KR101671799B1 - Energy harvesting system using parasitic radiator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본 발명은 에너지 수집 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기생 방사소자를 이용하여 전자파를 송수신하는 안테나에 있어서 주 방사소자의 특성 열화를 억제하면서도 기생 방사소자를 통하여 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 에너지 수집 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 방사 패턴이 방향성을 가지는 주 방사소자; 상기 주 방사소자의 후방에 위치하여 상기 주 방사소자에서 방사되는 에너지를 수집하는 기생 방사소자; 및 상기 주 방사소자와 기생 방사소자의 하부에 위치하는 접지면을 포함하여 구성되며, 이때, 상기 기생 방사소자는 1회전 또는 복수의 회전수를 가지는 루프 방사소자인 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템을 개시하는 효과를 갖는다.
The present invention relates to an energy collecting system, and more particularly, to an antenna for transmitting and receiving electromagnetic waves using a parasitic radiating element, which is capable of effectively collecting energy through a parasitic radiating element while suppressing deterioration of characteristics of the main radiating element Lt; / RTI >
The present invention relates to a main radiating element in which a radiation pattern is directional; A parasitic radiating element located behind the main radiating element and collecting energy radiated from the main radiating element; And a ground plane located below the main radiating element and the parasitic radiating element, wherein the parasitic radiating element is a loop radiating element having one rotation or a plurality of revolutions. .

Description

기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템 {Energy harvesting system using parasitic radiator}[0001] The present invention relates to an energy harvesting system using a parasitic radiator,

본 발명은 에너지 수집 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기생 방사소자를 이용하여 전자파를 송수신하는 안테나에 있어서 주 방사소자의 특성 열화를 억제하면서도 기생 방사소자를 통하여 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 에너지 수집 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an energy collecting system, and more particularly, to an antenna for transmitting and receiving electromagnetic waves using a parasitic radiating element, which is capable of effectively collecting energy through a parasitic radiating element while suppressing deterioration of the main radiating element. ≪ / RTI >

근래에 들어, 화석 연료의 고갈과 지구 온난화 등의 문제가 지속적으로 제기되면서, 과도한 자원 및 에너지의 소모를 줄이고 효율을 높이기 위한 이른바 그린 테크놀로지(Green Technology)에 대한 관심이 높아지고 있다.In recent years, problems such as depletion of fossil fuels and global warming have been continuously raised, and there is growing interest in so-called green technology for reducing excessive resource and energy consumption and improving efficiency.

이에 대한 일환으로 무선 통신, 방송 등의 용도로 대기 중에 방사되고 있는 유휴 전파를 수신하여 이로부터 에너지를 수집하여 활용함으로써, 에너지 효율을 개선하는 방법 등이 시도되고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 10-2010-0118383호(2010년 11월 5일 공개)에서는 빌딩의 축전 시스템에서 대기중의 전자파를 수집하여 전기 에너지로 변환하며, 흡수하고자 하는 전자파의 특성에 따라 미리 결정된 길이로 배열된 렉테나(Rectenna)를 이용하는 전자파 에너지 수확 장치에 대하여 개시하고 있다.As a part of this, a method of improving energy efficiency by receiving idle radio waves radiated in the air for wireless communication and broadcasting and collecting and utilizing energy therefrom has been attempted. For example, in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2010-0118383 (published on Nov. 5, 2010), electromagnetic waves in the air are collected and converted into electrical energy in a power storage system of a building, And an electromagnetic energy harvesting apparatus using Rectenna arranged in a determined length.

그러나, 상기한 바와 같이 대기 중에 방사되고 있는 유휴 전파를 수신하여 에너지를 수집하는 경우, 이를 통하여 획득할 수 있는 에너지의 양은 매우 제한적일 수 밖에 없다. 왜냐하면, 전자파가 방사되는 경우 방사 안테나로부터의 거리가 늘어남에 따라 그 수신 신호의 전력이 급격하게 감쇄하게 되기 때문이다. 대기 중에 방사되고 있는 유휴 전파를 수집하는 방법으로 에너지를 수집하는 경우, 통상 1mW 미만 정도의 전력을 획득할 수 있는 것으로 보고되고 있으며, 이 정도의 전력으로 동작시킬 수 있는 전기기기는 매우 제한적일 수 밖에 없어 실용성이 떨어지게 된다.However, as described above, when energy is collected by receiving idle radio waves radiated into the atmosphere, the amount of energy that can be obtained through the collection is very limited. This is because when the electromagnetic wave is radiated, the distance from the radiation antenna increases, and the power of the received signal is rapidly attenuated. It is reported that when energy is collected by collecting idle radio waves emitted in the air, electric power of about 1 mW or less can be obtained, and electric devices that can operate with this power are very limited The practicality is reduced.

따라서, 전자파로부터의 에너지 수확량을 늘리기 위해서는 최대한 방사 안테나에 근접하여 신호를 수신하는 것이 유리하게 된다. 예를 들어, 대전력으로 전자파를 송출하게 되는 방송용 안테나, 무선통신용 기지국 안테나 혹은 중계기 안테나 등에 근접하여 에너지를 수집하는 경우를 들 수 있다. 그러나, 에너지 수집을 위하여 방사 안테나의 근거리장(near field) 내로 다른 수신 안테나를 진입시키는 경우에는 안테나의 방사 특성이 왜곡될 수 있어, 상기 방사 안테나의 본연의 기능을 저해할 수 있다는 문제점이 있다.Therefore, it is advantageous to receive the signal as close as possible to the radiating antenna in order to increase the energy yield from the electromagnetic wave. For example, there is a case where energy is collected close to a broadcasting antenna, a base station antenna for wireless communication, or a repeater antenna that emits electromagnetic waves with a large power. However, when another receiving antenna enters the near field of the radiating antenna for energy collection, the radiation characteristic of the antenna may be distorted, which may hinder the original function of the radiating antenna.

이에 따라, 전자파 방사 안테나의 특성을 왜곡하지 않으면서도 전자파 신호를 수신하여 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 에너지 수집 시스템에 대한 요구가 지속되고 있으나, 이에 대한 적절한 해결책이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.Accordingly, there is a demand for an energy collection system capable of efficiently collecting energy by receiving an electromagnetic wave signal without distorting the characteristics of the electromagnetic radiation antenna, but a proper solution has not yet been proposed.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 전자파 방사 안테나의 특성을 왜곡하지 않으면서도, 전자파 송출 안테나에 근접 배치되어 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 구조를 가지는 에너지 수집 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide an energy collecting system having a structure capable of efficiently collecting energy by being disposed close to an electromagnetic wave emitting antenna without distorting the characteristics of the electromagnetic wave radiating antenna The purpose is to provide.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 프론트홀 시스템은 에너지 수집 시스템은 방사 패턴이 방향성을 가지는 주 방사소자; 상기 주 방사소자의 후방에 위치하여 상기 주 방사소자에서 방사되는 에너지의 일부를 수집하는 기생 방사소자; 및 상기 주 방사소자와 기생 방사소자의 하부에 위치하는 접지면을 포함하여 구성되며, 이때, 상기 기생 방사소자는 1회전 또는 복수의 회전수를 가지는 루프 방사소자인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an energy collection system including a main radiating element having a directional radiation pattern; A parasitic radiating element located behind the main radiating element and collecting a part of energy radiated from the main radiating element; And a ground plane positioned below the main radiating element and the parasitic radiating element, wherein the parasitic radiating element is a loop radiating element having one rotation or a plurality of revolutions.

