New Design Method of Wireless Power Transfer System Using Loop Antennas

In this paper, we propose a new design method to design a wireless power transfer system using loop antennas for consumer electronics. This method can simply design a wireless power transfer system only using measurements of coupling coefficients and simple equations of equivalent circuit model about loop antennas without complicated electromagnetic analysis. Using the proposed design method, a wireless power transfer system with a pair of loop antennas operating at the frequency of 13.56 MHz, which have a dimension of $50{\times}50\;cm^2$, is designed and implemented. The input return loss, coupling coefficient, efficiency, and input impedance variation with respect to a distance between loop antennas were measured. The proposed design method provides good agreements between measured and predicted results. Also, the wireless power transfer system with impedance matching circuits designed by the proposed design method shows two times higher efficiency characteristics than the case with the general $50\;{\Omega}$ impedance matching circuits. Therefore, we verified that our design method could be an effective tool to design a wireless power transfer system.

루프 안테나를 이용한 무선 전력 전송 시스템의 새로운 설계법

본 논문에서는 가전기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 것을 목표로 루프 안테나를 이용한 무선 전력 전송 시스템의 새로운 설계 방법을 제안하였다. 본 설계 방법은 복잡한 전자기 시뮬레이션 없이 간단한 결합 계수의 측정과 루프 안테나의 등가 회로 모델에 대한 근사식만으로 무선 전력 전송 시스템을 설계할 수 있다. 본 논문에서 제시한 설계 방법에 따라 13.56 MHz에서 동작하는 $50{\times}50\;cm^2$ 크기를 갖는 루프 안테나 쌍을 설계하고, 거리에 따른 입력 반사 계수, 결합 계수, 효율 및 임피던스 변화를 측정하였다. 측정 결과, 본 논문에서 제안한 설계 방법이 입력 임피던스 특성을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 또한 50 cm 이하의 거리에서 본 논문의 설계 방법을 이용하여 임피던스 정합한 무선 전력 전송 시스템이 일반적인 $50\;{\Omega}$ 임피던스 정합 회로를 갖도록 설계된 경우보다 효율이 2배 정도 개선되는 것을 확인하여 제안한 설계법의 유용성을 확인하였다.