Acoustic Holography Based Dynamic Beam Pattern Generation Using Spherical 2-D Phased Array for Wireless Power Transfer

Abstract

Existing single-element-based ultrasonic wireless power transfer (US-WPT) systems are subject to a limitation whereby transmission efficiency undergoes a precipitous decline when misalignment occurs between the transmitter and receiver, a consequence of their fixed focal characteristics. In order to address this issue and efficiently deliver power to implantable biomedical electronic devices (IBEs), this study proposes and validates a spherical 2-D phased array transducer model and an ultrasonic hologram-based RB-PAT algorithm to control it. The transducer model utilized in this study is designed with a spherical shape, characterized by a curvature radius of 110 mm, which is intended to optimize energy delivery efficiency to deep tissues through geometric focusing effects. The proposed RB-PAT algorithm is a precise simulation of the complex propagation characteristics of the spherical transducer, combining the Ring-Bessel propagation model with Band-Limited Angular Spectrum (BLAS) operations. Furthermore, the application of an Adaptive Multi-Task Loss Function within an auto-differentiation framework is intended to derive a precise phase distribution, optimized for a 5 mm circular target, without the necessity of manual tuning The simulation evaluation of the algorithm's performance confirmed the formation of a beam pattern that precisely matched the target receiver geometry. Cross-validation with Field II, a standard ultrasound simulation tool, revealed high correlation coefficients of 94.8% and 95.69% for the beam cross-sectional profile at 110 mm depth in the lateral and elevation directions, respectively. This finding indicates that the proposed propagation model accurately reflects real physical wave phenomena. It is evident that the present study successfully circumvents the limitations of fixed-focus methodologies by integrating spherical array structures with the RB-PAT algorithm. This development establishes the theoretical and technical foundations for the transmission of customized power to implantable devices

Key words: Wireless power transmission, biomedical electronic devices, two-dimensional phased array transducers, ultrasound holography

|기존의 단일 소자 기반 초음파 무선 전력 전송(US-WPT) 시스템은 고정된 초점 특성으로 인해 송수신기 간의 정렬 오차 발생 시 전송 효율이 급격히 저하되는 한계가 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고 이식형 생체의료 전자기기(IBE)에 효율적으로 전력을 전달하기 위해, 구면 2차원 위상 배열 변환기(Spherical 2-D Phased Array Transducer) 모델과 이를 제어하기 위한 초음파 홀로그램 기반의 RB-PAT 알고리즘을 제안하고 검증하였다. 본 연구에서 채택한 변환기 모델은 곡률 반경 110 mm의 구면 형상을 기반으로 설계되어, 기하학적 집속 효과를 통해 심부 조직으로의 에너지 전달 효율을 극대화한다. 제안된 RB-PAT 알고리즘은 링-베셀(Ring-Bessel) 전파 모델과 대역 제한 각도 스펙트럼(Band-Limited Angular Spectrum) 연산을 결합하여 구면 변환기에서의 복잡한 전파 특성을 정밀하게 모사한다. 또한, 자동 미분 프레임워크 내에서 적응형 다중 작업 손실 함수(Adaptive Multi-Task Loss Function)를 적용함으로써, 수동 튜닝 없이도 5mm 원형 타겟에 최적화된 정밀한 위상 분포를 도출하도록 설계되었다. 시뮬레이션을 통해 알고리즘 성능을 평가한 결과, 목표 수신기 형상에 정확히 부합하는 빔 패턴이 형성됨을 확인하였다. 특히, 초음파 시뮬레이션 표준 도구인 Field II와의 교차 검증을 수행한 결과, 110 mm 깊이에서의 빔 단면 프로파일이 측방향(Lateral) 및 고도(Elevation) 방향에서 각각 94.8%와 95.69%의 높은 상관계수를 기록하였다. 이는 제안된 전파 모델이 실제 물리적 파동 현상을 높은 정확도로 반영하고 있음을 입증한다. 따라서 본 연구는 구면 배열 구조와 RB-PAT 알고리즘을 결합함으로써 고정 초점 방식의 한계를 극복하고, 이식형 기기에 맞춤형 전력을 전송할 수 있는 이론적 및 기술적 토대를 확립하였다.

핵심어: 무선 전력 전송, 생체 의료 전자기기, 2차원 위상 배열 변환기, 초음파 홀로그램