여기서, 상기 주 방사소자는, 모노폴(monopole) 방사소자, 다이폴(dipole) 방사소자, 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자 중 하나일 수 있다.Here, the main radiating element may be one of a monopole radiating element, a dipole radiating element, and a printed dipole radiating element.

또한, 상기 기생 방사소자는, 동작 주파수 대역과 방사 이득(gain) 특성을 고려하여 결정된 회전수를 가질 수 있다.In addition, the parasitic radiating element may have a rotation number determined in consideration of an operating frequency band and a radiation gain characteristic.

또한, 상기 기생 방사소자의 회전수는 소정의 동작 주파수 대역을 모두 포함하되, 상기 기생 방사소자의 방사 이득을 최대로 할 수 있는 회전수를 가질 수 있다.In addition, the number of rotations of the parasitic radiating element may include a predetermined operating frequency band, and may have a rotational speed capable of maximizing the radiation gain of the parasitic radiating element.

또한, 상기 기생 방사소자의 상기 접지면으로부터의 높이는, 상기 기생 방사소자가 상기 주 방사소자로부터 가장 많은 에너지를 수집할 수 있는 높이와, 상기 주 방사소자의 방사 특성 변화를 최소화할 수 있는 높이의 사이에서 결정될 수 있다.The height of the parasitic radiating element from the ground plane is set to a height at which the parasitic radiating element can collect the most energy from the main radiating element and a height at which the radiation characteristic change of the main radiating element can be minimized Lt; / RTI >

또한, 상기 기생 방사소자는, 동작 주파수의 파장의 길이 혹은 그 홀수배의 원주 길이를 가질 수 있다.The parasitic radiating element may have a length of a wavelength of an operating frequency or a circumferential length of an odd multiple thereof.

또한, 상기 기생 방사소자는, 인쇄 회로 기판의 상층, 하층, 내층의 어느 한 층 혹은 복수의 층에 형성된 루프 방사소자 패턴을 포함하여 구성되며, 상기 루프 방사소자의 루프 중앙에 형성된 슬릿(slit)을 통하여 상기 주 방사소자로의 급전선(feeding line)이 배선될 수 있다.The parasitic radiating element includes a loop radiating element pattern formed on one or more layers of an upper layer, a lower layer, and an inner layer of a printed circuit board, and a slit formed in the center of the loop of the loop radiating element. A feeding line to the main radiating element can be wired through the main radiating element.

또한, 상기 주 방사소자는, 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자일 수 있다.Further, the main radiating element may be a printed dipole radiating element.

본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 수집 시스템은 소정의 전자파 발생원; 상기 전자파 발생원에 근접하여 배치되는 기생 방사소자를 포함하여 구성되며, 상기 기생 방사소자는 1회전 또는 복수의 회전수를 가질 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an energy collection system comprising: a predetermined electromagnetic wave generating source; And a parasitic radiating element disposed in proximity to the electromagnetic wave generating source, wherein the parasitic radiating element may have one rotation or a plurality of rotation numbers.

여기서, 상기 전자파 발생원은 접지면을 포함하고, 상기 기생 방사소자는 상기 접지면으로부터 소정의 거리가 이격되어 배치되며, 이때, 상기 기생 방사소자의 상기 접지면으로부터의 거리는, 상기 기생 방사소자가 상기 전자파 발생원부터 가장 많은 에너지를 수집할 수 있다.Here, the electromagnetic wave generating source includes a ground plane, and the parasitic radiating element is disposed at a predetermined distance from the ground plane, wherein a distance from the ground plane of the parasitic radiating element is a distance The largest amount of energy can be collected from the source of electromagnetic waves.

또한, 상기 기생 방사소자의 회전수는 소정의 동작 주파수 대역을 모두 포함하되, 상기 기생 방사소자의 방사 이득을 최대로 할 수 있는 회전수를 가질 수 있다.In addition, the number of rotations of the parasitic radiating element may include a predetermined operating frequency band, and may have a rotational speed capable of maximizing the radiation gain of the parasitic radiating element.

본 발명에 따르면, 주 방사소자의 후방에 루프 방사소자를 배치하고, 그 회전수와 높이 등의 구조를 최적하여 기생 방사소자로 활용함으로써, 주 방사소자의 방사 특성을 왜곡하지 않으면서도 그로부터 전자파 신호를 수신하여 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 에너지 수집 시스템을 개시하는 효과를 갖는다.According to the present invention, a loop radiating element is disposed behind the main radiating element, and the structure such as the number of revolutions and the height is optimally used as a parasitic radiating element, so that the radiation characteristic of the main radiating element is not distorted, And an energy collection system capable of efficiently collecting energy.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템의 구성도이다.
도 2는 루프 방사소자의 방사 특성을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자의 높이를 변화시키는 경우의 에너지 수집 시스템의 특성 변화 시뮬레이션 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 주 방사소자와 기생 방사소자에서의 반사 계수 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템의 방사 및 커플링 특성 측정 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템의 EIRP 측정 환경 설정도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a configuration diagram of an energy collecting system using a parasitic radiating element according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is an explanatory view for explaining radiation characteristics of a loop radiating element. Fig.
FIG. 3 is a characteristic change simulation graph of the energy collection system when the height of the parasitic radiating element according to the embodiment of the present invention is changed.
4 is a photograph of an energy collection system using a parasitic element according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph of reflection coefficient measurement in a main radiating element and a parasitic radiating element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph of emission and coupling characteristics of an energy collecting system using a parasitic radiating element according to an embodiment of the present invention.
7 is an EIRP measurement environment setting diagram of an energy collection system using a parasitic radiating element according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.

본 발명은, 종래기술에 따라 대기 중에 방사되고 있는 유휴 전파를 수신하여 에너지를 수집하는 경우, 이를 통하여 획득할 수 있는 에너지의 양은 매우 제한적일 수 밖에 없고, 이를 개선하기 위하여 무선통신용 기지국 안테나 등 무선 신호를 송출하는 안테나에 최대한 근접하여 신호를 수신하는 경우 안테나의 근거리장(near field) 내로 다른 수신 안테나를 진입함에 따라 안테나의 방사 특성이 왜곡될 수 있다는 문제점에 착안하여, 주 방사소자의 후방에 주 방사소자로의 영향을 최소화할 수 있도록 루프(loop) 방사소자의 회전수와 높이 등의 구조를 최적하여 배치함으로써, 주 방사소자의 방사 특성을 왜곡하지 않으면서도 전자파 신호를 수신하여 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 에너지 수집 시스템을 제공한다.According to the present invention, when energy is collected by receiving idle radio waves radiated into the atmosphere according to the related art, the amount of energy that can be obtained through the collection of energy is very limited. To improve the energy, When a signal is received as close as possible to the antenna for transmitting the signal, the radiation characteristic of the antenna may be distorted by entering another reception antenna into the near field of the antenna, By optimally arranging the structure such as the number of revolutions and height of the loop radiating element so as to minimize the influence to the radiating element, it is possible to efficiently receive the electromagnetic wave signal by receiving the electromagnetic wave signal without distorting the radiation characteristic of the main radiating element Energy collection system.

