KR101104847B1 - 이중대역 렉테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 렉테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 마이크로파를 통해 전송되는 전기에너지 이외에, 기존에 버려지던 불요(不要)신호들을 전기에너지로 변환하여 사용함으로써 좀 더 안정적인 전원공급이 가능한 이중대역 렉테나에 관한 것이다.
본 발명에 따른 렉테나는, 전기에너지가 실린 교류의 무선 신호를 수신하고, 수신된 상기 무선신호를 직류 전기에너지로 변환하기 위한 렉테나로서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일면 상부에 설치되며 제 1주파수 특성을 부여하기 위한 패치, 상기 유전체 기판의 타면에 설치되는 접지면 및 제 2 주파수 특성을 부여하기 위한 임피던스 매칭수단을 구비하여 상기 무선신호를 수신하는 패치 안테나부와; 상기 패치 안테나부를 통해 수신되는 상기 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환하는 정류부; 를 포함한다.

Description

이중대역 렉테나{Dual-band rectenna}

본 발명은 렉테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 마이크로파를 통해 전송되는 전기에너지 이외에, 기존에 버려지던 불요(不要)신호들을 전기에너지로 변환하여 사용함으로써 좀 더 안정적인 전원공급이 가능한 이중대역 렉테나에 관한 것이다.

무선전력전송(Wireless Power Transmission) 기술은 1968년 Peter Glaser 박사에 의해 제안된 것으로, 최초에는 우주 공간에 설치된 태양전지판에 의해 생성된 전기에너지를 지구로 전송하여 활용하기 위해 제안되었다.

이와 같은 무선전력전송 기술은 전기에너지를 유선선로와 같은 기반 없이도 원거리로 전송할 수 있는 큰 장점으로 인해 여러 분야에서 적용이 시도되고 있으나, 아직까지 전파법에 의한 출력치 제한이나, 공기 중의 신호 감쇄 등의 영향으로 인해 RFID와 같이 제한된 시스템에서만 구현되고 있다.

이러한 무선전력전송 기술을 구현하기 위해 핵심적으로 이용되는 수단 중 하나가 바로 렉테나이다.

렉테나(rectenna)라는 용어는, 단어의 형태에서 이미 짐작할 수 있듯이, 정류기(rectifier)와 안테나(antenna)를 합성한 조어(造語)로서, 실제 구조에 있어서도 정류기와 안테나를 조합한 형태로 이루어져 있으며, 안테나를 통해 수신되는 마이크로파를 정류하여 직류 전기에너지를 생성한다.

도 1에는 종래 기술에 따른 렉테나의 일예가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 렉테나는 루프 안테나를 이용한 루프 안테나에 관한 것으로, 크게는 루프 안테나(101)와 정류회로(102)로 나누어져 구성되며, 루프 안테나(101)를 통해 수신된 교류의 무선 신호를 정류회로(102)에서 정류함으로써, 직류의 전기에너지로 변환하고 이를 부하(103)으로 공급하도록 되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 종래의 렉테나(100)는 안테나(101)의 특성에 따라 하나의 주파수 특성이 결정되므로, 결국 렉테나(100)에서 수용 가능한 단일 주파수 대역의 신호가 수신되지 않으며, 전기에너지를 부하(103)에 공급할 수 없는 문제점이 있었다.

또한 종래 기술에 따른 렉테나(100)는 단순히 수신된 무선신호를 정류하는 수준에 그쳐, 만일 부하(103)가 높은 전압을 요구할 경우, 전송되는 무선신호를 증폭해야 하는 어려움이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선전력전송을 위해 일반적으로 이용되는 주파수 대역뿐만 아니라, 공중에 혼재해 있는 Wi-Fi 또는 블루투스 등의 불요(不要) 신호를 수신하여 이로부터 추가적인 전기에너지를 생성할 수 있는 렉테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전압 체배회로를 통해 입력되는 신호를 정류한 에너지의 전압보다 높은 전압을 형성할 수 있는 렉테나를 제공하는데 다른 목적이 있다.

나아가, 본 발명은 안테나부의 접지면을 이용하여 정류부를 형성함으로써 전체 면적을 줄일 수 있는 렉테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이중대역 렉테나는, 전기에너지가 실린 교류의 무선 신호를 수신하고, 수신된 상기 무선신호를 직류 전기에너지로 변환하기 위한 렉테나로서, 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일면 상부에 설치되며 제 1주파수 특성을 부여하기 위한 패치, 상기 유전체 기판의 타면에 설치되는 접지면 및 제 2 주파수 특성을 부여하기 위한 임피던스 매칭수단을 구비하여 상기 무선신호를 수신하는 패치 안테나부와; 상기 패치 안테나부를 통해 수신되는 상기 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환하는 정류부; 를 포함한다.

