KR100912063B1 - 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명은 원편파 또는 이중편파를 가진 듀얼밴드 안테나와 상기 듀얼밴드 안테나의 듀얼 주파수 밴드에 매칭되는 한쌍의 협대역 통과 필터와 상기 협대역 통과 필터를 통과하는 각 주파수 신호를 수신하여 정류하기 위한 정류기와 상기 정류기에서 정류된 신호를 축전하기 위한 커페시터와 상기 커페시터에서 축전된 신호의 전압 레벨을 일정한 정전압으로 변환시키는 DC-DC 변환기로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 종래 시스템과 비교해 볼 때, 듀얼 주파수 밴드를 활용을 할 수 있어, 수신전력이 증대되고, 이중 편파를 지원할 수 있어 이동중인 목표물에도 높은 효율로 전력을 공급할 수 있으며, 특히, 정류기에 의해 정류된 낮은 전압을 원하는 정전압 크기로 전압을 변환하기 위한 DC-DC 변환기가 사용이 되었다. 따라서, 본 발명은 저전력을 소모하는 센서 또는 저전력 통신기기 및 가전기기의 전원 공급장치로 활용 가능한 장점이 있는 것이다.

듀얼 주파수 밴드, 이중 편파, 전원 공급장치, 정류기, DC-DC 변환기, ISM 밴드, 저전력 센서

Description

듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치{Apparatus of high efficiency wureless power supply using dual frequency bands}

본 발명은 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치에 관한 것으로, 일반적으로 무선 전력 전송의 수전단을 구성하는 정류안테나는 크게 다이폴(Dipole Antenna)안테나와 마이크로스트립 패치 안테나(Microstrip Patch Antenna)로 구분된다. 여기서, 다이폴 안테나의 경우 제작이 간단하여 다양한 구성을 할 수 있다는 장점이 있다. 상기 다이폴안테나의 편파는 단일편파(수직 또는 수평)와 이중편파를 가지고 있고, 이득은 약 2～3 dB 정도이다.

상기와 같은 무선 전력 전송의 가장 큰 단점은 초고주파의 감쇄 및 방사 특성으로 인한 낮은 전달 효율 및 기생신호에 의한 인접 신호 대역에의 전자파 장애 문제 발생등을 실용화의 장애요인이 된다는 문제점이 있었다. 특히, 전파법 규정에 의한 사용 주파수 및 출력치의 제한은 무선 전력 전송의 실용화에 있어서 커다란 장애 요소가 되어 왔었다.

그러나, 최근 집적화 공정의 발달로 전력소모가 급속도로 줄게 되어 저전력의 무선 전력 전송만으로 동작 가능한 센서 및 통신기기들이 출시되고 있다.

본 발명은 이런 저전력을 소모하는 센서 및 통신기기의 무선 전력 공급을 위 한 듀얼 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전송 수신기의 구조를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명은 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급장치에 관한 것으로서, 현재까지 제안된 국내 기술은 주로 단일 밴드를 이용하는 것으로서, 실용화를 시키기에는 다양한 문제점이 있었다. 이에 관한 대표적인 특허로는 "전파를 이용한 전력에너지 무선 전송을 위한 수신단의 안테나 일체형 무선전원공급 IC 칩 (특허공개: 10-20a,20b06-0061776, 순천대 산학협력단)"이다. 본 특허는 수신단의 수신면적을 높이기 위하여 안테나 일체형의 렉테나 구조를 배열형으로 만들어 수전효율을 높이며, IC 형태로 제작되므로 사이즈를 줄일 수가 있다. 그러나, IC 형태로 제작된 렉테나 일체형 수전 시스템은 IC에서 사용한 Si의 유전율이 높아 개개 안테나의 이득이 낮으므로 전파 수신 효율이 낮아, 전체 시스템의 효율은 크게 개선되지 못한다. 또한, 전체 수전 시스템은 IC 형태로 제작이 되어 가격이 높은 단점이 있었다.

또 다른 특허로는 한국 특허 등록 10-0654623호의 " 무선 전력 전달의 전력 수신을 향상시키기 위한 다수의 다이폴 렉테나로 이루어진 렉테나 어레이 시스템"(인하대학교)로서 다이폴 안테나를 배열하여 이중 편파 구조에서도 수신이 가능한 구조로서 효율을 높일수 있도록 설계하였다. 본 발명은 선형 편파를 갖는 다이폴을 원모양으로 배치하여 이중 편파를 수신할 수 있는 한 방법을 제시한 것이다. 그러나, 이 등록 특허 역시 이중 편파를 수신할 수 있다는 장점은 있지만, 사용하 지 않은 주파수 대역에서도 매칭이 되는 수가 있으므로 자칫 정류 소자에 의해 생성된 고조파를 재방사하게 되는 문제점이 있었다.

