Analysis of Elements for Efficiencies in Magnetically-Coupled Wireless Power Transfer System Using Metamaterial Slab

In this paper, the effects of a metamaterial slab with negative permeability in a magnetically coupled wireless power transfer system (WPT) in the overall performance are analyzed quantitatively in terms of the effective quality factors of the loop resonators and coupling coefficient considering the slab losses, based on an equivalent circuit. Using the ideal metamaterial slab(lossless slab), the WPT efficiency is improved considerably by the magnetic flux focusing. However, the practical lossy slab made of RRs or SRRs limits the significant enhancement of WPT efficiency due to the relatively high losses in the slab consisting of RRs or SRRs near the resonant frequency. For the practical loop resonator, other than a point magnetic charge, using the practical lossy metamaterial slab in order to improve the transfer efficiency, the width of the slab needs to be optimized somewhat less than the half of the distance between two loop resonators. For the low-loss slab with its loss tangent of 0.001, the WPT efficiency is maximized at 93 % when the ratio of the slab width and the distance between the two resonators is approximately 0.35, compared with 53 % for the case without the slab. The efficiency in case of employing the high-low slab(loss tangent: 0.2) is maximized at 61 % when the slab ratio is 0.25.

메타물질 Slab이 포함된 자계 결합 무선 전력 전송 시스템 효율 요소 분석

본 논문에서는 자계 집속을 위해 메타 물질 slab을 포함하는 무선 전력 전송 성능을 공진기의 유효 Q-factor와 결합계수 예측식을 사용하여 요소적으로 분석하였다. 구체적으로, 메타 물질이 갖는 손실을 고려한 등가회로를 제안하고, 이를 이용하여 무선 전력 전송 시스템을 분석하였다. 손실이 없는 이상적 또는 저손실 메타 물질이 시스템에 삽입될 경우, 음의 투자율로 인한 자계 집속으로 인해 전송 효율이 대폭적으로 개선될 수 있다. 하지만 음의 투자율을 구현하기 위해 RR (Ring Resonator) 또는 SRR(Split Ring Resonator)로 메타 물질을 설계할 경우, 구조에 의한 손실로 효율 증가에 악영향을 끼치게 된다. 점 자하 소스가 아닌 실제의 루프 공진기에 손실이 있는 메타 물질을 사용하여 전송 효율을 향상시키기 위해서는, 메타 물질의 폭을 송수신 공진기 간 거리의 반 이하에서 최적화하여야 한다. 손실 탄제트가 0.001인 메타 물질이 두 공진체 사이에 삽입되었을 때는 그 폭과 두 공진기 사이의 거리의 비가 약 0.35일 때 전송 효율이 93%(메타물질 사용하지 않은 경우는 53 %)로 최대가 되었으며, 손실 탄젠트가 0.2(실제 손실과 유사)를 갖는 메타 물질이 삽입될 경우, 그 비가 약 0.25에서 약 61 %의 최대 전송효율을 나타내었다.