이하에서는, 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템 의 예시적인 실시형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of an energy collection system using a parasitic element according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에서는 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 구조를 도시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)은 방사 패턴이 방향성을 가지는 주 방사소자(110), 상기 주 방사소자(110)의 후방에 위치하여 상기 주 방사소자(110)에서 방사되는 에너지의 일부를 수집하는 기생 방사소자(120) 및 상기 주 방사소자(110)와 기생 방사소자(120)의 하부에 위치하는 접지면(130)을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 상기 기생 방사소자(120)로는 1회전 또는 복수의 회전수를 가지는 루프 방사소자를 사용하게 된다.1 shows a structure of an energy collection system 100 using a parasitic radiating element according to the present invention. 1, the energy collecting system 100 using the parasitic radiating element according to the present invention includes a main radiating element 110 having a directional radiation pattern, a rear radiating element 110 positioned behind the main radiating element 110, A parasitic radiating element 120 for collecting a part of the energy radiated from the main radiating element 110 and a ground plane 130 positioned below the main radiating element 110 and the parasitic radiating element 120, At this time, the parasitic radiating element 120 uses a loop radiating element having one rotation or a plurality of revolutions.

도 1(a)을 살펴보면, 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)는 두개의 방사소자, 즉 주 방사소자(110)와 기생 방사소자(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 주 방사소자(110)는 통상적인 무선 통신 시스템에서의 신호의 송수신을 위하여 사용될 수 있으며, 예를 들어 기지국 또는 중계기에서의 안테나의 방사소자의 경우를 생각할 수 있다. 기생 방사소자(120)는 주 방사소자(110)의 주요한 방사 특성에 미치는 영향을 최소화하면서, 주 방사소자(110)에서 방사되는 전자파를 수신하여 에너지를 수집하게 되며, 이에 따라 주로 3-dB 빔폭(beam width) 밖의 신호를 수집하게 된다. 따라서, 주 방사소자(110)는 약간의 특성 변화만을 나타낼 뿐, 본래의 특성을 그대로 유지할 수 있게 된다.1 (a), an energy collection system 100 using a parasitic element according to the present invention may include two radiating elements, that is, a main radiating element 110 and a parasitic radiating element 120 . The main radiating element 110 may be used for transmitting and receiving signals in a typical wireless communication system, for example, in the case of a radiating element of an antenna at a base station or a repeater. The parasitic radiating element 120 receives the electromagnetic waves radiated from the main radiating element 110 and collects energy while minimizing the influence on the main radiation characteristics of the main radiating element 110, thereby collecting signals outside the beam width. Therefore, the main radiating element 110 exhibits only a slight characteristic change, and the original characteristics can be maintained.

본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)에서는 다양한 종류의 방사소자들이 사용될 수 있는데, 여기서는 본 발명의 일 실시예로서 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자를 사용하여 검토한다. 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자는 광대역 및 높은 이득(gain) 특성을 가지고 있고 제작 공정이 간단하여 무선 통신 기지국 안테나에 광범위하게 사용되고 있으므로, 이를 이용한 에너지 수집 시스템을 구현하는 경우 실용성이 매우 높다는 장점이 있다. 또한, 상기 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자 뿐만 아니라, 이와 유사한 특성을 가지는 모노폴(monopole) 방사소자 및 다이폴 방사소자(dipole) 등의 경우에도 본 발명에 쉽게 적용이 가능하므로 보다 폭넓은 응용이 가능하다.In the energy collecting system 100 using the parasitic radiating element according to the present invention, various kinds of radiating elements can be used. Here, a printed dipole radiating element is used as an embodiment of the present invention. Printed dipole (radiated) is widely used in wireless communication base station antennas because it has broadband and high gain characteristics and simple manufacturing process. Therefore, it is advantageous to implement energy collection system using it. have. In addition to the above-mentioned printed dipole radiation element, monopole radiation element and dipole radiation element having similar characteristics can be easily applied to the present invention, so that a wider application is possible Do.

또한, 본 발명의 일 실시예로서 기생 방사소자(120)로서는 루프(loop) 방사소자를 사용하였다. 루프 방사소자는 원형 이외에도 다양한 형상을 가질 수 있는데, 예를 들어 사각형, 삼각형, 기타 다각형 등 다양한 형상으로 구현이 가능하다. 특히, 공진형 루프 방사소자는 동작 주파수의 파장(또는, 그의 홀수배)에 가까운 원주 길이를 가지게 된다. 루프 방사소자에 자기장이 가해지는 경우 유도되는 전압의 세기는 다음의 수학식과 같이 표현될 수 있다.In addition, a loop radiating element is used as the parasitic radiating element 120 as one embodiment of the present invention. The loop radiating element may have various shapes other than a circle, for example, rectangular, triangular, or other polygonal shapes. In particular, the resonant loop radiating element has a circumferential length close to the wavelength of the operating frequency (or an odd multiple thereof). The intensity of the induced voltage when a magnetic field is applied to the loop radiating element can be expressed by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112014046933813-pat00001
Figure 112014046933813-pat00001

여기서, E는 루프 방사소자에 유도된 전압의 세기[V]이고, N은 루프 방사소자의 회전수, A는 루프 방사소자의 면적[m2], f는 동작 주파수[GHz], B는 유도 자기장의 RMS(root mean square) 값[Tesla]이다.Where N is the number of revolutions of the loop radiating element, A is the area of the loop radiating element [m 2 ], f is the operating frequency [GHz], B is the induction voltage The root mean square (RMS) value of the magnetic field is [Tesla].

이에 따라, 루프 방사소자는 다이폴(dipole) 또는 접힌 다이폴(folded dipole) 방사소자와 비교할 때, 수직 방향으로의 방사 이득이 낮은 반면 수평 방향으로의 방사 이득이 높다는 특징을 가지므로, 이러한 특성을 이용할 경우 주 방사소자로의 영향을 줄이면서도 효과적으로 유휴 전자파를 흡수할 수 있다는 장점을 가지게 된다.Accordingly, the loop radiating element is characterized by having a low radial gain in the vertical direction and a high radial gain in the horizontal direction, as compared with a dipole or a folded dipole radiating element. It is possible to effectively absorb the idle electromagnetic wave while reducing the influence of the main radiating element.

