안테나-정류기 공동 설계
그림 2의 EG 토폴로지를 따르는 렉테나의 특징은 안테나가 50Ω 표준이 아닌 정류기에 직접 연결된다는 점입니다. 따라서 정류기에 전원을 공급하기 위한 정합 회로를 최소화하거나 제거할 수 있습니다. 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 시스템 전체 크기보다 더 많은 공간을 차지할 수 있으며, 신체 이식용 완전 통합 트랜시버와 같은 응용 분야에서는 무선 전력 전송(WPT)을 위해 전기적으로 작은 안테나를 사용하는 것이 특히 유리합니다.
소형 안테나의 높은 유도 임피던스(공진 부근)는 정류기와 직접 연결하거나 추가적인 온칩 정합 네트워크를 통해 연결하는 데 사용할 수 있습니다. 전기적으로 작은 안테나는 1GHz 이하의 저전력(LP) 및 원형 편파(CP) 무선 전력 전송(WPT)에서 하위헌스 다이폴 안테나(ka=0.645)를 사용하여 구현된 바 있으며, 일반 다이폴 안테나(ka=2πr/λ0)의 ka=5.91을 사용합니다.
2. 정류 공액 안테나
다이오드의 일반적인 입력 임피던스는 용량성이 매우 크기 때문에, 공액 임피던스를 구현하려면 유도성 안테나가 필요합니다. 칩의 용량성 임피던스로 인해 RFID 태그에는 고임피던스 유도성 안테나가 널리 사용되어 왔습니다. 최근에는 공진 주파수 근처에서 높은 임피던스(저항 및 리액턴스)를 나타내는 다이폴 안테나가 복합 임피던스 RFID 안테나 분야에서 주목받고 있습니다.
유도 다이폴 안테나는 관심 주파수 대역에서 정류기의 높은 정전 용량을 보완하기 위해 사용되어 왔습니다. 접이식 다이폴 안테나에서 이중 단선(다이폴 접힘)은 임피던스 변환기 역할을 하여 매우 높은 임피던스를 갖는 안테나 설계를 가능하게 합니다. 또는 바이어스 급전은 유도 리액턴스와 실제 임피던스를 증가시키는 역할을 합니다. 여러 개의 바이어스 다이폴 소자를 불균형 보우타이 방사형 스터브와 결합하면 이중 광대역 고임피던스 안테나를 구성할 수 있습니다. 그림 4는 보고된 몇 가지 정류기 공액 안테나를 보여줍니다.
그림 4
RFEH 및 WPT에서의 방사 특성
Friis 모델에서 송신기로부터 거리 d에 있는 안테나가 수신하는 전력 PRX는 수신기 및 송신기 이득(GRX, GTX)의 직접적인 함수입니다.
안테나의 주엽 지향성과 편파는 입사파로부터 수집되는 전력량에 직접적인 영향을 미칩니다. 안테나 방사 특성은 주변 환경 무선 주파수 수신(RFEH)과 무선 전력 전송(WPT)을 구분하는 핵심 매개변수입니다(그림 5). 두 응용 분야 모두에서 전파 매질을 알 수 없고 수신파에 미치는 영향을 고려해야 하지만, 송신 안테나에 대한 정보는 활용할 수 있습니다. 표 3은 이 섹션에서 논의된 주요 매개변수와 RFEH 및 WPT에 대한 적용 가능성을 보여줍니다.
그림 5
1. 지향성 및 이득
대부분의 RFEH 및 WPT 응용 분야에서는 수신측이 입사 복사 방향을 알 수 없고 가시선(LoS) 경로가 없다고 가정합니다. 본 연구에서는 송신기와 수신기 사이의 주엽 정렬과 무관하게 미지의 소스로부터 수신되는 전력을 최대화하기 위해 여러 안테나 설계 및 배치 방안을 조사했습니다.
무지향성 안테나는 환경 무선 주파수 방출(RFEH) 정류 안테나에 널리 사용되어 왔습니다. 기존 문헌에서는 안테나 방향에 따라 전력 스펙트럼 밀도(PSD)가 달라진다고 보고하고 있습니다. 그러나 이러한 전력 변화의 원인은 명확히 규명되지 않아, 안테나의 방사 패턴 때문인지 또는 편파 불일치 때문인지 판단하기 어렵습니다.
