KR20110008374A - Rf energey harvesting system - Google Patents

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KR20110008374A
KR20110008374A KR1020090065699A KR20090065699A KR20110008374A KR 20110008374 A KR20110008374 A KR 20110008374A KR 1020090065699 A KR1020090065699 A KR 1020090065699A KR 20090065699 A KR20090065699 A KR 20090065699A KR 20110008374 A KR20110008374 A KR 20110008374A
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박정흠
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김포대학산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A radio-frequency(RF) energy harvesting apparatus is provided to sufficiently charge a battery in order to operate a low power wireless sensor node by reusing wasted RF energy of a radio-frequency identification(RFID) system. CONSTITUTION: An RFID reader(10) radiates a radio signal. A rectenna(20) includes an antenna(22) and a rectifier(25). The rectenna converts the radio signal into a direct current power and outputs the direct current power. A converter(30) varies the direct current power and transmits the varied direct current power to a charging unit(40). The charging unit charges power based on the varied direct current power.

Description

ＲＦ 에너지 하베스팅 장치 {ＲＦ ENERGEY HARVESTING SYSTEM}RF energy harvesting device {ＲＦ ENERGEY HARVESTING SYSTEM}

본 발명은 RF 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 RFID(Radio-Frequency IDentification) 시스템으로부터 낭비되는 RF 에너지를 효율적으로 하베스팅(harvesting)하는 RF 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an RF energy harvesting apparatus, and more particularly, to an RF energy harvesting apparatus for efficiently harvesting RF energy wasted from a Radio-Frequency IDentification (RFID) system.

오늘날 태양광, 풍력, 진동에너지 등 자연적으로 발생하여 버려지는 에너지를 수확하여 저장하는 기술인 에너지 하베스팅(energy harvesting 혹은 energy scanvenging)은 CMOS 공정에 기반한 저전력소자기술의 발전과 무선센서 네트워크 개념의 도입으로 새로운 주목을 받고 있다. Today, energy harvesting or energy scanvenging, a technology that harvests and stores naturally occurring energy, such as solar, wind, and vibration energy, is based on the development of low-power device technology based on CMOS processes and the introduction of wireless sensor network concepts. It is getting new attention.

최근의 유비쿼터스 센서 네트워크에서 무선센서노드들은 넓은 범위에 산재해 있어야 하므로, 전력공급에 있어서 배터리의 수명을 연장하거나 배터리 없이 동작가능하도록 에너지를 다양한 에너지원으로부터 얻어내는 연구가 진행중이다. 또한, 이와 관련해서 과거 대기권 밖에서 태양광 발전을 통해 생성시킨 전력을 지구로 전송하기 위한 방안으로 RF(Radio Frequency)를 이용한 무선전력전송기술이 개발되고 있다. In recent ubiquitous sensor networks, wireless sensor nodes must be scattered over a wide range, and research is being conducted to obtain energy from various energy sources to extend battery life or to operate without batteries in power supply. In addition, a wireless power transmission technology using RF (Radio Frequency) has been developed as a method for transmitting power generated by solar power generation outside the atmosphere in the past to the earth.

특히, 핸드폰 등 모바일 기기 보급의 엄청난 증가와, 무선 인터넷 환경의 확 대 및 RFID(Radio-Frequency IDentification) 시스템의 도입 등으로 인하여 UHF 대역 및 마이크로파 대역의 RF에너지가 특히 도심공간에서 많이 활용되고 있으나 현실은 이의 상당부분이 낭비되고 있는 실정이다.In particular, due to the enormous increase in the spread of mobile devices such as mobile phones, the expansion of the wireless Internet environment, and the introduction of RFID (Radio-Frequency IDentification) systems, RF energy in the UHF band and microwave band is especially utilized in urban spaces. Much of this is wasted.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 RFID 리더기의 안테나로부터 방사되는 RF 에너지를 효율적으로 하베스팅하기위한 RF 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an RF energy harvesting apparatus for efficiently harvesting RF energy radiated from an antenna of an RFID reader.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 RF 에너지 하베스팅 장치는 무선신호를 방사하는 RFID 리더기와, 안테나 및 정류기를 포함하고 상기 무선신호를 수신하여 이를 직류전력으로 변환하여 출력하는 렉테나와, 상기 렉테나의 출력되는 직류전력을 가변하여 하술하는 충전장치에 최대전력전달하는 컨버터와, 상기 컨버터로부터 가변된 직류전력을 공급받아 전력을 충전하는 충전장치를 포함할 수 있다. 이때, 상기 정류기는 전압체배기로 구성될 수 있고, 상기 컨버터는 벅-부스트 컨버터, 부스트 컨버터 및 벅 컨버터로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 상기 컨버터는 비연속 전도모드로 될 수 있다.In order to achieve the above object, the RF energy harvesting apparatus according to the present invention includes an RFID reader for radiating a radio signal, an antenna and a rectifier, and a rectenna for receiving the radio signal and converting it into direct current power, and the It may include a converter for transferring the maximum power to the charging device described below by varying the output DC power of the rectenna, and a charging device for charging the power by receiving a variable DC power from the converter. In this case, the rectifier may be configured as a voltage multiplier, the converter may be selected from the group consisting of a buck-boost converter, a boost converter and a buck converter, the converter may be in a discontinuous conduction mode.

