가변 임피던스를 갖는 RF 시스템의 효율 향상을 위한 이중 임피던스 정합 기법에 관한 연구 A study on dual impedance matching technique for improving efficiency of RF system with variable impedance원문보기
고효율 무전극 플라즈마 조명 시스템과 무선전력전송 시스템의 효율 향상을 위해서는 부하에 따른 최적의 임피던스를 고려해야 한다. 무전극 RF 플라즈마 조명 시스템의 경우 기존의 전극 램프와는 달리 부하 임피던스에 상당히 민감하다. 고체 상태의 봉입 물질이 ...
고효율 무전극 플라즈마 조명 시스템과 무선전력전송 시스템의 효율 향상을 위해서는 부하에 따른 최적의 임피던스를 고려해야 한다. 무전극 RF 플라즈마 조명 시스템의 경우 기존의 전극 램프와는 달리 부하 임피던스에 상당히 민감하다. 고체 상태의 봉입 물질이 플라즈마 상태로 변하면서 태양광과 가장 유사한 광 스펙트럼을 방출하는 과정 중, 유전율 및 도전율이 크게 변하게 된다. 이 과정에서 부하 임피던스에 대한 반사 계수의 변화에 따라 반사 전력이 증가하여 플라즈마 방전 상태를 유지하지 못하게 된다. 또한 무선 전력 전송 시스템의 경우, 송신부와 수신부 사이의 거리 및 위치 상태에 따라 송신부에서 바라보는 임피던스가 크게 달라진다. 원거리 무선 전력 전송을 위한 자기 공진형 기반 시스템과 무전극 RF 플라즈마 조명 시스템은 부하 임피던스의 변화에 대한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 부하의 두 상태에 따른 임피던스 변화를 동시에 만족하는 T-네트워크 구조의 이중 임피던스 정합 기법을 제안하였다. 기존의 임피던스 정합 기법과는 달리 어떠한 물리적 또는 전기적 스위치 회로 등을 포함하지 않고, 수동 소자의 특성을 이용한 수동 소자 다중 임피던스 정합 기법과 전송 선로 특성을 이용한 전송 선로 다중 임피던스 정합기법을 제안하였다. 이를 기반으로 T-네트워크 이중 임피던스 정합기법을 도출하고 수학적 검증과 시뮬레이션, 측정을 통해 검증을 하였다. 기존 이중 임피던스 정합에서 두 주파수의 비율이 약1.3 이상인 것과 달리 1.005 비율로 좁은 주파수 간격을 목표로 설계하는 방법을 제안하였다. 기존 전송선로를 이용한 T-네트워크 정합 기법에서는 이론적으로는 가능하나 구현 불가능한 임피던스가 도출되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 T-네트워크 구조에 2단 shunt 스텁과 직렬의 전송선로를 추가하고 계산식과 수치해석을 이용한 설계값을 도출하는 정합기법을 제안하였다. 제안된 기법은 수 MHz 대역과 수 GHz 대역을 이용하는 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템과 무전극 RF 플라즈마 시스템을 통해 검증하였다. 무전극 RF 플라즈마 시스템의 경우 2.456GHz와 2.47GHz의 두 주파수 대역에서 임피던스 정합이 되도록 설계하였으며, 기존 단일 주파수 대역의 정합 대비 15dB 이상 반사 손실을 개선하였다. 무선 전력 전송 시스템의 경우 4.6MHz와 7MHz 대역에서 동시에 임피던스 정합이 되도록 설계하였으며, 70% 이상의 효율을 구현하는 조건하에 기존 단일 주파수 대역을 사용하는 시스템 대비 전력 전송 거리가 1.5배 개선되었다. 이 실험을 통해 본 논문에서 제안된 기법은 High frequency(HF) 대역부터 Ultra-high frequency(UHF) 대역까지 주파수 대역의 제약 없이 적용이 가능한 것을 검증하였다. 본 논문에서 제안된 이중 임피던스 정합 기법은 고효율 무선 통신 시스템 및 고효율 무선 전력 전송 시스템을 구현하기 위해 적용될 수 있으며, 앞으로도 이와 관련된 연구가 지속적으로 많이 연구될 것으로 사료된다.
