[논문]에너지 수확 시스템을 위한 고효율 렉테나 설계

정용채

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문제 정의

Tesla에 의해 무선 전력전송의 개념이 처음으로 소개된 이후로, 무선으로 전원을 공급하기 위한 다양한 연구가 진행되어왔다.^[3-4] 이러한 무선 전력 전송 기술 중에서 자기 유도를 이용한 방식, 마이크로파 방사를 이용한 렉테나 (rectenna) 방식 등이 대표적인데, 본 연구에서는 마이크로파 방사를 이용한 렉테나 방식에 중점을 두고자 한다. 마이크로파 방사를 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 가장 중요한 요소인 렉테나는 W.
본 연구에서는 렉테나 방식의 에너지 수확 시스템 기술에 대한 여러 가지 최근 연구 동향들에 설명하였다. 마이크로파에너지 수확 시스템 기술을 이용하여 주변에서 버려지는 전파 에너지를 수확하여 새로운 에너지원으로 사용할 수 있는 렉테나는 작은 무선 전파 전력으로 소형 무선전자기기의 전원을 공급할 수 있다.
본 연구에서는 마이크로파 방사를 이용한 여러 렉테나 방식의 구조들에 대해 소개하고, 이를 이용한 에너지 수확 기술의 동향에 대해 살펴보고자 한다.

제안 방법

에너지 수확 시스템에서는 작은 RF 입력 신호로 인해 RF-DC 변환 출력전압이 너무 작다. 따라서 작은 RF 신호로 큰 출력 전압을 얻기 위해 여러 단의 Villard 전압 체배기를 연결하였다.
<그림 13>은 스터브를 이용한 입/출력 고조파 차단회로도이다. 입력 고조파 차단회로의 경우에는 2차 및 3차 고조파에 대해서 개방 임피던스로 보이기 때문에 고조파 성분이 안테나로 재방사 되는 것을 막고, 동작 주파수 성분만을 통과시키도록 하였다. 또한 고조파 차단 회로를 이용하여 임피던스 정합을 할 수 있기 때문에 안테나와 정류기 사이의 임피던스 정합이 된다.

성능/효과

1)과 같이 복수의 안테나 또는 렉테나의 배열은 배열된 안테나와 정류기의 수만큼 큰 전압과 효율을 얻을 수 있지만, 센서나 수동형 RFID 태그와 같이 소형제작이 필요한 기기와 같이 공간제약이 생기는 회로에는 적합하지 않다.2)는 RF 에너지 수확 시스템에서 수신 신호의 주파수가 높고 신호의 크기가 작기 때문에 시스템의 효율을 높이기 위해서는 낮은 문턱전압과 매우 빠른 스위칭 속도특성을 갖는 소자의 선택이 중요하다.
<그림 9>는 E-pHEMT를 적용한 정류기의 출력전압 및 효율특성을 나타낸다. E-pHEMT를 이용한 정류기는 최대 효율이 80%이상, 25 dBm 입력 신호에 대해서 5 V 이상의 출력전압을 얻었다. 특히 0 dBm의 입력 신호에 대해서도 30 % 이상의 높은 효율을 얻었기 때문에, 낮은 문턱전압을 갖는 E-pHEMT 소자의 특성으로 인하여 낮은 입력 신호에 대해서도 좋은 효율 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
^[12] <그림 11>은 마름모형 루프 안테나를 적용한 렉테나의 효율 측정 결과이다. 높은 이득을 갖는 이중대역 안테나를 이용하여 자유공간 측정과 직접측정, 계산된 값이 거의 일치하고, 높은 효율을 얻었음을 제시하였다.
부하 저항의 값에 따라서 정류기의 효율을 확인하여 최적의 부하저항을 선택할 수 있는데, 부하저항이 1 kΩ 까지는 효율이 지속적으로 증가하다가 1.1 kΩ 부터는 불안정하게 감소하는 모습을 보여주었다.
<그림 14>는 고조파 차단 회로를 이용한 정류기의 효율과 출력전압을 나타낸 것이다. 입/출력 고조파 차단회로가 있는 경우와 없는 경우의 효율 개선차이가 있음을 확인할 수 있다.
<그림 10>은 마름모형 루프 안테나를 적용한 렉타나 회로도이다. 제안된 마름모형 루프 안테나는 이중대역을 통과하고 매우 높은 이득 특성을 얻는다. 이러한 높은 이득 특성을 갖는 안테나를 이용하면 같은 면적으로 더 높은 수신률을 갖게 되므로 회로 크기를 줄일 수 있다.
E-pHEMT를 이용한 정류기는 최대 효율이 80%이상, 25 dBm 입력 신호에 대해서 5 V 이상의 출력전압을 얻었다. 특히 0 dBm의 입력 신호에 대해서도 30 % 이상의 높은 효율을 얻었기 때문에, 낮은 문턱전압을 갖는 E-pHEMT 소자의 특성으로 인하여 낮은 입력 신호에 대해서도 좋은 효율 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

이를 위해서는 주요 부품인 낮은 문턱 전압을 갖는 다이오드의 소자개발하기 위해 E-pHEMT와 같은 새로운 반도체 공정기술의 개발이 필요하며, 고조파 정합 회로와 같은 회로기술들도 효율 개선을 위해 필요하다. 그리고 소형 무선전자기기에 적용하기 위해 CMOS 공정을 이용하여 에너지 수확 시스템을 기존 회로와 일체화한다면 여러가지 파생 효과를 기대할 수 있을 것이다. 에너지 수확 시스템 기술을 통해 사무실, 학교, 공공장소 등에서 전원코드가 없이 자동적인 전원공급을 통해 무선 전자기기의 휴대성이 더욱더 커질 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

렉테나는 어떤 구조로 되어 있는가?

렉테나는 정류기(rectifier)와 안테나(antenna)를 합성한 말로 두 회로를 조합한 구조로 되어 있다. 렉테나라고 불리는 이 회로에서 정류기는 동작 주파수에 따라 AC-DC 정류회로 또는 RF-DC 정류회로라 부른다.

고효율의 무선전력전송 시스템 구현을 위해서는 무엇이 관건인가?

Brown에 의해 처음 소개되었고, 태양광 우주발전 시스템(Space Solar Power System: SSPS)부터 RFID에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다.[5-6] 고효율의 무선전력전송 시스템을 구현하기 위해서는 수신단의 렉타나가 높은 RF-DC 변환 효율을 갖도록 하는 것이 관건이다. 이를 위해 GaAs와 E-pHEMT[5-6] 같은 다양한 화합물 반도체 다이오드를 이용한 여러 구조의 정류기 회로를 갖는 렉타나들이 제안되어 왔다.

수신단의 렉타나가 높은 RF-DC 변환 효율을 갖게 하기 위해 어떤 방법들이 제안되었는가?

[5-6] 고효율의 무선전력전송 시스템을 구현하기 위해서는 수신단의 렉타나가 높은 RF-DC 변환 효율을 갖도록 하는 것이 관건이다. 이를 위해 GaAs와 E-pHEMT[5-6] 같은 다양한 화합물 반도체 다이오드를 이용한 여러 구조의 정류기 회로를 갖는 렉타나들이 제안되어 왔다.[7-8] 그리고 기존 기저 대역(base-band) 회로에서 많이 이용하는 CMOS 공정을 이용한 집적회로 렉테나 연구도 이루어지고 있다.

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