[논문]2.45 GHz대 저전력용 렉테나에 관한 연구

박동국; 서홍은; 조익현; 김예지

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.9.862

2.45 GHz대 저전력용 렉테나에 관한 연구
A Study on a Rectenna for Low Power Density at 2.45 GHz 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.20 no.9 = no.148, 2009년, pp.862 - 867

박동국 (한국해양대학교 전자통신공학과) , 서홍은 (한국항공우주산업주식회사) , 조익현 (광양만권 u-IT 연구소) , 김예지 (한국해양대학교 전자통신공학과)

초록
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본 논문에서는 2 mW/$cm^2$ 이하의 낮은 입력 전력 밀도에서 동작하는 2.45 GHz 렉테나를 제안하였다. 제안된 렉테나는 다이오드 2개를 사용하는 배전압 구조의 정류부와 다이오드에서 발생하는 2차 하모닉의 재 방사를 억압하기 위한 인쇄형 야기 안테나 구조를 사용하여 설계하였다. 인쇄형 야기 안테나는 2.45 GHz에서 약 5 dB의 이득을 가지며, 안테나를 통해 입력된 전력이 $0{\sim}14\;dBm$일 때 렉테나의 변환 효율은 $32{\sim}42%$으로 측정되었다. 개발된 렉테나는 저전력 소자의 전원 공급에 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a study on a rectenna for rectification of incident low power microwave signals with power densities less than 2 mW/$cm^2$ at 2.45 GHz. The proposed rectenna is designed and implemented by a rectifier with voltage doubler structure and a printed Yagi antenna which suppress re-radiation of the second order harmonic of fundamental frequency. The printed Yagi antenna has a gain of about 5 dB, and the measured conversion efficiencies of the rectenna are from 32 % to 42 % when its incident power levels are from 0 dBm to 14 dBm. The developed rectenna is expected to be useful in the power transmission system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 ISM 대역인 2.45 GHz의 주파수에서 2 mW/cm2 이하의 낮은 전력 밀도 레벨의 신호를 수신하여 DC 전력으로 변환하는 무선 전력 전송 방식의 주요 소자인 렉테나(rectenna)를 개발하고자 한다.
본 논문에서는 전력 밀도가 2 mW/cm2 이하의 낮은 전력 밀도에서 무선전력 전송에 사용될 수 있는 렉테나를 제안하였다. 제안한 렉테나의 구조는 배 압구조의 정류회로와 인쇄형 야기안테나 형태로 구성되어 있다.

가설 설정

7. (a) Measured return loss and (b) E-plane radia tion pattern of the antenna for the rectenna.

제안 방법

구현된 정합 회로는 개방형 스터브(open stub)를사용하였으며, ADS 시뮬레이션 툴을 사용하여 설계를 하였다. 그림 5에 개방형 스터브의 길이 변화에 따른 변환 효율의 변화를 나타내었다.
이를 위해 본 논문에서는 Avago사의 Appcad 프로그램을 사용하여 단일 다이오드를 사용하는 정류기 모의실험을 통해 출력 전압을 조사하였다. 다이오드는 일반적으로 렉테나에서 많이 사용하는 HSMS series를 조사하였고, 저전력에서 높은 출력 전압을 갖는 다이오드를 선정하는 방향으로 설계를 하였다. 그림 3에 그 결과를 나타내었고, 시뮬레이션을 통해 HSMS-285X series 다이오드가 다른 것에 비해 큰 출력 전압을 갖는 것을 확인하고, 배 전압구조를 위해 한 패키지에 다이오드 2개가 들어 있는 HSMS-2852 다이오드를 선택하였다.
또한 낮은 전력 밀도에서 동작하는 렉테나를 설계하기 위해서 기존의 렉테나 설계 방법과는 달리 다음과 같은 설계 방법을 따라 설계를 하였다. 첫째, 저전력에서 효율이 좋은 정류용 다이오드를 선택하였다.
렉테나에 입력되는 전력을 측정하기 위해 먼저 그림 2의 안테나를 렉테나 위치에 두고 송신 안테나와 수신 안테나의 거리를 0.3〜2 m로 변화시키면서 수신되는 전력을 측정하였다. 이를 바탕으로 수신안테나 위치에 렉테나를 설치하고 부하 저항에 나타나는 전압을 측정하여 식 (1) 을 사용하여 정류 회로의 변환 효율을 계산하였다.
본 논문에서는 저전력에서 좋은 효율을 갖도록 하기 위해, 그림 4에서 0 dBm 입력 전력일 때의 다이오드의 임피던스에 대해 효율이 최대가 되도록 임피던스 정합 회로를 구현하였다.
35 dB의 수신 안테나를 통해 수신되는 전력은 약 80 mW로서 19 dBm이 된다. 본 논문에서는 전력 밀도가 2 mW/cm2 이하의 전력 밀도에서 동작하는 렉테나를 설계하는 것이므로 실험에서는 입력 전력 19 dBm 이하에서만 측정을 하였다.
그림 5에 개방형 스터브의 길이 변화에 따른 변환 효율의 변화를 나타내었다. 스터브의 길이 변화에 따라 변환 효율이 크게 변화는 것을 볼 수 있으며, 본 논문에서는 1.7 mm로 스터브의 길이를 결정하였다.
첫째, 저전력에서 효율이 좋은 정류용 다이오드를 선택하였다. 이를 위해 본 논문에서는 Avago사의 Appcad 프로그램을 사용하여 단일 다이오드를 사용하는 정류기 모의실험을 통해 출력 전압을 조사하였다. 다이오드는 일반적으로 렉테나에서 많이 사용하는 HSMS series를 조사하였고, 저전력에서 높은 출력 전압을 갖는 다이오드를 선정하는 방향으로 설계를 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 개발하고자 하는 저전력용 2.45 GHz 대역 렉테나를 설계하기 위해 RF 전력을 수신하는 안테나로 1개의 기생 소자를 갖는 평판 인쇄형 야기 안테나를 선택하였다";]. 안테나 설계를 위한 시뮬레이션 툴로는 Ansoft사의 Designer를 이용하였으며, 비유전율이 4.
2 mW/cm2 이하의 낮은 전력 밀도에서 고효율의 변환 효율을 가지는 렉테나를 설계하기 위해 그림 1 과 같이 다이오드를 2개 사용하는 배 전압 구조의 렉테나를 구상하였다. 안테나와 정류 다이오드 사이 에는 안테나로 수신된 전력을 다이오드에 효과적으로 전달하기 위한 임피던스 정합 및 다이오드에서 발생하는 하모닉 성분의 신호의 재방사를 저지하기 위한 필터 회로가 놓이게 된다.
다이오드는 일반적으로 렉테나에서 많이 사용하는 HSMS series를 조사하였고, 저전력에서 높은 출력 전압을 갖는 다이오드를 선정하는 방향으로 설계를 하였다. 그림 3에 그 결과를 나타내었고, 시뮬레이션을 통해 HSMS-285X series 다이오드가 다른 것에 비해 큰 출력 전압을 갖는 것을 확인하고, 배 전압구조를 위해 한 패키지에 다이오드 2개가 들어 있는 HSMS-2852 다이오드를 선택하였다. 이때 사용한 부하 저항으로는 부하 저항 변화에 따른 효율의 변화를 조사하여 효율이 가장 좋은 820 Q을 사용하였다.
나타내었다. 비유전율이 4.4이고, 높이가 1.6 mm 인 FR4 기판을 사용하였고, 기판 전체 크기는 90x90 mn?이다. 그림 7에는 그림 6의 렉테나에 사용된 평면형 야기 안테나의 반사 손실과 방사 패턴을 나타내었다.
45 GHz 대역 렉테나를 설계하기 위해 RF 전력을 수신하는 안테나로 1개의 기생 소자를 갖는 평판 인쇄형 야기 안테나를 선택하였다"]. 안테나 설계를 위한 시뮬레이션 툴로는 Ansoft사의 Designer를 이용하였으며, 비유전율이 4.4이고, 높이가 1.6 mm인 FR4 기판을 사용하여 설계한 수신 안테나의 모양을 그림 2(a)에 나타내었다.
6 dB 로 일반적인 사각 패치 안테나에 비해 차단 특성을 갖게 되어 고효율의 렉테나 설계가 가능한 것을 볼 수 있다. 이러한 이유로 본 논문에서 렉테나용 안테나로 평판 인쇄형 야기 안테나를 사용하였다.
제안하였다. 제안한 렉테나의 구조는 배 압구조의 정류회로와 인쇄형 야기안테나 형태로 구성되어 있다. 제작된 렉테나의 안테나는 2.