여기서, 상기 정류부는,복수의 커패시터와 다이오드를 구비하여 정류된 전기에너지를 임시 저장할 수 있는 둘 이상의 정류승압단이 직렬로 연결되어, 상기 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환함과 동시에 변환된 상기 전기에너지의 전압을 승압시키는 전압 체배회로로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 정류부에, 상기 패치 안테나부의 접지면으로부터 분리된 접지단이 구비되며, 상기 정류부의 접지단과 상기 패치 안테나부의 접지면 사이에는, RF 신호와 DC 신호 사이의 영향을 억제하기 위한 비드(BEAD)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 비드는, 인덕터를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

나아가, 상기 정류부는, 상기 패치 안테나부의 상기 접지면과 동일 평면상에 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 무선전력전송을 위해 일반적으로 이용되는 주파수 대역뿐만 아니라, 공중에 혼재해 있는 Wi-Fi 또는 블루투스 등의 불요 신호를 수신하여 이로부터 추가적인 전기에너지를 생성할 수 있어 종래의 렉테나보다 안정적인 전원공급이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 정류부에서, 2단 전압 체배를 통해 입력되는 신호보다 높은 전압을 형성할 수 있도록 함으로써 다양한 기기에 적용될 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 안테나부의 접지면을 이용하여 정류부를 형성함으로써 전체 면적을 줄여 렉테나의 설치를 위해 요구되는 공간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 패치 안테나의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이중대역 렉테나의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 구성 중 패치 안테나부에 대한 상세 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 이중대역 렉테나의 주파수별 반사손실을 시뮬레이션/측정한 그래프,
도 5는 도 2에 도시된 구성 중 정류부에 대한 상세 회로도,
도 6은 정류부를 통해 출력되는 전압체배 결과를 시뮬레이션한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이중대역 렉테나를 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이중대역 렉테나의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 크게 패치 안테나부(210)와 정류부(220)로 구성된다.

이중에서 패치 안테나부(210)는 도 3에 도시된 것과 같이 유전체 기판(211)과, 이 유전체 기판(211)의 일면 상부에 설치되는 패치(212) 및 유전체 기판(211)의 타면에 구비되는 접지면(213)으로 구성된다.

유전체 기판(211)은 패치(212)와 접지면(213)이 서로 다른 면에 적층되도록 하는 구성으로, 명칭에서 알 수 있는 바와 같이 전도성이 없는 유전체로 이루어진다.

본 실시예는 유전체 기판(211)의 두께를 1mm로 설정하여 이루어진 것으로, 유전체 기판의 두께가 달라질 경우, 아래의 실험결과에 영향을 미칠 수 있다.

패치(212)는 크기와 형태에 따라 안테나의 동작 주파수를 결정하는 가장 중요한 구성요소로서, 본 발명에서도 유전체 기판(211)의 일면 상부에 구비되며 안테나부(210)에 특정 주파수 특성(제 1 주파수 특성)을 부여한다.

예를 들어 패치(212)가 가로/세로 23.5mm의 정사각형으로 이루어진다면, 패치 안테나부(210)는 약 2.4GHz 대역에서 선형편파 특성을 가질 수 있다.

접지면(213)은 패치(212)의 반대편, 즉, 유전체 기판(211)의 타면에 구비되는데, 본 발명에서는 CPW(Coplanar Wavguide)구조를 위해 급전선(214b)이 접지면(213)과 같은 평면상에 구비된다.

한편, 본 발명은 여기에 더불어서, 접지면(213)에 패치(212)와 커패시티브 커플링(capacitive coupling)되며 제 2 주파수 특성을 갖도록 하는 임피던스 매칭수단(214)이 형성된다.

이러한 임피던스 매칭수단(214)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 접지면(213)의 하부에 생성되는 T자형 슬롯(214a)과, T자형 슬롯(214a) 내측에, T자형 슬롯(214a)으로부터 소정 간극 이격되도록 구비되는 T자형 급전선(214b)을 포함하여 이루어진다.

여기서, T자형 급전선(214b)은 도 3에 도시된 것과 같이, 적어도 상부의 일(一)자형 헤드부가 유전체 기판(211)을 사이에 개재한 채, 패치(212)의 밑면과 마주볼 수 있는 위치에 형성되어, 패치(212)와 커패시티브 커플링(capacitive coupling)을 이룬다.

