KR20160074457A

KR20160074457A - Rf 에너지 하베스터

Info

Publication number: KR20160074457A
Application number: KR1020167006326A
Authority: KR
Inventors: 폴 데이비드 미체슨; 스테판 루시스진; 마누엘 피누엘라 랑겔; 데이비드 크리스토퍼 예이츠
Original assignee: 드레이슨 테크놀로지스 (유럽) 리미티드
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-06-28
Also published as: PL2939309T3; DK3107147T3; JP2016532423A; CN105765783A; US20170358957A1; CN105765783B; GB2517907B; EP3107147B1; WO2015019106A2; GB2517907A; US20160181873A1; KR101729638B1; JP6355002B2; HK1216360A1; EP2939309A2; GB201314307D0; EP2939309B1; JP6158442B2; WO2015019106A3; CA2920443C

Abstract

주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 안테나 구조가 본 명세서에 개시된다. 이러한 장치는 전기를 생산하기 위하여 RF 에너지를 수신하도록 구현되는 하나 이상의 RF 에너지 컴포넌트를 포함한다. 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트는 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트를 포함하는데, 각각의 주파수 필터링 컴포넌트는 수신된 RF 에너지의 각각의 주파수 대역을 필터링하도록 구현된다. 또한 연관된 안테나로부터 입력에서 수신되는 가변 전기 신호를 전기 에너지 저장 유닛으로 공급하기 위한 직류 전기 신호로 변환하도록 구현되는 정류 회로를 포함하는 장치가 본 명세서에 개시되는데, 안테나는 주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 것이다. 이러한 장치는 직류 전류를 수신하고 전기 에너지 저장 유닛으로의 직류 전류의 공급을 제어하도록 구현되는 입력을 가지는 전력 관리 모듈을 더 포함한다. 정류 회로는 복수 개의 송전선을 포함하는데, 정류 회로의 입력 및 전력 관리 모듈의 입력은 복수 개의 송전선을 통하여 연결된다. 전력 관리 모듈은 복수 개의 송전선에 의하여 규정되는 경계 내에 적어도 부분적으로 배치된다.

Description

RF 에너지 하베스터{RF ENERGY HARVESTER}

본 개시물은 RF 에너지를 수집하기 위한 장치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 주변 RF 에너지를 수신하기 위한 안테나가 개시되지만 이것으로 한정되는 것은 아니다. 추가적으로, RF 에너지 수집 시스템의 일부를 형성하는 정류기 및 정류기를 전력 관리 모듈과 통합하는 것이 개시된다.

많은 전기 디바이스, 특히 휴대용 또는 원격 전기 디바이스는 배터리에 의하여 급전된다. 배터리는 전기 디바이스의 연속된 동작을 위해서 보통 정기적으로 충전하거나 교체할 필요가 있다. 그러나, 디바이스를 충전을 위하여 메인 파워 서플라이에 연결하는 것이 언제나 바람직하거나 가능하지 않고, 배터리를 교체하기 위하여 디바이스에 접근하는 것이 언제나 쉬운 것도 아니다. 더욱이, 배터리가 연장된 기간 및/또는 극단적인 동작/환경 조건에 걸쳐 100% 신뢰성으로 동작할 것을 기대하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 이를 고려하여, 디바이스를 급전/충전하기 위한 다른 수단이 탐색되어 왔다.

전기 디바이스를 위한 전기 에너지를 획득하기 위한 다른 제안 방법은 전기 디바이스에서의 에너지 수집(harvesting)을 이용하는 것이다. 에너지 수집은 청정하고 자유롭게 이용가능한 소스로부터의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 수반하며, 이것은 환경 친화적 솔루션이다. 전기 디바이스를 급전하기 위한 일반적으로 사용되는 자유 에너지 솔루션은 태양, 열 및 진동 에너지 소스를 포함한다. 예를 들어, 태양열 패널 및 태양열 렉테나(solar rectenna)와 같은 실용적 태양열 하베스터는 광자를 광전지 효과를 통하여 전기 에너지로 변환하기 위하여 광전지 셀을 이용한다. 그러나, 태양열 하베스터와 같은 태양 하베스터는 많은 타입의 원격 전기 디바이스에 대하여 적합하지 않고, 또한 많은 지리적 위치에서 사용되기에는 이상적이지 않다.

대안적 제안 방법은 전력의 무선 전달이다. 예를 들어, 고 전력 RF 소스가 RF 전력을 특정한 주파수 대역에서 수신자 디바이스로 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 그러면 수신자 디바이스는 RF 에너지를 수신하고 이것을 전기적 형태로 변환하는데, 이것이 디바이스에 급전하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 특정 환경에서 효율적으로 동작할 수 있다. 그러나, 이러한 시스템은 고 에너지 RF 송신기가 존재해야 하고, 따라서 기반구조를 설치해야 할 필요성 때문에 이러한 시스템의 전체적인 매력이 감소하게 되며, 따라서 이러한 기술을 사용할 수 있는 가능한 애플리케이션의 개수를 제한한다.

최근 수 십년 간의 모바일 원격 통신 산업의 팽창과 주변 RF 에너지의 상응하는 증가에 기인하여, 몇 가지 연구들은 이러한 주변 RF 에너지가 수집될 수 있는지 여부에 주목했다. 현재, 이러한 에너지가 풍부하게 존재함에도 불구하고, 주변 RF 에너지를 수집하기 위한 실용적인 에너지 수집 솔루션은 거의 보고되지 않은 실정이다. RF 에너지를 수집하는 것에 관련된 주된 어려움에는, 10 nW 만큼 낮을 수 있는 매우 낮은 RF 전력을 수집하는 것이 포함된다. 현재, RF 에너지 수집은 실행가능한 옵션인 것으로 기대되지 않는다.

그러므로 원격 디바이스에 대한 전력의 대안적 소스가 여전히 요구된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 안테나 구조가 제공된다. 이러한 장치는 전기를 생산하기 위하여 RF 에너지를 수신하도록 구현되는 하나 이상의 RF 에너지 컴포넌트를 포함한다. 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트는 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트를 포함하는데, 각각의 주파수 필터링 컴포넌트는 수신된 RF 에너지의 각각의 주파수 대역을 필터링하도록 구현된다.

주파수 필터링 컴포넌트는 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트의 일부를 형성할 수도 있다. 주파수 필터링 컴포넌트는 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 내에 또는 위에 형성되는 피쳐일 수도 있다. 이러한 피쳐의 필터링 특성은 피쳐의 치수에 따라서 결정될 수도 있다. 상기 피쳐는, 피쳐가 안에 형성되는 상기 하나 이상의 RF 안테나의 하나 이상의 공진 주파수와 연관되는 포지션에서 상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 내에 또는 위에 형성될 수도 있다.