본 발명에 의한 RF 에너지 하베스팅 장치에 의하면, RFID 리더기의 안테나로부터 방사되는 RF 에너지를 효율적으로 하베스팅하여 직류전압으로 변환하여 소정의 충전장치를 충전할 수 있다. 또한, 이의 효율은 소전력 무선센서노드를 동작시키기 위한 배터리를 충전하기에 충분한 수준이므로, 무선센서노드의 전원으로서 활용가능하다.According to the RF energy harvesting apparatus according to the present invention, the RF energy radiated from the antenna of the RFID reader can be efficiently harvested and converted into a DC voltage to charge a predetermined charging device. In addition, its efficiency is sufficient to charge a battery for operating the low power wireless sensor node, and thus can be utilized as a power source for the wireless sensor node.

본 발명은 상술한 바와 같이 RFID 리더기의 안테나로부터 방사되는 RF 에너지를 효율적으로 하베스팅하기 위하여 렉테나, 이에 결합되는 컨버터 및 충전장치를 포함한다. 따라서 본 발명은 무선센서노드의 전원부를 구성할 수도 있다. 상기 렉테나(retenna)는 일반적으로 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)가 결합된 구조로서 안테나로 수신한 마이크로파 에너지를 직접 직류전력으로 변환하고, 상기 컨버터는 가변적인 렉테나의 출력으로부터 최대전력을 인출해내어 이를 상기 충전장치로 전달한다.The present invention includes a rectenna, a converter and a charging device coupled thereto to efficiently harvest the RF energy radiated from the antenna of the RFID reader as described above. Therefore, the present invention may constitute a power supply unit of the wireless sensor node. The rectenna is generally a structure in which an antenna and a rectifier are combined to directly convert microwave energy received by the antenna into direct current DC power, and the converter converts the maximum power from the output of the variable rectenna. It is withdrawn and delivered to the charging device.

RFRF 에너지  energy 하베스팅Harvesting 장치 Device

이를 위한 본 발명의 바람직한 일 구현예는 도 1에 도시한다. 도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 RF 에너지 하베스팅 장치의 개략 구조도이다.One preferred embodiment of the present invention for this purpose is shown in FIG. 1 is a schematic structural diagram of an RF energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 구현예에 의한 RF 에너지 하베스팅 장치(100)는 외부전력원으로서 RFID 리더기(10)와 렉테나(20)와 컨버터(30) 및 충전장치(40)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the RF energy harvesting apparatus 100 according to the present embodiment includes an RFID reader 10, a rectenna 20, a converter 30, and a charging device 40 as an external power source. do.

RFID 리더기(10)는 일반적으로 저전력 RF원으로서 RF 필드를 생성하는 안테나(15)에서 무선신호를 생성 및 방사하여 소정 거리 이내의 RFID 태그 등(미도시)에 전력을 공급함과 동시에 데이터를 송수신한다.In general, the RFID reader 10 generates and radiates a radio signal from an antenna 15 that generates an RF field as a low power RF source, and supplies and transmits data to an RFID tag (not shown) within a predetermined distance. .

또한, 렉테나(20)는 안테나(22) 및 정류기(25)를 포함하여 구성되며, 안테나(22)가 상기 방사된 RF 에너지를 수신하고 정류기(25)는 이 RF 에너지를 직류전력으로 변환한다.In addition, the rectenna 20 includes an antenna 22 and a rectifier 25, the antenna 22 receives the radiated RF energy and the rectifier 25 converts the RF energy into direct current power. .