성능/효과

0 dBm의 입력 전력에서 약 32 %의 변환 효율 8 dBm의 입력 전력에서 최대 42 %의 변환 효율을 갖는 것으로 측정되었다.
제안한 렉테나의 구조는 배 압구조의 정류회로와 인쇄형 야기안테나 형태로 구성되어 있다. 제작된 렉테나의 안테나는 2.45 GHz 대역에서 약 5.35 dB의 이득을 가지며, 렉테나의 변환효율은 입력 전력이 0〜14 dBm 정도에서 30 % 이상의 변환 효율을 갖는 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 낮은 전력을 소비하는 소자의 대기전원을 공급하는 응용에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.
하였다. 첫째, 저전력에서 효율이 좋은 정류용 다이오드를 선택하였다. 이를 위해 본 논문에서는 Avago사의 Appcad 프로그램을 사용하여 단일 다이오드를 사용하는 정류기 모의실험을 통해 출력 전압을 조사하였다.
그림 7에는 그림 6의 렉테나에 사용된 평면형 야기 안테나의 반사 손실과 방사 패턴을 나타내었다. 측정한 반사 손실과 방사 패턴은 시뮬레이션 결과 값과 매우 유사하였고, 안테나의 이득은 5.35 dB로 측정되었다.

후속연구

효율 특성이 우수한 것을 볼 수 있다. 비록 5 mW 이상의 큰 입력 전력에 대해서는 본 논문에서 제시하는 렉테나의 변환 효율이 작지만, 실제 응용관점에서 살펴보면 큰 전력의 경우 변환 효율이 나쁘더라도 센서 등 구동에 필요한 전력을 얻는데 큰 어려움이 없으므로 문제가 되지 않는다.
35 dB의 이득을 가지며, 렉테나의 변환효율은 입력 전력이 0〜14 dBm 정도에서 30 % 이상의 변환 효율을 갖는 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 낮은 전력을 소비하는 소자의 대기전원을 공급하는 응용에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
박래만, 성희경, 전용일, 이유경, "유비쿼터스 에너지", 정보통신연구진흥원 주간기술동향, 1334호, pp. 27-36, 2008년 2월
MIT, Technology Review, Mar./Apr. 2008
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상세보기
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상세보기
윤동기, 박양하, 김관호, 이영철, "마이크로파 무선전력전송 시스템의 rectenna 변환 효율 분석에 관한 연구", 한국통신학회 학술대회논문집, 16 (1), pp. 788-791, 1997년 1월
윤동기, "능동안테나를 이용한 microwave-DC 변환 효율 분석에 관한 연구", 경남대학교 대학원, 2000년

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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