[논문]5.8 GHz 마이크로파 무선전력전송 시스템 개발 및 전송효율측정

이성훈; 손명식

5.8 GHz 마이크로파 무선전력전송 시스템 개발 및 전송효율측정
5.8 GHz Microwave Wireless Power Transmission System Development and Transmission-Efficiency Measurement 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.13 no.4, 2014년, pp.59 - 63

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Previous studies have selected wireless power transmission system using 2.45 GHz of ISM band, but the researches for 5.8 GHz microwave wireless power transmission have been relatively rare. The 5.8 GHz has some advantages compared with 2.45 GHz. Those are smaller antenna and smaller integrated system for RFIC. In this paper, the 5.8 GHz wireless power transmission system was developed and transmission efficiency was measured according to the distance. A transmitter sent the amplified microwaves through an antenna amplified by a power amplifier of 1W for 5.8 GHz, and a receiver was converted to DC from RF through a RF-DC Converter. In the 1W 5.8GHz wireless power transmission system, the converted currents and voltages were measured to evaluate transmission efficiency at each distance where LED lights up to 1m. The RF-DC Converter is designed and fabricated by impedance matching using full-wave rectifier circuit. The transmission-efficiency of the system shows from 1.05% at 0cm to 0.095% at 100cm by distance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 연구인 2.45 GHz 마이크로파와 달리 5.8 GHz 마이크로파를 이용하여 무선전력전송 시스템을 개발하고 거리별에 따른 전압과 전류를 측정하여 전력을 구하고 효율을 얻었다. 송신부에 1 W 증폭기를 사용하여 1000 mW를 전체 송신하여 수신부에 RF-DC Converter를 Full-wave 방식으로 정합하여 설계 및 제작하였다.

제안 방법

50 Ω 임피던스 매칭을 위해 Smith Chart라는 tool을 이용하여 Microstrip Type으로 개방스터브를 다이오드 앞단에 매칭 한 회로도를 정합하였고, Full-wave 방식으로 앞단과 뒷단에 대한 임피던스매칭을 해주기 위해 뒷단도 개방 스터브로 다이오드를 매칭 해서 전체적인 50 Ω 임피던스 매칭을 하였다.
Full-wave 방법으로 Microwave Schottky Detector Diode HSMS-286P인 Bridge quad로 선정 및 정합하여 설계 및 제작하였고 Agilent ADS(Advenced Design System) 프로그램을 이용하여 HSMS-286P 모델에 대한 50 Ω 임피던스 매칭을 하였다.
LED가 작동하는 최대 거리는 시스템에 연결 후 불빛으로 확인하여 100 cm로 선정하여 측정하였고 거리 0 cm ~ 100 cm까지 10 cm간격으로 전압과 전류를 측정 하였다. 최대 거리는 LED 작동은 희미한 불빛으로 확인하였고 Fig.
8 GHz 마이크로파로 1W에 전력증폭기의 신호를 가지고 수신측에 RF-DC Converter를 통하여 RF 신호를 DC로 변환하여 LED에 전력을 공급하여 불빛을 밝히는 시스템을 개발하였다. RF-DC Converter는 정류회로인 Full-wave로 설계 및 제작 하였고, 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리 간격을 띄어 최대 100 cm를 전압과 전류를 측정 하고 전력을 구하고 효율을 계산하였다.
본 논문에서는 2.4 GHz 마이크로파에 대한 기존의 연구와 다르게 5.8 GHz 마이크로파를 이용하여 무선전력전송 시스템 개발 및 거리에 따른 전송효율측정을 하였다. 송신측에 5.
8 GHz 마이크로파를 이용하여 무선전력전송 시스템을 개발하고 거리별에 따른 전압과 전류를 측정하여 전력을 구하고 효율을 얻었다. 송신부에 1 W 증폭기를 사용하여 1000 mW를 전체 송신하여 수신부에 RF-DC Converter를 Full-wave 방식으로 정합하여 설계 및 제작하였다. LED로 무선전력전송을 확인하였고 거리별로 0 cm~ 100 cm까지 전압과 전류를 측정 및 전력을 구하고 각 효율을 구했는데 약 1%에서 약 0.
8 GHz 마이크로파를 이용하여 무선전력전송 시스템 개발 및 거리에 따른 전송효율측정을 하였다. 송신측에 5.8 GHz 마이크로파로 1W에 전력증폭기의 신호를 가지고 수신측에 RF-DC Converter를 통하여 RF 신호를 DC로 변환하여 LED에 전력을 공급하여 불빛을 밝히는 시스템을 개발하였다. RF-DC Converter는 정류회로인 Full-wave로 설계 및 제작 하였고, 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리 간격을 띄어 최대 100 cm를 전압과 전류를 측정 하고 전력을 구하고 효율을 계산하였다.
8 GHz 마이크로파인 RF신호를 DC로 변환하여 전력을 전달한다. 수신 안테나(Antenna)은 Teletronics사의 Sector Antenna이고 RF-DC 변환기(RF-DC Converter)는 정류회로인 Full-wave로 Avago사의 HSMS-286P 다이오드를 사용하여 설계 및 제작하고 LED로 무선전력전송에 유무를 확인할 수 있게 구성하였다.