또한, 본 발명은 도 3에 도시된 것과 같은 T자형 슬롯(214a)과 T자형 급전선(214b)의 설계변수를 조절함으로써 임피던스의 정합이 가능하다.

다시 말해, 임피던스 매칭수단(214)의 설계변수를 조절함으로써 패치의 설계변수에 따른 특정 주파수 대역에서의 특성을 강화시킬 수 있다.

이와 더불어, 본 발명에 따른 이중대역 패치 안테나는 T자형 슬롯(214a)과 T자형 급전선(214b)의 설계변수 조절에 의해(좀 더 자세하게는, 설계변수 B,X 및 M의 값의 조절에 의해) 앞서 언급한 제 2 주파수 특성을 가질 수 있다.

아래의 표는 약 3.1GHz 대역에서의 특성을 추가적으로 갖기 위해 조절되는 안테나의 설계변수 값을 예시한 표이다.

설계변수	값(mm)	설계변수	값(mm)	설계변수	값(mm)
W	23.5	A	33	y	1.5
L	23.5	B	4	U	1.865
W'	3.5	C	14	M	15.4
L'	3.5	X	8	M'	14.5

위와 같이 설계될 경우, 본 발명의 이중대역 패치 안테나는 도 4에 도시된 것과 같이 약 2.4GHz의 대역과, 약 3.1GHz의 대역에 대한 특성을 동시에 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 패치(212)가 정사각형으로부터 마주보는 두 모서리가 절단된 육각형 형상으로 형성될 수 있는데, 이와 같은 구조가 적용될 경우 패치의 설계변수에 따른 특성을 반영하여 약 2.4GHz의 대역에서는 원형편파의 특성을 갖게 되며, 패치의 크기와 무관하게 접지면의 설계변수를 반영하는 약 3.1GHz의 대역에서는 선형편파의 특성을 갖게 된다.

이와 같은 구성을 통해 본 발명은 두 가지 주파수 대역 신호를 모두 다룰 수 있을 뿐만 아니라, 편파의 형태로 원형과 선형의 두 가지를 다룰 수 있다.

즉, 3.1GHz의 대역에서는 전원공급을 위한 선형편파 형태의 주(主) 무선신호가 수신되면 이를 전기에너지로 변환시키는 한편, 공기 중에 떠돌고 있는 Wi-Fi나 블루투스 또는 DMB 신호 등의 2.4GHz 대역의 원형편파를 추가적으로 수신하여 이로부터 전기에너지를 생성할 수 있도록 함으로써, 주(主) 무선신호의 수신이 원활하지 않을 경우에도 좀 더 원활한 전원 공급이 가능하다.

한편, 본 발명의 정류부(220)는 패치 안테나부(210)를 통해 수신된 무선신호를 정류하여 직류의 전기에너지로 변환한다.

도 5에는 이러한 기능을 수행하는 정류부(220)의 상세 회로도가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 것과 같이, 정류부(220)는, 복수의 커패시터(C1 ~ C4)와 복수의 다이오드(D1 ~ D4)로 구성되어, 정류작용에 의해 전기에너지를 저장하는 둘 이상의 승압수단이 직렬로 연결되어, 패치 안테나부(210)를 통해 수신된 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환함과 동시에 전압을 승압시키는 전압 체배회로로 이루어진다.

좀 더 자세히 설명하면, 본 발명에 따른 정류부(220)는 도 5에 도시된 것과 같이 둘 이상의 정류승압단(A1, A2)으로 이루어진다.

각각의 정류승압단은 두 다이오드가 직렬로 연결된 사이에 임시저장용 커패시터(C1, C2, C3)와 저장용 커패시터(C4)가 구비되어있다. 또한 그라운드(G)를 기준으로 정방향 다이오드(D1, D3)와 역방향 다이오드(D2, D4)가 구비되어 있다.

입력 전압이 역방향일 때, 역방향 다이오드(D2, D4)가 켜져 커패시터 C1, C2에 전기에너지가 저장되고, 이후 입력 전압이 정방향일 때, 정방향 전압으로 입력되는 전기에너지와 더불어 커패시터 C1, C2에서 방전되는 전기에너지가 동시에 입력되면서 승압이 이루어진다.

이렇게, 각 정류승압단에서 출력된 전압은 커패시터 C3과 C4에 저장되는데, 직류연결구조에 의해 C3에 저장된 전기에너지 또한 C4로 흘러가게 되며, 최종적으로 이렇게 C4에 저장되는 전기에너지의 전압은 최초 정류부(220)에 입력되었던 전압보다 훨씬 높은 전압을 갖는다.