무선 전력 전송(WPT)에서 낮은 RF 전력 밀도의 수집 효율을 향상시키거나 전파 손실을 극복하기 위해 고이득 지향성 안테나 및 어레이가 RFEH 응용 분야 외에도 널리 연구되어 왔습니다. 야기-우다 정류 안테나 어레이, 보우타이 어레이, 나선형 어레이, 밀착 결합 비발디 어레이, CPW CP 어레이, 패치 어레이는 특정 면적 내에서 입사 전력 밀도를 최대화할 수 있는 확장 가능한 정류 안테나 구현 방식입니다. 안테나 이득을 향상시키는 다른 접근 방식으로는 WPT에 특화된 마이크로파 및 밀리미터파 대역의 기판 통합 도파관(SIWW) 기술이 있습니다. 그러나 고이득 정류 안테나는 빔 폭이 좁아 임의 방향의 파동 수신 효율이 낮습니다. 안테나 소자 및 포트 수에 대한 연구 결과, 3차원 임의 입사를 가정할 때 주변 환경의 RFEH에서 지향성이 높다고 해서 수확되는 전력이 더 높아지는 것은 아니라는 결론이 나왔으며, 이는 도심 환경에서의 현장 측정으로 검증되었습니다. 따라서 고이득 어레이는 WPT 응용 분야에만 국한될 수 있습니다.
고이득 안테나의 장점을 임의의 무선 주파수 에너지 수확기(RFEH)에 적용하기 위해, 방향성 문제를 극복하는 패키징 또는 레이아웃 솔루션이 활용됩니다. 주변 Wi-Fi RFEH로부터 양방향으로 에너지를 수확할 수 있는 이중 패치 안테나 손목 밴드가 제안되었습니다. 또한, 주변 셀룰러 RFEH 안테나는 3D 박스 형태로 설계되어 시스템 면적을 줄이고 다방향 에너지 수확을 가능하게 하며, 외부 표면에 인쇄되거나 접착됩니다. 입방형 정류 안테나 구조는 주변 RFEH에서 더 높은 에너지 수신 확률을 나타냅니다.
2.4GHz, 4×1 어레이에서 무선 전력 전송(WPT) 성능을 향상시키기 위해 보조 기생 패치 소자를 포함한 빔 폭 증가 안테나 설계 개선이 이루어졌습니다. 또한, 포트당 다중 빔을 구현하는 다중 빔 영역을 갖춘 6GHz 메쉬 안테나가 제안되었습니다. 다방향 및 다극성 무선 주파수 에너지 하베스팅(RFEH)을 위해 다중 포트, 다중 정류기 표면 정류 안테나와 무지향성 방사 패턴을 갖는 에너지 하베스팅 안테나가 제안되었습니다. 고이득, 다방향 에너지 하베스팅을 위해 빔포밍 매트릭스를 갖춘 다중 정류기와 다중 포트 안테나 어레이도 제안되었습니다.
요약하자면, 낮은 RF 밀도에서 수확되는 전력을 향상시키기 위해 고이득 안테나가 선호되지만, 송신 방향을 알 수 없는 응용 분야(예: 주변 RF 에너지 수확 또는 미지의 전파 채널을 통한 무선 전력 전송)에서는 고지향성 수신기가 이상적이지 않을 수 있습니다. 본 연구에서는 다방향 고이득 무선 전력 전송 및 RF 에너지 수확을 위한 다중 빔 방식을 제안합니다.
2. 안테나 편파
안테나 편파는 안테나 전파 방향에 대한 전기장 벡터의 움직임을 나타냅니다. 편파 불일치는 주엽 방향이 일치하더라도 안테나 간 송수신 효율 저하를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 송신에 수직 LP 안테나를 사용하고 수신에 수평 LP 안테나를 사용하는 경우, 전력이 수신되지 않습니다. 이 섹션에서는 무선 수신 효율을 극대화하고 편파 불일치로 인한 손실을 방지하기 위한 기존 방법들을 검토합니다. 제안된 정류 안테나 구조의 편파 관련 요약은 그림 6에, 예시 SoA는 표 4에 제시되어 있습니다.
