학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2014. 8. 남상욱.본 논문에서는 무선전력전송시스템을 구현할 때 고려해야 하는 실질적인 문제들의 해결책들을 제시하였다. 고효율의 무선전력전송시스템을 구현하기 위해서는 아직 해결되지 않은 문제들이 많이 남아있다. 적응형 정합 및 다수의 충전 문제들을 해결하기 위해서 새로운 방법들을 제안하였다. 또한 특성모드 방식을 이용하여 주변환경이 무선전력전송시스템에 미치는 영향을 분석하였다.
우선, 근접장 영역에서 무선전력전송시스템을 위한 적응형 정합방법들이 연구되었다. 거리의 변화에 따른 근접장을 이용한 무선전력전송시스템의 임피던스와 공진주파수의 특성에 대하여 분석하였다. 근접장의 영역에서 고효율의 무선전력전송을 위해서는 적응형 정합방법이 필수적이다. 이 논문에서는 동시 공핵정합 및 주파수 추적방식을 포함한 다양한 방식의 전력전송효율을 비교하였다. 분열된 공진주파수를 추적하는 방법을 이용하면 효율적인 적응형 정합이 가능한 사실을 발견하였다. 또한, 고효율의 무선전력전송이 가능한 거리를 확장시키는 개선된 주파수 추적방식을 제안하였다. 이론적인 결과들을 실험결과와 비교하여 검증하였다.
두 번째로, 효율적인 무선전력전송시스템을 위한 최적의 조건을 제시하였다. 그리고 수신기의 위치에 따라 송신기의 입력저항이 변할 때 무선전력전송시스템의 전력원으로 D급 전력증폭기를 사용하는 것이 유리하다. 실험을 통해서 이 논문에서 제안된 무선전력전송시스템을 증명하였다.
세 번째로, 무선전력전송시스템에서 다수의 수신기를 충전하는 방법을 제안하였다. 우선 근접장 영역에서 다수의 수신기가 가지는 주파수 특성을 분석하였다. 그 결과를 이용하여 시간분할방식의 무선전력전송시스템을 제안하였다. 제안한 방식을 이용하면 다수의 수신기에 고효율의 균등한 전력전송이 가능하다. 다수의 수신기를 충전할 경우 제안된 방식의 시스템의 유리하다는 결과를 확인하였다.
마지막으로 무선전력전송시스템의 주변환경에 대한 연구를 진행하였다. 주변환경의 영향을 분석하기 위해 특성모드 방식을 제안하였다. 전기적으로 작은 물체의 경우 그 물체의 전자기적인 반응은 소수의 특성모드만으로도 표현이 가능하다. 금속판과 작은 루프안테나의 시뮬레이션 결과와 제안된 이론을 통한 분석결과를 비교하여 검증하였다.This thesis presents solutions of the practical issues for implementation of wireless power transfer system (WPTS). There are many unresolved issues that remain in the implementation of highly efficient WPTS. To solve the adaptive matching and multiple charging problems, new methods are proposed. Also, to analyze the effect of surroundings of a WPTS, characteristic mode method was suggested.
First, adaptive matching methods for a WPTS in the near-field region are investigated. The impedance and resonant frequency characteristic of a near-field power transfer system are analyzed according to coupling distance. In the near-field region, adaptive matching is necessary to achieve an effective power transfer. We compare the power transfer efficiencies of several schemes including simultaneous conjugate matching and frequency tracking. It is found that effective adaptive matching can be easily achieved by tracking the split resonant frequency. In addition, a modified frequency tracking method is proposed to extend the range over which the power is transmitted with high efficiency. The experimental results are in agreement with the theoretical results.
Secondly, we found the optimal conditions for an efficient WPTS. Additionally, we found that a class-D PA has an advantage as a source when the input resistance changes with the position of the receiving antenna. The proposed WPTS was verified through the experimental results.
Thirdly, a multiple charging method for a wireless power transfer system in the near-field region is proposed. We analyzed the frequency characteristics of multiple receivers in the near-field region. The results suggested that the time division WPTS can achieve efficient and equal power transmission at multiple receivers. We conclude that this system has an advantage for charging multiple receivers.
Finally, the effect of the surroundings for a WPTS was investigated. The characteristic mode method was suggested to analyze the effect of the surroundings. For electrically small and intermediate size bodies, only a few characteristic modes are needed to characterize the electromagnetic behavior of the body. The theory is verified by a simulation with small loops and a metal plate.Abstract i
Contents iii
List of Figures vi
List of Tables x
1. Introduction 1
1.1 WPT Scenario 4
1.2 Characteristics of WPT 6
2. Investigation of Adaptive Matching Methods for Near-Field WPT 11
2.1 Introduction 11
2.2 Impedance Characteristic of Coupled Antennas 14
2.3 Frequency Characteristic of Coupled Antennas 19
2.4 The Effect of Port Impedance 22
2.5 Measurements 26
2.6 Summary 31
3. Simple Efficient Resonant coupling WPTS Operation at Varying Distance between Antennas 34
3.1 Introduction 34
3.2 Characteristic of the Two coupled Antennas 36
3.3 Comparison of Source Types 45
3.4 Sinulation and Measurement 47
3.5 Summary 53
4. Analysis of WPT Characteristics for Multiple Receivers by Time Sharing Technique 56
4.1 Introduction 56
4.2 Frequency Characteristics of Multiple Receivers 58
4.3 Characteristics of the Time Division WPTS 61
4.4 Summary 64
5. Investigatoin of the Effect of Surroundings using Characteristic Mode Method for WPT 67
5.1 Introduction 67
5.2 Characteristic Currents 69
5.3 Modal solutions 72
5.4 Modified Z-matrix 75
5.5 Example 79
5.6 Summary 89
6. Conclusion 91
A. Appendix 94
A.1 Computaion of Generalized Eigenvalue Equation 94Docto