고효율 무전극 플라즈마 조명 시스템과 무선전력전송 시스템의 효율 향상을 위해서는 부하에 따른 최적의 임피던스를 고려해야 한다. 무전극 RF 플라즈마 조명 시스템의 경우 기존의 전극 램프와는 달리 부하 임피던스에 상당히 민감하다. 고체 상태의 봉입 물질이 플라즈마 상태로 변하면서 태양광과 가장 유사한 광 스펙트럼을 방출하는 과정 중, 유전율 및 도전율이 크게 변하게 된다. 이 과정에서 부하 임피던스에 대한 반사 계수의 변화에 따라 반사 전력이 증가하여 플라즈마 방전 상태를 유지하지 못하게 된다. 또한 무선 전력 전송 시스템의 경우, 송신부와 수신부 사이의 거리 및 위치 상태에 따라 송신부에서 바라보는 임피던스가 크게 달라진다. 원거리 무선 전력 전송을 위한 자기 공진형 기반 시스템과 무전극 RF 플라즈마 조명 시스템은 부하 임피던스의 변화에 대한 대책이 필요하다. 본 논문에서는 부하의 두 상태에 따른 임피던스 변화를 동시에 만족하는 T-네트워크 구조의 이중 임피던스 정합 기법을 제안하였다. 기존의 임피던스 정합 기법과는 달리 어떠한 물리적 또는 전기적 스위치 회로 등을 포함하지 않고, 수동 소자의 특성을 이용한 수동 소자 다중 임피던스 정합 기법과 전송 선로 특성을 이용한 전송 선로 다중 임피던스 정합기법을 제안하였다. 이를 기반으로 T-네트워크 이중 임피던스 정합기법을 도출하고 수학적 검증과 시뮬레이션, 측정을 통해 검증을 하였다. 기존 이중 임피던스 정합에서 두 주파수의 비율이 약1.3 이상인 것과 달리 1.005 비율로 좁은 주파수 간격을 목표로 설계하는 방법을 제안하였다. 기존 전송선로를 이용한 T-네트워크 정합 기법에서는 이론적으로는 가능하나 구현 불가능한 임피던스가 도출되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 T-네트워크 구조에 2단 shunt 스텁과 직렬의 전송선로를 추가하고 계산식과 수치해석을 이용한 설계값을 도출하는 정합기법을 제안하였다. 제안된 기법은 수 MHz 대역과 수 GHz 대역을 이용하는 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템과 무전극 RF 플라즈마 시스템을 통해 검증하였다. 무전극 RF 플라즈마 시스템의 경우 2.456GHz와 2.47GHz의 두 주파수 대역에서 임피던스 정합이 되도록 설계하였으며, 기존 단일 주파수 대역의 정합 대비 15dB 이상 반사 손실을 개선하였다. 무선 전력 전송 시스템의 경우 4.6MHz와 7MHz 대역에서 동시에 임피던스 정합이 되도록 설계하였으며, 70% 이상의 효율을 구현하는 조건하에 기존 단일 주파수 대역을 사용하는 시스템 대비 전력 전송 거리가 1.5배 개선되었다. 이 실험을 통해 본 논문에서 제안된 기법은 High frequency(HF) 대역부터 Ultra-high frequency(UHF) 대역까지 주파수 대역의 제약 없이 적용이 가능한 것을 검증하였다. 본 논문에서 제안된 이중 임피던스 정합 기법은 고효율 무선 통신 시스템 및 고효율 무선 전력 전송 시스템을 구현하기 위해 적용될 수 있으며, 앞으로도 이와 관련된 연구가 지속적으로 많이 연구될 것으로 사료된다.
To improve the efficiency of the electrodeless plasma lighting system (EPLS) and the wireless power transfer (WPT) system, it is essential to consider the optimum load impedance depending on the state of load. In the case of an EPLS, unlike conventional electrode lamps, the EPLS is sensitive to the ...