상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트가 필터링하도록 구현되는 각각의 주파수 대역은 하나 이상의 공지된 전자기 방사선 주파수 대역일 수도 있다. 하나 이상의 공지된 전자기 방사선 주파수 대역은 GSM900, GSM1800, 3G, 및 4G 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.

하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 중 하나는 제 1 주파수 범위를 수신하도록 구현되는 원형 방사 패치일 수도 있다. 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 제 1 주파수 필터링 컴포넌트는 원형 방사 패치 내에 또는 위에 동심으로 형성되는 만곡형 피쳐일 수도 있다. 제 1 필터링 컴포넌트는 제 1 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하기 위하여 구현될 수도 있다.

상기 제 1 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 원형 방사 패치의 중심으로부터 λ_g/12 내지 λ_g/16 사이의 거리에 위치되고, 길이가 λ_g/6 내지 λ_g/15 사이이며, 폭이 λ_g/18.5 내지 λ_g/24.2 사이일 수도 있는데, λ_g는 각각의 주파수 필터링 컴포넌트와 연관된 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장이다.

복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 제 2 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 제 1 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하도록 구현되는 원형 방사 패치 내에 또는 위에 동심으로 형성되는 만곡형 피쳐일 수도 있다. 제 2 주파수 필터링 컴포넌트에 의하여 필터링되는 하나 이상의 주파수는 제 1 주파수 필터링 컴포넌트에 의하여 필터링되는 하나 이상의 주파수와는 상이할 수도 있다.

상기 제 2 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 원형 방사 패치의 중심으로부터 λ_g/12 내지 λ_g/24 사이의 거리에 위치되고, 길이가 λ_g/4.5 내지 λ_g/5.7 사이이며, 폭이 λ_g/18.5 내지 λ_g/24.2 사이일 수도 있다.

하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 중 하나는 안테나의 방사 패턴을 정의하도록 구현되는 접지면일 수도 있다.

복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 하나는 상기 제 2 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하기 위한 접지면 내에 또는 위에 형성되는 피쳐일 수도 있다. 접지면 내에 또는 위에 형성된 피쳐는 U-형일 수도 있다.

접지면 내에 또는 위에 형성되는 피쳐는 상기 원형 방사 패치의 최근접 에지로부터 λ_g/5.4 내지 λ_g/8.1 사이의 거리에 있으며, 길이가 λ_g/7.4 내지 λ_g/10.5 사이이며, 폭이 λ_g/15.2 내지 λ_g/24.2 사이일 수도 있다.

RF 안테나는 원형 방사 패치 및 접지면이 그 위에 형성되는 기판을 포함할 수도 있다. 상기 RF 안테나 구조는 상기 기판의 하나의 에지에 상기 원형 방사 패치 및 접지면을 수집 회로(harvesting circuit)로 연결시키기 위한 연결부를 포함할 수도 있다. 원형 방사 패치는 연결부와 기다란 급전선을 통해 결합될 수도 있다. 상기 기다란 급전선의 길이는 상기 원형 방사 패치와 접지면 사이의 거리가 상기 안테나의 출력 임피던스를 정의하도록 설정될 수도 있다. 원형 방사 패치와 접지면 사이의 거리는 λ_g/4.8 일 수도 있다. 기판은 가요성 기판일 수도 있다.

복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트는 노치, 홈, 또는 돌출부 중 하나 이상일 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 연관된 안테나로부터 입력에서 수신되는 가변 전기 신호를 전기 에너지 저장 유닛으로 공급하기 위한 직류 전기 신호로 변환하도록 구현되는 정류 회로를 포함하는 장치가 제공되는데, 안테나는 주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 것이다. 이러한 장치는 직류 전류를 수신하고 전기 에너지 저장 유닛으로의 직류 전류의 공급을 제어하도록 구현되는 입력을 가지는 전력 관리 모듈을 더 포함한다. 정류 회로는 복수 개의 송전선을 포함하는데, 정류 회로의 입력 및 전력 관리 모듈의 입력은 복수 개의 송전선을 통하여 연결된다. 전력 관리 모듈은 복수 개의 송전선에 의하여 규정되는 경계 내에 적어도 부분적으로 배치된다.

복수 개의 송전선은 제 1 암 및 제 2 암을 형성할 수도 있다. 제 1 암은 정류 회로의 입력을 순방향 바이어스된 정류 디바이스를 통하여 전력 관리 모듈의 입력으로 연결할 수도 있다. 제 2 암은 정류 회로의 입력을 역방향 바이어스된 정류 디바이스를 통하여 전력 관리 모듈의 입력으로 연결할 수도 있다. 상기 제 1 암은 상기 정류 회로의 입력을 상기 순방향 바이어스된 정류 디바이스에 연결시키는 제 1 송전선 및 상기 순방향 바이어스된 정류 디바이스를 상기 전력 관리 모듈의 입력으로 연결시키는 제 2 송전선을 포함할 수도 있다. 상기 제 1 송전선은 상기 정류기를 연관된 안테나에 임피던스 매칭시키도록 구현될 수도 있고, 상기 제 2 송전선은 상기 정류 회로를 상기 전력 관리 모듈과 임피던스 매칭시키도록 구현될 수도 있다. 상기 제 1 송전선은 λ_g/6.8 내지 λ_g/8.1 사이의 길이를 가질 수도 있는데, λ_g는 연관된 안테나에 의하여 수신되도록 구현되는 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장이다. 필터링 회로는 제 2 송전선에 연결될 수도 있다. 필터링 회로는 사분 파장 스터브(quarter wavelength stub)일 수도 있다.

제 2 송전선은 링킹 송전선 및 임피던스 매칭 송전선을 포함할 수도 있다. 링킹 송전선은 정류 디바이스와 필터링 회로 사이에 배치될 수도 있다. 링킹 송전선은 정류 디바이스와 연관된 용량성 리액턴스를 흡수하도록 구현된다. 임피던스 매칭 송전선은 필터링 회로 그리고 전력 관리 모듈 사이에 배치될 수도 있다. 링킹 송전선은 λ_g/4.3 내지 λ_g/5.6 사이의 길이를 가질 수도 있다. 임피던스 매칭 송전선은 λ_g/3.8 내지 λ_g/4.4 사이의 길이를 가질 수도 있다.