따라서, 루프 방사소자는 주 방사소자(110)로부터 전자파 신호를 수신하여 에너지를 수집하기 위한 기생 방사소자(120)로서 매우 적합한 특성을 가지게 된다. 도 1(a) 및 도 1(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예로서 기판에 인쇄된 사각형 루프 방사소자를 사용하여 주 방사소자(110)의 하부에 위치시켰고, 루프 방사소자의 내측 기판에 슬릿(slit)(122)을 형성하여 이를 통하여 주 방사소자(110)가 급전(feeding) 될 수 있도록 하였다.Therefore, the loop radiating element has very suitable characteristics as the parasitic radiating element 120 for receiving the electromagnetic wave signal from the main radiating element 110 and collecting the energy. As can be seen in Figures 1 (a) and 1 (b), in one embodiment of the present invention, a rectangular loop radiating element printed on a substrate is used to place underneath the main radiating element 110, A slit 122 is formed in the inner substrate of the device so that the main radiating element 110 can be fed through the slit 122.

도 1(c)에서는 유전체 기판에 인쇄된 2회전 루프 구조를 가지는 기생 방사소자의 상세도를 보여주고 있다. 복수의 회전수를 가지는 루프 방사소자는 단일 회전수의 루프 방사소자와 비교할 때, 높은 품질 계수(Quality factor, Q-factor) 값을 가지므로, 이에 따라 보다 높은 이득 특성을 가질 수 있는 반면, 주파수 대역폭은 줄어들게 된다. 즉, 루프 방사소자의 회전수가 늘어나는 경우 이득 특성을 높아지는 반면, 주파수 대역폭은 줄어들게 되는 절충(trade-off) 관계를 가지므로, 양자를 적절하게 고려하여 최적점을 찾아야 한다. 따라서, 기생 방사소자(120)를 설계함에 있어서는 동작 주파수 대역을 모두 포함할 수 있는 회전수 중에서, 보다 높은 이득 특성을 가질 수 있도록 최대한 높은 회전수를 선택하는 것이 바람직하다. Fig. 1 (c) shows a detailed view of a parasitic radiating element having a two-turn loop structure printed on a dielectric substrate. Since the loop radiating element having a plurality of revolutions has a high quality factor (Q-factor) value when compared with the loop radiating element of a single number of revolutions, it can have a higher gain characteristic thereby, Bandwidth is reduced. That is, when the number of rotations of the loop radiating element is increased, the gain characteristic is increased. On the other hand, since the frequency bandwidth is reduced, the tradeoff relation is established. Therefore, in designing the parasitic radiating element 120, it is preferable to select the maximum number of revolutions so as to have higher gain characteristics among the number of revolutions that can include all the operating frequency bands.

또한, 상기 기생 방사소자(120)의 높이, 즉 접지면과 기생 방사소자 사이의 간격도 상기 기생 방사소자(120)의 동작 특성에 영향을 미치게 된다. 도 2에서는 이를 설명하기 위한 접지면(130) 상부에 이상적인 반파장 다이폴 방사소자의 전자파 방사 현상을 설명하기 위한 도면을 보여주고 있다. 반파장 다이폴 방사소자는 루프 방사소자를 구성하는 일부분으로 볼 수 있으므로, 이를 검토함으로써 루프 방사소자의 동작 특성을 살펴볼 수 있게 된다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 반파장 다이폴 방사소자의 수직 방향 방사 패턴이 방사가 최대로 일어나는 방사 각도(wave angle) 등 방사소자의 특성을 결정하게 된다. 도 2(b)에서 접지면(130)과 수직한 면을 살펴보면, 반파장 다이폴 방사소자는 모든 방향으로 동일한 에너지를 방사하게 된다. 방사소자에서 방출되는 전파를 분석(ray analysis)해보면, 동일한 전파가 A의 방향 및 그 반대인 A'의 방향으로 방사되고, A'은 다시 접지면(130)에 의하여 A"으로 반사되어 A와 동일한 방향으로 진행하게 된다. 이와 유사하게, B의 방향 및 그와 대칭되는 B'의 방향으로 방사된 동일한 전파는, B'이 다시 접지면(130)에 의하여 B"으로 반사되어 B의 방향과 같은 방향으로 진행하게 된다. 이에 따라, A와 A" 사이의 위상 차이(phase difference) 및 B와 B" 사이의 위상 차이(phase difference)가 상기 반파장 다이폴 방사소자의 방사 특성을 결정하는 중요한 요소가 된다. 위상 차이는 경로 길이의 차이 및 반사점에서의 위상 천이(phase shift)에 의하여 결정될 수 있는데, 수평 편파(horizontally polarized)된 전자파는 이상적인 접지면(perfect ground)에서 반사로 인하여 180° 위상 천이를 나타내게 되므로, 따라서 최종적인 상기 A와 A" 사이의 위상 차이(phase difference) 및 B와 B" 사이의 위상 차이(phase difference)는 결국 상기 반파장 다이폴 방사소자의 높이(H)에 의하여 결정되게 된다. 만약, 상기 반파장 다이폴 방사소자가 위치하는 높이에서 A와 A"가 동위상(in-phase)인 경우에는 방사 강도가 양 신호의 합과 같아지면서 최대치가 될 것이고, 만약 A와 A"의 위상이 일부 틀어지게 되면(out-of-phase) 방사 강도가 양 신호의 합보다 작아지게 되며, 나아가 A와 A"의 위상이 180°의 차이를 가지면서 동일한 크기의 신호라면, 양 신호가 서로 상쇄될 것이다.In addition, the height of the parasitic radiating element 120, that is, the distance between the ground plane and the parasitic radiating element also affects the operation characteristics of the parasitic radiating element 120. FIG. 2 is a view for explaining the phenomenon of electromagnetic wave radiation of an ideal half-wave dipole radiating element on the ground plane 130 for explaining this. Since the half-wave dipole radiating element can be regarded as a part constituting the loop radiating element, the operation characteristics of the loop radiating element can be examined by examining this. As can be seen in FIG. 2, the vertical radiation pattern of the half-wave dipole radiating element determines the characteristics of the radiating element, such as the wave angle at which radiation occurs at maximum. 2 (b), the half-wave dipole radiating element emits the same energy in all directions. Ray analysis of the radio wave emitted from the radiating element, the same radio wave is radiated in the direction of A and the opposite direction of A ', and A' is again reflected by the ground plane 130 to A " Similarly, the same propagation of radiation in the direction of B and in the direction of B 'symmetrically with B is reflected by B' again by B 'by ground plane 130, And proceeds in the same direction. Accordingly, a phase difference between A and A "and a phase difference between B and B" become important factors for determining the radiation characteristic of the half-wave dipole radiating element. The phase difference can be determined by the difference in path length and the phase shift at the reflection point. Horizontally polarized electromagnetic waves exhibit a 180-degree phase shift due to reflection at an ideal ground (ideal ground) , So that the final phase difference between A and A "and the phase difference between B and B" will ultimately be determined by the height H of the half-wave dipole radiating element. If A and A "are in-phase at the height at which the half-wave dipole radiating element is located, the radiation intensity will be equal to the sum of both signals, The out-of-phase radiation intensity becomes smaller than the sum of the positive signals. Further, if the signals of the same magnitude have a phase difference of 180 degrees between A and A " Will be.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 기생 방사소자(120)의 높이를 적절하게 변화시키면서 그 방사 특성을 조절함으로써, 주 방사소자(110)의 특성 변화를 최소화하면서도, 주 방사소자(110)로부터 방사되는 에너지를 효과적으로 수집할 수 있는 최적화된 구조의 기생 방사소자(120)를 구비하는 에너지 수집 안테나 시스템을 제시하고자 한다.Accordingly, in one embodiment of the present invention, by adjusting the radiation characteristics while appropriately changing the height of the parasitic radiating element 120, it is possible to minimize the variation of the characteristics of the main radiating element 110, And a parasitic radiating element 120 having an optimized structure capable of efficiently collecting energy to be absorbed by the parasitic radiating element 120.