외국 특허로는 미국 특허 "Method and apparatus for a wireless power supply(0104453, FireFly power Tech.)"로서 광대역에서 전파를 정류하는 에너지 수집기에 대한 것으로 직렬로 다수의 인덕터를 사용하여 AM 대역에서부터 수 GHz 대역의 전파를 수신하는 구조이다. 이를 위해 안테나는 광대역 안테나를 사용하고 있다.

그러나, 광대역에서 전파를 수신하기 위해서는 낮은 주파수 대역까지 매칭이 이뤄져야 하므로 안테나의 크기 및 인덕터의 크기가 증가하게 된다. 또한, 공기중에 방사된 모든 신호를 정류하기 위해서는 전체 수전 시스템이 상대적으로 고정된 듀얼 또는 트리플 주파수 밴드를 사용하는 시스템과 비교해서는 복잡하게 된다.

또한, 정류 다이오드에 의한 고조파 성분이 발생하여 재방사 되어, 전파법에 위배 될 수 있다. 따라서 공기중에 방사된 광범위하고 다양한 용도의 주파수를 활용한다는 장점은 있으나, 수신 시스템이 복잡해지고, 사이즈가 커진다는 단점이 있다.

일반적으로, 무선 전력 전송의 가장 큰 단점은 초고주파의 감쇄 및 방사특성으로 인한 낮은 전달 효율 및 기생 신호에 의한 인접 신호 대역에의 전자파 장애 문제 발생등을 실용화의 장애 요인으로 들수 있다. 특히, 전파법 규정에 의한 사용 주파수 및 출력치의 제한은 무선 전력 전송 실용화에 큰 제약요소가 되어왔었다.

또한, 센서 및 소형 통신기기의 전원 공급을 위해서는 수전 시스템은 가능한 소형화를 시킬 필요가 있다. 그러나, 종래의 시스템은 수전부의 절대적 전파 수신량을 증대하기 위하여 수전부의 크기를 증가시켜 전체 시스템을 소형화하지 못하였으며, 편파특성을 개선할 수 있는 방안을 제시하지 못하였다. 또한, 낮은 수신 신호를 원하는 정전압으로 변환을 할 수 있는 방안이 없어서 전력 전송거리를 확장 시키기 어렵고, 제작을 했을 경우에 고비용이라는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이런 문제점들을 해소하기 위하여 저전력을 소모하는 센서 및 통신기기의 무선 전력 공급을 위한 듀얼 밴드를 이용한 고효율 무선전력 전송 수신기 구조와 상기 시스템의 소형화를 제안하는데 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치는 원편파 또는 이중편파를 가진 듀얼밴드 안테나와 상기 듀얼밴드 안테나의 듀얼 주파수 밴드에 매칭되는 한쌍의 협대역 통과 필터와 상기 협대역 통과 필터를 통과하는 각 주파수 신호를 수신하여 정류하기 위한 정류기와 상기 정류기에서 정 류된 신호를 축전하기 위한 커페시터와 상기 커페시터에서 축전된 신호의 전압 레벨을 일정한 정전압으로 변환시키는 DC-DC 변환기로 구성되는 것에 의하여 달성된다. 또한, 상기 듀얼밴드 안테나는 사용하지 않는 주파수 대역에는 매칭되지 않도록 하고, 상기 정류기에 의하여 생성된 고조파의 재방사를 방지하는 것을 특징으로 한다. 덧붙여, 상기 협대역 통과필터는 PCB 기판에 설치되고, Quarter wave transformer 필터인 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 정류기는 쇼트키 (Schottky) 다이오드를 이용한 것을 특징으로 한다. 더 나아가, 상기 DC-DC 변환기는 정전압을 공급하고, 무선 전력 전송거리를 확장시키는 것을 특징으로 한다.

그러므로, 본 발명에 의한 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치는 듀얼 주파수 밴드를 이용을 할수가 있어서, 단일 주파수 대역을 사용하는 기존의 시스템과 비교하여 수신전력이 증대되고, 이중편파를 지원을 할 수가 있어서, 이동중인 목표물에도 높은 효율로 전력 공급을 할 수 있으며, 특히, DC-DC 변환기는 정류기에 의해 정류된 낮은 전압을 원하는 정전압 크기로 전압을 변환하게 하는 특징이 있다. 또한, 안테나와 필터는 PCB로 제작되고, 정류기 및 DC-DC 변환기는 집적회로화 시켜서 전체 수신기의 구조를 소형화가 가능하도록 하여 비용의 저렴화가 가능한 효과가 있는 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1을 보면 본 발명에 의한 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공 급 장치의 구조를 나타내는 구조도이다.

