안테나-정류기 공동 설계
그림 2의 EG 토폴로지를 따르는 렉테나의 특징은 안테나가 50Ω 표준이 아닌 정류기에 직접 정합된다는 점입니다. 따라서 정류기에 전력을 공급하기 위한 정합 회로를 최소화하거나 제거해야 합니다. 이 섹션에서는 50Ω이 아닌 안테나를 사용하는 SoA 렉테나와 정합 네트워크가 없는 렉테나의 장점을 살펴봅니다.
1. 전기적으로 작은 안테나
LC 공진 링 안테나는 시스템 크기가 중요한 응용 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 1GHz 미만의 주파수에서는 파장 때문에 표준 분산 소자 안테나가 시스템의 전체 크기보다 더 많은 공간을 차지할 수 있으며, 특히 체내 이식형 완전 통합형 송수신기와 같은 응용 분야에서는 WPT에 전기적으로 작은 안테나를 사용하는 것이 특히 유용합니다.
소형 안테나(공진 근처)의 높은 유도 임피던스는 정류기를 직접 결합하거나 추가적인 온칩 용량성 정합 네트워크와 함께 사용할 수 있습니다. 1GHz 미만의 저역 주파수(LP)와 중역 주파수(CP)를 사용하는 WPT에서 전기적으로 작은 안테나가 보고되었는데, 이 안테나의 경우 ka=0.645인 반면, 일반 다이폴 안테나(ka=2πr/λ0)에서는 ka=5.91입니다.
2. 정류기 공액 안테나
다이오드의 일반적인 입력 임피던스는 높은 정전용량성을 가지므로, 공액 임피던스를 구현하기 위해 유도성 안테나가 필요합니다. 칩의 정전용량성 임피던스로 인해 고임피던스 유도성 안테나가 RFID 태그에 널리 사용되어 왔습니다. 최근 복소 임피던스 RFID 안테나에서는 다이폴 안테나가 트렌드로 자리 잡았으며, 공진 주파수 근처에서 높은 임피던스(저항과 리액턴스)를 나타냅니다.
유도 다이폴 안테나는 관심 주파수 대역에서 정류기의 높은 정전용량을 정합하는 데 사용되었습니다. 폴디드 다이폴 안테나에서 이중 단선(다이폴 폴딩)은 임피던스 변압기 역할을 하여 매우 높은 임피던스 안테나를 설계할 수 있습니다. 또한, 바이어스 급전은 실제 임피던스뿐만 아니라 유도 리액턴스도 증가시킵니다. 여러 개의 바이어스된 다이폴 소자와 불평형 보타이 방사형 스터브를 결합하면 이중 광대역 고임피던스 안테나가 형성됩니다. 그림 4는 보고된 몇 가지 정류기 공액 안테나를 보여줍니다.
그림 4
RFEH 및 WPT의 방사선 특성
Friis 모델에서 송신기로부터 거리 d에 있는 안테나가 수신하는 전력 PRX는 수신기와 송신기 이득(GRX, GTX)의 직접적인 함수입니다.
안테나의 메인 로브 지향성과 편파는 입사파에서 수집되는 전력량에 직접적인 영향을 미칩니다. 안테나 방사 특성은 주변 RFEH와 WPT를 구분하는 핵심 매개변수입니다(그림 5). 두 응용 분야 모두 전파 매체가 알려지지 않을 수 있으며, 수신파에 미치는 영향을 고려해야 하지만, 송신 안테나에 대한 정보를 활용할 수 있습니다. 표 3은 이 섹션에서 논의되는 주요 매개변수와 RFEH 및 WPT에 대한 적용 가능성을 보여줍니다.
그림 5
1. 지향성과 이득
대부분의 RFEH 및 WPT 응용 분야에서는 수집기가 입사 복사의 방향을 알지 못하고 가시선(LoS) 경로도 없다고 가정합니다. 본 연구에서는 송신기와 수신기 사이의 메인 로브 정렬에 관계없이, 알려지지 않은 소스로부터 수신 전력을 최대화하기 위해 다양한 안테나 설계 및 배치를 연구했습니다.
