[논문 리뷰] Wireless Power Transfer by Means of Electromagnetic Radiation Within an Enclosed Space

R. A. Moffatt|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 22.

Wireless Power Transfer Systems참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 반사벽을 갖는 밀폐된 공간에서 전자기 복사에 의한 무선 전력 전송을 조사하며, 수신기에서 간섭 최대화를 가능하게 하여 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 자유공간, 반사가 있는 경우, 밀폐된 실내 환경에서의 전력 전송 효율에 대한 분석 공식을 유도하며, 최적의 효율은 송신기와 효과적 흡수 면적의 비율에 따라 달라지며, 흡수가 제한된 경우 이론적 최고 전력 한계가 존재함을 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀폐된 환경에서 반사 표면이 자유공간과 비교해 방사 무선 전력 전송의 효율을 어떻게 향상시키는지 분석하는 것.
• 자유공간, 반사 표면이 있는 경우, 그리고 밀폐된 실내 환경에서의 전력 전송 효율에 대한 분석적 표현을 유도하는 것.
• 인간 등 물체의 흡수가 제한된 경우 전송 가능한 전력의 이론적 최고 한계를 결정하는 것.
• 흡수 제한을 우회하기 위해 흡수 표면에 파동 간섭 최소화 패턴을 설계할 수 있는지 탐색하는 것.
• 파동 간섭 최소화를 달성하기 위해 송신기 표면적은 흡수체 표면적보다 작아지지 않아야 한다는 필수 조건을 설정하는 것.

제안 방법

• 자유공간 전력 전송을 모델링하기 위해 회절 한계가 있는 빔 이론을 사용하며, 이미지 평면에서 강도 분포를 기술하기 위해 제1종 제수함수를 적용한다.
• 전자기 상호성 정리를 적용하여 전송 경로를 반전시켜, 수신기 시점에서의 효율을 유도한다.
• 밀폐된 공간을 반사벽을 갖는 공진기로 모델링하며, 송신 어레이에서 수신기 및 흡수체로의 장파면 전파를 행렬 형식으로 표현한다.
• 흡수 표면에서 간섭 최소화를 유도하기 위해 특이값 분해 및 의사역행렬 기법(식: S†(SS†)⁻¹S)을 사용한다.
• 간섭 최소화 조건을 유도: 송신 어레이의 표면적은 흡수체의 총 표면적보다 작아지면 안 된다.
• 등방성 복사 환경 모델을 사용하여 안테나와 평평한 표면의 효과적 흡수 면적을 비교하며, 평균 효과적 면적 λ²/(2π)를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀폐된 공간에서 반사벽이 존재할 경우 자유공간과 비교해 방사 무선 전력 전송의 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 인간 또는 기타 물체의 흡수가 제한된 경우 전력 전송의 이론적 최고 한계는 무엇인가?
• RQ3 흡수체 표면에 간섭 최소화 패턴을 설계하여 흡수 제한을 우회할 수 있는가?
• RQ4 주어진 흡수체 표면에서 간섭 최소화 영역을 만들기 위해 필요한 최소 송신기 표면적은 얼마인가?
• RQ5 반사벽이 있는 밀폐된 환경에서 전력 전송 효율은 거리와 기하학적 구조에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 밀폐된 공간에서 반사벽은 특히 장거리 전송에서 수신기에서 간섭 최대화를 가능하게 하여 전력 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
• 매우 반사성이 높은 벽의 극한 조건에서 효율은 수신기 위치와 무관해지며, 오직 송신기 표면적과 실내의 효과적 흡수 면적의 비율에만 의존한다.
• 인간 또는 물체의 흡수가 제한된 경우 전력 전송의 최고 한계가 존재하며, 이 한계는 오직 송신기 표면적과 흡수 표면에서 허용 가능한 평균 전력 밀도의 최대치에만 의존한다.
• 흡수체 전체 표면에서 간섭 최소화를 유도하면 흡수 제한을 우회할 수 있으나, 이는 송신기 표면적이 흡수체 총 표면적보다 크거나 같아야 가능하다.
• 간섭 최소화를 달성하기 위한 조건은 송신 어레이의 표면적이 흡수체보다 작아지지 않아야 하며, 이는 행렬 S S†의 역행렬 가능성을 기반으로 유도된다.
• 모든 안테나의 평균 효과적 면적은 이득 패턴에 관계없이 항상 λ²/(2π)이며, 이는 등방성 복사 조건 하에서 동일 면적의 완전 흡수 표면이 흡수하는 전력과 일치한다.