실시예 1. 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 설계Embodiment 1. Design of an energy collection system 100 using a parasitic radiating element

본 발명의 일 실시예로서, 아래에서는 대한민국에서 WCDMA/LTE(Long Term Evolution) 서비스를 위하여 사용되고 있는 주파수 대역 중의 하나인 2.13~2.15GHz의 주파수 대역에서 동작하는 에너지 수집 시스템을 설계하였다.As an embodiment of the present invention, an energy collection system operating in a frequency band of 2.13-2.15 GHz, which is one of the frequency bands used for WCDMA / LTE (Long Term Evolution) service in Korea, is designed below.

이때 주 방사소자(110)를 구성하기 위해서 테플론(Teflon) 기판(ε r = 3.5, tan δ = 0.0018, t = 0.78 mm )을 사용하여 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자를 구현하였고, 주 방사소자(110)의 폭(w1)과 길이(l1)는 공진 주파수 등의 방사 특성을 고려하여 설계하였다(도 1(a) 참조).At this time, a Teflon substrate ( ? R = 3.5, tan? = 0.0018, t = 0.78 mm And the width w 1 and length l 1 of the main radiating element 110 were designed in consideration of the radiation characteristics such as the resonance frequency a)).

이에 대하여, 기생 방사소자(120)를 구성하는 데에는 FR4 기판(ε r = 4.3, tan δ = 0.02, t = 1 mm )이 사용되었고, 상기 FR4 기판의 상면과 하면을 사용하여 2회전 사각형 루프 방사소자를 구현하였으며, 이때 상기 주 방사소자(110)의 방사 패턴 등을 고려하여 기생 방사소자(120)의 폭(w2)과 길이(l2)를 설계한 후 그 높이를 변경하면서 본 발명에 따른 시스템의 특성을 검토하였다(도 1(b)). 이때, 기생 방사소자의 제1 회전 루프 및 제2 회전 루프의 길이는 거의 동일하였으며, 도 1(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기생 방사소자(120)의 제1 회전 루프는 제2 포트 케이블(160)을 사용하여 제2 포트에서 여기(excited)되고, 그 종점은 스루홀(through-hole)을 거쳐 제2 회전 루프로 연결되며, 제2 회전 루프의 종점은 접지핀(ground pin)(170)을 통하여 접지면(130)으로 연결되었다.On the other hand, in order to construct the parasitic radiating element 120, an FR4 substrate ( ? R = 4.3, tan? = 0.02, t = 1 mm The width of the parasitic radiating element 120 (w) is set in consideration of the radiation pattern of the main radiating element 110. In this case, 2 ) and the length ( 12 ) were designed, and then the height was changed, the characteristics of the system according to the present invention were examined (FIG. 1 (b)). 1 (c), the first rotary loop of the parasitic radiating element 120 is connected to the first port of the second port cable 120. In this case, the first rotary loop of the parasitic radiating element 120 and the second rotary loop of the parasitic radiating element 120 are substantially the same length. The end point of which is connected to the second rotary loop via a through-hole, and the end point of the second rotary loop is connected to the ground pin (ground pin) 170 to the ground plane 130.

상기 기생 방사소자의 높이(h2)는 도 1(a)에 도시된 바와 같이 지지대(spacer)(140)에 의하여 조절될 수 있도록 하였다. 주 방사소자(110)는 기생 방사소자(120) 기판의 사각형 슬릿(slit)(122)을 통과하여 접지면(130)의 중앙부에 고정되도록 하였다. 이러한 구조를 통하여, 에너지 수집 시스템의 크기를 최소화할 수 있으며, 나아가 배열 안테나(array antenna) 등의 경우에도 적용이 가능하고, 이를 통하여 단위 안테나 간의 간섭 신호를 억제하여 성능을 개선할 수 있게 된다.The height (h 2 ) of the parasitic radiating element can be adjusted by a spacer 140 as shown in FIG. 1 (a). The main radiating element 110 passes through a rectangular slit 122 of the substrate of the parasitic radiating element 120 and is fixed to the center of the ground plane 130. With this structure, the size of the energy collecting system can be minimized, and furthermore, the present invention can be applied to an array antenna and the like, thereby suppressing interference signals between unit antennas and improving performance.

도 3에서는 기생 방사소자(120)의 높이에 따른 주 방사소자(110)의 특성 변화에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 도 3(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 그 높이 변화에 따라 기생 방사소자(120)의 공진 주파수는 2.15GHz에서 2.20GHz로 변화하였고, 이와 함께 반사 손실(return loss)가 크게 개선되었다. 또한, 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 주 방사소자(110)의 공진 주파수는 별다른 변화를 보이지 않고 있으나, 반면 주 방사소자(110)의 반사 손실(return loss)은 다소 특성이 열화되는 것으로 해석되었다. 이러한 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 기생 방사소자(120)의 높이가 높아질수록 주 방사소자(110)의 특성에 대한 영향이 커지게 된다는 것을 알 수 있다. 도 3(c)와 도 3(d)에서는 기생 방사소자(120)의 높이가 높아짐에 따라 주 방사소자(110)와 기생 방사소자(120) 간의 커플링 계수(S21)가 증가하면서, 또한 주 방사소자(110)의 방사 이득 및 3-dB 빔폭(beamwidth) 특성은 감소하는 결과를 보여주고 있다.FIG. 3 shows a simulation result of the characteristic change of the main radiating element 110 according to the height of the parasitic radiating element 120. As shown in FIG. 3 (b), the resonant frequency of the parasitic radiating element 120 changed from 2.15 GHz to 2.20 GHz according to the change in height, and the return loss was greatly improved. 3 (a), the resonance frequency of the main radiating element 110 does not change much, but the return loss of the main radiating element 110 is slightly deteriorated . As can be seen from the simulation results, the higher the height of the parasitic radiating element 120, the greater the influence on the characteristics of the main radiating element 110 is. 3 (c) and 3 (d), as the height of the parasitic radiating element 120 increases, the coupling coefficient S21 between the main radiating element 110 and the parasitic radiating element 120 increases, The radiation gain of the radiating element 110 and the 3-dB beamwidth characteristic are reduced.