또한, 컨버터(30)는 상기 렉테나(20)로부터의 출력되는 직류전력의 전압 및 전류를 설정에 따라 선택적으로 가변하여 최대직류출력전력을 얻어낸다. In addition, the converter 30 selectively varies the voltage and current of the DC power output from the rectenna 20 according to a setting to obtain a maximum DC output power.

또한, 상기 충전장치(40)는 예를 들어 배터리를 포함하는 해당 분야에 공지된 모든 충전장치로 될 수 있다. 이때, 상기 배터리는 Li 이온 배터리 등 해당 분야에 공지된 모든 배터리로 될 수 있으며, 또한 이에는 상기 배터리를 효율적으로 충전하기 위한 해당 분야의 공지된 모든 충전회로가 부가되어 결합될 수도 있다. 컨버터(30)는 상기 충전장치(40)로의 최대전력전달을 위한 최적부하저항을 구현한다.In addition, the charging device 40 may be any charging device known in the art including a battery, for example. In this case, the battery may be any battery known in the art, such as a Li-ion battery, and in addition, all the known charging circuits in the art for efficiently charging the battery may be added and combined. Converter 30 implements an optimum load resistance for maximum power transfer to the charging device (40).

렉테나Rectena

본 구현예에서는 RFID 리더기(10)로부터의 RF출력을 직류전력으로 변환하기 위해 렉테나(20)의 일 실시예로서 정류기(25)를 도 2에 도시하듯이 전압체배기(voltage multiplier) 형태로 구성함이 바람직하다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전압체배기의 회로도이다. 일 예를 들어, 도 2의 정류용 다이오드는 시중의 HSMS-2850 zero bias single Schottky diode (SOT-23)를 사용할 수 있고 이는 915MHz - 5.8GHz 주파수 범위에서 검파기용으로 사용할 수 있도록 설계되며, 소신호 및 대신호 검출, 변조, RF-DC변환에 많이 사용된다.In this embodiment, in order to convert the RF output from the RFID reader 10 into direct current power, the rectifier 25 is configured as a voltage multiplier as shown in FIG. 2 as an embodiment of the rectenna 20. It is preferable to. 2 is a circuit diagram of a voltage multiplier according to an embodiment of the present invention. For example, the rectifying diode of FIG. 2 may use a commercially available HSMS-2850 zero bias single Schottky diode (SOT-23), which is designed to be used for a detector in the 915 MHz to 5.8 GHz frequency range and has a small signal. And large signal detection, modulation, and RF-DC conversion.

또한, 부하저항과 입력전력에 따른 변환효율을 측정하기 위하여 RF-DC 변환효율은 하기 식 1과 같이 구할 수 있다:In addition, in order to measure the conversion efficiency according to the load resistance and the input power, the RF-DC conversion efficiency can be obtained as shown in Equation 1 below:

Figure 112009043838616-PAT00001
식 1
Figure 112009043838616-PAT00001
Equation 1

(이때, P in 은 안테나로부터 들어오는 입사전력, V dc 는 부하저항에 인가되는 정류된 직류전압, R L 은 부하저항의 크기이다). 일 예로서, 0-5[dBm]의 가변전력을 도 2의 정류기에 입사시켜 입사전력에 따른 RF-DC 변환효율은 상기 식 1에 의해 도 3에 도시된 바와 같이 측정된다. 도 3을 참조하면 입사전력이 증가함에 따라 RF-DC 변환효율이 증가하는 경향을 나타내고, 특히 부하저항이 800[Ω]일 때, 최대 RF-DC 변환효율(또는, 최대변환효율)이 47.4[%]로 구현될 수 있다. 따라서, 상기 렉테나(20)는 예를 들어 900MHz UHF 대역의 RFID 시스템이 운용되는 공간에서 별도의 전원관리가 필요없는 센서 네트워크의 센서노드모듈로 구현가능하다.Where P in is the incident power from the antenna, V dc is the rectified DC voltage applied to the load resistance, and R L is the magnitude of the load resistance. As an example, a variable power of 0-5 [dBm] is incident to the rectifier of FIG. 2 so that the RF-DC conversion efficiency according to the incident power is measured as shown in FIG. Referring to FIG. 3, the RF-DC conversion efficiency increases as the incident power increases. In particular, when the load resistance is 800 [Ω], the maximum RF-DC conversion efficiency (or the maximum conversion efficiency) is 47.4 [. %]. Accordingly, the rectenna 20 may be implemented as a sensor node module of a sensor network that does not require separate power management, for example, in a space in which an RFID system of 900 MHz UHF band is operated.

