13.56 MHz Wireless Power Transfer System Using Loop Antennas with Tunable Impedance Matching Circuit

In this paper, we proposed a 13.56 MHz wireless power transfer system using loop antennas with tunable impedance matching circuits. In general, a wireless power transfer system shows an impedance mismatching due to a reflected impedance, because a coupling coefficient is varied with respect to separation distance between two resonating antennas. The proposed system can compensate the effect of this impedance mismatch owing to tunable impedance matching circuits using varactor diodes. Therefore, transmission efficiency is enhanced, moreover, the center frequency of the system is not changed, regardless of separation distance between two antennas. In order to demonstrate the performance of the proposed system, a wireless power transfer system with tunable impedance matching circuits is designed and implemented, which has a pair of loop antennas with a dimension of $30\;cm{\times}30\;cm$ cm. The input return loss, coupling coefficient, efficiency, and input impedance variation with respect to a distance between loop antennas were measured. From measured results, the proposed system shows enhanced performances than the case of the general fixed $50\;{\Omega}$ impedance matching circuits. Therefore, we verified that the proposed wireless power transfer system using the proposed impedance matching scheme will be able to ensure robust operation even when the separation distance of antennas is varied.

가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 MHz 무선 전력 전송 시스템

본 연구에서는 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 MHz 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템은 공진기간의 이격 거리가 변함에 따라 결합계수가 변하게 되며, 이는 반사 임피던스에 의한 임피던스 부정합을 발생시킨다. 본 연구에서 제안한 방식은 varactor 다이오드를 갖는 가변 임피던스 정합 회로를 사용함으로써 루프 안테나 간의 이격 거리 변화에 따른 임피던스 부정합을 보상할 수 있다. 따라서, 안테나간의 거리가 가까워 결합계수가 큰 경우에도 우모드와 기모드의 발생을 최소화하여 중심 주파수의 변화 없이 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법의 유용성을 입증하기 위하여 13.56 MHz에서 동작하는 $30\;cm{\times}30\;cm$ 크기의 루프 안테나를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 고정 임피던스 정합 회로와 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 경우로 각각 설계하고, 거리에 따른 입력 임피던스, 입력 반사 계수 및 효율 변화를 측정하였다. 또한 가변 임피던스 정합 회로를 송신기와 수신기의 한 쪽에만 사용하는 경우와 양 쪽 모두에 사용하는 경우를 비교 측정하였다. 측정 결과, 고정 임피던스 정합 회로보다 가변 임피던스 정합 회로를 사용하는 것이 효율이 개선되며, 한 쪽에만 사용하는 경우보다 양 쪽 모두에 사용하는 것이 개선된 효율을 보임을 확인하였다.