KR102379763B1 - Rf-dc 배전압 정류회로 - Google Patents

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박홍수
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Abstract

RF-DC 배전압 정류회로를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 RF 신호 입력원과 직렬로 연결되어, 양의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제1 다이오드, 제1 다이오드와 직렬로 연결되어, 제1 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제1 인덕터, RF 신호 입력원과 병렬로 연결되어, 음의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제2 다이오드, 제2 다이오드와 직렬로 연결되어, 제2 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제2 인덕터; 및 DC 부하와 병렬로 연결되어, 제1 다이오드 및 제2 다이오드 중 적어도 하나로부터 정류된 전압을 입력받아 저장하는, 부하 캐패시터를 포함한다.

Description

RF-DC 배전압 정류회로{RF-DC VOLTAGE DOUBLER RECTIFIER CIRCUIT}
본 발명은 RF-DC 배전압 정류회로에 관한 것이다.
최근 무선 센서 네트워크, 사물 인터넷(IoT), 모바일 및 생체 의학 애플리케이션을 위한 저전력 장치에 에너지를 공급하기 위한 수단인 원거리 (far-field) 무선전력전송(wireless power transfer; WPT)과 에너지 하베스팅(energy harvesting)에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 원거리 무선전력전송 및 에너지 하베스팅을 위해서는, 전송된 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 효율적인 정류 기술이 중요하다. 효율적인 RF-DC 정류를 위해서는, 원하는 대역에서의 임피던스 매칭을 통해 수신된 RF 신호가 손실 없이 DC 전압으로 변환될 수 있도록 적절하게 설계된 정류회로가 필요하다.
한편, 여러 정류회로 중에서 배전압 정류회로는 일반적으로 2개의 다이오드와 충전 캐패시터(charging capacitor) 및 부하 캐패시터(load capacitor)로 구성되며, 비교적 간단한 회로를 통해 RF 신호의 피크 전압(peak voltage)의 2배 정도에 해당하는 DC 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 배전압 정류회로는 양의 주기와 음의 주기의 신호를 모두 정류 시키기 위해, 두 개의 다이오드와 두 개의 캐패시터가 필수적으로 필요하다. 하지만 캐패시터와 다이오드 모두 capacitive한 임피던스 특성을 지니고 있으므로 광대역 매칭이 어렵고, 이러한 소자들이 위치하기 위한 회로의 최소 사이즈가 보장되어야 한다는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0133228호(2018.12.13)
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 각 다이오드를 위한 인덕터를 추가함으로써 별도의 충전 캐패시터가 없어도 구현 가능한 RF-DC 배전압 정류회로를 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 RF 신호 입력원과 직렬로 연결되어, 양의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제1 다이오드, 제1 다이오드와 직렬로 연결되어, 제1 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제1 인덕터, RF 신호 입력원과 병렬로 연결되어, 음의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제2 다이오드, 제2 다이오드와 직렬로 연결되어, 제2 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제2 인덕터; 및 DC 부하와 병렬로 연결되어, 제1 다이오드 및 제2 다이오드 중 적어도 하나로부터 정류된 전압을 입력받아 저장하는, 부하 캐패시터를 포함한다.
바람직하게는, RF 신호 입력원과 제1 다이오드 및 제2 다이오드 사이에 연결되는 입력 전송선을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제1 인덕터와 부하 캐패시터 및 DC 부하와 사이에 연결되는 부하 전송선을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제1 다이오드 및 제2 다이오드 중 적어도 하나는 쇼트키 다이오드일 수 있다.
바람직하게는, 제1 인덕터 및 제2 인덕터 각각은 제1 다이오드 및 제2 다이오드의 캐패시턴스를 상쇄하고, 공진을 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 배전압 정류회로는 다이오드와 다이오드에 연결된 인덕터가 충전 캐패시터의 역할을 대신함으로써 별도의 충전 캐패시터를 사용하지 않고도 배전압 정류회로를 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 회로의 크기와 복잡도가 감소된 배전압 정류회로를 제공하는 효과가 있다.
한편 본 발명에 따른 배전압 정류회로는, 다이오드에 연결된 인덕터가 다이오드의 캐패시턴스를 상쇄하며 동시에 공진을 만들어내기 때문에, 광대역 매칭 네트워크로도 활용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 RF-DC 정류를 위한 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로를 구현한 소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로의 반사계수를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 RF-DC 배전압 정류회로의 정류효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 RF-DC 정류를 위한 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
정류회로는 다이오드가 단 방향으로 전류를 통과시키는 성질을 이용하여 주기적으로 변화하는 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 회로를 의미한다.
정류회로 중에서도 RF 신호를 입력받아 DC 전압으로 정류하는 RF-DC 배전압 정류회로(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 다이오드, 제2 다이오드, 충전 캐패시터 및 부하 캐패시터를 포함할 수 있다.
제1 다이오드는 RF 입력원으로부터 양의 주기(positive cycle)인 RF 신호가 입력되면, 제1 다이오드에 순방향 바이어스가 가해져서 입력된 RF 신호를 DC 전압으로 정류한다. 이에 따라, 부하 캐패시터(load capacitor)에는 양의 주기에 의한 DC 전압이 저장될 수 있다.