본 실시예에서는 정류승압단을 두 개만 연결한 구조로 설명하였으나, 더 높은 전압이 요구될 경우 더 많은 정류승압단을 연결하는 것만으로 얼마든지 해결 가능하다.

도 6에는 수신된 무선신호를 정류하고 체배한 결과를 도시한 결과 그래프가 도시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 3.1GHz 대역과 2.4GHz 대역의 신호를 개별적으로 이용하였을때에도 4V 이상의 전압이 체배되나, 두 대역의 신호를 모두 이용하였을 때는 이보다 더 높은 전압을 체배할 수 있었다.

한편, 정류부(220)에는, 패치 안테나부(210)의 접지면(213)으로부터 분리된 접지단(G)이 구비되며, 정류부(220)의 접지단(G)과 패치 안테나부(210)의 접지면 사이에는, 도 2에 도시된 것과 같은 비드(230)가 더 구비될 수 있다.

이러한 비드(230)는, 인덕터(inductor)를 포함하여 이루어질 수 있는데, 본 발명에서는 이와 같은 비드를 통해 RF 신호와 DC 신호 사이의 영향을 억제할 수 있다.

이에 대해 부연하여 설명하면, 렉테나(200)에서 정류부의 접지(grounding)를 위해서는, 정류부(220)의 접지단(G)이 렉테나 내부에서 가장 큰 도체인 접지면(213)에 전기적으로 연결되는 것이 바람직한데, RF 신호를 다루는 교류 회로인 패치 안테나부(210)의 접지가 DC 신호를 다루는 직류회로인 정류부(220)의 접지단(G)과 곧바로 연결될 경우, 설계자의 의도와 달리 회로의 특성이 변화할 수 있다.

본 발명에서는 이를 방지하기 위하여, 교류회로의 시각에서는 접지면(213)과 접지단(G)이 서로 개방(open)된 것으로, 직류회로의 시각에서는 접지면(213)과 접지단(G)이 서로 단락된 것으로 인식될 수 있도록 둘 사이를 인덕터로 연결하는 것이다.

이와 같은 구성을 통해 본 발명은 효율적으로 정류부(220)를 접지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 패치 안테나부(210)의 회로 특성이 변화하는 것을 방지할 수 있다.

이와 더불어, 본 발명에 따른 정류부(220)는, 도 2에 도시된 것과 같이 패치 안테나부(210)의 접지면(213) 하부를 이용하여, 패치 안테나부(210)와 정류부(220)가 일체로 동일 평면상에 구비될 수 있는데, 본 발명은 이러한 구성에 의해 렉테나(200)의 총 면적을 줄일 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

210 : 패치 안테나부 211 : 유전체 기판
212 : 패치 213 : 접지면
214 : 임피던스 정합수단 220 : 정류부
230 : 비드

Claims (5)

1. 전기에너지가 실린 교류의 무선 신호를 수신하고, 수신된 상기 무선신호를 직류 전기에너지로 변환하기 위한 렉테나로서,
   유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일면 상부에 설치되며 제 1주파수 특성을 부여하기 위한 패치, 상기 유전체 기판의 타면에 접지면 및 상기 접지면의 하부에 형성된 T자형 슬롯과 상기 T자형 슬롯 내측에 상기 T자형 슬롯 내측으로부터 소정 간극 이격된 T자형 급전선을 포함하여 이루어져 제 2 주파수 특성을 부여하기 위한 임피던스 매칭수단을 구비하여 상기 무선신호를 수신하는 패치 안테나부와;
   상기 패치 안테나부를 통해 수신되는 상기 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환하는 정류부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중대역 렉테나.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 정류부는,
   복수의 커패시터와 다이오드를 구비하여 정류된 전기에너지를 임시 저장할 수 있는 둘 이상의 정류승압단이 직렬로 연결되어, 상기 무선신호를 정류하여 직류 전기에너지로 변환함과 동시에 변환된 상기 전기에너지의 전압을 승압시키는 전압 체배회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중대역 렉테나.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 정류부에,
   상기 패치 안테나부의 접지면으로부터 분리된 접지단이 구비되며,
   상기 정류부의 접지단과 상기 안테나부의 접지면 사이에는, RF 신호와 DC 신호 사이의 영향을 억제하기 위한 비드(BEAD)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이중대역 렉테나.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 비드는,
   인덕터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중대역 렉테나.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류부는,
   상기 패치 안테나부의 상기 접지면과 동일 평면상에 구비되는 것을 특징으로 하는 이중대역 렉테나.

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