RFIDRFID 리더기 Reader

또한, 일 실시예로서 RFID 리더기(10)는 시중의 SAMSys사의 MP9320을 사용할 수 있고, 이의 사양을 하기 표 1 및 2에 각각 나타낸다. 표 1은 리더 및 센서보드측 안테나의 사양을, 표 2는 RFID 리더기(10)의 사양을 각각 나타낸다. 또한, 태그 프로토콜은 UHF대역의 RFID시스템에서 일반적으로 많이 사용되고 있는 EPC1 Gen.2 프로토콜로 하고, RF 출력은 1.2[W]로 된다.In addition, as an embodiment, the RFID reader 10 may use a commercially available SAMSys MP9320, and its specifications are shown in Tables 1 and 2, respectively. Table 1 shows the specifications of the reader and sensor board side antenna, and Table 2 shows the specifications of the RFID reader 10, respectively. In addition, the tag protocol is EPC1 Gen.2 protocol which is generally used in RFID system of UHF band, and RF output is 1.2 [W].

표 1TABLE 1

주파수frequency 902~928 [MHz]902-928 [MHz] 편파(polarization)Polarization 원형(circular)Circular 임피던스impedance 50[Ω]50 [Ω] 이득benefit 최대 8[dBic]8 [dBic] 최대 VSWRMax VSWR 1.5:11.5: 1

표 2TABLE 2

주파수frequency 910~914 [MHz]910-914 [MHz] RF 전력RF power 1.2[W]1.2 [W] 입력전압Input voltage 15[Vdc]15 [Vdc] 입력전류Input current 최대 3[A]3 [A]

또한, 본 실시예의 RFID 리더기(10)와 상기 렉테나(20)를 조합하여 RFID 리더기(10)의 안테나(15)와 렉테나(20)의 안테나(22) 간의 측정된 이격거리에 따른 전달전력 및 부하저항에서의 최대전압을 측정할 수 있다. 이를 네트워크 애널라이저(Agilent 54622A)로 측정하여 이의 결과를 도 4에 도시한다. 도 4를 참조하면, 1[m]거리에서 5[dBm], 즉 3.1[mW]정도의 전력이 전달되고, 안테나 사이의 이격거리가 늘어나면서 전달전력은 감소되어 5.5[m]이상에서 0[dBm]이하로 감소함을 알 수 있다.In addition, by combining the RFID reader 10 and the rectenna 20 of the present embodiment, the transmission power according to the measured separation distance between the antenna 15 of the RFID reader 10 and the antenna 22 of the rectenna 20. And the maximum voltage at the load resistance can be measured. This is measured with a network analyzer (Agilent 54622A) and the results are shown in FIG. Referring to FIG. 4, 5 [dBm], that is, 3.1 [mW] power is transmitted at a distance of 1 [m], and as the separation distance between antennas is increased, the transmission power is reduced to 0 [at 5.5 [m] or more. It can be seen that the decrease below dBm].

컨버터Converter

일반적으로 RFID 리더기(10)과 같이 저전력 RF원에서 방사되는 RF에너지는 그 크기가 가변적이므로, 이로부터 최대에너지를 인출해내기 위해서는 컨버터가 필요하며, 이를 위한 저항 에뮬레이터로서 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter), 부스트 컨버터(boost converter) 및 벅 컨버터(buck converter)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 컨버터를 렉테나(20)의 출력단에 결합함이 바람직하다. 또한, 특히 렉테나(20)의 출력전압이 낮은 점을 고려하여, 도 5a에 도시하는 바와 같이 비연속 전도모드(DCM: Discontinuous Conduction Mode)의 부스트 컨버터를 결합함이 바람직하다. DCM 부스트 컨버터는 도 5b에 도시하듯이 MOSFET과 다이오드로 구성된다. 도 5a는 비연속전도모드에서의 인덕터 전류파형을 도시하고, 도 5b는 본 실시예에서의 부스트 컨버터의 회로도를 도시한다.In general, since the RF energy radiated from a low power RF source such as the RFID reader 10 is variable in size, a converter is required to extract maximum energy therefrom, and a buck-boost converter as a resistor emulator for this purpose. Preferably, at least one converter selected from the group consisting of a boost converter, a boost converter, and a buck converter is coupled to an output terminal of the rectenna 20. In particular, in consideration of the low output voltage of the rectenna 20, it is preferable to combine a boost converter in a discontinuous conduction mode (DCM) as shown in FIG. 5A. The DCM boost converter is composed of a MOSFET and a diode as shown in FIG. 5B. Fig. 5A shows the inductor current waveform in the discontinuous conduction mode, and Fig. 5B shows the circuit diagram of the boost converter in this embodiment.

