Electromagnetic Resonance and Coupling in Coils and Waveguides

Abstract

This dissertation describes analysis and experiment related to the electromagnetic resonance of coil in free space and coupling phenomenon in waveguide. Empirical formulas for the self-resonant frequency of spiral and helical coils are proposed. The formulas can be utilized to design the coils for wireless power transfer resonating at the frequencies of 6.78 and 13.56 MHz. These formulas showed a percent error in the range of 2% when compared with measurement results of the fabricated coils. They can eliminate the need for computer simulation and solving integral equation. The arrangement of power distribution lines in an LSI chip was investigated to find the relative magnetic field intensity near the lines. A pair of power and ground lines is equivalent to a magnetic dipole in the plane orthogonal to the direction of the current. Magnetic field distributions for six different arrangements of four pairs of power and ground lines were calculated and measured. When two adjacent magnetic dipoles have the same polarity, the magnetic field spreads out from the conductor lines. When they have opposite polarities, the magnetic field is concentrated near the conductor lines reducing electromagnetic interference. The partial discharge signal of RF band inside a power transmission coaxial cable was analyzed and measured using a fabricated loop-type sensor. The electromotive force exerted on the sensor was calculated by using the magnetic vector potential produced by the helical surface currents on the outer and inner conductors. An increase of the width of the sensor strap does not affect the detection of the discharge signal, but it leads to an increase of the reception of noise signals. An open parallel-plate waveguide resonator with an RFID tag antenna mounted on its short-ended wall was analyzed. The magnetic field inside the resonator was strong near the wall surface, so the tag antenna should be of a loop structure. When a reader antenna is close to the waveguide, the coupled resonant mode having more variations along the opening of the resonator becomes dominant. The coupling between the reader antenna and the resonator was optimum when they are tilted by 20 degrees.

본 박사학위 논문에서는 자유공간에서 코일들의 전파 공진과 도파관들의 결합 현상에 대해 해석하고 실험한 바를 기술한다. 스파이럴 코일과 헬리컬 코일의 자기 공진 주파수 (self-resonant frequency)들을 각각 계산하는 실험식들을 제안하였다. 이 실험식들은 무선 전력 전송에서 주로 사용되는 6.78과 13.56 MHz에서 활용이 가능하고, 제작된 코일의 측정치에 대해 약 2% 대의 percent error를 보였다. 이 수식들을 이용하면 컴퓨터 시뮬레이션이나 복잡한 적분 방정식을 풀지 않아도 코일을 디자인할 수 있다. LSI 칩의 전력분배선 배열에 대한 상대적인 자계 세기를 구하는 연구를 수행하였다. 전류의 진행 방향에 수직한 면에서 한 쌍의 전력선과 접지선을 하나의 자기 다이폴로 등가화하였다. 네 쌍의 전력분배선이 갖는 여섯 가지 배열에 대한 자계 분포를 계산하고 측정하였다. 인접한 두 개의 자기 다이폴의 극성이 같으면 자계가 도선으로부터 퍼져나가고, 이 극성이 다르면 자계가 도선 가까이에 집중되는 것을 확인하였다. 전자기 간섭을 저감하기 위해서는 이 극성들이 서로 반대가 되도록 전력분배선을 배열해야 한다. 송전 동축 케이블의 내부에서 발생하는 부분 방전 전파 신호를 해석하고 이를 측정하는 환형 센서를 제작했다. 이 센서의 기전력은 외부 및 내부 도체의 헬리컬 전류를 고려한 자기 벡터 포텐셜 (magnetic vector potential)을 이용함으로써 계산되었다. 이 센서의 폭은 부분 방전 신호 수신에는 무관하나, 넓을수록 외부 잡음 신호를 더 많이 수신했다. 한 면이 단락된 평행 평판 도파관 공진기와 내부 단락 도체 표면에 부착된 RFID 태그 안테나를 분석하였다. 태그의 부착 위치에서 자계가 강하기 때문에, 태그는 루프 구조를 포함해야 한다. 리더 안테나와 도파관 사이의 거리가 가까우면, 공진기의 개구면에서 변화가 많은 공진 모드가 우세하다. 리더 안테나와 공진기 사이의 커플링은 서로 20° 기울어져 있을 때 최적화되었다.