그림 6
셀룰러 통신에서 기지국과 이동통신 단말기 간의 선형 편파 정렬은 달성하기 어렵기 때문에, 편파 불일치로 인한 손실을 방지하기 위해 기지국 안테나는 이중 편파 또는 다중 편파 방식으로 설계됩니다. 그러나 다중경로 효과로 인한 LP파의 편파 변화는 여전히 해결되지 않은 문제입니다. 본 연구에서는 다중 편파 이동 기지국을 가정하여 셀룰러 RFEH 안테나를 LP 안테나로 설계합니다.
CP 정류 안테나는 임피던스 불일치에 비교적 강하기 때문에 무선 전력 전송(WPT)에 주로 사용됩니다. CP 안테나는 모든 LP 파동 외에도 동일한 회전 방향(좌극 또는 우측 CP)의 CP 파동을 전력 손실 없이 수신할 수 있습니다. 어떤 경우든 CP 안테나가 송신하고 LP 안테나가 수신할 때 3dB 손실(전력 손실 50%)이 발생합니다. CP 정류 안테나는 900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz의 산업, 과학 및 의료 대역뿐만 아니라 밀리미터파에도 적합한 것으로 알려져 있습니다. 임의 편파 파동의 무선 주파수 수신(RFEH)에서 편파 다중화는 편파 불일치로 인한 손실을 해결할 수 있는 잠재적인 해결책입니다.
완전 편파(다중 편파라고도 함)는 편파 불일치로 인한 손실을 완전히 극복하여 원형 편광(CP)파와 저역 편광(LP)파를 모두 수집할 수 있도록 제안되었습니다. 이 방식에서는 두 개의 이중 편파 직교 LP 소자가 모든 LP파와 CP파를 효과적으로 수신합니다. 이를 설명하기 위해 수직 및 수평 순 전압(VV 및 VH)은 편파 각도에 관계없이 일정하게 유지됩니다.
CP 전자기파 "E" 전기장은 전력이 두 번(단위당 한 번) 수집되어 CP 성분을 완전히 수신하고 3dB의 편파 불일치 손실을 극복합니다.
마지막으로, DC 결합을 통해 임의의 편광을 가진 입사파를 수신할 수 있습니다. 그림 7은 본 논문에서 보고된 완전 편광 정류 안테나의 구조를 보여줍니다.
그림 7
요약하자면, 전용 전원 공급 장치를 사용하는 무선 전력 전송(WPT) 애플리케이션에서는 안테나의 편파 각도와 관계없이 WPT 효율을 향상시키는 CP(편광 편광)가 선호됩니다. 반면, 특히 주변광과 같은 다중 소스 신호 획득 환경에서는 완전 편파 안테나가 전반적인 수신 성능 향상과 휴대성 극대화를 제공할 수 있으며, RF 또는 DC에서 완전 편파 전력을 결합하기 위해서는 다중 포트/다중 정류기 구조가 필요합니다.
요약
본 논문은 RFEH 및 WPT용 안테나 설계의 최근 발전을 검토하고, 기존 문헌에서 제시되지 않았던 RFEH 및 WPT용 안테나 설계의 표준 분류 체계를 제안합니다. 높은 RF-to-DC 효율을 달성하기 위한 세 가지 기본 안테나 요구 사항은 다음과 같습니다.
1. 관심 있는 RFEH 및 WPT 대역에 대한 안테나 정류기 임피던스 대역폭;
2. 전용 피드를 통한 무선 전력 전송(WPT)에서 송신기와 수신기 간의 주엽 정렬;
3. 각도 및 위치에 관계없이 정류 안테나와 입사파 간의 편광 일치.
임피던스를 기준으로 정류 안테나는 50Ω 정류 안테나와 정류 공액 정류 안테나로 분류되며, 서로 다른 대역과 부하 간의 임피던스 정합 및 각 정합 방식의 효율성에 중점을 둡니다.
SoA 정류 안테나의 방사 특성을 지향성 및 편광 관점에서 검토했습니다. 빔포밍을 통한 이득 향상 및 좁은 빔폭 문제를 극복하기 위한 패키징 방법을 논의했습니다. 마지막으로, 무선 전력 전송(WPT)용 원형 편광(CP) 정류 안테나와 WPT 및 무선 주파수 오버헤드(RFEH)에서 편광 독립 수신을 구현하기 위한 다양한 방법을 검토했습니다.
안테나에 대한 자세한 내용을 알아보려면 다음 웹사이트를 방문하세요.
게시 시간: 2024년 8월 16일