이러한 DCM 부스트 컨버터(30)는 도 5a에 도시하듯이 듀티사이클 k, 주기 T lf 인 저주파 펄스모드로 동작하며, 제어손실을 감소시키기 위해 컨버터가 활성상태가 아니면 제어회로는 완전히 차단되도록 구성함이 바람직하다. 입력단에서 저주파 가상저항 R em 은 하기 식 2로 구해진다:The DCM boost converter 30 operates in a low frequency pulse mode having a duty cycle k and a period T lf as shown in FIG. 5A, and the control circuit is completely shut off when the converter is not active to reduce control loss. desirable. The low frequency virtual resistance R em at the input is given by:

Figure 112009043838616-PAT00002
식 2
Figure 112009043838616-PAT00002
Equation 2

(이때,

Figure 112009043838616-PAT00003
이다).(At this time,
Figure 112009043838616-PAT00003
to be).

상기 식 2에서 R em 은 V i , V o 에 독립적이어야 하는데, 만일 V i << V o 이라면, (M-1)/M이 1로 근사화 되므로, R em 은 L, T hf , t 1 , k로 결정된다. 이 값들을 찾기 위해 컨버터의 전력손실을 예측하는 방정식을 유도한다. 그리고, 전력손실(P loss )은 제어손실(P ctrl ), 전도손실(P cond ) 및 스위칭손실(P sw )로 구성되므로 하기 식 3~6으로 유도될 수 있다:In Equation 2, R em should be independent of V i , V o . If V i << V o, then (M-1) / M is approximated to 1, so R em is L , T hf , is determined by t 1 , k . To find these values, we derive an equation that predicts the power loss of the converter. And, the power loss ( P loss ) is composed of a control loss ( P ctrl ), conduction loss ( P cond ) and switching loss ( P sw ) can be induced by the following equations 3-6:

Figure 112009043838616-PAT00004
식 3
Figure 112009043838616-PAT00004
Expression 3

Figure 112009043838616-PAT00005
식 4
Figure 112009043838616-PAT00005
Equation 4

Figure 112009043838616-PAT00006
식 5
Figure 112009043838616-PAT00006
Equation 5

Figure 112009043838616-PAT00007
식 6
Figure 112009043838616-PAT00007
Equation 6

또한, 인덕터 전류의 실효치(rms), 평균치(avg) 피크치(pk)와 고주파수 오실레이터의 주기(T hf )는 하기 식 7~10과 같이 구할 수 있다:In addition, the effective value rms of the inductor current, the average value avg , the peak value pk , and the period T hf of the high frequency oscillator can be obtained as shown in Equations 7 to 10 below:

