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문제 정의
- 본 논문에서는 무선전력전송의 전력변환에서 중요 한 렉테나를 설계하였다. 렉테나는 안테나와 렉티파이어의 합성어로 무선전력전송에서 안테나로 AC 전력 받아 렉티파이어를 통해 DC로 변환시켜주는 역할을 한다.
제안 방법
- 2.4 GHz에서 원형편파를 발생시키기 위해 본 논문에서는 perturbation segment를 이용하여 사각형 패치의 마주보는 두 귀퉁이를 잘라서 원형편파를 생성하였다[3]. 안테나의 유전체는 비유전율 4.
- 1 GHz 대역의 두 대역에서 동작하는 새로운 구조의 안테나이다. 2단으로 설계한 전압체배기도 두 대역에서 동작하도록 광대역으로 설계하였다. 주 대역인 3.
- 다이오드는 Avago사의 HSMS 8202 Microwave Schottky 다이오드를 사용하였다. ADS 시뮬레이션을 이용하여 전압체배기의 단수를 1단과 2단으로 설계하여 비교 하였으며, 부하저항에 따른 체배되는 전압 값을 비교하였다.
- 거리는 6 cm 까지 1 cm 간격으로 측정하였으며 부하저항은 10 kΩ, 100 kΩ으로 하였다.
- 기존의 마이크로 스트립안테나는 인셋구조를 이용하여 50 Ω 매칭을 하지만 본 안테나는 피드라인을 접지 면에 설계함으로써 패치와 피드사이에 일정한 간격으로 생긴 슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여 50 Ω 매칭을 한다.
- 11을 사용하였다. 또한 ADS시뮬레이션을 이용하여 전압체배기의 구조와 특성을 확인하였다.
- 또한 전압체배기의 저장 커패시터 C4 값의 변화에 따른 전압을 비교하였으며 임피던스 정합을 위해 다이오드의 선형적인 등가 회로를 이용하여 안테나와 2단 전압체배기 간의 정합을 시도하여 보았다.
- 본 논문에서 제안한 렉테나는 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz 대역에서 동작하는 새로운 구조의 이중대역/이중편파 패치 안테나와 2단 전압체배기를 이용하여 구현하였다. 그림 1은 이중대역/이중편파 패치안테나를 이용한 무선전력전송의 개념을 보여주고 있다.
- 그림 7은 이중대역/이중편파 패치 안테나와 2단 전압체배기의 구조를 보여주고 있다. 안테나와 체배기의 임피던스 정합을 위하여 정합회로가 필요하며, 렉테나의 부하저항에 LED로 성능을 확인하였다. 즉, 이중대역/이중편파 패치안테나로부터 2.
- 본 렉테나는 FR-4 Epoxy 기판을 사용하여 애칭 방법으로 제작하였다. 안테나의 RF 접지 면과 DC 접지 면을 BEAD를 통하여 분리하여 서로의 간섭을 최소화 하였다. 렉테나의 성능을 검증하기 위하여 렉테나의 부하저항에 LED를 사용하여 실험하였다[5].
- 차세대 청정에너지 개발의 일환으로 사용될 수 있는 무선전력전송시스템에서 중요한 역할을 하는 렉테나를 설계하고 제작하여 특성을 측정하였다. 이중대역/이중편파 패치 안테나는 coplanar waveguide 구조의 50Ω 급전선이 접지 면에 위치하고 패치와 급전선 사이의 T-slot capacitive coupling을 이용하여 2.
- 이중대역/이중편파 패치 안테나는 CPW(Coplanar Waveguide) 구조로서 50 Ω 피드라인이 접지 면에 위치한다. 패치와 피드라인 사이의 T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz 대역의 이중대역에서 동작하는 새로운 구조의 패치안테나를 설계하였다.
대상 데이터
- 그림 3은 2단 전압체배기의 회로도이다. 다이오드는 Avago사의 HSMS 8202 Microwave Schottky 다이오드를 사용하였다. ADS 시뮬레이션을 이용하여 전압체배기의 단수를 1단과 2단으로 설계하여 비교 하였으며, 부하저항에 따른 체배되는 전압 값을 비교하였다.
