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문제 정의
- 그러므로 10dBm 이하의 비교적 미약한 입력 전력에서 구동될 수 있는 렉테나를 개발하는 것은 의미가 있다. 본 논문에서는 0dBm 정도의 저전력을 수신하여 3.3V의 일정한 전압을 부하에 공급하는 렉테나를 구현하고자 한다. 1W의 전력을 송신하는 900MHz대 RFID 리더기를 송신기로 사용하여 제안하는 렉테나의 특성을 측정하였다.
제안 방법
- 3V의 일정한 전압을 부하에 공급하는 렉테나를 구현하고자 한다. 1W의 전력을 송신하는 900MHz대 RFID 리더기를 송신기로 사용하여 제안하는 렉테나의 특성을 측정하였다.
- 안테나와 정류부 및 충전부를 합쳐 제작한 렉테나를 Figure 8에 나타내었다. 1W의 전력을 송신하는 RFID 리더기를 통해 900MHz 신호를 송신하고 거리 50cm 떨어진 위치에 렉테나를 놓고 렉테나의 특성 실험을 하였다. 실험 setup 모습을 Figure 9에 나타내었다.
- 본 논문에서는 정류 전압을 크게하기 위해 Figure 4와 같은 배전압 구조의 정류회로를 설계하였고, 다이오드는 HSMS-2852 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 그리고 안테나와 정류회로와의 임피던스 정합을 위해 Figure 4와 같이 Cm와 Lm을 이용하여 임피던스 정합을 구현하였다.
- 두께 1mm의 FR-4 기판을 사용하여 900MHz에서 동작하는 슬롯 안테나의 길이(LW)와 임피던스 정합을 위한“T”형 스터브의 크기(TL1, TL2, TW1, TW2)를 Ansoft 사의 Designer를 사용하여 설계 하였다.
- 임피던스 정합 회로의 설계에서 주의할 점은 인가되는 입력 전력에 따라 다이오드의 임피던스가 달라진다는 점이다. 따라서 안테나에 수신되는 전력을 고려하여 평균적인 전력을 이용하여 정합회로를 설계하는 것이 필요하며, 본 논문에서는 0dBm 을 기준으로 설계를 하였다. 물론 부하 저항 RL의 값에 따라서도 임피던스가 변하게 되며, 본 논문에서는 RL= 1kΩ , C1= 100pF C2= 100pF으로 두고, 정합회로를 설계한 결과 Cm = 1.
- 제작한 렉테나의 안테나는 “ㄷ”자 형의 슬롯형태로 구현하였으며, “ㄷ”자 형의 안쪽 공간에 정류회로를 배치하여 렉테나의 크기를 소형화 하였다. 또한 정류회로를 통해 얻은 에너지를 사용가능한 DC 전압으로 만들기 위해 슈퍼 콘덴서와 부스터 컨버터를 사용하였다.
- 실험의 순서는 다음과 같이 하였다. 먼저, 부스터 컨버터를 OFF 상태로 하고, RFID 리더기에서 송신되는 전력을 렉테나를 통해 슈퍼 콘덴서에 충전하였다.
- 본 논문에서는 900MHz 대역에서 동작하는 렉테나를 제작하고, 1W의 전력을 방사하는 RFID 리더기를 송신기로 사용하여, 제작한 렉테나의 특성을 실험 하였다. 제작한 렉테나의 안테나는 “ㄷ”자 형의 슬롯형태로 구현하였으며, “ㄷ”자 형의 안쪽 공간에 정류회로를 배치하여 렉테나의 크기를 소형화 하였다.
- 일반적으로 DC로 변환된 전력이 부하를 구동하기에 충분하지 않고, 또한 DC 전력의 값이 변화가 심한 경우 일정한 전압을 부하에 공급하기 위해 충전회로부를 구성한다. 본 논문에서도 안테나, 정류회로부와 충전회로부로 구성된 렉테나를 설계하였으며, 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.