Figure 112009043838616-PAT00008
식 7
Figure 112009043838616-PAT00008
Equation 7

Figure 112009043838616-PAT00009
식 8
Figure 112009043838616-PAT00009
Equation 8

Figure 112009043838616-PAT00010
식 9
Figure 112009043838616-PAT00010
Equation 9

Figure 112009043838616-PAT00011
식 10
Figure 112009043838616-PAT00011
Equation 10

이때, 상기 식 4에서 P fix 는 듀티사이클(k)을 제어하는 저주파 오실레이터 회로에서의 소비전력이고, P pwm 은 컨버터(30)에 펄스를 주어 활성, 비활성으로 스위칭시키는 회로의 소비전력이며, 이는 회로를 구현하기 위해 선택되는 소자의 특성에 의해 결정된다. 또한, 식 4의 t settle 는 펄스가 인가된 컨트롤 회로가 활성화된 후 세팅되는데 걸리는 시간이다. 컨버터(30)는 kT lf 동안만 동작하므로, 전도손실(P cond ), 스위칭손실(P sw )에 k를 곱해야 한다. 또한, 상기 식 5에서 R l , esr 은 인덕터의 직렬저항이고, MOSFET의 게이트-드레인 캐패시턴스(C gd )와 관련된 스위칭 손실은 오프셋 드레인 전압 V i 이 수백mV로 작으므로 무시할 수 있다.In this case, P fix is the power consumption in the low frequency oscillator circuit that controls the duty cycle ( k ), P pwm is the power consumption of the circuit for switching the active and inactive by giving a pulse to the converter 30, It is determined by the characteristics of the device chosen to implement the circuit. Also, t settle in equation 4 is the time taken to set after the pulsed control circuit is activated. Since the converter 30 operates only for kT lf , the conduction loss P cond and the switching loss P sw must be multiplied by k. In addition, in Equation 5, R l and esr are series resistances of the inductor, and the switching loss associated with the gate-drain capacitance C gd of the MOSFET is negligible because the offset drain voltage V i is small at several hundred mV.

RFRF 에너지  energy 하베스팅Harvesting 장치의 구현 및 그 특성 Implementation of the device and its characteristics

이리하여, 도 1에 도시한 바와 같이 RFID 리더기(10)와 렉테나(20) 및 부스트 컨버터(30)를 결합한 후 이 컨버터(30)의 출력단에 에너지 하베스팅을 위한 소정의 충전장치(40), 예를 들어 배터리를 연결하여 RF 에너지 하베스팅 장치(100)를 구현하면, 하베스팅된 RF 에너지로 상기 배터리를 충전할 수 있게 된다. Thus, as shown in FIG. 1, after combining the RFID reader 10, the rectenna 20, and the boost converter 30, a predetermined charging device 40 for energy harvesting is output to the output terminal of the converter 30. For example, when the RF energy harvesting apparatus 100 is implemented by connecting a battery, the battery may be charged with the harvested RF energy.

이때, RF 에너지 하베스팅 장치(100)의 최대변환효율은 상기 식 1~10을 이용한 시뮬레이션에 의해 하기와 같이 구할 수 있다. 즉, 일 실시예로서, 먼저 RFID 리더기(10)와 렉테나(20) 및 부스트 컨버터(30)를 결합하여 RF 에너지 하베스팅 장치(100)를 구성하고, 부스트 컨버터(30)의 출력단에 충전회로 및 배터리(4.2V Li이온 배터리)를 연결한다. 그리고, 도 3을 참조하면 렉테나(20)의 최대변환효율을 보이는 부하저항 값은 800Ω이므로, 이를 R em 으로 하여 상기 식 1~10에서 고주파수 오실레이터의 주기(T hf ), 듀티사이클(k), 인덕턴스(L) 및 컨버터의 동작시간(t 1 )을 구함으로써 RF 에너지 하베스팅 장치(100)의 최대변환효율을 구현하면, 도 6a 및 6b에 도시한 결과를 얻게 된다. 도 6a 및 6b는 입력전력 Prec _ out에 따른 시뮬레이션 결과로서, 도 6a는 인턱턴스 L값에 따른 최대가능변환효율을 도시하고, 도 6b는 L을 180μH로 고정하였을 때 t1에 따른 변환효율을 도시한다. At this time, the maximum conversion efficiency of the RF energy harvesting apparatus 100 can be obtained as follows by a simulation using the equations (1) to (10). That is, as an embodiment, first, the RFID reader 10, the rectenna 20, and the boost converter 30 are combined to form an RF energy harvesting device 100, and a charging circuit is provided at an output terminal of the boost converter 30. And a battery (4.2V Li-ion battery). And, Referring to Figure 3 rack antenna 20, so the load resistance values shown the maximum conversion efficiency is 800Ω, and this as R em period of the high frequency oscillator in the formula 1 ~ 10 (T hf) of, When the maximum conversion efficiency of the RF energy harvesting apparatus 100 is realized by obtaining the duty cycle k , the inductance L and the operating time t 1 of the converter, the results shown in FIGS. 6A and 6B are obtained. Figures 6a and 6b are input power P rec _ a simulation result according to an out, Figure 6a is the conversion efficiency of the showing the maximum possible conversion efficiency of the inductance L values, and t 1 when Figure 6b hayeoteul secure the L to 180μH To show.