전력 관리 모듈은 후속하는 특징을 가지고 정류 장치 내에 배치될 수도 있다. 전력 관리 모듈은 제 1 단부에서 정류 회로의 출력에 연결될 수도 있다. 전력 관리 모듈의 제 2 단부와 정류 회로의 입력 사이의 거리는 λg/2.5 내지 λg/5 사이로 설정될 수도 있다. 전력 관리 모듈의 제 1 측 사이의 거리는 제 1 암의 에지로부터 λg/6.5 내지 λg/12 사이로 설정될 수도 있다. 전력 관리 모듈의 제 2 측 사이의 거리는 제 2 암의 에지로부터 λg/9 내지 λg/16.4 사이로 설정될 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 안테나 및 본 명세서에서 설명된 바와 같은 장치를 포함하는 RF 에너지 수집 시스템이 제공된다. RF 에너지 수집 시스템은 상기 장치의 전력 관리 모듈로부터 전기 에너지를 수신하고 저장하도록 구현되는 전기 에너지 저장 유닛을 더 포함할 수도 있다.

3 μW 아래의 전력 레벨에서 주변 RF 에너지를 수집하기 위한 렉테나가 개시된다. 렉테나는 GSM900, GSM1800 및 3G RF 주파수 대역에서 동작가능한 초광 대역 평면형(planer) 모노폴 안테나를 포함할 수도 있다. 렉테나는 3 μW 아래의 차동 전압 출력 및 동작 입력 전력을 가지는 전파 정류기를 더 포함할 수도 있다.

3 μW 미만의 입력 RF 전력 레벨에서 45% 가 넘는 효율이 달성가능한 주변 RF 하베스터가 제공된다. 이러한 효율을 얻기 위해서, 단일 다대역 안테나 및 전파 검출기가 제공될 수도 있다. 이러한 하베스터는 에너지 저장 유닛을 더 빨리 충전하는 것뿐만 아니라, 더 많은 위치에서 및/또는 공간적 방위에서 동작할 수도 있다.

전파 정류기는 차동 출력 및 고조파 억제 필터가 있는 수정된 무지향성 디스크 모노폴 안테나와 함께 개시된다. 새로운 하베스터 디자인은 더 낮은 이용가능한 RF 전력이 있는 위치에서 45% 의 효율로 동작할 수 있을 수도 있다.

삼대역 RF 에너지 하베스터는 UWB 안테나 및 집적된 고조파 대역 억제기와 함께 개시된다. 사차 또는 N-원 하베스터 어레이가 제공될 수도 있다.

바람직하게는, 1 mW보다 높게 요청하는 애플리케이션에 대하여 11%보다 더 높은 듀티 사이클을 제공할 수 있는 하베스터가 제공된다.

고조파 재방사를 피하여 효율을 개선하고 검출을 최소화하는 하베스터가 개시된다. 하베스터는 더 높은 차수의 고조파가 안테나에 의하여 방사되지 않도록 필터링함으로써 이를 달성할 수도 있다. 결과적으로, 비밀(covert) 동작이 요구되는 경우 전용 수신기가 하베스터의 존재를 검출하는 것은 어렵다.

추가적으로, 더 높은 차수의 고조파로부터의 DC-부하 격리를 제공하는 하베스터가 개시된다. 하베스터는 고 주파수 필터링 회로를 사용하여 이것을 달성할 수도 있다. 예를 들어, 사분 파장 스터브는 이러한 필터링을 수행하기 위하여 정류기의 일부를 형성할 수도 있다. 이러한 스터브는 기본 주파수에서 단락 회로처럼 동작하고, 따라서 출력으로부터 RF 신호를 필터링한다. 대안적으로는, LC 튜닝된 회로와 같은 공진 구조가 이러한 필터링 기능성을 수행하기 위하여 사용될 수 있다.

모든 수신된 대역에 대하여 3차 고조파 억제를 할 수 있는 하베스터가 개시된다. 반파 정류를 하면 기수 개의 고조파가 생기고 전파 정류를 하면 전류 파형에 우수 개의 고조파가 생기기 때문에, 고차 고조파는 사분 파장 스터브에 의하여 그리고 안테나에 형성된 노치에 의하여 필터링될 수도 있다.

안테나는 10 x 안테나 기판의 두께의 굽힘 반지름(bend radius)을 가지는 기판 상에 형성될 수도 있다. 최소 굽힘 반지름은 8.6 mm일 수도 있다.

기판 두께는 790 μm일 수도 있다. 기판 상에 형성된 금속 안테나는 35 μm 두께일 수도 있다. 금속은 임의의 적합한 도전성 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 금속 안테나는 구리로 제조될 수도 있다. 유전 상수 εr의 기판의 유전 성질은 2.33 일 수도 있고 손실 탄젠트 tanδ는 0.0012 일 수도 있다.

본 발명의 예시적인 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1 은 RF 에너지 수집 시스템을 도시한다;
도 2 는 도 1 의 시스템에서 사용되는 단일 다대역 안테나를 도시한다;
도 3 은 도 1 의 시스템에서 사용되는 차동 출력을 가지는 마이크로스트립 전파 정류기를 도시한다;
도 4 는 정류기 내에 PMM 회로가 배치된 도 4 의 정류기를 도시한다;
도 5 는 파이프의 표면에 맞춤된 안테나를 도시한다; 그리고
도 6 은 파이프의 표면에 맞춤된 안테나의 어레이를 도시한다.
상세한 설명 및 도면 전체에 걸쳐서, 유사한 참조 번호는 유사한 부재를 가리킨다.

RF 에너지 수집 시스템의 일반적 개관이 이제 도 1 을 참조하여 설명될 것이다.

주변 RF 에너지를 수신하도록 구현되는 안테나(101)를 포함하는 렉테나(100)가 도시된다. 안테나는 큰 주파수 범위에 걸쳐서 주변 RF 에너지를 수신하도록 설계되고, 따라서 안테나(101)의 전기적 출력은 자신의 수신 주파수 범위에 걸쳐서 크게 요동하는 전력 프로파일을 가진다. 가변 전기 신호를 제공하는 안테나(101)의 출력은 임피던스 매칭 네트워크(102)를 걸쳐서 정류기(103)로 연결된다. 임피던스 매칭 네트워크(102)가 렉테나의 컴포넌트들 사이의 임피던스 불일치에 기인한 손실을 최소화하기 위하여 제공된다. 그러면 정류기는 수신된 시변 전기 신호를 DC 전기 신호로 변환한다. 그러면 정류기의 출력은 평활화/필터링 회로(104)에서 평활되고 필터링된다. 그러면 이러한 평활된 DC 에너지는 전력 관리 모듈(PMM; 105)로 급전되어 유용한 조절된 전압을 제공하고 이러한 경우에는 저장 커패시터 C_저장인 저장 유닛(106)을 충전한다. 전류를 저장 유닛(106)으로 전송하는 것과 저장 유닛(106) 내의 대응하는 전기적 저장은 전력 관리 모듈(PMM; 105)에 의하여 제어된다. PMM은 부스트 컨버터로서 동작하는 것에 추가하여 최대 전력점 추적을 제공한다. PMM의 최대 전력 추적 능력은, 이상적인 부하가 입력 RF 전력 레벨의 넓은 범위에 걸쳐서 존재하도록 보장함으로써, 시스템이 부하로의 전력 전송을 최대화하도록 한다. 그러므로, PMM은 또한 안테나와의 양호한 임피던스 매칭이 이루어지도록 돕는다. PMM은 또한 저장 유닛(106)에 저장된 전기 에너지를 부하로 연결시키는 스위치(108)를 제어하도록 구현되는데, 이것은 이러한 경우에서는 설명의 간결성을 위하여 LED이다. 그러나, 실제로 PMM은 저장 유닛(106)으로부터 디바이스, 즉 급전되는 부하로의 전력의 공급을 제어한다.

