[논문]마이크로파 무선전력전송을 위한 렉테나 설계와 구현

박정흠

doi:10.5207/jieie.2006.20.6.043

문제 정의

본 논문에서는 무선전력전송을 위한 렉테나를 구성하기 위해서 패치안테나와 정류회로를 설계, 제작하였다. RF-DC변환효율을 높이기 위해 Schottky 다이오드의 특성을 고려하여 안테나와 정류회로 간의 임피던스 매칭을 행하였고, 또한 튜닝을 쉽게 구현할 수 있도록 넓은 Open Stub를 도입하였다.
본 연구의 목적은 무선전력전송을 위해 마이크로파로부터 직류전력을 끌어내기 위한 렉테나(Rectenna, Antenna 와 Rectifer 의 합성어)를 구성하는 것이며, 안테나, 정류회로 필터, 임피이던스 매칭 등이 렉테나의 성능향상을 위한 설계의 요소가 된다. 입력된 RF전력에 대한 정류 후의 DC전압에 의해 부하저항에서 소비되는 DC전력의 비를 계산하여 산출되는 RF-DC 변환효율이 렉테나의 성능을 나타내는 중요한 파리미터가 된다.
이에 본 논문에서는 마이크로파를 이용한 무선전력 전송시스템 구현을 위해 2.45[GHz] 마이크로파를 수신하여 직류전력으로 변환하는 렉테나의 제작을 목적으로 하였다. 이를 위해, 제작과 튜닝이 용이한 안테나와 매칭회로를 제시하였고, RF-DC 변환효율에 영향을 끼치는 파라미터들을 실험적으로 분석함으로써, 무선전력전송기술의 응용의 폭을 넓히고자 한다.

제안 방법

RF-DC변환효율을 높이기 위해 Schottky 다이오드의 특성을 고려하여 안테나와 정류회로 간의 임피던스 매칭을 행하였고, 또한 튜닝을 쉽게 구현할 수 있도록 넓은 Open Stub를 도입하였다. 그 결과 2.
801 로 임피던스 정합이 까다로운 위치에 있다.「2에서의 임피던스를 50 回로 정합시키기 위해 개방형 스터브를 사용한 T형 매칭 회로를 사용하였으며, 이후 튜닝을 용이하게 하기 위해 큰 폭의 개방형 스터브를 가지도록 그림 7과같이 설계하였다.
그림 11 에서처럼 입사전력측정부를 구성하여 송신 측 안테나에서 수신측 안테나까지의 거리에 따른 정류회로로의 입사전력을 측정하였다. 이 결과, 송신 및 수신 측 안테나 사이의 거리가 l[m]일 때 정류회로의 입사전력이 4[mW]로 측정되었고, 이 조건에서 입사전력 측정부를 제거하고, 수신측 안테나를 정류회로에 직접 연결하였을 때, 출력직류전압 2.
본 논문에서는 2.45[GHz] 원편파 마이크로 스트립 패치 안테나를 설계하고 전자계 시뮬레이터를 사용하여 모의실험을 행한 후 실제 안테나를 제작, 특성측정을 통해, 렉테나용 안테나로서의 성능평가를 행하였다. 안테나의 소형화와 제작의 용이성을 이유로 마이크로스트립 패치 형태로 안테나를 제작하는 것이 바람직 하지만, 직선편파 사용 시 송신측 편파와 수신 측 편파가 직교하는 경우는 통신이 되지 않으므로, 설치방향의 임의성을 위해서 원형편파로 구현하는 것이 필요하다.
최 대변환효율 59[%]가 구현되었다. 상기 한 결과를 바탕으로 하여, 그림 11과 같이 무선전력 전송시스템을 구성하여, 전체적인 렉테나의 성능을 평가하였다.
원형편파를 발생시키는 방법에는 여러 가지가 있으나, 본 논문에서는 perturbation segment를 이용하기 위해 사각형 패치의 마주보는 두 귀퉁이를 잘라서 원형편파를 생성하였다(5].
45[GHz] 마이크로파를 수신하여 직류전력으로 변환하는 렉테나의 제작을 목적으로 하였다. 이를 위해, 제작과 튜닝이 용이한 안테나와 매칭회로를 제시하였고, RF-DC 변환효율에 영향을 끼치는 파라미터들을 실험적으로 분석함으로써, 무선전력전송기술의 응용의 폭을 넓히고자 한다.
그림 10에 부하저항과 입력전력에 따른 RF-DC 변환효율을 나타냈다. 일반적인 RFID 시스템의 태그 안테나로부터의 입사전력이 2~5[mW]인 점을 고려하예7], 네트워크 아날라이저를 사용하여 정류회로에 가변전력을 입사 시켜 입사전력 에 따른 RF-DC 변환효율을 구하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 정류용 다이오드는 HSMS-2850 zero bias single Schottky dicxte (SOT-23)이며, 이의 특성 파라미터를 사용한 등가모델을 그림 5에 나타내었다[6].