또한, 도 6a를 참조하여 광범위대에서의 변화에 대해 안정하면서 쉽게 구할 수 있는 인덕턴스(L) 값으로 180μH를 선정하고, 최대변환효율을 얻기 위한 MOSFET의 게이트 동작시간, 즉 컨버터(30)의 동작시간 t1은 입사전력에 따라 5-15μs에서 최대효율을 가질 수 있다. 또한, 도 4의 상용 UHF대역 RFID 시스템의 거리에 다른 전달전력이 2m이상에서 1mW이하인 점을 고려하여 컨버터의 동작시간(t 1 )을 12μs로 선정하면, 듀티사이클(k)는 0.048로 계산된다. 또한, LF오실레이터의 주파수(1/ T lf )는 R em 에 영향을 미치지는 않으나 입력전압리플 Δ v i 조건을 만족시키는 입력 캐패시터 C i크기를 결정함으로써, 입력 캐패시터 C i는 하기 식 11로 표현되며, 이에 따라 T lf 를 시스템이 안정되는 t settle 보다 큰 값으로 하여 1/ T lf 를 250Hz로 하고 V i /Δ v i 를 5로 하면, 입력 캐패시터 C i는 16μF로 된다:In addition, referring to FIG. 6A, 180 μH is selected as a value of inductance L that is stable and easily obtainable against changes in a wide range, and the gate operation time of the MOSFET, that is, the operation of the converter 30, is obtained to obtain the maximum conversion efficiency. Time t1 may have a maximum efficiency at 5-15 μs depending on the incident power. Also, considering that the transmission power of the commercial UHF band RFID system of FIG. 4 is different from the transmission power of 2 m or more and 1 mW or less, the duty cycle k is calculated to be 0.048 when the operating time t 1 of the converter is set to 12 μs. . In addition, the frequency of the LF oscillator ( 1 / T lf ) does not affect R em , but by determining the size of the input capacitor C i that satisfies the input voltage ripple Δ v i , the input capacitor C i is represented by Equation 11 below. Thus, if T lf is greater than the t settle at which the system is stable, 1 / T lf is 250 Hz and V i / Δ v i is 5, the input capacitor C i is 16 μF:

Figure 112009043838616-PAT00012
식 11
Figure 112009043838616-PAT00012
Equation 11

이리하여, 상기 제정수값들을 이용하여 도 5b의 부스트 컨버터(30)를 구성한 후, 이의 V i 와 I i 및 V o 와 I o 를 측정함으로써 컨버터(30)의 효율을 계산할 수 있다. 그리고, 렉테나로부터의 최대입력전력 P rect _ out _ max 와 실제 입력 전력 P rect _ out 의 비로 에뮬레이트된 저항 R em 효과에 의한 효율 η Rem 과 입력전력 P rect _ out 와 컨버터의 출력전력의 비를 컨버터의 효율 η converter 로 나타내어 도 3과 같이 RFID 리더 안테나(15)로부터 거리를 변화시키며 측정한 결과를 얻을 수 있다:Thus, after configuring the boost converter 30 of FIG. 5B by using the integer values, the efficiency of the converter 30 may be calculated by measuring V i and I i and V o and I o . Then, the maximum input electric power from the rack antenna P rect _ out _ max and the actual input power P rect _ efficiency due to the resistance R em effect emulates the ratio of the out η Rem and the input power P rect _ the ratio of the output power out to the converter The efficiency of the converter η converter can be obtained by varying the distance from the RFID reader antenna 15 as shown in FIG.

