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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 유선 전력 공급이 어려운 환경에 있는 센서의 구동 또는 대기전력 공급을 목적으로 무선 전력 공급이 가능한 렉테나(Rectenna)를 설계 및 제작하고자 한다.
- 본 논문에서는 이중모드 고조파 억제 대역통과 여 파기를 이용하여 2.45 GHz의 소전력 무선 전력 전송 시스템을 설계하였다. 제작이 쉽고, 선형 이득이 좋은 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였고, 다이오드의 비선형성에 의하여 발생하는 고조파의 신호 전력이 다시 안테나를 통해서 재방사하는 것을 막기 위해 9 GHz까지 고조파를 억제하는 이중모드 대역 통과 여파기를 설계하여 정류회로를 구성하였다.
제안 방법
- 안테나를 제작하여 측정한 반사손실의 결과를<그림 2>에 나타내었다. 0.1 - 10 GHz 범위에서 측정하였으며, 패치안테나의 고차 모드에 의한 고조파 응답을 확인하였다. 고조파 억압 필터를 이용하여 이와 같은 고조파 성분을 제거함으로써 렉테나의 변환효율을 증가시켜야 한다.
- 입력 전력에 따른 RF-to-dc 변환효율은, 순방향(turn-on) 전압이 작고 입력 전력의 크기에 비하여 항복(breakdown) 전압이 클수록 높아진다[7-8]. 따라서 본 논문에서는 6 GHz 대역까지 사용가능하고 Zero bias로 동작하며 순방향 전압 0.34V, 항복 전압 15V인 Agilent사의 Surface Mount Schottky diode HSMS-2820(single)을 사용하였다. 등가회로와 SPICE 파라미터를 <그림 7>에 나타내었다 [9].
- 본 논문에서 설계 및 제작한 이중 모드 고조파 억제 대역통과 여파기는 공진기 중간에 연결된 개방형스터브로 인하여 발생된 2차적인 공진 주파수 근처에 전송선로 영점(Transmission zero)을 갖게 됨을 이용하여 여파기의 기울기 특성을 크게 개선시켰으며, 중심 주파수의 정수배로 나타나는 고조파를 억제하기 위하여 듀얼 모드 공진을 위한 개방형 스터브 외에 추가적인 개방형 스터브를 와 같이 양쪽에 형성 하였다.
- 본 연구에서는 대기 중에서 손실이 적고, 분포소자를 이용한 소형 회로를 구성하기 쉬운 ISM 대역의 2.45 GHz 주파수를 선택하였고, 다이오드의 비선형성에 의하여 발생되는 고조파 신호가 안테나로 재방사되는 것을 방지하기 위하여 고조파 억압 여파기를 사용하였다.
- 여기서 측정된 수신 전력은 송수신 안테나의 효율이 포함되어 있으며, 이는 곧 다이오드에 입력되는 전력으로 볼 수 있다. 송신안테나 입력 전력(Pt)과 측정된 안테나의 이득(Gr)을 식(1)에 대입하여 송신안테나가 방사하는 입사전력밀도(PD)를 계산하였다 [3].
- 수신전력 측정 후, 에서와 같은 측정시스템을 통하여 렉테나의 부하저항에 걸리는 dc 전압을 측정하였다.
- <그림 4>에 본 논문에서 제안한 2.45GHz 대역의 고조파 억압 이중모드(Dual-mode) 대역 통과 여파기의 구조를 나타내었다. 듀얼 모드(dual-mode) 공진기는 <그림 4>와 같이 마이크로스트립 선로, 코플래너 웨이브가이드 구조 (coplanar waveguide : CPW) 등과 같은 기본적인 전송 선로의 반파장 공진기의 중간에 개방형 스터브 (open-stub)를 연결하여 두 개의 공진 주파수를 발생시키는 것으로써, 동일한 면적으로 두 배의 공진 주파수를 만들어 크기를 줄일 수 있다는 장점을 갖고 있기 때문에 최근 활발한 연구가 진행되고 있다 [4-6].
- 우선, 렉테나가 수신하는 전력을 측정하기 위하여 자유공간 상에 와 같은 측정 시스템을 구성 하였다.
- 45 GHz 렉테나 구조이다. 우선여파기와 결합된 안테나의 특성을 확인하기 위하여 정류회로를 연결하기 전에 반사손실과 방사패턴 및 안테나 이득을 측정 하였다. 먼저, <그림 7>은 여파기를 결합한 안테나의 반사손실 측정 결과를 나타낸다.
- 45 GHz의 소전력 무선 전력 전송 시스템을 설계하였다. 제작이 쉽고, 선형 이득이 좋은 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였고, 다이오드의 비선형성에 의하여 발생하는 고조파의 신호 전력이 다시 안테나를 통해서 재방사하는 것을 막기 위해 9 GHz까지 고조파를 억제하는 이중모드 대역 통과 여파기를 설계하여 정류회로를 구성하였다. 그 결과 입사전력이 0.
