KR101791512B1 - 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 rf 에너지 수확 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나간 상호결합효과를 이용하여 RF 에너지를 수확하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법은, 송신 안테나와, 수신 안테나인 복수의 다이폴 안테나를 배치하되, 복수의 다이폴 안테나간의 이격 거리를 변화 시키며 각 수신 전력을 산출하는 단계와, 복수의 다이폴 안테나간의 상호결합현상의 작용 효과를 분석하여, 변화되는 이격 거리에 따라 수신 전력이 최대화되는, 최적화된 상기 이격 거리를 산출하는 단계 및 최적화된 이격 거리를 두고 추가적으로 복수의 다이폴 안테나를 배치하여 어레이를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법{METHOD FOR RF ENERGY HARVESTING USING MUTUAL COUPLING EFFECT ON DIPOLE ANTANNAS}

본 발명은 안테나간 상호결합효과를 이용하여 RF 에너지를 수확하는 방법에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 센서로 센싱이 가능하고, 수집된 정보를 가공하는 프로세서를 포함하며, 이를 전송하는 소형 무선 송수신 장치를 포함하여 구성된다.

이러한 무선 센서 네트워크는 물리적 정보를 수집하는 복수 개의 센서 노드들로 이루어진 네트워크로서, 수질 감시, 재난 감시, 기기설비 감시, 심장 박동 감시, 농작물 감시 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

그러나, 센서 노드들의 배터리 용량은 제한적이므로, 배터리가 모두 소모되면 사용자는 배터리를 교환하여야 하는 불편함이 있어, 이러한 점을 해결하기 위하여 RF 에너지 수확 기술이 제안되어 왔다.

RF 에너지 수확 기술이란, 주위의 전자기파를 안테나로 수신하고, 이를 정류회로를 통해 DC 전력으로 변환하는 기술로서, RF 에너지 수확 시스템은 안테나와 정류 회로로 구성되어 있으며, 안테나 및 정류회로 설계에 그 초점이 맞추어져 왔다.

종래 기술에 따른 안테나 설계의 경우, 많은 전자기파를 수신하기 위하여 루프(Loop) 또는 소용도리(Spiral) 형태의 안테나가 제안되었다.

종래 기술에 따른 정류회로 설계의 경우, 수신한 전자기파를 DC 전력으로 변환할 때의 효율을 높이기 위하여 정류회로에 승압회로, 전압 체배기(multiplier)를 결합한 연구가 진행되었다.

그러나, 이러한 제안에도 불구하고 종래 기술에 따라 수확된 DC 전력은 센서 노드의 전원으로서 부족한 문제점이 있다.

일반적으로 초저전력 센서는 수 마이크로와트를 필요로 하는데, 예를 들어 인체 동작 감지 센서는 6.6uW, 온도 센서는 7.4uW의 전력을 필요로 한다.

RF 에너지 하베스팅의 수확 전력을 올리기 위한 효율적인 안테나 배열이 요구되고 있으나, 종래 기술에 따르면 상호 결합 효과를 부정적인 효과로만 간주하여 처리하고 있는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 안테나간 전자기적 결합 현상인 상호결합효과의 긍정적인 효과를 이용하여, RF 에너지 수확전력을 증대시키는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법은, 송신 안테나와, 수신 안테나인 복수의 다이폴 안테나를 배치하되, 복수의 다이폴 안테나간의 이격 거리를 변화 시키며 각 수신 전력을 산출하는 단계와, 복수의 다이폴 안테나간의 상호결합현상의 작용 효과를 분석하여, 변화되는 이격 거리에 따라 수신 전력이 최대화되는, 최적화된 상기 이격 거리를 산출하는 단계 및 최적화된 이격 거리를 두고 추가적으로 복수의 다이폴 안테나를 배치하여 어레이를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법은 다이폴 안테나의 상호 결합 효과의 긍정적인 영향을 이용하도록 다이폴 안테나간의 이격 거리를 최적화함으로써, 보다 큰 수신전력을 획득하여 RF 에너지 수확의 효율을 증대시키는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 다이폴 안테나 등가회로를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나 실험의 구상도 및 실험 환경을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실험 환경에서의 다이폴 안테나간의 거리 조절에 관한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나간의 이격 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 비결합환경 및 상호결합효과가 발생하는 결합환경에서의 수신전력을 나타내는 도면이다.
도 7은 최적화된 이격 거리를 두고 이격된 다이폴 안테나의 배치, 다이폴 안테나의 개수 증가에 따른 수신 전력 증가 및 다이폴 안테나간의 이격 거리에 따른 수신 전력 효율 증가를 나타내는 도면이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 이하에서는 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경을 먼저 살펴보기로 한다.