렉테나(100)는 안테나(101)에 의하여 수신되는 주변 RF 에너지를 최대화하고, 수신된 에너지를 저장 유닛(106) 내에 저장하기에 적합한 에너지로 변환하는 과정에서의 손실을 최소화하도록 설계된다. 그러므로 렉테나(100)의 다양한 컴포넌트가 이제 자세하게 설명될 것이다.

렉테나에 의하여 수집된 전력을 최대화하고 하베스터의 사이즈를 감소시키기 위하여, 안테나(101)는 도 2 에서 알 수 있는 바와 같이 단일 다대역 안테나이다.

안테나(101)는 그 위에 안테나의 수신용 컴포넌트들이 형성되는 기판을 포함하는 평면형 안테나 구조이다. 안테나(101)는 원형 방사 패치(110)를 포함하는 수신용 컴포넌트, 급전선(111) 및 직사각형 형태의 접지면(112)을 포함하는 변형된 마이크로스트립 디스크 모노폴 안테나이다. 원형 방사 패치(110) 및 급전선(111)은 기판의 일측에 배치되고, 접지면(112)은 기판의 반대측에 배치된다. 안테나가 마이크로스트립-기초 급전선을 가지는 것으로 도시되지만, 대안적 구조에서는 공평면형 도파관 피드(feed)가 제공되고, 또는 마이크로스트립-기초 급전선 및 공평면형 도파관 피드 양자 모두의 조합이 제공될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 기판은 임의의 저손실 재료, 예를 들어, 유리, 세라믹, FR4로 제조될 수도 있다. 안테나의 평면형 특징이 이것이 하베스터 시스템의 나머지와 동일한 기판 상에 형성되도록 한다.

안테나(101)는 수신된 RF 방사를 최대화하기 위하여 실질적으로 무지향성이 되도록 구현된다. 더욱이, 안테나의 구조적 컴포넌트들은 다른 가능한 소스로부터의 RF 에너지의 수신을 최대화하도록 배치된다. 거의 모든 주변 RF 에너지가 모바일 원격 통신으로부터 오기 때문에, 안테나(101)는 복수 개의 후속하는 대역을 커버하는 초광 대역에 걸쳐 동작하도록 구현된다: GSM900, GSM1800, 3G, WiFi 및 4G. 원하는 경우에는, 대안적 안테나 구조가 위에 언급된 것보다 더 높거나 낮은 다른 주파수 대역을 수신하여 무선, TV 및 다른 ISM 대역을 커버하도록 구현될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 원형 방사 패치(110)는 주로 모든 대역을 수신하도록 구현되는 반면에, 접지면(112)은 정류 프로세스에 의하여 생성되는 특정 대역 3G 및 4G의 3차 고조파 억제를 향상시키도록 변형된다. 이러한 다른 주파수 대역을 수신하기 위한 방사 패치(110) 및 접지면(112)의 구조가 이제 자세하게 논의될 것이다.

방사 패치(110)는 형상이 원형이고 기판의 상부에 위치된다. 마이크로스트립 송전선의 형태인 기다란 전기적 급전선(111)이 원형 방사 패치(110)로부터 포인트(111a)에서 기판의 단부면으로의 연결을 제공한다. 안테나(100)는 이러한 포인트에서 에너지 수집 시스템의 다음 스테이지에 연결가능하다. 기다란 트랙(111)은 렉테나의 나머지가 방사 패치(110)에 연결되도록 하는 역할을 할뿐만 아니라, 논의될 바와 같이 임피던스 매칭을 제공한다. 디스크의 반경은 안테나가 수신하도록 구현되는 최저 주파수, 예를 들어 GSM900에 대하여 945 MHz의 사분 파장이다.

접지면(112)은 형상이 직사각형이고 안테나 기판의 하단으로부터 안테나 기판의 길이를 따라 절반 바로 아래의 포인트까지 연장된다. 대안적 구조에서 접지면은 다른 형태를 가질 수도 있다. 접지면의 형상은 임피던스 및 방사 패턴을 정의한다. 기판의 단부면 상의 전기적 연결은 기다란 트랙이 에너지 수집 시스템의 나머지와 전기적으로 연결되도록 한다. 원형 방사 패치, 급전선 및 접지면은 구리와 같은 도전성 재료로 형성된다.

안테나의 임피던스는 안테나 피드의 폭 및 원형 방사 패치와 접지면 사이의 거리를 변경함으로써 정류기의 임피던스와 복소 매칭되도록 변경될 수 있다. 특히, 원형 방사 패치(110)의 하단과 접지면(112)의 상단 사이의 거리는 임피던스를 50 Ω(또는 임의의 선택된 기준 임피던스)으로 튜닝하고 원하는 무지향성 패턴을 최적화시키기 위하여 사용될 수 있다. 접지면의 형상 및 디스크와의 중첩은 디스크로부터 도달하는 필드선(field line)을 반영함으로써 방사 패턴을 정의한다. 결과적으로, 이것은 2.3 내지 4.8 dBi 사이일 수 있는 안테나의 이득도 역시 정의한다. 이러한 거리는 또한 안테나가 수신하도록 구현되는 파장에 의존한다. 실제로 원형 방사 패치의 하단과 접지면의 상단 사이의 거리는: -λg/20 내지 λg/12.5 사이로 설정되는데, λg는 선택된 주파수 대역의 중심 주파수에서의 신호의 안내 파장(안내 wavelength)이다. λg 및 λo의 구별은 이것이 자유 공간에서의 파장과 상이한 안내-파 구조의 파장이라는 것을 강조하기 위하여 사용된다.

안테나(101)는 안테나 상에 형성되고 안테나의 주파수 응답 특성을 변경하는 다수 개의 주파수 필터링 피쳐를 가진다. 특히, 이러한 필터는 안테나가 수신하도록 구현되는 선택된 대역, 예를 들어 GSM900, GSM1800, 및 3G의 각각의 하나에서 전파 정류기에 의하여 생성된 제 3 고조파를 필터링하여 제거하도록 구현된다. 안테나가 반파 정류기와 함께 사용되는 경우, 제 3 고조파 필터가 아니라 제 2 고조파 필터가 요구된다.

