a limitation that it does not consider the ef-fect of core structure. To deal with this problem, numerical analysis that can calculate current distribution based on the magnetic flux densities obtained from simulation, is adopted and experimentally verified.
Due to practical obstacles for verifying the 2-D SMF, step-by-step experimental procedures are ex-plained in detail to achieve field focusing 3 cm apart from transmitting coil array. To minimize the air gap between each core, 10 x 10 core structure was fabricated with high pressure.
Agreement of theoretical derivation, simulation, and experimental results was preferentially verified for single coil driven case, to achieve the magnetic focusing using whole transmitting coil array. Two-dimensional magnetic focusing was partially achieved for only x-directional components, with the spatial resolutions for longitudinal and lateral direction of 2.2 cm and 1.5 cm, respectively, which were improved about twice for longitudinal direction and about 1.5 times for lateral direction compared to non-focused case using single coil.
본 논문에서는 일반적으로 방사하는 성질을 가지는 자장 분포를, 다수의 송신 코일을 사용하여 원하는 위치에 집속할 수 있는 고해상도 합성 자장 집속 기술을 새롭게 제안하였다. 본 기술을 통해 무선통신에서의 빔 포밍 (Beam-forming) 기술과 같이 임의의 위치에 원하는 자장 분포를 만들 수 있으며, 해상도가 수 cm인 기존의 자기 유도 영상 (Magnetic Induction Tomog-raphy, MIT) 기술에서의 낮은 해상도 문제와, 무선전력 전송에서의 높은 Electromagnetic field (EMF) 등의 문제를 해결하는 데에도 적용이 가능하다.
제안하는 합성 자장 집속 기술은 직류부터 고주파의 Radio frequency (RF)까지 모든 주파수에 대하여 적용이 가능하여 그 응용분야가 무궁무진하다. 자장의 높은 투과성을 이용한 군사용 투시 목적이나 지하 탐사, 강한 자장에 의한 발열을 이용한 암 치료 등의 분야에도 적용할 수 있으며, 새로운 RF 바코드의 개발을 통해 수백 조원의 물류 시장의 창출이 가능할 것으로 예상된다.
2장에서는 1차원 구조에 대한 본 기술의 이론적인 증명과 기본적인 동작 검증을 다루고 있으며, 10개의 송신 코일을 이용하여 12.5 cm의 해상도를 달성하였고, 이는 자장 집속을 하지 않은 경우와 비교하여 4배 가량 높은 해상도를 가지게 된다. 중앙 지점에 자장을 집속함에 있어 측정 포인트 사이에 원치 않는 자장 분포 (side-lobe)가 형성되는데, 이는 경험적으로 얻어 낸 전류 값 제어를 통해 20 dB의 main-lobe to side-lobe ratio (MSR) 향상을 달성할 수 있다.
3장에서는 2차원 구조에 대한 본 기술의 이론적인 유도와 시뮬레이션, 실험을 통한 동작 검증의 내용을 다루고 있다. 10 x 10 행렬의 형태로 배열된 송신 코일 어레이에서 3 cm 떨어진 지점에 자장 집속을 시도하였고, 실험을 통한 검증의 과정에서 직면한 여러 시행착오를 극복하는 과정에 대하여 자세히 기술하였다. 코일을 감은 코어 셀을 여러 개 이어 붙이는 과정에서 발생하는 코어 간 공극을 최소화하는 것이 2차원 구조에서의 동작 검증에 주요한 역할을 하며, 이는 제작 시 프레스를 이용, 강한 압력을 가함으로써 달성 가능하다.
2차원 구조를 이용하여 자장을 집속하기 위해서는 한 개의 코일만을 사용한 경우에 대한 이론과 시뮬레이션, 실험이 일치해야 이로부터 100개의 코일을 모두 사용한 경우에 대한 집속 전류 값을 계산이 가능한데, 비오-사바르 법칙을 통한 이론적 전개는 이상적인 유한 길이 직선 도선에 대한 근사이므로 시뮬레이션, 실험과 불일치하는 결과를 보였다. 따라서 시뮬레이션을 통해 얻은 값을 기초로 행렬 계산을 수행하여 100개의 코일에 대한 집속 전류 값을 다시 계산하였으며, x 성분 자장 분포에 대한 부분적인 자장 집속이 가능함을 실험적으로 증명하였고, 집속하지 않은 경우와 비교하여 가로방향으로는 약 2배, 세로방향으로는 약 1.5배의 해상도 향상 달성을 확인하였다.