본 발명에 의한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치의 수신장치는 원편파 또는 이중편파를 가진 듀얼밴드 안테나(10)와 상기 듀얼밴드 안테나(10)의 듀얼 주파수 밴드에 매칭되는 한쌍의 협대역 통과 필터(20a,20b)와 상기 협대역 통과 필터(20a,20b)를 통과하는 각 주파수 신호를 수신하여 정류하기 위한 정류기(30a,30b)와 상기 정류기(30a,30b)에서 정류된 신호를 축전하기 위한 커페시터(40)와 상기 커페시터(40)에서 축전된 신호의 전압 레벨을 일정한 정전압으로 변환시키는 DC-DC 변환기(50)로 구성된다. 또한, 상기 듀얼밴드 안테나(10)는 사용하지 않는 주파수 대역에는 매칭되지 않도록 하고, 상기 정류기(30a,30b)에 의하여 생성된 고조파의 재방사를 방지하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 협대역 통과필터(20a,20b)는 PCB 기판(60)에 설치되고, Quarter wave transformer 필터인 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 상기 정류기(30a,30b)는 쇼트키 (Schottky) 다이오드를 이용한 것을 특징으로 한다. 덧붙여, 상기 DC-DC 변환기(50)는 정전압을 공급하고, 무선 전력 전송거리를 확장시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 제안된 구조는 듀얼 주파수 밴드에서 무선 전력 전송을 위하여 방사된 마이크로파뿐만 아니라 동일 주파수에서 사용되는 다른 용도의 주파수도 정류하여 사용이 가능하다.

따라서, 본 발명에서는 전력을 받는 수전부(受電部)의 크기를 가능한 최소화시키고, 전력전원 공급장치에 수신되는 절대 전파 양을 증대하고, 정전압을 공급하면서 무선전력 전송거리를 확대할 수 있도록 하는 것이다. 이에 대한 자세한 설명을 하면, 우선 수신부(즉, 안테나등)에 수신이 되는 절대적인 전파 양을 증대시키기 위하여 듀얼 주파수 밴드를 사용하도록 한다. 이러한 안테나 수신부의 수신되는 절대적인 전파의 양을 증대하기 위하여 듀얼 주파수 밴드를 이용하는데, 본 발명에서는 ISM(Industrial Scientific Medical)밴드를 사용한다. 상기 ISM 밴드의 주파수 대역은 보통 902 ~ 928 MHz, 2.4 ~ 2.5 GHz 와 5.75 ~ 5.850 GHz 이다. 본 발명에서는 실제로 2.45 GHz 및 5.8 GHz 대역의 ISM 밴드를 사용하고자 한다.

상기 듀얼 밴드 안테나(10)는 광대역 특성을 가질수 있으나, 가능한 원하는 주파수 대역에서 최소 반사신호가 생길수 있는 구조가 바람직하며, 정류 다이오드에 의해 발생되는 고차의 하모닉(harmonic)이 재방사되는 것을 방지하여 전자파의 장애문제가 발생하지 않는 것이어야 한다. 상기 듀얼밴드 안테나(10)를 통해 수신된 전파는 협대역 통과 필터(BPF)(20a,20b)를 거치게 되는데 상기 필터(20a,20b)는 선택된 듀얼 주파수 밴드에 매칭이 되어야 한다. 왜냐하면 깨끗한 정현파를 구현하기 위해 광대역 매칭 보다는 선택이 된 주파수에 매칭되도록 해야 하기 때문이다. 상기 협대역 통과필터(20a,20b)는 PCB(인쇄기판)(60)를 이용한 quarter wave trnsfomer에 의해 쉽게 구현된다.

여기에서, 상기의 듀얼 밴드 안테나(10)와 협대역 통과 필터(20a,20b)는 PCB(인쇄기판 보드)(60)에 제작을 할수 있어서, 가격의 저렴화를 이룰 수가 있고, 상기 안테나(10)와 필터(20a,20b)의 모양을 줄여서 PCB(60)전체 크기를 줄일 수가 있다. 따라서, 상기 안테나(10)는 선택된 두 주파수 대역에서 이중 편파 또는 원편파를 가지므로 이동 중인 물체에 대해서도 높은 전송의 효율을 보장하는 것이다. 특히, 상기에도 언급했지만, 안테나(10)는 듀얼 주파수 밴드에만 매칭된 특성을 갖고, 사용하지 않는 주파수 대역에서는 매칭되지 않도록 하여 정류소자에 의하여 생성이 된 고조파를 재방사를 하지 못하도록 하는 기능이 있는 것이다.