안테나를 배열하는 경우, 안테나간 전자기적 결합 현상인 상호결합효과가 발생한다.

이러한 상호결합효과는 안테나의 전류 분포를 변화시켜, 안테나의 특성을 변화시키고, 다이폴 안테나간 상호결합효과는 상호 임피던스(Mutual Impedence)로써 연구가 진행되어 왔다.

도 1은 다이폴 안테나2의 등가회로를 도시한 것으로, 인풋 임피던스(input impedence)를 Z₂₂, 뮤츄얼 임피던스를 Z₂₁, 로드 임피던스를 Z_L, 인가되는 전압을 Vm으로 도시하였으며, 도 1의 (a)는 비결합(uncoupled) 환경에서의 등가회로를, 도 1의 (b)는 상호결합(coupled) 환경에서의 등가회로를 도시한다.

도 1의 (a)에서의 수신 전력 Puncoupled 및 도 1의 (b)에서의 수신 전력 Pcoupled 은 각각 아래 [수학식 1] 및 [수학식 2]와 같다.

[수학식 1]

[수학식 2]

따라서, 종래 기술에 따르면, RF 에너지 수확에 있어서 상호결합효과는 오차 요인(error factor)로 취급하거나, 이러한 효과를 피하기 위하여 안테나간 거리를 충분히 멀리 떨어뜨리는 등 부정적인 효과로 간주하고 있다.

본 발명은 다이폴 안테나간의 상호결합효과의 긍정적인 영향을 이용하여 RF 에너지 수확의 효율을 증대시키고자 제안된 것으로, 다이폴 안테나간의 거리를 최적화시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본원 발명에 대하여 보다 상세히 서술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따른 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법은, 송신 안테나와, 수신 안테나인 복수의 다이폴 안테나를 배치하되, 복수의 다이폴 안테나간의 이격 거리를 변화 시키며 각 수신 전력을 산출하는 단계(S100)와, 복수의 다이폴 안테나간의 상호결합현상의 작용 효과를 분석하여, 변화되는 이격 거리에 따라 수신 전력이 최대화되는, 최적화된 이격 거리를 산출하는 단계(S200) 및 최적화된 이격 거리를 두고 추가적으로 복수의 다이폴 안테나를 배치하여 어레이를 구성하는 단계(S300)를 포함한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이폴 안테나 실험의 구상도 및 실험 환경을 도시한 도면으로서, 실험에 사용된 안테나는 1.2GHz의 반파장 다이폴 안테나이며, 저주파 챔버실에서 수행되었다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실험 환경에서의 다이폴 안테나간의 거리 조절에 관한 도면이다.

본 발명에 따르면, 송신 안테나(Tx)와 수신 안테나(Rx) 간의 거리를 2m로 유지시키며, 수신 안테나들 사이의 거리를 0.1λ에서 최대 1.9λ까지 변경한다(S100).

이와 대조군으로서, 상호 결합이 존재하지 않는 비결합 환경 (b)에서도 송신 안테나 및 수신 안테나간의 거리는 2m로 유지된다.

송신 안테나는 신호 발생기로부터 입력을 받으며, 수신 전력은 수신 안테나에 연결된 스펙트럼 분석기로부터 얻은 dBm값을 전력으로 환산하여 산출한다(S100).