- 그러므로 정류된 에너지를 충전하여 부하가 동작할 수 있는 에너지만큼 모을 수 있도록 하는 충전부의 설계가 필요하다. 슈퍼 콘덴서는 작은 사이즈에 큰 용량을 가지므로 렉테나의 충전용 소자로 적합하여 본 논문에서는 0.1F의 슈퍼 콘덴서를 사용하여 정류회로를 통해 변환 된 전력을 충전하였다.
- 슬롯의 양끝부분을 90도로 꺽어 “ㄷ”자 형으로 슬롯의 모양을 만들고,“ㄷ” 자 형의 안쪽에 정류회로부를 구성하여 렉테나의 크기를 줄일 수 있도록 설계하였다.
- 안테나의 급전은 슬롯이 있는 기판의 반대편에 50Ω의 마이크로스트립 선로를 통해 구현하였으며, 임피던스 정합을 위해 “T”형의 스터브(stub)를 마이크로스트립 선로의 끝 부분에 설계하였다.
- 제작한 렉테나의 안테나는 “ㄷ”자 형의 슬롯형태로 구현하였으며, “ㄷ”자 형의 안쪽 공간에 정류회로를 배치하여 렉테나의 크기를 소형화 하였다.
- 5V 를 입력으로 받아 일정한 전압으로 출력하는 레귤레이터 역할을 한다. 회로 구성에 따라 출력 전압을 1.8V에서 5.5V까지 조절이 가능하며, 본 논문에서는 3.3V의 출력 전압이 나오도록 회로를 구성 하였다.
대상 데이터
- 안테나를 통해 수신된 미약한 RF전력은 비선형 소자인 다이오드 회로를 통해 정류하게 되는데 일반적으로 사용하는 다이오드는 turn on 전압이 낮은 쇼트키 다이오드를 사용한다[6]. 본 논문에서는 정류 전압을 크게하기 위해 Figure 4와 같은 배전압 구조의 정류회로를 설계하였고, 다이오드는 HSMS-2852 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 그리고 안테나와 정류회로와의 임피던스 정합을 위해 Figure 4와 같이 Cm와 Lm을 이용하여 임피던스 정합을 구현하였다.
성능/효과
- 11V로 저장되는 에너지양은 222mJ이다. 0.1F의 슈퍼커패시터가 100pF에 비하여 큰 에너지를 저장할 수 있음을 확인하였다. 이때 0.
- RFID 리더기를 송신기로 사용한 실험에서 렉테나의 안테나로 약 0dBm의 입력 전력이 수신되는 환경에서 20분간 슈퍼 콘덴서를 충전하여, 3.3V의 일정한 DC전압으로 50㏀의 부하 저항에 약 60mJ의 에너지를 전달 할 수 있음을 확인하였다. 이는 짧은 시간동안 작동하여 센서를 구동하고 측정된 값을 전송하는 응용 분야에 사용이 가능 할 것으로 기대된다.
- 물론 부하 저항 RL의 값에 따라서도 임피던스가 변하게 되며, 본 논문에서는 RL= 1kΩ , C1= 100pF C2= 100pF으로 두고, 정합회로를 설계한 결과 Cm = 1.8pF , Lm = 12nH의 값을 얻었다.
- 신호 발생기를 통해 직접 RF 전력을 인가하여 DC로 변환되는 효율을 측정하여 모의실험으로 구한 결과값과 함께 Figure 6에 나타내었다. 측정치와 모의실험 값과는 약 4%의 오차가 있으며, 0dBm의 입력 전력에서 약 40%의 변환효율을 얻었다.
후속연구
- 3V의 일정한 DC전압으로 50㏀의 부하 저항에 약 60mJ의 에너지를 전달 할 수 있음을 확인하였다. 이는 짧은 시간동안 작동하여 센서를 구동하고 측정된 값을 전송하는 응용 분야에 사용이 가능 할 것으로 기대된다.
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