To improve the efficiency of the electrodeless plasma lighting system (EPLS) and the wireless power transfer (WPT) system, it is essential to consider the optimum load impedance depending on the state of load. In the case of an EPLS, unlike conventional electrode lamps, the EPLS is sensitive to the load impedance. The dielectric constant and conductivity change significantly during the process of releasing the solid-state material encapsulated in quartz bulb into the plasma state and emitting the optical spectrum most like sunlight. In this process, the reflection coefficient of the load impedance is changing and the material cannot maintain its discharging state since sufficient power cannot be secured. In the case of a resonant WPT system, the impedance seen at the transmitter varies greatly depending on the distance between the transmitter and the receiver and the positional state. The misalignment of the transmitter and the receiver of the WPT system decreases the power transfer efficiency. A resonant WPT system and an EPLS require countermeasures to change the load impedance (for their appropriate/best performance). In this paper, a dual impedance matching (DIM) technique of T-network structure is proposed. A lumped DIM technique using passive components and a transmission-line (TL) DIM technique using characteristics of TL are proposed. Unlike the conventional impedance matching techniques, the proposing technique does not require any physical or electrical switching circuit. Based on this, T-network double impedance matching technique was derived and verified by mathematical analysis, simulation, and measurement. The proposed method is verified by the resonant WPT system using MHz band and GHz band and an EPLS. The system, it was designed to be impedance matching in two frequency bands of 2.456GHz and 2.47GHz, and the return loss was improved by more than 15dB compared with before matching. The WPT system is designed to have impedance matching at 4.6MHz and 7MHz at the same time, and the power transmission distance is improved by 1.5 times compared to the system using the existing single frequency band under the condition of more than 70% efficiency. Through this experiment, it is verified that the proposed method can be applied without any restriction of frequency band from high frequency (HF) to ultra-high frequency (UHF). The dual impedance matching technique proposed in this paper can be applied to realize a high efficiency wireless communication system and a high efficiency wireless power transmission system, and the related research will be continuously studied in the future.
To improve the efficiency of the electrodeless plasma lighting system (EPLS) and the wireless power transfer (WPT) system, it is essential to consider the optimum load impedance depending on the state of load. In the case of an EPLS, unlike conventional electrode lamps, the EPLS is sensitive to the load impedance. The dielectric constant and conductivity change significantly during the process of releasing the solid-state material encapsulated in quartz bulb into the plasma state and emitting the optical spectrum most like sunlight. In this process, the reflection coefficient of the load impedance is changing and the material cannot maintain its discharging state since sufficient power cannot be secured. In the case of a resonant WPT system, the impedance seen at the transmitter varies greatly depending on the distance between the transmitter and the receiver and the positional state. The misalignment of the transmitter and the receiver of the WPT system decreases the power transfer efficiency. A resonant WPT system and an EPLS require countermeasures to change the load impedance (for their appropriate/best performance). In this paper, a dual impedance matching (DIM) technique of T-network structure is proposed. A lumped DIM technique using passive components and a transmission-line (TL) DIM technique using characteristics of TL are proposed. Unlike the conventional impedance matching techniques, the proposing technique does not require any physical or electrical switching circuit. Based on this, T-network double impedance matching technique was derived and verified by mathematical analysis, simulation, and measurement. The proposed method is verified by the resonant WPT system using MHz band and GHz band and an EPLS. The system, it was designed to be impedance matching in two frequency bands of 2.456GHz and 2.47GHz, and the return loss was improved by more than 15dB compared with before matching. The WPT system is designed to have impedance matching at 4.6MHz and 7MHz at the same time, and the power transmission distance is improved by 1.5 times compared to the system using the existing single frequency band under the condition of more than 70% efficiency. Through this experiment, it is verified that the proposed method can be applied without any restriction of frequency band from high frequency (HF) to ultra-high frequency (UHF). The dual impedance matching technique proposed in this paper can be applied to realize a high efficiency wireless communication system and a high efficiency wireless power transmission system, and the related research will be continuously studied in the future.
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