아래 표 1에서는 앞서 살핀 시뮬레이션 결과들을 정리하여 보여주고 있다. 이러한 결과들을 살펴보았을 때, 본 실시예에서의 기생 방사소자(110)의 높이의 최적치는 2mm라는 것을 알 수 있고, 이때 주 방사소자(110)의 방사 이득은 기생 방사소자(120)가 없는 경우와 비교하더라도 0.2dB 정도의 차이에 불과하여 방사 특성의 열화가 크지 않고, 또한 주 방사소자(110)와 기생 방사소자(120) 간의 커플링 계수(S21)는 약 -10.1dB로서 상대적으로 매우 큰 에너지를 수집할 수 있음을 확인할 수 있다. 상기한 시뮬레이션은 상용 시뮬레이션 툴을 사용하여 이루어졌으나, 필요에 따라서는 사용자가 직접 수치 해석 코딩을 프로그래밍하여 시뮬레이션을 할 수도 있다.Table 1 below summarizes the simulation results. It can be seen from these results that the optimum value of the height of the parasitic radiating element 110 in this embodiment is 2 mm. In this case, the radiation gain of the main radiating element 110 is equal to the radiation gain of the parasitic radiating element 120 And the coupling coefficient S21 between the main radiating element 110 and the parasitic radiating element 120 is about -10.1 dB, which is relatively large Energy can be collected. The above simulation is performed using a commercial simulation tool, but the user can also perform a simulation by programming the numerical simulation directly.

주파수 [GHz]Frequency [GHz] 2.1002.100 2.1502.150 2.2002.200 S21 [dB]S 21 [dB] 이득[dB]Gain [dB] 빔폭[°]Beam width [°] 이득[dB]Gain [dB] 빔폭[°]Beam width [°] 이득[dB]Gain [dB] 빔폭[°]Beam width [°] 주 방사소자 단독Main radiating element alone 8.58.5 85.885.8 8.38.3 88.388.3 7.97.9 92.992.9 -- h2 = 1mmh 2 = 1 mm 8.48.4 85.785.7 8.38.3 87.187.1 8.48.4 88.188.1 -15.0-15.0 h2 = 2mmh 2 = 2 mm 8.58.5 85.385.3 8.18.1 86.886.8 7.77.7 88.788.7 -10.1-10.1 h2 = 3mmh 2 = 3 mm 8.38.3 83.083.0 8.18.1 86.186.1 7.27.2 92.492.4 -6.4-6.4 h2 = 4mmh 2 = 4 mm 8.38.3 84.984.9 8.08.0 86.086.0 6.46.4 87.287.2 -4.3-4.3 h2 = 5mmh 2 = 5 mm 8.48.4 84.784.7 7.97.9 85.685.6 6.56.5 85.385.3 -3.7-3.7

실시예 2. 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 제작 및 측정Example 2 Fabrication and measurement of an energy collection system (100) using a parasitic radiating element

도 4에서는 본 발명의 일 실시예로서 제작된 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 사진들을 보여주고 있다. 이때, 상기 에너지 수집 안테나 시스템은 크게 주 방사소자(110) 및 기생 방사소자(120)의 두 부분으로 구성되었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 주 방사소자(110)는 접지면(130)의 중앙에 수직 방향으로 장착되었고, 이때 기생 방사소자(120)의 기판에 위치하는 사각형 슬릿(slit)(122)을 통과하여 조립되도록 하였다. 도 4(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 주 방사소자(110)는 제1 포트와 연결되고, 기생 방사소자(120)의 일 종단은 제2 포트와 연결되고, 다른 종단은 접지핀(ground pin)(170)을 이용하여 금속 접지면(130)에 연결되었다. 접지면(130)의 크기는 100mm x 100mm이었고, 기생 방사소자(120)의 높이를 조절하기 위하여 플라스틱 재질의 지지대(140)가 기생 방사소자(120) 기판의 양 끝에 삽입되었다. 도 4(c)에서는 최종 조립된 본 발명의 일 실시예에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)을 상부에서 촬영한 사진을 보여주고 있다.FIG. 4 shows photographs of an energy collection system 100 using a parasitic radiator fabricated as an embodiment of the present invention. At this time, the energy collecting antenna system is mainly composed of two parts, a main radiating element 110 and a parasitic radiating element 120. 4, the main radiating element 110 is vertically mounted at the center of the ground plane 130, and a rectangular slit 122, located at the substrate of the parasitic radiating element 120 at this time, So as to be assembled. As shown in FIG. 4 (b), the main radiating element 110 is connected to the first port, one end of the parasitic radiating element 120 is connected to the second port, and the other end is connected to the ground pin (170) to the metal ground plane (130). The ground plane 130 was 100 mm x 100 mm and a plastic support 140 was inserted at both ends of the parasitic radiating element 120 to adjust the height of the parasitic radiating element 120. 4C is a photograph of the energy collection system 100 using the parasitic radiating element according to an embodiment of the present invention finally assembled.

본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 성능을 검증하기 위하여, 여러가지 안테나 특성을 측정하였다. 도 5에서는 기생 방사소자의 높이에 따른 주 방사소자 및 기생 방사소자의 반사 계수(reflection coefficient)를 도시하고 있다. 도 5(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기생 방사소자의 높이가 2mm에서 5mm까지 높아짐에 따라, 주 방사소자의 반사 계수는 열화되는 것으로 보이나, 2.13GHz ~ 2.17GHz의 주파수 대역 내에서 여전히 모든 높이에 대하여 -10dB보다 낮은 수준을 유지한다는 것을 알 수 있다. 기생 방사소자(120)의 높이가 증가함에 따라, 기생 방사소자(120)의 특성이 개선되었는데, 도 5(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기생 방사소자(120)의 높이 증가에 따라 2.18GHz에서 공진 특성이 확연하게 나타남을 알 수 있다. 기생 방사소자(120)의 높이가 2mm일 때, 기생 방사소자(120)의 반사 계수가 -5dB를 넘어 가장 나쁜 특성을 보이는 반면, 주 방사소자(110)의 반사 계수는 -15dB 이하의 좋은 특성을 나타내고 있다. 이러한 측정 결과는 상기 도 3(b)에서의 시뮬레이션 결과와 다소 차이를 보이고 있는데, 이는 기생 방사소자(120)의 제작에 있어서 접지핀(ground pin)(170) 및 케이블 피딩(cable feeding)에서의 제작상의 오차로 인한 것으로 판단된다.In order to verify the performance of the energy collecting system 100 using the parasitic radiator fabricated according to an embodiment of the present invention, various antenna characteristics were measured. FIG. 5 shows the reflection coefficient of the main radiating element and the parasitic radiating element according to the height of the parasitic radiating element. As can be seen in FIG. 5 (a), as the height of the parasitic radiating element increases from 2 mm to 5 mm, the reflection coefficient of the main radiating element appears to degrade, but still within the frequency band of 2.13 GHz to 2.17 GHz Lt; RTI ID = 0.0 > -10dB. ≪ / RTI > As the height of the parasitic radiating element 120 increases, the characteristics of the parasitic radiating element 120 improve. As shown in FIG. 5 (b), as the height of the parasitic radiating element 120 increases, It can be seen that the resonance characteristics are clearly shown in the case of FIG. When the height of the parasitic radiating element 120 is 2 mm, the reflection coefficient of the parasitic radiating element 120 exceeds 5 dB, which is the worst characteristic. On the other hand, the reflection coefficient of the main radiating element 110 is good . The result of the measurement is slightly different from the simulation result in FIG. 3 (b), which shows that in the fabrication of the parasitic radiating element 120, the ground pin 170 and the cable feeding It is judged to be due to manufacturing errors.