표 3TABLE 3

거리
[m]Street
[m] η Rem
[%] η Rem
[%] η converter
[%] η converter
[%] P harvest
[mW] P harvest
[mW] 1One 92.192.1 82.382.3 38.238.2 22 93.493.4 81.681.6 24.424.4 33 90.390.3 78.678.6 4.324.32 44 92.392.3 79.379.3 1.361.36 55 87.887.8 54.354.3 0.780.78 66 81.281.2 42.142.1 0.230.23

η Rem 의 측정 및 계산결과를 각각 나타내는 표 3과 도 6a 및 6b를 참조하여 비교하면, 상호 유사한 결과를 보이며, 특히 4[m] 거리에서 변환효율은 79.3%, 실제 변환되어 배터리를 충전가능한 전력은 1.36[mW]로서 0.2mW이상의 입사전력에 대해서는 70%이상의 효율을 보인다. 이는 소전력 무선센서노드를 동작시키기 위한 배터리를 충전하기에 충분한 수준이다.Comparing Table 3 showing the measurement and calculation results of η Rem with FIGS. 6A and 6B, the results are similar to each other. In particular, at a distance of 4 [m], the conversion efficiency is 79.3%. Is 1.36 [mW] and shows an efficiency of 70% or more for an incident power of 0.2 mW or more. This is sufficient to charge the battery for operating the low power wireless sensor node.

전술한 본 발명의 바람직한 구현예들 및 실시예들은 모두 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 한다. Preferred embodiments and embodiments of the present invention are all disclosed for the purpose of illustration, and any person skilled in the art may make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention. Such modifications, changes and additions are to be regarded as within the scope of the claims.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 RF 에너지 하베스팅 장치의 개략 구조도.1 is a schematic structural diagram of an RF energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전압체배기의 회로도.2 is a circuit diagram of a voltage multiplier according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 렉테나에 있어서 부하저항과 입력전력에 따른 정류기의 RF-DC 변환효율 변화를 나타내는 그래프.3 is a graph showing a change in the RF-DC conversion efficiency of the rectifier according to the load resistance and the input power in the rectenna according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 RFID 리더기 및 렉테나의 조합에 있어서 상호 이격거리에 따른 전달전력과 부하전압의 변화를 나타내는 그래프.4 is a graph showing a change in the transfer power and the load voltage according to the mutual separation distance in the combination of the RFID reader and the rectenna according to an embodiment of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 부스트 컨버터에 관한 것으로서, 5A and 5B relate to a boost converter according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 비연속전도모드에서의 인덕터 전류파형을 도시하는 그래프;5A is a graph showing inductor current waveforms in discontinuous conduction mode;

5b는 본 실시예에서의 부스트 컨버터의 회로도.5b is a circuit diagram of a boost converter in the present embodiment.

도 6a 및 6b는 입력전력 Prec _ out에 따른 시뮬레이션 결과로서, 6A and 6B are simulation results according to input power P rec _ out ,

도 6a는 인턱턴스 L값에 따른 최대가능변환효율을 나타내는 그래프;6A is a graph showing the maximum possible conversion efficiency according to the inductance L value;

도 6b는 L을 180μH로 고정하였을 때 t1에 따른 변환효율을 나타내는 그래프.6B is a graph showing conversion efficiency according to t 1 when L is fixed at 180 μH.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100: RF 에너지 하베스팅 장치, 10: RFID 리더기, 15: 안테나, 20: 렉테나, 22: 안테나, 25: 정류기, 30: 컨버터, 40: 충전장치100: RF energy harvesting device, 10: RFID reader, 15: antenna, 20: rectenna, 22: antenna, 25: rectifier, 30: converter, 40: charging device

Claims (4)

RF 에너지를 하베스팅하는 장치에 있어서,In an apparatus for harvesting RF energy, 무선신호를 방사하는 RFID 리더기와;An RFID reader for radiating a radio signal; 안테나 및 정류기를 포함하고 상기 무선신호를 수신하여 이를 직류전력으로 변환하여 출력하는 렉테나와;A rectenna including an antenna and a rectifier and converting the wireless signal into DC power and outputting the same; 상기 렉테나의 출력되는 직류전력을 가변하여 하술하는 충전장치에 최대전력전달하는 컨버터와;A converter for maximum power transfer to a charging device which varies the DC power output of the rectenna and is described below; 상기 컨버터로부터 가변된 직류전력을 공급받아 전력을 충전하는 충전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.And a charging device for charging the electric power by receiving a variable DC power from the converter. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 정류기는 전압체배기로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.And said rectifier comprises a voltage multiplier. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 컨버터는 벅-부스트 컨버터, 부스트 컨버터 및 벅 컨버터로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.And said converter is selected from the group consisting of a buck-boost converter, a boost converter and a buck converter. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 컨버터는 비연속 전도모드로 되는 것을 특징으로 하는 장치.And said converter is in a discontinuous conduction mode.
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