제 1 및 제 2 필터링 노치(110a 및 110b)가 원형 방사 패치 상에 제공되는 반면에 다른 노치(112a)는 접지면(112)에 제 1 및 제 2. 제 1 및 제 2 노치(110a, 110b)는 만곡되어 있으며 원형 방사 패치 상에 동심으로 배치된다. 제 1 필터링 노치(110a)는 λg/6 내지 λg/7.5 의 길이를 가진다. 제 1 필터링 노치는 원형 방사 패치의 중심으로부터 λg/12 내지 λg/16 사이에 방사상으로 포지셔닝된다. 제 1 필터링 노치의 폭은 λg/18.5 내지 λg/24.2 사이인데, 이것은 반사 손실(return loss) 및 노치의 대역폭을 최적화시킨다. 제 2 필터링 노치(110b)는 λg/4.5 내지 λg/5.7 사이의 길이, λg/18.5 내지 λg/24.2 사이의 폭을 가지고, 이러한 노치는 원형 방사 패치의 중심으로부터 λg/12 내지 λg/24 떨어져서 방사상으로 포지셔닝된다. 노치의 포지션 및 폭을 변경함으로써, 반사 손실이 증가되고 대역폭은 표적화된 주파수 모두를 커버하도록 최적화될 수 있다. 노치에 의하여 제공되는 연관된 반사 손실 및 필터링의 대역폭을 정의하는 것은 노치의 포지션 및 기하학적 구조에 의하여 생성되는 공진이다.

접지면(112)에 형성되는 노치(112a)는 U의 베이스가 하향으로 바라보는 U-형이다. 접지면(112)에 있는 노치의 중심은 원형 방사 패치의 하부 에지로부터 λg/5.4 내지 λg/8.1 사이에 있고, 노치(112a)는 λg/7.4 내지 λg/10.5 사이의 길이 및 λg/15.2 내지 λg/24.2 사이의 폭을 가진다.

요약하자면, 제 1 및 제 2 노치의 길이는 제 3 고조파의 파장의 약 3분의 1이고, 폭은 필터의 대역폭 특성에 비례한다. U-형(112a) 노치는 3G 정류기에 의하여 생성되는 고조파를 필터링하기 위하여 포함된다. 각각의 대역에 대해 다른 정류 회로가 존재하고, 각각의 정류기가 그들의 동작 주파수에 대응하는 3차 고조파를 생성하기 때문에, 안테나의 각각의 컴포넌트에 대하여 다른 필터 또는 노치가 요구된다.

대안적 구조에서, 추가적 노치가 해당 구조에, 특히 원형 방사 패치 내에 추가될 수 있다. 추가적 노치는 수집이 다른 대역폭, 예컨대 4G 또는 WiFi에서도 소망된다면 사용될 수도 있다. 그러나, 고조파 억제는 -2 dB 보다 더 낮을 것이다. 다르게 말하면, 추가적 필터는 원하는 필터링 성질을 획득할 수 없을 것이고, 고조파 내의 전력의 약 50%가 필터링되지 않는 일이 발생할 수 있다.

도 3 은 도 1 의 정류 회로(103)를 도시한다. 정류 회로(103)는 차동 출력을 가지는 마이크로스트립 전파 정류기이다. 도 3 에 도시되는 정류 회로는 도 1 의 개략도에 도시되는 임피던스 매칭(202), 정류기(203), 및 필터링(104) 컴포넌트를 포함한다. 정류 회로는 가능한 한 무손실이어서 이를 통하여 종래의 전파(4 개의 다이오드) 정류기에서 결과적으로 발생하는 다이오드 전압 강하를 감소시키도록 설계된다. 이것은 주로 정확한 임피던스 매칭이 회로 전체에 걸쳐 제공되도록 보장함으로써 달성된다. 정류기(203)는 안테나(101)로부터 수신되는 주파수 범위의 주파수에 맞게 튜닝된다. 다수의 대역을 수신하도록 구현되는 안테나(101)의 경우에, 다수의 정류기(203)가 각각의 대역에 대하여 제공된다. 그러나, 도면에서는 설명을 용이하게 하기 위하여 오직 하나의 정류기만이 도시되고 설명된다.

안테나(101)로부터의 출력은 마이크로스트립 송전선의 피드(201)에서 수신된다. 이러한 포인트에서 마이크로스트립 송전선은 두 개의 암으로 분할되는데, 하나의 암은 정류기의 입력을 순방향 바이어스된 정류 소자(203)를 통하여 출력에 연결하고, 제 2 암은 정류기의 입력을 제 2 의 역 바이어스된 정류 소자(204)를 통하여 출력에 연결한다.

그러므로 마이크로스트립 송전선(202)의 암은 입력(201)의 좌측 및 우측으로 수직으로 연장된다. 마이크로스트립 송전선의 트랙은 회로의 원하는 특성 임피던스에 따라서 설정된다. 트랙폭도 역시 정류 회로와 안테나의 임피던스 매칭을 단순화시키기 위하여 설정될 수 있다. 임피던스 매칭 마이크로스트립 송전선(202)의 각각의 단부에서, 다른 평행 트랙이 임피던스 매칭 마이크로스트립 송전선(202)에 수직인 짧은 거리만큼 진행하고, 그리고 각각 각각의 정류 소자(203, 204)의 제 1 단자와 결합한다. 임피던스 매칭 마이크로스트립 송전선(202)의 길이는, 이러한 경우에서는 50 Ω인 안테나(101)의 임피던스와 매칭하도록 설정된다. 이러한 길이는 바람직하게는 λg/6.8 내지 λg/8.1 사이이다. 그러므로, 임피던스 매칭 마이크로스트립 송전선은 도 1 의 임피던스 변압기(102)의 기능성을 수행하고 있다. 입력과 정류 소자 사이의 마이크로스트립 송전선의 폭 및 길이는 정류기의 입력 임피던스를 튜닝하도록 사용된다.

정류 소자는, 제 1 다이오드(203)가 순방향 바이어스되고 제 2 다이오드(204)가 역 바이어스되는 쇼트키 다이오드(203, 204)이다. 대안적 구조에서 트랜지스터 기초 정류 구조가 제공될 수도 있으며, 예를 들어 FET가 정류 기능을 수행하도록 변경될 수도 있다는 것이 인정될 것이다.