도 6(a)에서는 주 방사소자(110)와 기생 방사소자(120) 사이의 결합 계수 측정치를 보여주고 있다. 여기서 볼 수 있듯이, 기생 방사소자(120)의 높이가 증가함에 따라 주 방사소자와(110) 기생 방사소자(120) 사이의 결합 계수가 증가하게 되며, 기생 방사조사(120)의 높이가 2mm인 경우 상기 결합 계수는 약 -12dB로 측정되었다. 반대로, 주 방사소자(110)의 방사 이득은 점차 낮아진다는 것을 확인할 수 있다. 주 방사소자(110) 단독으로 측정하였을 경우의 방사 이득은 8.50dBi이었으며, 기생 방사소자(120)를 결합하는 경우에는 그 높이에 따라 6.93 ~ 8.35dBi의 방사 이득 특성을 보였다. 최대 방사 이득은 기생 방사소자(120)의 높이가 2mm인 경우에 측정되었고, 이때 3dB 빔폭(beamwidth)은 87.1°로 주 방사소자(110) 단독으로 측정한 경우의 88.6° 보다 약간 좁았다. 도 6(d)에서는 주 방사소자(110)의 E-평면(E-plane)(도 4(c)에서의 x축)에서의 방사 패턴 및 방사 이득을 도시하고 있다. 상기한 일련의 측정들은 안테나 측정 시스템을 사용하여 무반향실(anechoic chamber)에서 이루어졌다. 측정 주파수로는 동작 주파수 대역의 중심 주파수인 2.15GHz를 사용하였다.FIG. 6 (a) shows the coupling coefficient measurement between the main radiating element 110 and the parasitic radiating element 120. As can be seen, as the height of the parasitic radiating element 120 increases, the coupling coefficient between the main radiating element and the (110) parasitic radiating element 120 increases. When the height of the parasitic radiation 120 is 2 mm The coupling coefficient was measured to be about -12 dB. Conversely, it can be seen that the radiation gain of the main radiating element 110 is gradually lowered. The radiation gain when measured by the main radiating element 110 alone was 8.50 dBi and the radiating gain was 6.93 to 8.35 dBi depending on the height when the parasitic radiating element 120 was coupled. The maximum radiation gain was measured when the height of the parasitic radiating element 120 was 2 mm, where the 3 dB beamwidth was 87.1 degrees, which was slightly narrower than 88.6 degrees measured by the main radiating element 110 alone. Fig. 6 (d) shows the radiation pattern and the radiation gain on the E-plane (x-axis in Fig. 4 (c)) of the main radiating element 110. Fig. The above series of measurements was made in an anechoic chamber using an antenna measurement system. The measurement frequency is 2.15GHz, which is the center frequency of the operating frequency band.

나아가, 본 발명의 일 실시예로서 제작된 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)의 전기적 특성 테스트에 더하여, 주 방사소자(110)의 통상 동작 특성을 확인하기 위하여 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)를 측정하였다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 신호 생성기(signal generator)와 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)를 5미터 이격하여 배치하였다. 이어서, 10dBi의 방사 이득을 가지는 두개의 표준 혼(Horn) 안테나를 사용하고, 신호 생성기를 사용하여 2.15GHz 주파수의 10dBm 신호를 생성하여 0.75dB의 손실을 가지는 RF 케이블을 이용하여 표준 혼 안테나를 통하여 방사하였다. 이를 통하여 측정된 송신단의 EIRP는 19.25dBm이었고, 스펙트럼 분석기에서 측정된 수신 전력은 -35.7dBm이었으며, 이에 따라 자유 공간 손실(free space loss)은 54.2dB로 나타났다.In addition to the electrical characteristics test of the energy collecting system 100 using the parasitic radiator fabricated as an embodiment of the present invention, the EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) Were measured. As shown in FIG. 7, a signal generator and a spectrum analyzer were arranged at a distance of 5 meters. Then, two standard horn antennas with a radiation gain of 10dBi are used, and a signal generator is used to generate a 10dBm signal at a frequency of 2.15GHz, which is then transmitted through a standard horn antenna using an RF cable having a loss of 0.75dB . The measured EIRP of the transmitter was 19.25dBm and the received power measured by the spectrum analyzer was -35.7dBm, resulting in a free space loss of 54.2dB.

다음으로, 송신단의 표준 혼 안테나를 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)에서 기생 방사소자(120)를 제거한 주 방사소자(110)만으로 교체하고, 나머지 실험 환경은 동일하게 하였다. 이러한 경우 측정된 수신 전력은 -37.45dBm이었으며, 안테나의 방사 이득 차이 1.5dB를 고려할 때, 수신 전력의 차이는 -0.2dB 정도로 나타났다.Next, the standard horn antenna of the transmitting end is replaced with only the main radiating element 110 from which the parasitic radiating element 120 is removed in the energy collecting system 100 using the parasitic radiating element according to the present invention, and the remaining experimental conditions are the same . In this case, the measured received power was -37.45dBm, and the difference in received power was about -0.2dB, considering the radiation gain difference of 1.5dB of the antenna.

마지막으로 본 발명에 따른 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템(100)에서 측정을 반복한 경우에는 수신 전력이 -37.95dBm이었고, 이는 표준 혼 안테나의 경우보다 0.6dB가 낮은 값에 해당한다. 또한, 기생 방사소자(120)로 수신된 전자파의 전력은 약 -2.0dBm 정도이었으며, 이는 통상의 신호 수신기가 수집할 수 있는 전력인 -40dBm 내지 -20dBm과 비교할 때, 획기적으로 높은 전력을 수집할 수 있다는 것을 보여 준다. 또한, 위와 같은 실험 결과를 볼 때, 주 방사소자(110)의 특성을 저하시키지 않고도 효과적으로 전자파를 수집하여 전력으로 변환하여 사용할 수 있음을 알 수 있다. 아래 표 2에서는 앞서 살펴본 본 실험의 측정 결과들을 요약하여 보여주고 있다.Finally, when the measurement is repeated in the energy collecting system 100 using the parasitic radiating element according to the present invention, the received power is -37.95 dBm, which is 0.6 dB lower than that of the standard horn antenna. In addition, the power of the electromagnetic wave received by the parasitic radiating element 120 was about -2.0 dBm, which is significantly higher than that of a typical signal receiver -40 dBm to -20 dBm . In addition, it can be seen that electromagnetic waves can be effectively collected and converted into electric power without deteriorating the characteristics of the main radiating element 110, as seen from the above experimental results. Table 2 below summarizes the measurement results of this experiment.