- 안테나의 RF 접지 면과 DC 접지 면을 BEAD를 통하여 분리하여 서로의 간섭을 최소화 하였다. 렉테나의 성능을 검증하기 위하여 렉테나의 부하저항에 LED를 사용하여 실험하였다[5].
- 본 렉테나는 FR-4 Epoxy 기판을 사용하여 애칭 방법으로 제작하였다. 안테나의 RF 접지 면과 DC 접지 면을 BEAD를 통하여 분리하여 서로의 간섭을 최소화 하였다.
- 4 GHz에서 원형편파를 발생시키기 위해 본 논문에서는 perturbation segment를 이용하여 사각형 패치의 마주보는 두 귀퉁이를 잘라서 원형편파를 생성하였다[3]. 안테나의 유전체는 비유전율 4.4인 FR_4 Epoxy를 이용하였으며 유전체의 두께는 1 mm이다. 안테나의 전체 크기는 36×47 mm2이다.
이론/모형
- 안테나의 실제 제작에 앞서 3차원 전자파 해석과 S-파라미터를 구하기 위해서 HFSS(High Frequency Structure Simulator)V.11을 사용하였다. 또한 ADS시뮬레이션을 이용하여 전압체배기의 구조와 특성을 확인하였다.
성능/효과
- 동일한 거리에서 2단 전압체배기에 체배되는 전압레벨을 보여주고 있다. 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz 대역의 단일대역 안테나를 이용한 전압체배기에 체배되는 전압은 약 5 V까지인 반면 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz 대역의 이중대역 안테나에서 체배되는 전압은 약 6.6 V인 것을 확인 할 수 있다.
- 56 μW로 측정되었다. 결과적으로 3.1 GHz에서 주된 무선전력전송이 이루어지고, 2.4 GHz 대역의 낮은 불요전력에서도 전력전송이 이루어져 시스템에 필요한 전력을 보다 안정적으로 획득하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
- 기존의 마이크로 스트립안테나는 인셋구조를 이용하여 50 Ω 매칭을 하지만 본 안테나는 피드라인을 접지 면에 설계함으로써 패치와 피드사이에 일정한 간격으로 생긴 슬롯 커패시티브 커플링을 이용하여 50 Ω 매칭을 한다. 그 결과 CPW 구조의 안테나로 렉테나를 설계할 경우 접지 면에 전압체배기를 설계하여 렉테나의 전체적인 크기를 줄일 수 있어 면적 활용 면에서 매우 효율적이다. 둘째, T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 이중대역/이중편파 패치 안테나는 2.
- 4 GHz 대역의 많은 어플리케이션의 불요전력의 입력전력은 -5 dBm으로 설정하였다. 그 결과 각각 단일 대역으로 2.4 GHz에서 체배되는 전압은 0.405 V이고 3.1 GHz에서 체배되는 전압은 2.02 V인 반면 이중대역으로 2.4 GHz와 3.1 GHz에서 동시에 체배되는 전압은 2.42 V이다. 또한 단일대역에서 획득되는 전력은 2.
- 그림 4의 시뮬레이션 결과를 보면 렉테나에서 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz대역의 이중대역 안테나를 사용하여 동시에 전력을 수신할 경우 2.4 GH 대역이나 3.1 GHz 대역의 단일 대역 안테나로 전력을 획득할 경우보다 동일한 거리에서 더 큰 전압으로 체배되는 것을 확인 할 수 있다.
- 그 결과 CPW 구조의 안테나로 렉테나를 설계할 경우 접지 면에 전압체배기를 설계하여 렉테나의 전체적인 크기를 줄일 수 있어 면적 활용 면에서 매우 효율적이다. 둘째, T-슬롯 커패시티브 커플링을 이용한 이중대역/이중편파 패치 안테나는 2.4 GHz 대역과 3.1 GHz 대역에서 무선전력전송이 가능한 렉테나의 설계를 가능하게 하였다.
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