대상 데이터

또한 커패시터는 C08BL242X-5UN-XOT 모델로 2400pF의 성능과 저항은 330 Ω 으로 선정하였으며 LED는 황색으로 설계하였다.
8 GHz 마이크로파를 전력증폭기로 전력을 증폭시켜서 안테나를 통해서 수신측에 전달 할 수 있도록 구성되어야 한다. 신호 발생기(Signal Generator)는 Agilent E8257D 모델을 이용하여 5.8GHz 마이크로파를 발생하였고 전력 증폭기(Power Amplifier)는 HD사의 HD24678 모델이고 최대 1 W까지 증폭해 주는 전력증폭기를 사용하였고 송신 안테나 (Antenna)로 Teletronics사의 Sector Antenna로 선정하여 구성하였다.

성능/효과

송신부에 1 W 증폭기를 사용하여 1000 mW를 전체 송신하여 수신부에 RF-DC Converter를 Full-wave 방식으로 정합하여 설계 및 제작하였다. LED로 무선전력전송을 확인하였고 거리별로 0 cm~ 100 cm까지 전압과 전류를 측정 및 전력을 구하고 각 효율을 구했는데 약 1%에서 약 0.1%까지 효율을 얻을 수 있었다.
8에 나타내었다. 전체 1000 mW의 전력을 송신하여 가까운 거리인 0 cm에서 약 1%이고, 최대 거리인 100 cm까지 약 0.1% 효율을 얻었다. 거리별로 전력과 마찬가지로 효율 또한 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다.

후속연구

거리별 전력과 효율을 높이기 위해서는 송신부에 증폭기를 높은 전력을 사용하거나 안테나에서 공기 중으로 신호를 전송할 때 에너지를 분산시키지 않고 집중적으로 전송하고 수신하는 안테나 기술 연구가 필요할 것이다. 또한 전력을 높일 시 인체유해 규제에 대한 부분도 고려를 해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선전력전송은 무엇인가?	무선전력전송은 전선을 사용하지 않고, 소스로부터 부하에 전기에너지를 전달하는 기술이다. RF 신호, 레이저, 음파를 이용한 다양한 방식의 무선전력전송 기술에 대한 연구가 수행 중이다.
	무선 전력 전송 기술을 연구할 때 ISM대역의 2.45 GHz를 이용하는 것은 어떤 장점이 있는가?	기존의 연구들은 ISM대역의 2.45 GHz를 선정하고 있는데 이는 대기 중의 잡음과 손실이 비교적 적으며 분포소자를 이용해 회로를 구성하기가 쉬운 장점이 있어 장거리 무선 전력 전송 기술 구사를 위해 일차적으로 선정되고 대전력 전송을 위해 연구가 진행되고 있는 추세이다[5,6]. 하지만 5.
	본 논문에서 RF-DC Converter는 정류회로를 이용하여 설계하는데 정류회로를 구성하는 방법에는 무엇이 있는가?	RF-DC Converter는 정류회로를 이용하여 설계를 하였는데 구성하는 방법은 3가지로 나뉜다. 하나의 다이오드로 단순하게 만드는 방법, 두 개의 다이오드를 이용하는 Half-wave 방법과 Full-wave 방법이 있다[7]. Full-wave 방법으로 Microwave Schottky Detector Diode HSMS-286P인 Bridge quad로 선정 및 정합하여 설계 및 제작하였고 Agilent ADS(Advenced Design System) 프로그램을 이용하여 HSMS-286P 모델에 대한 50 Ω 임피던스 매칭을 하였다.

참고문헌 (7)

Myeong-Rae Lee, Seung-Yeol Kang, Yong-Hae Kim, San-Hun Jun, Tae-Hyeong Jung, "Overview of Wireless Power Transfer", World of electricity, Vol. 59, Issue 1, pp. 34-43, 2010.
Yeong Jin Park, "Understanding Wireless Power Transmission", The Magazine of the IEEK, Vol. 39, Issue 8, pp. 620-626, 2012.
W. C. Brown, "The history of power transmission by radio waves," IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. MTT-31, No. 9, Sep., 1984.
W. C. Brown, "The history of power transmission," Solar power, Vol. 56, 1996, pp. 3-21.
Ki-Ju Choi, Hee-Yong Hwang, "Low-Power Wireless Transmission at 2.45GHz Band", Journal of the Korea Electromagnetic Engineering Society, Vol. 20, Issue 8, pp. 777-783, 2009.

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Zied Harouni, Lotfi Osman and Ali Gharsallah, "Efficient 2.45 GHz Rectenna Design with High Harmonic Rejection for Wireless Power Transmission", IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol. 7, Issue 5, pp.424-427, 2010.
Ki-Ju Choi, Hee-Yong Hwang, "Performance compareson of the RF-DC converter circuit for wireless power transmission", Journal of Industrial Technology, Kangwon Natl. Univ. Korea, No. 29B, 2009.

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