송신 안테나radiator 송신 안테나 이득(A) [dBi]Transmit antenna gain (A) [dBi] EIRP [dBm]EIRP [dBm] FSL [dB]FSL [dB] 수신 전력(B) [dBm]Received power (B) [dBm] 표준 혼 안테나에 대한 수신 전력 차이 [dB]Receive power difference [dB] for standard horn antenna 표준
혼 안테나
Standard
Horn antenna
10.010.0 19.2519.25


54.2



54.2
-35.70-35.70 --
주 방사소자 단독Main radiating element alone 8.58.5 17.7017.70 -37.45-37.45 -0.2-0.2 본 발명에 따른 에너지 수집 시스템The energy collection system 8.358.35 17.6017.60 -37.95-37.95 -0.6-0.6

본 발명은 앞서 살핀 주 방사소자(110)에 기생 방사소자를 근접하여 배치하는 에너지 수집 시스템에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 주 방사소자가 아닌 소정의 전자파 발생원에 상기 루프 방사소자를 근접 배치하여 전자파 에너지를 수집하도록 시스템을 구성할 수도 있다.The present invention is not limited to an energy collection system in which a parasitic radiating element is disposed in close proximity to the main radiating element 110 which is previously viewed. That is, as another embodiment of the present invention, the system may be configured to collect the electromagnetic wave energy by arranging the loop radiating element close to a predetermined electromagnetic wave generating source other than the main radiating element.

이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 수집 시스템은 소정의 전자파 발생원, 상기 전자파 발생원에 근접하여 배치되는 기생 방사소자를 포함하여 구성되며, 상기 기생 방사소자로서 1회전 또는 복수의 회전수를 가지는 루프 방사소자를 사용하여 에너지 수집 시스템을 구성할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an energy collecting system including a predetermined electromagnetic wave generating source, a parasitic radiating element disposed in proximity to the electromagnetic wave generating source, The loop radiating element can be used to construct an energy collection system.

나아가, 상기 전자파 발생원은 접지면을 포함할 수 있고, 이때 상기 기생 방사소자는 상기 접지면으로부터 소정의 거리가 이격되어 배치되며, 이때, 상기 기생 방사소자의 상기 접지면으로부터의 거리는 상기 기생 방사소자가 상기 전자파 발생원부터 가장 많은 에너지를 수집할 수 있는 거리가 되도록 실험이나, 시뮬레이션을 통하여 조절될 수 있다.Further, the electromagnetic wave generating source may include a ground plane, wherein the parasitic radiating element is disposed at a predetermined distance from the ground plane, wherein a distance from the ground plane of the parasitic radiating element is a distance Can be adjusted through experimentation or simulation so that the maximum energy can be collected from the electromagnetic wave generating source.

기생 방사소자와 접지면 간의 이격 거리에 따라서 기생 방사소자의 방사 패턴 등의 특성이 달라질 수 있으므로, 이를 적절하게 조절함으로써 효과적으로 에너지를 수집할 수 있게 된다.The characteristics such as the radiation pattern of the parasitic radiating element can be changed according to the distance between the parasitic radiating element and the ground plane.

나아가, 상기 루프 방사소자의 회전수는 소정의 동작 주파수 대역을 모두 포함하되, 상기 루프 방사소자의 방사 이득을 최대로 할 수 있는 회전수를 가지도록 하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the number of rotations of the loop radiating element includes a predetermined operating frequency band, and has a rotation number capable of maximizing the radiation gain of the loop radiating element.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

100 : 기생 방사소자를 이용한 에너지 수집 시스템
110 : 주 방사소자
120 : 기생 방사소자
122 : 슬릿
130 : 접지면
140 : 지지대
150 : 제1 포트 케이블
160 : 제2 포트 케이블
170 : 접지핀
100: Energy collection system using parasitic radiating element
110: main radiating element
120: Parasitic radiating element
122: slit
130: ground plane
140: Support
150: First port cable
160: Second port cable
170: ground pin

Claims (11)

방사 패턴이 방향성을 가지며 소정의 동작 주파수 대역을 가지는 제1 기판에 형성된 주 방사소자;
상기 주 방사소자의 후방에 위치하여 상기 주 방사소자의 동작 주파수 대역과 동일한 주파수 대역에서 상기 주 방사소자에서 방사되는 에너지를 수집하는 기생 방사소자; 및
상기 주 방사소자와 기생 방사소자의 하부에 위치하는 접지면을 포함하여 구성되며,
이때, 상기 기생 방사소자는 제2 기판에 형성된 루프 방사소자로서, 상기 루프 방사소자는 상기 주 방사소자의 동작 주파수 대역을 포함하는 동작 주파수 대역을 가지는 회전수 중에서 가장 높은 방사 이득(gain) 특성을 가지는 회전수로 이루어지며,
상기 제1 기판에는 상기 주 방사소자를 급전하는 급전선이 형성되고, 상기 제1 기판의 급전선은 상기 제2 기판의 루프 방사소자 중심에 형성된 슬릿을 관통하여 상기 주 방사소자를 급전하는 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템.
A main radiating element formed on a first substrate having a directional radiation pattern and a predetermined operating frequency band;
A parasitic radiating element located behind the main radiating element and collecting energy radiated from the main radiating element in the same frequency band as the operating frequency band of the main radiating element; And
And a ground plane positioned below the main radiating element and the parasitic radiating element,
In this case, the parasitic radiating element is a loop radiating element formed on the second substrate, and the loop radiating element has the highest radiation gain characteristic among the rotational frequencies having the operating frequency band including the operating frequency band of the main radiating element The branch is made up of the number of revolutions,
Wherein a feed line for feeding the main radiating element is formed on the first substrate and a feed line of the first substrate is passed through a slit formed in the center of the loop radiating element of the second substrate to feed the main radiating element Energy collection system.
제1항에 있어서,
상기 주 방사소자는,
모노폴(monopole) 방사소자, 다이폴(dipole) 방사소자, 인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자 중 하나인 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템.
The method according to claim 1,
The main radiating element comprises:
A monopole radiating element, a dipole radiating element, and a printed dipole radiating element.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기생 방사소자는,
동작 주파수의 파장의 길이 혹은 그 홀수배의 원주 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템.
The method according to claim 1,
The parasitic radiating element includes:
Wherein the energy collection system has a length of a wavelength of an operating frequency or a circumferential length of an odd multiple thereof.
제1항에 있어서,
상기 기생 방사소자는,
인쇄 회로 기판의 상층, 하층, 내층의 어느 한 층 혹은 복수의 층에 형성된 루프 방사소자 패턴을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템.
The method according to claim 1,
The parasitic radiating element includes:
And a loop radiating element pattern formed on one or more layers of an upper layer, a lower layer, and an inner layer of the printed circuit board.
제7항에 있어서,
상기 주 방사소자는,
인쇄 다이폴(printed dipole) 방사소자인 것을 특징으로 하는 에너지 수집 시스템.
8. The method of claim 7,
The main radiating element comprises:
Characterized in that it is a printed dipole radiating element.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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