성능/효과

RF-DC변환효율을 높이기 위해 Schottky 다이오드의 특성을 고려하여 안테나와 정류회로 간의 임피던스 매칭을 행하였고, 또한 튜닝을 쉽게 구현할 수 있도록 넓은 Open Stub를 도입하였다. 그 결과 2.2[V], 1.5[mW] 직류출력을 얻을 수 있었고, 이 값은 소전력을 사용한 디지털시스템을 운용하는데 충분한 값이다. 향후 패치안테나의 협대역 특성을 보완하기 위한 광대역 안테나의 채용, 더 얇고 소형화된 안테나 및 정류회로를 제작하기 위한 사용기판의 재질 검E, 변환효율을 더욱 높이기 위한 정류회로 설계방법에 대한 연구가 이루어 져야할 것이다.
그 결과 입사전력이 증가함에 따라, 변환효율이 증가하였으며, 5[dBm]입사 시 부하저항 525倪] 일때, 최 대변환효율 59[%]가 구현되었다. 상기 한 결과를 바탕으로 하여, 그림 11과 같이 무선전력 전송시스템을 구성하여, 전체적인 렉테나의 성능을 평가하였다.
입사전력을 측정하였다. 이 결과, 송신 및 수신 측 안테나 사이의 거리가 l[m]일 때 정류회로의 입사전력이 4[mW]로 측정되었고, 이 조건에서 입사전력 측정부를 제거하고, 수신측 안테나를 정류회로에 직접 연결하였을 때, 출력직류전압 2.2[V], 전류 700g를 얻을 수 있었다.
이를 통해서 일반적인 식으로는 예측하기 어려운 최적의 급전점 위치를 결정하였고, 그 결과를 실제 측정치와 같이 그림 2에 나타내었다 d=8.6 [mm]일 때, 목표 공진주파수인 2.45[GHz]를 구현할 수 있었고, 이 때의 반사손실은 -22[dB]로, 시뮬레이션 값인 -35[dB]와는 많은 차이가 있는데, 이는 컨넥터 내도체와 패치면과의 접합 부위에서의 손실, 급전 점용 기판 홀과 컨넥터 내도체 사이의 공간 형성에 다른 유전손 등에서 기인하는 것으로 보인다.
S11 측정 결과를 그림 9에 나타냈다. 최초 제작된 임피던스 매칭된 정류회로의 공진주파수는 2.35[GHz]로 목표치인 2.45[GHz]에서 -O.HGHz] 벗어나 있었으나, 개방형 스터브의 끝을 단순히 l[mm] 절단함에 의해 쉽게 주파수 튜닝을 구현할 수 있었다.

후속연구

최근에는 전기자동차, 관내검사용 로봇 등에 적용된 사례도 있었으며, 특히 RFID 시스템의 수동형 태그에 소전력을 공급하는 것이 응용분야의 중요한 사례로 부각되고 있대21. 또한 유비쿼터스 센서 네트워크가 향후 큰 시장으로 성장할 것이 예상됨에 따라 소형 이동체나 전원공급이 어려운 환경에서 동작하는 시스템에 전원을 공급하는 무선전력전송기술은 그 웅용의 폭을 넓힐 것으로 예상된다.
향후 패치안테나의 협대역 특성을 보완하기 위한 광대역 안테나의 채용, 더 얇고 소형화된 안테나 및 정류회로를 제작하기 위한 사용기판의 재질 검E, 변환효율을 더욱 높이기 위한 정류회로 설계방법에 대한 연구가 이루어 져야할 것이다. 본 논문에서 제안된 임피던스 튜닝을 위한 넓은 Open Stub 방식은 RHD용 태그의 제작공정에 유용하게 사용되리라고 기대된다.
5[mW] 직류출력을 얻을 수 있었고, 이 값은 소전력을 사용한 디지털시스템을 운용하는데 충분한 값이다. 향후 패치안테나의 협대역 특성을 보완하기 위한 광대역 안테나의 채용, 더 얇고 소형화된 안테나 및 정류회로를 제작하기 위한 사용기판의 재질 검E, 변환효율을 더욱 높이기 위한 정류회로 설계방법에 대한 연구가 이루어 져야할 것이다. 본 논문에서 제안된 임피던스 튜닝을 위한 넓은 Open Stub 방식은 RHD용 태그의 제작공정에 유용하게 사용되리라고 기대된다.

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