그러면 다른 마이크로스트립 송전선은 각각의 다이오드(203, 204)의 제 2 단자로부터의 다른 짧은 부분(205, 206)에 대하여 연장된다. 마이크로스트립 라인의 이러한 부분의 길이 및 폭은, 용량성 리액턴스를 흡수하도록 구현되는데, 이것은 그들이 유도성 리액턴스를 정의하기 때문이다. 추가적으로, 마이크로스트립 라인의 이러한 부분의 길이 및 폭은 정류 회로의 입력 임피던스를 튜닝하는 데에 사용될 수 있다. 다른 마이크로스트립 송전선(205, 206)의 길이는 바람직하게는 λg/4.3 내지 λg/5.6 사이이다. 이러한 포인트에서, λ/4 스터브(207, 208)는 연장 마이크로스트립 송전선(205, 206)의 단부로부터 수직으로 연장된다. λ/4 스터브(207, 208)는 도 1 의 필터링 기능성(104)을 수행한다. 스터브는 출력으로부터 기본 고조파를 필터링하여 출력에 DC를 제공하도록 사용된다. λg/4 스터브는 기본 및 더 높은 차수의 고조파가 -45 dBm 아래에 있는 것을 보장한다.

그러면 마이크로스트립 송전선은 더 긴 거리(209, 210)를 위하여 스터브를 지나서, 마이크로스트립 송전선의 두 개의 암이 이들이 다시 한 번 정렬되고 두 개의 출력 단자와 결합하도록 수직으로 연장될 때까지 계속하여 진행한다. 이러한 섹션은 바람직하게는 길이가 λg/3.8 내지 λg/4.4 사이이다. 이러한 섹션은 부하 및 정류기의 나머지가 주파수 및 입력 전력 레벨의 범위에 걸쳐 안테나의 입력 임피던스의 복소 매칭을 가지도록 임피던스 변압기로서 동작한다.

사용 시에, 다이오드(203)는 수신된 신호의 양의 부분을 정류하고 다이오드(204)는 수신된 신호의 음의 부분을 정류한다. 사분 파장 스터브는 출력으로부터 기본 고조파를 필터링하여 DC가 이용가능하도록 보장한다. 출력 연결이 접지되지 않기 때문에, 다이오드(204)로부터 나오는 음의 전압이 시스템 블록의 나머지의 기준이 되고, PMM의 콜드-시작 전압(330 mV)에 도달하는 더 높은 전압을 제공한다.

출력은 차동 출력이고, 이것은 3 μW(-25 dBm) 미만의 입력 전력 레벨에서, 시스템이 더 높은 출력 전압 VPMM을 제공하고 전력 관리 모듈(PMM)에 의하여 요구되는 최소 전압(330 mV)에 도달하게 한다. 더욱이, 차동 출력을 사용함으로써 접지 비아(via)들이 없어지며, 손실을 감소시키고, 시물레이션과 측정 사이에 더 양호한 매칭을 획득하도록 돕고, 제조를 용이하게 한다.

단일 전파 정류기는 -26 dBm의 입력 전력에서 12% 효율을 달성할 수 있고 -10 dBm에서는 46%까지 달성할 수 있다. 반사 손실은 -10 dB 하한 이하여서 선택된 동작 대역을 거의 완전하게 커버하도록 보장한다. 부분적 대역폭은 동작 주파수에 따라 2 내지 6.2% 사이에서 변동한다. 이전에 언급된 입력 전력 범위에 대한 하베스터의 출력은 75 내지 550 mV 사이이다.

완성된 RF 에너지 하베스터의 풋프린트(footprint)를 최소화하기 위하여, PMM 회로(300)가 도 4 에 도시된 바와 같은 전파 정류기의 송전선에 의하여 규정되는 경계 내에 배치된다. 이것은 PMM(300)을 정류기의 둘레 외부에 정류기와 직렬로 배치하는 공지된 시스템과는 다른 것이다. 그러나, 정류 구조와 소형화된 PMM 회로(300) 사이의 커플링을 회피하기 위해서는 주의 깊은 고려가 요구된다. PMM 회로(300)와 전파 정류기 사이의 전자기 상호작용을 최소화하기 위하여, PMM 회로(300)의 에지와 정류기의 마이크로스트립 송전선 사이의 거리는 다음과 같이 설정된다. PMM 회로(300)는 차동 출력에 직접적으로 결합된다. 그러므로, PMM 회로(300)와 차동 출력에 결합되는 마이크로스트립 송전선(211, 212) 사이의 거리는 무시될만하다. 그러면, PMM 회로(300)의 반대 단부로부터 차동 출력 및 입력을 정류 회로로 결합시키는 것 사이의 거리는 λg/2.5 내지 λg/5 사이로 설정된다. PMM 회로(300)의 제 1 측은 마이크로스트립 송전선의 제 1 상부 에지(210)로부터, 그리고 제 2 의 하부 에지로부터 λg/6.5 내지 λg/12 사이로 설정되고, PMM(300)과 차동 출력 사이의 거리는 λg/9 내지 λg/16.4 사이로 설정된다.

도 4 에 도시되는 구조에서 PMM(300)은 실질적으로 송전선에 의하여 규정되는 경계 내에 제공된다. 대안적 구조에서, PMM은 송전선의 경계 중 일부 내에만 제공될 수도 있다는 것이 인정될 것인데, 이러한 경우에도 에너지 하베스터 시스템에 전체로서 일부의 공간 절약을 여전히 제공할 것이다.

PMM 회로의 위치에 추가하여, 도 4 에 도시되는 레이아웃은 비아의 사용이 필요없게 하는 반면에, 정류기의 차동 출력 및 "접지된" PMM 출력에 대한 연결을 제공한다.

도 5 는 어떻게 안테나가, 그리고 결과적으로 렉테나가 표면에 맞춤되는지를 보여준다. 이러한 경우에, 안테나(100)가 그 위에 형성되는 기판은 가요성 재료로 제조된다. 결과적으로, 안테나(100)는 파이프(500) 주위에서 휘어진다. 이러한 유연한 안테나 디자인에서, 파이프(500)는 다음 특성: 반경 = 5 - 10 cm, εr = 2.88, 및 tanδ = 0.089 을 가지는 PVC 수도 파이프이다. 안테나를 파이프 주위에 감기도록 휘는 것으로부터 기인한 반사 손실 열화가 없다.

대안적 구성에서 다수의 안테나가 하나의 어레이 내에 제공될 수도 있다는 것이 역시 인정될 것이다. 예를 들어, 도 6 은 파이프(500)에 맞춤된 안테나(100)의 어레이를 도시한다. 수수 개의 렉테나를 사용하면 수집된 총전력을 증가시킨다. 각각의 하베스터 사이의 거리는 λo/4.8 에 가까울 수 있는데, λo는 안테나의 제 1 공진의 파장이다.

안테나를 파이프에 맞춤시키는 것의 이러한 예들은 임의의 원통형 물체에 적용가능하다는 것이 인정될 것이다.

