[논문]5.8GHz 마이크로파 무선전력전송을 위한 원형 편파 배열 안테나 설계

이성훈; 손명식

5.8GHz 마이크로파 무선전력전송을 위한 원형 편파 배열 안테나 설계
Design of Circularly Polarized Array Antenna for 5.8GHz Microwave Wireless Power Transmission 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.2, 2018년, pp.20 - 25

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In this paper, we have designed circularly polarized array antenna for 5.8GHz microwave wireless power transmission. To obtain high antenna gain, we studied a single patch antenna, a $2{\times}1$ array antenna, a $2{\times}2$ array antenna, a $2{\times}4$ array antenna, and a $4{\times}4$ array antenna. Commonly, characteristics of each antenna have a frequency of 5.8 GHz and Right Hand Circular Polarization(RHCP) of circular polarization. Also, the results were obtained with the design to each antenna that the return loss was less than -10dB and the axial ratio was less than 3dB. The gain of the antennas was 6.08dBi for a single patch antenna, 9.69dBi for a $2{\times}1$ array antenna, 12.99dBi for a $2{\times}2$ array antenna, 15.72dBi for a $2{\times}4$ array antenna and 18.39dBi for a $4{\times}4$ array antenna. When the elements of the array antenna were increased, it was confirmed that it increased by about 3dBi.

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문제 정의

본 논문에서는 5.8GHz 마이크로파 무선전력전송을 위한 원형 편파 배열 안테나를 설계하였다. 5.

제안 방법

0프로그램을 이용하여 원형 편파 단일 패치 안테나부터 4×4 배열 안테나까지 반사 손실, 이득, 축비에 대한 시뮬레이션 결과를 Table 7에 제시하였다. 각 안테나의 공통적으로 5.8GHz의 주파수와 원형 편파인 우현 편파(RHCP)를 맞게 설계하였다. 또한, 각 안테나의 반사 손실은 -10dB이하, 축비는 3dB이하로 조건에 충족되는 설계로 결과를 얻을 수 있었다.
높은 안테나 이득을 얻기 위하여 단일 패치 안테나, 2×1 배열 안테나, 2×2 배열 안테나, 2×4 배열 안테나, 4×4 배열 안테나를 설계하였다.
안테나 상호 간섭을 고려하여 소자 간격을 1.26 λ0으로 선정하고 전력 분배기를 이용하여 설계하였다.
안테나 소자의 상호 간섭을 고려하여 안테나 소자 간격을 1.26λ0으로 선정하였으며 전력 분배는 전송선로 임피던스 변환기의 급전점의 λ/4 변환기를 사용하여 설계하였다[5].
원형 편파의 우 현 편파(RHCP)는 패치 안테나의 모서리 컷(Corner cut)을 사용하였고 높은 안테나 이득을 얻기 위하여 원형 편파인 우현 편파(RHCP)를 생성시키는 단일 패치 안테나, 2×1 배열 안테나, 2×2 배열 안테나, 2×4 배열 안테나, 4×4 배열 안테나를 고찰하였다.
1에 나타냈으며, 변수의 값을 Table 2에 제시하였다. 원형 편파인 우현 편파 (RHCP)를 발생시키기 위해 패치 안테나의 모서리 컷 (Corner cut)으로 Cut을 1.4로 설계하였다. Fig.
전력 분배는 전송선로 임피던스 변환기의 급전점의 λ/4 변환기를 사용하여 설계하였다[6].
주파수는 5.8GHz 의 원형 편파인 우현 편파(RHCP)를 생성시키는 패치 안 테나의 모서리 컷(corner cut)을 사용하였고, 단일 패치 안테나는 Cut을 1.4로 설계하였고, 축비 최적화를 위해 2×1 배열 안테나부터 4×4 배열 안테나까지 Cut은 1.9로 적용시 켰다.