전방향성 안테나는 환경용 RFEH 렉테나에 널리 사용되어 왔습니다. 문헌에서는 PSD가 안테나 방향에 따라 변하는 것으로 보고하고 있습니다. 그러나 전력 변화는 아직 명확하게 설명되지 않아, 그 변화가 안테나의 방사 패턴 때문인지, 아니면 편파 부정합 때문인지 판단할 수 없습니다.
RFEH 응용 분야 외에도, 저RF 전력 밀도의 수집 효율을 향상시키거나 전파 손실을 극복하기 위해 마이크로파 WPT에 고이득 지향성 안테나 및 어레이가 널리 보고되었습니다. 야기-우다 렉테나 어레이, 보타이 어레이, 스파이럴 어레이, 강결합 비발디 어레이, CPW CP 어레이, 패치 어레이는 특정 영역에서 입사 전력 밀도를 극대화할 수 있는 확장 가능한 렉테나 구현 사례입니다. 안테나 이득을 향상시키는 다른 방법으로는 WPT에 특화된 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 기판 집적 도파관(SIW) 기술이 있습니다. 그러나 고이득 렉테나는 빔폭이 좁다는 특징이 있어 임의 방향의 전파 수신 효율이 낮습니다. 안테나 소자 및 포트 수에 대한 조사 결과, 3차원 임의 입사를 가정할 때 주변 RFEH에서 높은 지향성이 더 높은 수확 전력과 일치하지 않는다는 결론이 도출되었습니다. 이는 도시 환경에서의 현장 측정을 통해 검증되었습니다. 고이득 어레이는 WPT 응용 분야로 제한될 수 있습니다.
고이득 안테나의 이점을 임의의 RFEH로 전달하기 위해, 지향성 문제를 극복하기 위해 패키징 또는 레이아웃 솔루션을 활용합니다. 주변 Wi-Fi RFEH에서 양방향으로 에너지를 수집하기 위해 이중 패치 안테나 손목 밴드가 제안됩니다. 주변 셀룰러 RFEH 안테나는 3D 상자 형태로 설계되어 시스템 면적을 줄이고 다방향 수집을 가능하게 하기 위해 외부 표면에 인쇄되거나 부착됩니다. 입방형 렉테나 구조는 주변 RFEH에서 에너지 수신 확률이 더 높습니다.
2.4GHz, 4×1 어레이에서 WPT를 향상시키기 위해 보조 기생 패치 소자를 포함한 빔폭 증가를 위한 안테나 설계 개선이 이루어졌습니다. 또한, 포트당 여러 빔을 구현하는 다중 빔 영역을 갖는 6GHz 메시 안테나가 제안되었습니다. 다방향 및 다중 편파 RFEH를 위해 다중 포트, 다중 정류기 표면 렉테나 및 전방향 방사 패턴을 갖는 에너지 하베스팅 안테나가 제안되었습니다. 빔포밍 매트릭스를 갖춘 다중 정류기와 다중 포트 안테나 어레이 또한 고이득 다방향 에너지 하베스팅을 위해 제안되었습니다.
요약하자면, 낮은 RF 밀도에서 수확되는 전력을 향상시키기 위해서는 고이득 안테나가 선호되지만, 고지향성 수신기는 송신기 방향을 알 수 없는 응용 분야(예: 주변 RFEH 또는 알려지지 않은 전파 채널을 통한 WPT)에서는 적합하지 않을 수 있습니다. 본 연구에서는 다방향 고이득 WPT 및 RFEH를 위한 여러 가지 다중 빔 접근법을 제안합니다.
2. 안테나 편파
안테나 편파는 안테나 전파 방향에 대한 전계 벡터의 이동을 나타냅니다. 편파 불일치는 주 로브 방향이 정렬되어 있더라도 안테나 간 송수신 감소로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 수직 LP 안테나를 송신에 사용하고 수평 LP 안테나를 수신에 사용하면 전력이 수신되지 않습니다. 이 섹션에서는 무선 수신 효율을 극대화하고 편파 불일치 손실을 방지하기 위한 보고된 방법들을 검토합니다. 편파와 관련하여 제안된 렉테나 아키텍처의 요약은 그림 6에, SoA의 예는 표 4에 제시되어 있습니다.