유사한 노치가 다른 타입의 모노폴 및 보우타이(bow-tie) 및 정방형 패치와 같은 평면형 안테나 내에 배치되는 대안적 구조가 제공될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 접지면은 안테나의 방사 패턴을 변경하기 위하여 연장될 수 있다. 이것은 또한 안테나의 이득을 변경할 것이다.

대안적 구조에서 다수의 필터링 컴포넌트는 필터링 장치로서 함께 형성된다. 다르게 말하면, 다수의 필터링 컴포넌트를 가지는 단일 필터링 장치가 제공됨에 따라, 각각의 필터링 컴포넌트는 특정 주파수 대역에 대한 필터링을 수행하는 것과 같은 특정한 필터링 기능성을 수행하도록 구현된다.

본 명세서에서 설명되는 하베스터는 전자 종이 디스플레이, 저전력 디스플레이, 산업적 센서(예를 들어 압박-게이지, 온도, 압력, 경사, 흐름, 근접성, 연기, 가스, COx, NOx), LED를 급전하는 것, 및 저장 유닛을 충전하는 것을 위한 것과 같은 다양한 애플리케이션에서 사용될 수도 있다는 것이 인정될 것이다.

더욱이, 안테나의 포트 임피던스가 정류기의 임피던스에 직접적으로 매칭하도록 설계된다면, 임피던스 매칭 네트워크가 생략될 수 있다는 것이 인정될 것이다.

정류 회로가 마이크로스트립-기초 회로일 필요가 없다는 것이 인정될 것이다. 예를 들어, 대안적 구조에서, 스트립라인(stripline), 공평면형 스트립 또는 CPW 안내-파 구조가 사용된다. 또 따른 구조에서, 집중(lumped)-소자 또는 집중-분산형 컴포넌트가 사용된다.

대안적 구조에서, 전파 정류기는 주파수에 있어서 임의의 원하는 주파수 대역으로 상향 또는 하향 척도변환될 수 있다.

대안적 구조에서, 안테나는 보우타이 안테나, 변경된 정방형 패치 안테나, 듀얼-모노폴 안테나, 로그-주기(log-periodic) 안테나, 3D 안테나, 또는 나선형 또는 이중-나선 안테나와 같은 비-평면형 안테나 중 적어도 하나이다.

돌출부와 같은 다른 필터링 피쳐가 본 명세서에서 설명되는 노치 필터와 2다른 필터링 피쳐를 달성할 수 있다는 것이 인정될 것이다. 더욱이, 원형 방사 패치 내에 형성된 노치가 동심인 것으로 도시되는 반면에, 노치는 동심일 필요가 없다는 것이 인정될 것이다. 그러나, 동심의 노치를 사용하면 성능이 개선될 수 있다.

다른 대역에 대한 필터링 피쳐들이 안테나 구조의 양측에 제공될 수도 있다는 것이 인정될 것이다. 그러나, 접지면에 있는 U-노치를 사용하면 더 낮은 주파수보다 더 높은 주파수에 대해서 개선된 성능이 달성된다.

위에서 설명된 렉테나는 주로 주변 RF 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 것으로 설명된다. 그러나, 렉테나가 전용 소스로부터 RF 에너지를 수신하기 위하여, 또는 전용 소스로부터 일부 RF 에너지를 수신하고 주변 RF 에너지를 수집하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 인정될 것이다.

본 명세서에서 설명되는 정류기는 단일 주파수 대역의 경우에 사용되도록 구현된다. 하나의 안테나가 다수의 주파수 대역을 수신하도록 구현되는 경우, 개별 정류기가 각각의 대역에 대하여 이용된다.

시스템의 컴포넌트들이 상부 또는 하부와 같은 특정 방위를 정의하는 방식으로 도시되거나 설명되는 경우에, 이러한 방위는 중요하지 않고 시스템 컴포넌트들의 상대적인 포지션(들)만이 중요하다는 것이 인정될 것이다.