- 추가적인 개방형 스터브는 전기적 길이를 45°와 30°로 하여 2차와 3차 고조파를 억제하도록 하였다.
대상 데이터
- 렉테나 시스템은 유전율 2.54를 갖는 Teflon 기판에 제작되었으며, 제작된 2.45 GHz 렉테나는 에 나타내었다.
- 본 논문에서는 렉테나 설계에 있어 고조파 억압 여파기와 정류회로와의 연계성을 고려하고 비교적 간단하고 정확하게 만들 수 있는 마이크로스트립 패치안테나를 이용하였다[3].
- 전력 증폭기의 주파수 대역은 2-8 GHz, 30 dB 이득에 P1dB는 30 dBm이다. 송신용 인테나로는 2.5 GHz에서 이득이 17 dBi이고 안테나 직경이 27cm인 STANDARD GAIN HORN MODEL SGA-20을 사용하였다. 또한 렉테나가 수신한 전력을 파워센서(power sensor)가 감지하고, 파워 센서가 감지한 전력 레벨을 파워미터(power meter)로 읽어낼 수 있다.
- 유전율과 유전체 손실 값을 각각 2.54와 0.002를 갖고 두께 0.54 mm인 Teflon 기판을 사용하여 중심주파수 2.45 GHz에서 설계한 마이크로스트립 패치 안테나를 에 나타내었다.
성능/효과
- 제작이 쉽고, 선형 이득이 좋은 마이크로스트립 패치 안테나를 선택하였고, 다이오드의 비선형성에 의하여 발생하는 고조파의 신호 전력이 다시 안테나를 통해서 재방사하는 것을 막기 위해 9 GHz까지 고조파를 억제하는 이중모드 대역 통과 여파기를 설계하여 정류회로를 구성하였다. 그 결과 입사전력이 0.3 mW/cm2, 부하저항이 430 ohm 일 때, 41.6 %의 변환효율을 얻었다.
- 점선으로 나타낸 결과는 <그림 2>와 동일한 것으로써, 여파기와 결합하기 전의 주파수 응답이고, 실선으로 나타낸 것이 안테나에 이중모드 여파기를 연결했을 때의 측정 결과이다. 두 가지 주파수 응답을 비교함으로써 2차 고조파(5.9GHz)와 3차 고조파(7.35GHz)가 억압되었음을 확인할 수 있다. 또한 <그림 8>은 여파기와 결합된 안테나의 방사패턴 측정결과로써, 2.
- 또한 는 제작한 안테나의 방사패턴의 측정 결과로써 2.44 GHz에서 최대 이득 3.09 dBi를 나타내었다.
- 렉테나 수신 전력이 증가할수록, 그리고 부하저항이 클수록 Vdc 가 증가하는 것을 알 수 있다. 위 측정결과를 바탕으로 PDC 를 계산하고, 최종적으로 변환효율을 계산하여 <그림 12>에 나타내었다.
- 변환효율 계산 결과, 수신 전력이 1.66 mW, 부하 저항이 430 ohm 일 때, 41.6 %의 변환효율을 얻었고 이는 입사전력 밀도(PD)가 0.3 mW/cm2 일 때의 결과이다. 변환효율이 작게 나온 것은 렉테나 수신 전력이 작기 때문인 것으로 생각할 수 있다.
- 본 논문에서 제안한 고조파 억제 대역 통과 여파기는 중심 주파수에서 0.58 dB의 삽입 손실을 갖고 21.06 dB의 반사 손실을 보였으며, 고조파 억제를 위한 개방형 스터브를 추가한 경우에 에서 나타낸 바와 같이 2차 및 3차 고조파까지 억압되어 8 GHz까지 30 dB 아래의 삽입 손실 값을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 또한 의 변환효율 그래프의 기울기가 증가하는 추세인 것으로 미루어보아, 송수신 안테나의 이득을 증가시키거나 또는 송신안테나의 입력 전력을 높게 함으로써 수신 전력을 증가시킨다면 변환효율은 더 증가할 것으로 판단된다.
- 본 논문에서 제안한 렉테나는 향후 에너지 고갈에 따른 대체 에너지 수집을 위한 우주 태양 전력전송과 마이크로파 무선 전력전송 등을 통한 다양한 응용기술개발에 활용이 가능할 것으로 예측되며, USN(Ubiquitous Sensor Network)용 저전력 소자의 대기전원 공급 및 MEMS용 Sensor 구동전압 공급을 위한 무선 전력전송이 가능하게 될 것으로 기대된다.
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