한편, 제2 다이오드는 RF 입력원으로부터 음의 주기(negative cycle)인 RF 신호가 입력되면, 제2 다이오드에 순방향 바이어스(forward vias)가 가해져서 입력된 RF 신호를 DC 전압으로 정류한다. 이때 충전 캐패시터에 DC 전압이 충전될 수 있다.
만약 RF 입력원으로부터 두번째 양의 주기인 RF 신호가 입력되면, 부하 캐패시터에는 양의 주기에 의한 DC 전압뿐만 아니라 음의 주기에서 이미 충전 캐패시터에 충전된 DC 전압도 전달될 수 있다. 따라서, 부하 캐패시터에 충전되는 전압의 최대값은 입력된 RF 신호의 피크 값의 2배가 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로(200)는 제1 다이오드(D1), 제1 인덕터(L1), 제2 다이오드(D2), 제2 인덕터(L2) 및 부하 캐패시터(CL)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 RF-DC 배전압 정류회로(200)는 종래의 RF-DC 배전압 정류회로(100)의 충전 캐패시터의 역할을 제 2 다이오드(D2) 및 제2 인덕터(L2) 구성이 대신 수행하는 회로로 이해될 수 있다.
제1 다이오드(D1)는 RF 신호 입력원(RF Input)과 직렬로 연결되어, 양의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는 다이오드이고, 제1 인덕터(L1)는 제1 다이오드(D1)와 직렬로 연결되어, 제1 다이오드(D1)로부터 입력된 전압에 따라 동작하는 인덕터를 의미한다.
제2 다이오드(D2)는 RF 신호 입력원(RF Input)과 병렬로 연결되어, 음의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는 다이오드를 의미하며, 제2 인덕터(L2)는 제2 다이오드(D2)와 직렬로 연결되어, 제2 다이오드로(D2)부터 입력된 전압에 따라 동작하는 인덕터를 의미한다.
한편, 부하 캐패시터(CL)는 DC 부하(DC Load)와 병렬로 연결되어, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2) 중 적어도 하나로부터 정류된 전압을 입력받아 저장하여 DC 전압을 생성하는 캐패시터를 의미한다.
구체적으로, RF 입력원(RF Input)으로부터 양의 주기인 RF 신호가 입력되면 제1 다이오드(D1)에는 순방향 바이어스가 가해지고, 제2 다이오드(D2)는 역방향 바이어스가 가해져서 단락된다.
한편, RF 입력원(RF Input)으로부터 음의 주기인 RF 신호가 입력되면 제1 다이오드(D1)는 역방향 바이어스가 가해져서 단락되고, 제2 다이오드(D2)에는 순방향 바이어스가 가해진다..
다시말해 본 발명에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 2개의 다이오드에 인덕터가 각각 직렬로 연결된 구성을 포함함으로써, RF 입력원과 병렬로 연결된 다이오드와 인덕터의 기생 캐패시턴스가 정류된 전압을 저장하는 역할을 함으로써 종래 RF-DC 배전압 정류회로의 필수요소인 충전 캐패시터가 더 이상 필요하지 않게 되며, 인덕터는 다이오드의 캐패시턴스를 상쇄함으로써 광대역 매칭 네트워크 자체의 역할도 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로(300)는 도 2의 RF-DC 배전압 정류회로(200)에 입력 전송선(TL) 및 부하 전송선(TL) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 한편, 도 3에는 소스 전송선(TL)과 부하 전송선(TL) 모두 추가된 RF-DC 배전압 정류회로(300)가 도시되었으나, 소스 전송선(TL) 및 부하 전송선(TL) 중 하나를 추가한 회로도 구현 가능함은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
도 3을 참고하면, 소스 전송선(TL)은 RF 신호 입력원(RF Input)과 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2) 사이에 연결되는 전송선(TL)일 수 있다. 또한, 부하 전송선(TL)은 제1 인덕터(L1)와 부하 캐패시터(CL) 및 DC 부하(DC Load)와 사이에 연결되는 전송선(TL)일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로를 나타내는 회로도이며, 도 5는 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로를 구현한 소자를 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로의 제1 다이오드 및 제2 다이오드 중 적어도 하나는 쇼트키 다이오드일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 도 4에 도시된 바와 같이 구체적인 수치를 갖는 특정 소자로 구현될 수 있다. 도 4에 도시된 각 소자의 종류 및 소자의 수치는 일 실시예에 불과하며, 요구되는 성능에 따라 다양한 종류 및 수치를 갖는 소자들이 적용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
예를 들어, 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로는 도 5에 개시된 바와 같이, 마이크로스트립을 기반으로 하여 크기가 66.9 mm x 10 mm 이고, 두께가 1.6mm 인 FR-4 기판에 제작될 수 있으며, 다이오드 소자는 SMS-7630 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)가 사용될 수 있다.
또한 각 다이오드에 연결된 12 nH 인덕터(12nH Chip inductor Equivalent Circuit)와 27 nH의 인덕터(27nH Chip inductor Equivalent Circuit)가 다이오드의 캐패시턴스를 상쇄하며 동시에 공진을 만들어 광대역 리액턴스 매칭이 가능하게 한다.