Claims

주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용하기 위한 안테나 구조로서,
전기를 생산하기 위하여 RF 에너지를 수신하도록 구현되는 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트를 포함하고,
상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트는 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트를 포함하고, 각각의 주파수 필터링 컴포넌트는 수신된 RF 에너지의 각각의 주파수 대역을 필터링하도록 구현되는, 안테나 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트의 일부를 형성하는, 안테나 구조.
제 2 항에 있어서,
상기 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 내에 또는 위에 형성되는 피쳐(feature)이고, 상기 피쳐의 필터링 특성은 상기 피쳐의 치수에 따라서 결정되는, 안테나 구조.
제 3 항에 있어서,
상기 피쳐는, 상기 피쳐가 안에 형성되는 상기 하나 이상의 RF 안테나의 하나 이상의 공진 주파수와 연관되는 포지션에서 상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 내에 또는 위에 형성되는, 안테나 구조.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트가 필터링하도록 구현되는 각각의 주파수 대역은 하나 이상의 공지된 전자기 방사선 주파수 대역인, 안테나 구조.
제 5 항에 있어서,
상기 하나 이상의 공지된 전자기 방사선 주파수 대역은 GSM900, GSM1800, 3G, 및 4G 중 하나 이상을 포함하는, 안테나 구조.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 중 하나는 제 1 주파수 범위를 수신하도록 구현되는 원형 방사 패치인, 안테나 구조.
제 7 항에 있어서,
상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 제 1 주파수 필터링 컴포넌트는 원형 방사 패치 내에 또는 위에 동심으로 형성되는 만곡형 피쳐이고, 상기 제 1 필터링 컴포넌트는 상기 제 1 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하도록 구현되는, 안테나 구조.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 주파수 필터링 컴포넌트는:
상기 원형 방사 패치의 중심으로부터 λ_g/12 내지 λ_g/16 의 거리에 위치되고;
길이가 λ_g/6 내지 λ_g/15 이며;
폭이 λ_g/18.5 내지 λ_g/24.2 이고,
λ_g는 각각의 주파수 필터링 컴포넌트와 연관된 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 안테나 구조.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 제 2 주파수 필터링 컴포넌트는 상기 제 1 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하도록 구현되는 원형 방사 패치 내에 또는 위에 동심으로 형성되는 만곡형 피쳐이고, 상기 제 2 주파수 필터링 컴포넌트에 의하여 필터링되는 상기 하나 이상의 주파수는 상기 제 1 주파수 필터링 컴포넌트에 의하여 필터링되는 하나 이상의 주파수와 상이한, 안테나 구조.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 주파수 필터링 컴포넌트는:
상기 원형 방사 패치의 중심으로부터 λ_g/12 내지 λ_g/24 의 거리에 위치되고;
길이가 λ_g/4.5 내지 λ_g/5.7 이며;
폭이 λ_g/18.5 내지 λ_g/24.2 이고,
λ_g는 각각의 주파수 필터링 컴포넌트와 연관된 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 안테나 구조.
제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 RF 안테나 컴포넌트 중 하나는 상기 안테나의 방사 패턴을 정의하도록 구현되는 접지면인, 안테나 구조.
제 12 항에 있어서,
상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트 중 하나는 상기 제 2 주파수 범위 내의 하나 이상의 주파수를 필터링하기 위하여 상기 접지면 내에 또는 위에 형성되는 피쳐인, 안테나 구조.
제 13 항에 있어서,
상기 접지면 내에 또는 위에 형성되는 피쳐는 U-형인, 안테나 구조.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 접지면 내에 또는 위에 형성되는 피쳐는:
상기 원형 방사 패치의 중심으로부터 λ_g/5.4 내지 λ_g/8.1 의 거리에 위치되고;
길이가 λ_g/7.4 내지 λ_g/10.5 이며;
폭이 λ_g/15.2 내지 λ_g/24.2 이고,
λ_g는 각각의 주파수 필터링 컴포넌트와 연관된 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 안테나 구조.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 안테나 구조는 상기 원형 방사 패치 및 접지면이 위에 형성되는 기판을 포함하는, 안테나 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 RF 안테나 구조는 상기 기판의 하나의 에지에 상기 원형 방사 패치 및 접지면을 수집 회로(harvesting circuit)로 연결시키기 위한 연결부를 포함하는, 안테나 장치.
제 17 항에 있어서,
상기 원형 방사 패치는 상기 연결부와 비아 기다란(elongate) 급전선을 통하여 결합하는, 안테나 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 기다란 급전선의 길이는 상기 원형 방사 패치와 접지면 사이의 거리가 상기 안테나의 출력 임피던스를 정의하도록 설정되는, 안테나 장치.
제 19 항에 있어서,
상기 원형 방사 패치와 접지면 사이의 거리는 λ_g/4.8 인데, λ_g는 상기 각각의 주파수 필터링 컴포넌트와 연관된 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 안테나 장치.
제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판은 가요성인, 안테나 장치.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수 개의 주파수 필터링 컴포넌트는 노치, 홈, 또는 돌출부 중 하나 이상인, 안테나 장치.
장치로서,
연관된 안테나로부터 입력에서 수신되는 가변 전기 신호를 전기 에너지 저장 유닛으로 공급하기 위한 직류 전기 신호로 변환하도록 구현되는 정류 회로로서, 상기 안테나는 주변 무선 주파수(RF) 에너지를 수집하는 데에 사용되기 위한 것인, 정류 회로; 및
직류 전류를 수신하고 상기 전기 에너지 저장 유닛으로의 직류 전류의 공급을 제어하도록 구현되는 입력을 가지는 전력 관리 모듈을 포함하고,
상기 정류 회로는 복수 개의 송전선을 포함하고, 상기 정류 회로의 입력 및 상기 전력 관리 모듈의 입력은 복수 개의 송전선을 통하여 연결되며,
상기 전력 관리 모듈은 상기 복수 개의 송전선에 의하여 규정되는 경계 내에 적어도 부분적으로 구현되는, 장치.
제 23 항에 있어서,
상기 복수 개의 송전선은 제 1 암 및 제 2 암을 형성하고, 상기 제 1 암은 상기 정류 회로의 입력을 순방향 바이어스된 정류 디바이스를 통하여 상기 전력 관리 모듈의 입력으로 연결시키며, 상기 제 2 암은 상기 정류 회로의 입력을 역 바이어스된 정류 디바이스를 통하여 상기 전력 관리 모듈의 입력으로 연결시키는, 장치.
제 24 항에 있어서,
상기 제 1 암은 상기 정류 회로의 입력을 상기 순방향 바이어스된 정류 디바이스에 연결시키는 제 1 송전선 및 상기 순방향 바이어스된 정류 디바이스를 상기 전력 관리 모듈의 입력으로 연결시키는 제 2 송전선을 포함하는, 장치.
제 25 항에 있어서,
상기 제 1 송전선은 상기 정류기를 연관된 안테나에 임피던스 매칭시키도록 구현되고, 상기 제 2 송전선은 상기 정류 회로를 상기 전력 관리 모듈과 임피던스 매칭시키도록 구현되는, 장치.
제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
상기 제 1 송전선은 λ_g/6.8 내지 λ_g/8.1 사이의 길이를 가지고, λ_g는 연관된 안테나에 의하여 수신되도록 구현되는 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 장치.
제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
필터링 회로는 상기 제 2 송전선에 연결되는, 장치.
제 28 항에 있어서,
상기 필터링 회로는 사분 파장 스터브(quarter wavelength stub)인, 장치.
제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 송전선은 링킹(linking) 송전선 및 임피던스 매칭 송전선을 포함하고, 상기 링킹 송전선은 상기 정류 디바이스와 필터링 회로 사이에 배치되고, 상기 링킹 송전선은 상기 정류 디바이스와 연관된 용량성 리액턴스를 흡수하도록 구현되며, 및 상기 임피던스 매칭 송전선은 상기 필터링 회로와 전력 관리 모듈 사이에 배치되는, 장치.
제 30 항에 있어서,
상기 링킹 송전선은 λ_g/4.3 내지 λ_g/5.6 사이의 길이를 가지고, λ_g는 상기 안테나에 의하여 수신되도록 구현되는 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 정류 장치.
제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
상기 임피던스 매칭 송전선은 λ_g/3.8 내지 λ_g/4.4 사이의 길이를 가지고, λ_g는 연관된 안테나에 의하여 수신되도록 구현되는 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 장치.
제 24 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 관리 모듈은 다음 특징:
상기 전력 관리 모듈은 제 1 단부에서 상기 정류 회로의 출력에 연결된다는 것;
상기 전력 관리 모듈의 제 2 단부와 상기 정류 회로의 입력 사이의 거리는 λg/2.5 내지 λg/5 사이가 되도록 설정된다는 것;
상기 전력 관리 모듈의 제 1 측 사이의 거리는 상기 제 1 암의 에지로부터 λg/6.5 내지 λg/12 사이로 설정된다는 것; 및
상기 전력 관리 모듈의 제 2 측 사이의 거리는 상기 제 2 암의 에지로부터 λg/9 내지 λg/16.4 사이로 설정된다는 것을 가지고 정류 장치 내에 배치되고,
λ_g는 상기 안테나에 의하여 수신되도록 구현되는 각각의 주파수 대역의 중심 주파수에서의 파장인, 장치.
RF 에너지 수집 시스템으로서,
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따르는 안테나 장치; 및
제 23 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 따르는 장치를 포함하는, RF 에너지 수집 시스템.
제 34 항에 있어서,
상기 장치의 전력 관리 모듈로부터 전기 에너지를 수신하고 저장하도록 구현되는 전기 에너지 저장 유닛을 더 포함하는, RF 에너지 수집 시스템.