그림 6
셀룰러 통신에서는 기지국과 휴대폰 간의 선형 편파 정렬이 거의 이루어지지 않기 때문에, 기지국 안테나는 편파 부정합 손실을 방지하기 위해 이중 편파 또는 다중 편파로 설계됩니다. 그러나 다중 경로 효과로 인한 LP파의 편파 변화는 여전히 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다. 다중 편파 이동 기지국을 가정하여 셀룰러 RFEH 안테나는 LP 안테나로 설계됩니다.
CP 렉테나는 부정합에 비교적 강하기 때문에 주로 WPT에 사용됩니다. CP 안테나는 모든 LP파 외에도 동일한 회전 방향(좌수 또는 우수 CP)의 CP 복사를 전력 손실 없이 수신할 수 있습니다. 어떤 경우든 CP 안테나는 송신하고 LP 안테나는 수신하며, 이때 손실은 3dB(50% 전력 손실)입니다. CP 렉테나는 900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz의 산업, 과학, 의료용 대역과 밀리미터파에 적합한 것으로 보고되었습니다. 임의 편파의 무선 주파수 전자파(RFEH)에서 편파 다이버시티는 편파 부정합 손실에 대한 잠재적인 해결책을 제시합니다.
완전 편파(다중 편파라고도 함)는 편파 부정합 손실을 완전히 극복하여 CP파와 LP파를 모두 수집할 수 있도록 제안되었습니다. 이 경우 두 개의 이중 편파 직교 LP 소자가 모든 LP파와 CP파를 효과적으로 수신합니다. 이를 설명하기 위해 수직 및 수평 순전압(VV와 VH)은 편파 각도에 관계없이 일정하게 유지됩니다.
CP 전자파 "E" 전기장은 전력이 두 번 수집되어(단위당 한 번) CP 성분을 완전히 수신하고 3dB 편파 불일치 손실을 극복합니다.
마지막으로, DC 조합을 통해 임의 편광의 입사파를 수신할 수 있습니다. 그림 7은 보고된 완전 편광 렉테나의 구조를 보여줍니다.
그림 7
요약하자면, 전용 전원 공급 장치를 사용하는 WPT 애플리케이션에서는 안테나의 편파 각도에 관계없이 WPT 효율을 향상시키기 때문에 CP가 선호됩니다. 반면, 다중 소스 수신, 특히 주변 소스에서 수신하는 경우, 완전 편파 안테나는 전반적인 수신 성능과 최대 휴대성을 달성할 수 있습니다. RF 또는 DC에서 완전 편파 전력을 결합하려면 다중 포트/다중 정류기 아키텍처가 필요합니다.
요약
본 논문은 RFEH 및 WPT용 안테나 설계의 최근 진전을 검토하고, 기존 문헌에서 제시되지 않았던 RFEH 및 WPT용 안테나 설계의 표준 분류를 제안합니다. 높은 RF-DC 효율을 달성하기 위한 세 가지 기본 안테나 요건은 다음과 같습니다.
1. 관심 있는 RFEH 및 WPT 대역에 대한 안테나 정류기 임피던스 대역폭;
2. 전용 피드에서 WPT의 송신기와 수신기 사이의 메인 로브 정렬
3. 각도와 위치에 관계없이 렉테나와 입사파 사이의 편광 매칭.
렉테나는 임피던스에 따라 50Ω 렉테나와 정류기 접합 렉테나로 분류되며, 서로 다른 대역과 부하 간의 임피던스 매칭과 각 매칭 방법의 효율성에 초점을 맞춥니다.
SoA 렉테나의 방사 특성을 지향성과 편파 관점에서 검토했습니다. 좁은 빔폭을 극복하기 위해 빔포밍과 패키징을 통해 이득을 향상시키는 방법을 논의했습니다. 마지막으로, WPT용 CP 렉테나를 검토하고, WPT 및 RFEH에서 편파에 독립적인 수신을 달성하기 위한 다양한 구현 방법을 제시합니다.
안테나에 대해 자세히 알아보려면 다음을 방문하세요.
게시 시간: 2024년 8월 16일