성능/효과

8GHz의 주파수와 원형 편파인 우현 편파(RHCP)를 맞게 설계하였다. 또한, 각 안테나의 반사 손실은 -10dB이하, 축비는 3dB이하로 조건에 충족되는 설계로 결과를 얻을 수 있었다. 안테나의 이득은 단일 패치 안테나는 6.
무선전력전송에서는 고이득 안테나가 필요한데, 원하는 고이득을 얻기 위한 배열 안테나의 소자 개수와 이득에 대한 추측 가능한 설계를 확인할 수 있었다. 또한, Friis 전달 공식을 활용하여 1W (30dBm) 전력을 거리 0.3m로 송신한다면, 4×4 배열 안테나 기준으로 수신된 전력은 0.74W(28.7dBm)로 안테나 효율은 61.45%로 예측이 가능할 수 있었다.
8GHz의 주파수와 원형 편파인 우현 편파(RHCP)를 맞게 설계하였다. 또한, 각 안테나의 반사 손실은 -10dB이하, 축비는 3dB이하로 조건에 충족되는 설계로 결과를 얻을 수 있었다. 안테나의 이득은 단일 패치 안테나는 6.
배열 안테나의 소자가 증가할 때 마다 약 3dBi정도 증가 하는 것을 확인할 수 있었다. 무선전력전송에서는 고이득 안테나가 필요한데, 원하는 고이득을 얻기 위한 배열 안테나의 소자 개수와 이득에 대한 추측 가능한 설계를 확인할 수 있었다. 또한, Friis 전달 공식을 활용하여 1W (30dBm) 전력을 거리 0.
39dBi를 얻을 수 있었다. 배열 안테나의 소자가 증가할 때 마다 약 3dBi정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
39dBi를 얻을 수 있었다. 배열 안테나의 소자가 증가할 때 마다 약 3dBi정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	패치 안테나의 단점은 무엇인가?	이득이 높으면 먼 거리에서도 전송이 가능 하며, 같은 거리에서도 더 많은 전력을 받을 수 있다. 그러나 널리 사용 되고 있는 패치 안테나는 이득이 낮고 대역폭이 좁은 단점이 있다. 패치의 배열을 통해서 이득을 향상시켜야 한다[1,2].
	Friis공식에서 수신기에 전달되는 전력량을 달라지게 하는 변수는?	무선전력전송시스템에서 효율을 개선하기 위해 안테나의 역할이 크다는 것을 Friis 공식을 보면 확인 할 수 있다. Friis공식에서 보면 송신 안테나(Gt)와 수신 안테나(Gr)의 이득에 따라서 수신기에 전달되는 전력량이 달라지는 것을 알 수 있다. 최대 전력을 수신 받으려면 안테나는 고 이득 안테나를 설계 및 구현해야 한다.
	원형 편파 안테나는 어떤 파장 대역에서 적합한가?	또한, 편파손실이 적고 고주파 이용에 용이하다. 원형 편파는 고주파 대역인 마이크로파(Microwave)에서 적합하다. 무선전전력전송 시스템에서 사용하는 주파수는 무선 주파수인ISM밴드 대역인 915MHz, 2.

참고문헌 (5)

Yong-wook Park, "Characteristics of Microstrip Array Antenna," The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, volume 7, No. 6, pp. 1281-1286, 2012.
Xiaodong Yang, Wen Geyi, Hucheng Sun, "Optimum Design of Wireless Power Transmission System Using Microstrip Patch Antenna Arrays," IEEE Antennas and Wireless Propagation Fetters, volume 16, pp. 1824-1827, 2017.
Changrong Liu, Yudi Zhang and Xueguan Liu, "Circularly Polarized Implantable Antenna for 915MHz ISM-Band Far-Field Wireless Power Transmission," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 17, No.3, pp. 373-376, 2018.

상세보기
Seong Hun Lee and Myung Sik Son, "Design and Fabrication of a Receiver Modul for 5.8GHz Microwave Wireless Power Transmission," Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol 15, No.4, pp. 16-21, 2016.
Ro Hun Myung, Young Sik Sun, Jong Won Yu, Jae Ho Hwang, Young Cheol Roh, Woo Kyoung Lee, "Microstrip antenna design study," ETRI, pp. 1-151, 1994.

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