한편, 도 4 및 도 5에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로는 제2 다이오드(D2)에 연결된 제2 인덕터(L2)가 음의 주기에서 DC 전압을 저장하고 넘겨주는 충전 캐패시터의 역할을 대신하므로 충전 캐패시터는 사용되지 않고 오직 2 nF의 부하 캐패시터만 사용되었다.
또한 본 발명에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 두 개의 인덕터(L1, L2)를 통해 광대역 매칭을 이루기 때문에, 일반적으로 광대역 매칭에 사용되는 래디얼 스터브(radial stub) 혹은 LC 밴드 패스 필터(band pass filters)에 비해 훨씬 간단한 방법으로 매칭이 가능하다.
도 6은 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로의 반사계수를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참고하면, 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로의 반사계수에 관한 시뮬레이션 결과와 실제 구현된 RF-DC 배전압 정류회의의 반사계수 측정값이 유사한 것을 알 수 있다. 또한, 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로는 0.61 내지 1.36 GHz 대역(A)에서 좋은 임피던스 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 도 4에 개시된 RF-DC 배전압 정류회로는 광대역 정류회로로 지칭될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 RF-DC 배전압 정류회로의 정류효율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 주파수 0.8 GHz, 입력 전력이 10 dBm일 때 부하에 따른 정류효율 및 DC 부하에 전달되는 DC 전압을 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 7을 참고하면, 부하가 약 1.4 kΩ일 때 정류효율이 약 80%로 최대 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 8은 부하 1.4 kΩ, 주파수 0.8 GHz일 때 입력 전력에 따른 정류효율 및 DC 부하에 전달되는 DC 전압을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 8을 참고하여도 입력 전력 10 dBm에서 정류효율이 약 80%로 최대 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 9는 부하 1.4 kΩ일 때, 각각 -10 dBm, -5 dBm, 0 dBm, 5 dBm 및 10 dBm 입력 전력을 인가한 경우 주파수에 따라 달라지는 정류효율을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 9를 참고하여도 입력 전력 10dBm일 때 주파수 0.8 GHz에서 정류효율이 약 80%로 최대 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이는 본 발명의 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로에 포함된 다이오드와 인덕터의 기생 캐패시턴스로 인해 기존 배전압 정류회로에 존재하는 충전 캐패시턴스의 역할을 대신하여 정류된 전압이 저장되고 DC 부하에 전달되기 때문이다.
한편, 도 7 내지 도 9를 통해, 도 4에 개시된 광대역 정류회로가 1.4 kΩ의 부하, 10 dBm의 입력 전력, 그리고 0.8 GHz의 주파수에서 최대의 정류효율인 80%의 정류효율을 얻는 것을 확인할 수 있다. 그러나 정류효율이 최대가 되는 부하, 입력 전력, 주파수 값은 본 발명의 실시예에 따라 구현되는 RF-DC 배전압 정류회로의 구체적인 각 소자의 수치에 따라 달라질 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
한편, 도 7 내지 도 9를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 충전 캐패시터를 포함하지 않음에도, 다이오드와 인덕터의 기생 캐패시턴스가 정류된 전압을 저장하고 전달함으로써 정상적으로 정류회로가 동작하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 다이오드의 항복전압에 의한 효과를 최소화하여 비교적 높은 정류효율을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 RF-DC 배전압 정류회로는 인덕터를 통한 광대역 매칭 네트워크와 충전 캐패시터의 제거를 통해 회로의 복잡도와 사이즈를 감소시키는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 배전압 정류회로에 있어서,
    RF 신호 입력원과 직렬로 연결되어, 양의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제1 다이오드;
    상기 제1 다이오드의 음극과 직렬로 연결되어, 상기 제1 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제1 인덕터;
    상기 RF 신호 입력원과 병렬로 연결되어, 음의 주기인 RF 신호가 입력되기 시작하면 순방향 바이어스가 가해지는, 제2 다이오드;
    상기 제2 다이오드의 양극과 접지사이에 직렬로 연결되어, 상기 제2 다이오드로부터 전달된 전압에 따라 동작하는, 제2 인덕터; 및
    DC 부하와 병렬로 연결되어, 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 적어도 하나로부터 정류된 전압을 입력받아 저장하는, 부하 캐패시터;
    를 포함하고,
    상기 BF 신호 입력원과 상기 제1 다이오드 사이에 충전 캐패시터를 포함하지 않고,
    상기 제1 인덕터 및 상기 제2 인덕터 각각은 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드의 캐패시턴스를 상쇄하고, 공진을 생성하는 것을 특징으로 하는 RF-DC 배전압 정류회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 RF 신호 입력원과 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 사이에 연결되는 입력 전송선
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF-DC 배전압 정류회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 부하 캐패시터 및 상기 DC 부하와 사이에 연결되는 부하 전송선
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 RF-DC 배전압 정류회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 적어도 하나는 쇼트키 다이오드인 것을 특징으로 하는 RF-DC 배전압 정류회로.
  5. 삭제
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