그리고, 상기 협대역 통과 필터(20a,20b)를 통과하는 각 주파수 신호를 수신하여 정류하기 위한 정류기(30a,30b)를 통과하게 되는데, 여기서, 정류기(30a,30b)는 낮은 입력 전압을 정류해야 하므로 Zerobiasing diode형태여야 하고 또한, 초고주파 신호를 검파(檢波)해야 하므로 반응속도가 매우 빨라야 한다. 따라서, 이런 장점을 갖춘 쇼트키(Schottky) 다이오드를 사용하여 정류기(30a,30b)의 다이오드로서 활용을 하는 것이다. 또한, 쇼트키 다이오드는 신호의 정류적인 작용을 높게 하는 데 있어서도 적격이다.

상기 정류기(30a,30b)에서 정류된 신호는 커페시터(40)로 이동하여 축적을 하게 된다. 이렇게, 상기 정류기(30a,30b)에서 정류된 신호는 커페시터(40)로 이동, 축적된 신호를 정전압으로 바꾸기 위하여 DC-DC 변환기(50)로 이동하여 전체적으로 안정된 정전압을 공급하게 되는 것이다.

여기서, 상기 DC-DC 변환기(50)를 이용하는 이유를 설명하면, 정류된 신호는 리플(Ripple) 전압이 포함된 낮은 전압 레벨 값을 갖는 직류 신호로서 직접 부하를 붙여 사용하기에는 신호의 레벨(Level)이 낮게 된다. 특히, 거리가 멀어질수록 정류되는 신호의 크기가 비례하여 줄어들게 되어, 정류기(30a,30b)에 의하여 직접 정류되는 직류신호를 사용할 경우에는 아주 짧은 거리에서만 사용이 가능한 것이다. 이점을 방지하기 위하여, 거리를 크게 확장을 하고 안정된 정전압을 공급하기 위하 여 DC-DC 변환기(50)를 사용하는 것이다. 덧붙여, 상기 정류기(30a,30b) 및 상기 DC-DC 변환기(50)는 집적화(IC)(70)가 가능하며, 이를 통해 전체적인 시스템의 크기를 최소화하고 비용감소가 가능해지는 것이다. 그러므로, 기존 시스템과 비교하여 수신전력이 증대화를 가져오고 이중편파를 지원을 할 수 있어서, 이동중인 목표물에도 높은 효율로 전력공급이 가능한 것이다.

따라서, 본 발명은 저전력을 소모하는 센서나 저전력 통신기기 및 가전기기의 전원공급장치에 사용을 할 수 있는 유용한 발명인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급장치는 기존 시스템과 비교하여, 듀얼 주파수 밴드를 이용하므로, 수신전력의 증대화와 이중편파를 지원할 수가 있으므로 이동중의 목표물에도 고효율 전력공급이 가능하고, DC-DC 변환기를 이용하여 정류된 낮은 전압을 원하는 크기로의 전압으로 변환이 가능하다. 또한, PCB화, IC화를 통한 전체구조의 소형화와 비용의 저가격화도 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 듀얼 주파수 밴드를 이용한 고효율 무선 전력 전원 공급 장치의 구조도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

10: 듀얼밴드 안테나 20a, 20b: 협대역 통과 필터

30a, 30b: 정류기 40: 커페시터

50: DC-DC 변환기 60: PCB 기판

70: IC (집적회로)

Claims (5)

1. 원편파 또는 이중편파를 가지며, ISM(Industrial Scientific Medical)밴드를 사용하는 듀얼밴드 안테나(10);

   상기 듀얼밴드 안테나(10)의 듀얼 주파수 밴드에 매칭되는 한쌍의 협대역 통과 필터(20a,20b);

   상기 협대역 통과 필터(20a,20b)를 통과하는 각 주파수 신호를 수신하여 정류하기 위한 정류기(30a,30b);

   상기 정류기(30a,30b)에서 정류된 신호를 축전하기 위한 커페시터(40);

   상기 커페시터(40)에서 축전된 신호의 전압 레벨을 일정한 정전압으로 변환시키는 DC-DC 변환기(50)를 포함하되,

   상기 듀얼밴드 안테나(10)는 사용하지 않는 주파수 대역에는 매칭되지 않도록 하고, 상기 정류기(30a,30b)에 의하여 생성된 고조파의 재방사를 방지하는 것을 특징으로 하는 고효율 무선 전력 전원 공급장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 협대역 통과필터(20a,20b)는 PCB 기판(60)에 설치되고, Quarter wave transformer 필터인 것을 특징으로 하는 고효율 무선 전력 전원 공급장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 정류기(30a,30b)는 쇼트키 (Schottky) 다이오드를 이용한 것을 특징으로 하는 고효율 무선 전력 전원 공급 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 DC-DC 변환기(50)는 정전압을 공급하고, 무선 전력 전송거리를 확장시키는 것을 특징으로 하는 고효율 무선 전력 전원 공급장치.
5. 삭제

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