High-Q Spiral Zeroth-Order Resonators for Wireless Power Transmission

In this paper, various spiral zeroth-order resonators are proposed for wireless power transmission. Since a zerothorder resonance(ZOR) mode of meta-material transmission lines has the characteristic of an infinite wavelength, its frequency is independent of physical length. Also, to obtain high transmission efficiencies high-Q resonators and strong coupling coefficient between coupled resonators are required. Therefore, the resonators consist of spiral inductor and lumped capacitor to use the ZOR mode and they are optimized via parametric study and circuit analysis for a high-Q resonator design. The optimized resonators are simulated and compared with a conventional spiral resonator and one of them was fabricated and measured. The fabricated one has a dimension of $20cm{\times}20cm{\times}8cm$($0.009{\lambda}_0{\times}0.009_{\lambda}_0{\times}0.004{\lambda}_0$) and the transmission efficiency of 80 % is measured at 13.56 MHz at transmitted distance of 40 cm.

무선 전력 전송용 High-Q 스파이럴 영차 공진기

본 논문에서는 무선 전력 전송을 위한 다양한 스파이럴 구조의 영자 공진기들을 설계하였다. 메타 물질 전송 선로의 영차 공진은 무한 파장의 특징을 가지기 때문에 공진기의 크기에 상관없이 디자인이 가능한 장점을 가진다. 또한, 무선 전력 전송에서 고효율의 전송 효율을 얻기 위해서는 공진기의 Q-factor와 공진기간의 결합 계수가 커야 한다. 따라서 제안된 영차 공진기들은 영차 공진을 유도하기 위해 스파이럴 형태의 인덕터와 집중 캐패시터 소자를 사용하였고, parametric study와 R, L, C 회로 분석을 통해 높은 Q-factor를 얻기 위한 최적의 디자인을 찾고자 하였다. 최적화된 공진기들은 기존의 스파이럴 공진기와 모의 실험을 통해 비교되었으며, 최적화된 공진기들 중 제작된 공진기의 크기는 $20cm{\times}20cm{\times}8cm$($0.009{\lambda}_0{\times}0.009{\lambda}_0{\times}0.004{\lambda}_0$)이고, 13.56 MHz 대역의 주파수와 40 cm 거리에서 80 %의 전송 효율이 측정되었다.