Recently, interest in the wireless power transfer technology has been rapidly increasing, the microwave power transfer technology is emerging for applications of the transmission distance much farther than magnetic resonance techniques only effective to the target of a very short distance. Most of previous microwave power transfer systems are studied primarily for very long distance applications such as solar power satellites. In recent years, however, as the demand for wireless charging for mobile devices and IoT sensors has rapidly increased, microwave power transfer systems for mid-range applications in indoor environments have been developed. Recent applications such as mobile devices and IoT sensors in the indoor environment require just a distance of several meters, not requiring wireless charging of a too long distance.
Unfortunately, Friis transmission equation based method which has been widely used in a variety of conventional microwave systems such as communication and radar, cannot be applied to the microwave power transfer system with mid-range applications. Another conventional method, Goubau formula used in recently developed MPT systems is also not valid for mid-range targets. Moreover, using commercial EM solvers for accurate analysis consumes too much computation time and computer resources. Therefore, in this dissertation, a new novel method of analyzing microwave power transfer systems called ‘element based ray method’ is proposed. The proposed method is verified to be much simpler and faster to analyze with similar accuracy to commercial EM simulators.
On the other hand, in order to concentrate wireless power on mobile devices in indoor environment, the power transmitter is designed to have a retrodirective structure. Previous retrodirective arrays have been used to automatically generate beams on moving targets, while they can also perform near-field focused beamforming for mid-range applications. When the retrodirective transmitter radiates power, the phenomenon that radio power is concentrated in the receiver position is analyzed by using the proposed analysis method. And a new accurate mathematical expression of the microwave focal width, which is an indicator of how much power is focused is proposed. The optimal numbers of transmitting and receiving antennas are mathematically proposed using the analyzed results. In addition, the analysis of the power combining methodologies at rectenna array is carried out, and DC parallel power combining technique is confirmed to be appropriate for MPT systems.
Furthermore, the ground reflection effects are analyzed to take into account the multipath environment of the indoor. It is confirmed that microwave power transfer systems should be designed to have a certain height on the ground so that the power transfer efficiency is not seriously reduced by the ground reflection effect.
To experimentally verify the proposed theories, a microwave power transfer system operating at 2.45 GHz frequency is implemented. The transmitter is designed to perform retrodirective operation, and the receiver is designed to have a beacon generator and rectenna array structure. Experimental results from the implemented MPT system show good agreement with the proposed theories.
최근에는 무선 전력 전송 기술에 대한 관심이 급속도로 증가하고 있으며, 마이크로파 전력 전송 기술은 자기 공명 기술보다 훨씬 먼 거리의 응용 분야에 대해서 매우 짧은 거리의 목표에만 효과적으로 나타나고있다. 이전의 마이크로 웨이브 전력 전달 시스템의 대부분은 주로 태양 광 위성과 같은 장거리 어플리케이션에 대해 연구되었다. 그러나 최근에는 모바일 장치 및 IoT 센서에 대한 무선 충전 요구가 급격히 증가함에 따라 실내 환경에서 미드 레인지 애플리케이션을위한 마이크로파 전력 전달 시스템이 개발되고 있다. 실내 환경에서 모바일 장치 및 IoT 센서와 같은 최근의 어플리케이션은 수 미터의 거리를 필요로하므로 너무 긴 거리의 무선 충전을 요구하지 않는다.
불행하게도, 통신 및 레이더와 같은 다양한 종래의 마이크로파 시스템에서 널리 사용 되어온 Friis 전송 방정식 기반 방법은 미드 레인지 애플리케이션을 갖는 마이크로파 전력 전달 시스템에 적용될 수 없다. 최근 개발 된 MPT 시스템에 사용 된 또 다른 기존 방법 인 Goubau 공식은 중간 범위 목표에도 유효하지 않다. 더욱이, 정확한 분석을 위해 상용 EM 솔버를 사용하면 계산 시간과 컴퓨터 리소스가 너무 많이 소모된다. 따라서 본 논문에서는 요소 기반 레이 기법 (Element based ray method)이라 불리는 마이크로 웨이브 전력 전달 시스템을 분석하는 새로운 방법을 제안 하였다. 제안 된 방법은 상용 EM 시뮬레이터와 비슷한 정확도로 훨씬 간단하고 신속하게 분석 할 수있다.
한편, 실내 환경에서 모바일 기기에 무선 전력을 집중시키기 위해 전력 송신기는 역방향 (retrodirective) 구조로 설계되었다. 이전의 역방향 배열은 이동하는 대상에서 자동으로 광선을 생성하는 데 사용되었지만 중간 범위의 어플리케이션에 대해서는 근거리 집속 된 빔 형성을 수행 할 수 있다. 역방향 송신기가 전력을 방사 할 때, 제안 된 분석 방법을 사용하여 무선 전력이 수신기 위치에 집중되는 현상이 분석되었다. 그리고 얼마나 많은 전력이 집중되어 있는가를 나타내는 지표인 마이크로파 초점 폭의 새로운 정확한 수학적 표현이 제안되었다. 해석된 결과를 이용하여 송수신 안테나의 최적 개수를 수학적으로 제안하였다. 또한, rectenna array에서의 power combining 방법론에 대한 분석을 수행하였으며, MPT 시스템에 적합한 DC 병렬 전력 결합 기법을 확인 하였다.
또한 지상 반사 효과를 분석하여 실내의 다중 경로 환경을 고려한다. 마이크로 웨이브 전력 전달 시스템은 지상 반사 효과에 의해 전력 전달 효율이 심각하게 감소되지 않도록 지상에 일정한 높이를 갖도록 설계되어야한다는 것이 확인되었다.
제안된 이론을 실험적으로 검증하기 위해 2.45 GHz 주파수에서 작동하는 마이크로 웨이브 전력 전달 시스템이 구현되었다. 송신기는 역방향 조작을 수행하도록 설계되었으며 수신기는 비콘 생성기 및 렉테나 배열 구조를 갖도록 설계되었다. 구현 된 MPT 시스템의 실험 결과는 제안된 이론과 잘 일치한다.
