[論文レビュー] Wireless Power Transfer by Means of Electromagnetic Radiation Within an Enclosed Space

R. A. Moffatt|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2016

Wireless Power Transfer Systems参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、閉じた空間内での電磁放射を用いた無線給電を調査し、反射壁が受信側での干渉の強化を可能にすることで、著しく効率を向上させることを示している。自由空間、反射あり、閉じた部屋内における給電効率の解析的式を導出し、最適効率が送信側の表面積と等価吸収面積の比に依存することを示している。また、吸収が制限される場合の理論的最大出力限界も提示している。

ABSTRACT

In this paper, wireless power transfer by means of electromagnetic radiation is investigated. Formulas are derived for the efficiency of the power transfer in free space, in the presence of reflecting surfaces, and within enclosed spaces. It is found that the presence of reflecting surfaces has the capacity to substantially enhance the efficiency of power transfer at long range. An upper limit is also found for the transferred power when constraints are imposed on certain forms of undesired absorption. For the sake of simplicity, only the efficiency of the radiative power transfer is considered. Losses due to resistance in the antenna structures or inefficiencies in RF to DC conversion are neglected.

研究の動機と目的

• 閉じた環境における反射面が自由空間と比較して、放射型無線給電の効率に与える影響を分析すること。
• 自由空間、反射面あり、閉じた部屋内というさまざまな条件下での給電効率の解析的式を導出すること。
• 人体などの物体による吸収が制限される場合の、伝送可能出力の理論的上限を特定すること。
• 吸収体に破壊的干渉パターンを形成することで、吸収限界を回避できるかを検討すること。
• 破壊的干渉を達成するための必要条件として、送信側の表面積が吸収体の表面積以上でなければならないことの確立。

提案手法

• 自由空間給電をモデル化するため、回折限界ビーム理論を用い、像面上の強度分布を第1種ベッセル関数で記述する。
• 電磁的双対定理を適用して伝送経路を逆転させ、受信側の観点から効率を導出可能にする。
• 閉じた空間を反射壁を持つキャビティとしてモデル化し、送信アレイから受信器および吸収体への場の伝搬を行列形式で表現する。
• 特異値分解と疑似逆行列技術（S†(SS†)⁻¹Sを用いて、吸収表面に破壊的干渉を生じさせる信号を計算する。
• 破壊的干渉の条件を導出し、送信アレイの表面積が吸収体の全表面積以上でなければならないことを示す。
• 等方的放射浴モデルを用いて、アンテナと平面表面の有効吸収面積を比較し、平均有効面積がλ²/(2π)であることを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じた空間内に反射壁が存在する場合、自由空間と比較して放射型無線給電の効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 人体や他の物体による吸収が制限される場合、理論的出力上限は何か？
• RQ3 吸収体の表面全体に破壊的干渉を設計することで、吸収限界を回避できるか？
• RQ4 与えられた吸収体の表面に破壊的干渉領域を生成するために必要な最小の送信側表面積は何か？
• RQ5 反射壁を有する閉じた環境において、給電効率は距離および幾何的配置にどのように依存するか？

主な発見

• 閉じた空間内に反射壁があると、受信側での強め合い干渉を可能にすることで、特に長距離伝送において給電効率が顕著に向上する。
• 非常に高い反射率の壁を仮定した極限において、効率は受信位置に依存せず、送信側表面積と部屋の等価吸収面積の比にのみ依存する。
• 人体や物体による吸収が制限される場合、伝送可能出力に理論的上限が存在し、この上限は送信側表面積と吸収面における許容される平均電力密度の最大値にのみ依存する。
• 吸収体の表面全体に破壊的干渉を形成することで、吸収限界を回避可能であるが、これは送信側の表面積が吸収体の全表面積以上である場合に限る。
• 破壊的干渉を達成するための条件は、送信アレイの表面積が吸収体の表面積以上でなければならないことであり、これは行列SS†の逆行列可能性に基づいて導出される。
• いかなる利得パターンを有するアンテナであっても、平均有効面積はλ²/(2π)であり、これは等方的放射下での完全吸収面積と一致する。