수신 안테나간의 거리를 변화시키며 수신 전력을 획득한 결과, 결합 환경에서의 실험 결과 값은 수신 안테나간의 거리에 따라서, 비결합환경에서보다 그 수신전력이 우수할 수도 있고, 우수하지 않을 수도 있는데, 거리에 따른 수신 전력을 나타낸 그래프는 도 5에 도시한 바와 같다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 6에 도시한 바와 같이, (a) 비결합 환경에서의 수신전력, (b) 상호결합효과가 긍정적인 효과로서 작용하는 경우의 수신전력, (c) 상호결합효과가 부정적인 효과로서 작용하는 경우의 수신전력을 획득한다.

비결합 환경(상호결합이 존재하지 않는 환경)에서는 1.73uW를 수신하는 반면, 상호 결합이 존재하는 경우에서 두 수신 안테나 사이의 거리가 0.5λ인 경우 2.55uW를 수신하며, 상호 결합이 존재하는 경우에서 두 수신 안테나 사이의 거리가 1.0λ인 경우 1.30uW를 수신하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 최적화된 이격 거리 d는 0.5λ로 정하여진다(S200).

또한, 두 수신 안테나 사이의 거리가 멀어짐에 따라, 상호 결합 효과가 약해지며, 비결합 환경 및 상호 결합 환경에서의 측정값은 수렴하는 경향성을 가진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 긍정적인 상호결합효과를 이용하도록 최적화된 거리에 맞추어, 다이폴 안테나가 복수 개 배치된다(S300).

도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 다이폴 안테나간의 거리는 최적화된 거리로 동일하며, 다이폴 안테나 1, 2, 3의 수신 전력은 각각 4.0123uW, 2.2425uW, 2.4245uW로, 전체 수신 전력(Total Received Power)은 8.8613uW가 된다.

이는 비결합환경에서의 수신전력을 3배로 한 6.3278uW보다 더 큰 것을 확인할 수 있다.

이는 3개의 다이폴안테나를 이용한 어레이에서 측정된 수신 전력으로, 도 7의 (a) 및 (b)에서 도시한 바와 같이 배치되는 다이폴 안테나의 개수가 더욱 증가할 수록, 파워 게인(power gain)은 증가하게 되며, 비결합환경일 때의 수신전력과 대비하여 볼 때 수신 전력은 1.510배으로 수렴하게 된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따르면, RF 에너지 하베스팅의 효율은 긍정적 상호결합효과에 의하여 약 1.5배 증가됨을 확인할 수 있다.

도 7의 (c)는 다이폴 안테나간의 거리를 조절함에 따른 비결합환경일 때의 수신 전력 대비 수신전력을 나타낸 그래프로서, 그 최적화된 거리는 0.5λ임을 확인할 수 있다(S200).

본 발명의 실시예에 따르면, 종래 부정적인 영향에 의한 오차 요소로만 인지되던 상호결합효과를 긍정적인 영향으로서 활용할 수 있도록 하고, 수신 전력의 효율을 높이는 최적화된 다이폴 안테나간의 거리를 산출함으로써, RF 에너지 하베스팅에 있어서 효율을 증대시키는 것이 가능한 효과가 있다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. (a) 복수의 다이폴 안테나를 배치하되, 복수의 수신 안테나는 송신 안테나를 기준으로 동일 거리 상에 배치되며, 상기 복수의 수신 안테나가 상기 송신 안테나와 연결되는 가상의 선을 기준으로 원호를 그리며 상기 복수의 수신 안테나 간의 이격 거리가 변화됨에 따른 각각의 경우의 수신 전력을 산출하는 단계;
   (b) 비결합현상일때의 레퍼런스 수신 전력과 비교하여 상기 복수의 다이폴 안테나간의 상호결합현상의 작용 효과를 분석하여, 상기 변화되는 이격 거리에 따라 수신 전력이 최대화되는 이격 거리값을 산출하는 단계; 및
   (c) 상기 이격 거리값을 이용하여 추가적으로 상기 복수의 다이폴 안테나를 배치하여 어레이를 구성하는 단계
   를 포함하는 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계는 상기 수신 안테나에 연결된 스펙트럼 분석기로부터 획득한 dBm값을 전력으로 환산하는 것
   인 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 다이폴 안테나는 반파장 다이폴 안테나인 것
   인 다이폴 안테나간 상호결합효과를 이용한 RF 에너지 수확 방법.

Images