전송 선로 트랜스포머 기반 넓은 입력 전력 및 광대역 특성을 갖는 고효율 정류기

Ⅰ. 서 론

RF 기반 무선전력 전송(wireless power transfer, WPT)과 에너지 하베스팅(energy harvesting, EH) 기술에 대한 적용 범위가 확장됨과 동시에, 적용 범위에 따른 다양한 사용 주파수 및 동작 범위를 갖는 WPT 및 EH 시스템 수요가 늘어나고 있다^[1]. 다양한 목표 성능을 갖는 시스템 구성을 위해서는 다중 대역 또는 광대역을 지원하면서 거리에 따른 입력 전력이 변화하더라도 높은 효율을 유지할 수 있는 정류기가 필수적이다. 하지만 다중 대역 또는 광대역을 포함하거나, 넓은 입력 전력 범위를 포함하는 정합방식은 복잡하기 때문에 다양한 접근이 필요하다.

넓은 입력 전력 및 주파수 범위에 고효율 동작이 가능한 정류기를 구성하는 하나의 방식으로서 두 개의 정류부를 사용하는 방식이 있으며, 하나의 정류부는 낮은 입력 전력 또는 낮은 주파수 대역에 정합하고, 다른 하나의 정류부는 높은 입력 전력 범위 또는 높은 주파수 대역에 정합하여 정류기를 구현할 수 있다. 이 방식은 넓은 입력 전력 및 주파수 범위 특성을 모두 만족시킬 수 있다는 장점이 있지만, 로드 저항이 두 개로 나뉘어 구성되어 DC 전력을 하나의 로드로 전달하는 데에 추가적인 회로가 필요하다는 단점이 있다^[2],[3]. 입력 정합단만을 구성하여 한 번에 임피던스를 정합하는 방식은 정류기를 정합하는 가장 간단한 방식이지만, 입력 정합단이 복잡해질 수 있다는 특징이 있다^[4]∼[6]. 결합된 전송선로 기반 정류기는 이러한 입력 정합단의 복잡도를 낮추면서도 넓은 주파수 대역에서 높은 효율을 갖는다는 특징이 있다^[7],[8].

본 논문에서는 다양한 사용 주파수 및 입력 전력 범위를 포함하는 전송선로 트랜스포머 기반 정류기를 제안하였다. 사용된 전압 체배기의 각 다이오드에 직렬 전송선로를 이용하여 전압 체배기의 입력 임피던스를 소스 임피던스에 정합하였으며, 두 개의 전송 선로는 낮은 삽입 손실을 갖기 위해서 결합되어 트랜스포머 형태로 구성되었다. 전송선로 트랜스포머의 최적화를 통해 정류기가 넓은 입력 전력 및 주파수 범위에서 높은 효율을 달성하고자 했다.

Ⅱ. 회로 설계

제안하는 정류기는 그림 1과 같이 입력 정합단, 전압 체배기, 전압 체배기용 정합단으로 구성되어 있다. 전압 체배기는 병렬 연결된 다이오드를 사용하는 방식이기 때문에 높은 입력 전력까지 정류가 가능할 뿐만 아니라, 입력 전력 및 주파수에 따른 임피던스 변화가 작다는 것이 특징이다^[3]. 본 연구에서는 전송선로 트랜스포머를 이용하여 전압 체배기의 각 다이오드 임피던스를 제어하여 정류기를 정합하고자 하였다.

그림 1. | Fig. 1. 제안하는 정류기 도식도 | Schematic of proposed rectifier.

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그림 2는 2.45 GHz에서 입력전력에 따른 다이오드의 입력 임피던스를 나타낸 것이다. 다이오드 D₁의 입력 임피던스 Z_D1은 D₂의 입력 임피던스 Z_D2와 다른 것을 알 수 있는데, 이는 입력 전력이 커지면 로드 커패시턴스 C_L에 걸리는 정류 전압이 높아짐에 따라서 D₂의 양단에 걸리는 DC 전압과 D₁에 걸리는 전압의 차이가 커지기 때문에 입력 임피던스 차이가 발생 =한다^[9]. 전압 체배기의 입력 임피던스 Z_VD는 Z_D1과 Z_D2의 병렬 값으로 결정되는 특성을 활용하여, 직렬 전송선로 TL₁을 이용하여 D₁은 0∼20 dBm의 목표 입력 전력 범위에서 72 Ω을 중심으로 −j31 ∼40 Ω의 허수부를 가지도록 정합하였다. D₂는 직렬 전송선로 TL₂를 이용하여 65∼195 Ω의 실수부를 56∼160 Ω으로 낮추고 허수부를 평균적으로 +j40 Ω 만큼 증가시켜서, 전압 체배기의 임피던스가 10 dBm에서 55 Ω을 가지면서 0∼20 dBm의 입력전력범위에서 −j25∼j25 Ω의 허수부를 가져 넓은 입력 전력 범위에서 소스 임피던스에 정합되도록 구현하였다.

그림 2. | Fig. 2. 2.45 GHz에서 입력전력에 따른 다이오드의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과 (R_L= 680 Ω) | Simulated input impedance of the diodes with input power at 2.45 GHz (R_L=680 Ω).

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그림 1과 같이 전압 체배기의 정합을 위한 두 개의 전송선로는 서로 가까이 배치하여 트랜스포머 형태로 최종적으로 구성되었다^[10]. 패러데이의 법칙에 따라서 두 전송선로 간의 주변 자기장에 의해 신호 교류가 일어나게 되며, 이 때 두 전송선로의 전류방향에 따라 상호 인덕턴스의 크기가 결정된다. 이번 설계에서는 두 전송 선로에 흐르는 전류가 서로 반대 방향으로 보이도록 배치되어 상호 인덕턴스가 커지는 방향으로 결합되었다. 이에 따라서 따로 떨어진 직렬 전송선로에 비해 트랜스포머 형태의 전송선로는 길이 당 인덕턴스를 증가시킬 수 있어 상대적으로 삽입손실을 줄일 수 있다. 그림 3은 제안한 정류기의 입력 임피던스를 나타낸 결과이며, 서로 떨어진 전송선로가 연결된 전압 체배기의 입력 임피던스와 비교할 때 전송선로 트랜스포머 기반 전압 체배기의 입력 임피던스는 인덕턴스가 증가한 것을 확인하였다.

그림 3. | Fig. 3. 2.45 GHz에서 입력전력에 따른 제안한 정류기의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과 (R_L= 680 Ω) | Simulated input impedance of the proposed rectifier with input power at 2.45 GHz (R_L=680 Ω).

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최종적으로 DC 차단 커패시턴스를 포함하는 정류기의 임피던스를 정확히 조정하기 위해서 트랜스포머 형태로 구성하면서 얻어진 추가적인 인덕턴스 성분과 함께 직렬 전송선로 TL₃를 구성하여 정합하였으며, 그림 3과 같이 0∼20 dBm의 넓은 입력 전력 범위에서 안정적으로 VSWR=2 내부에 정류기 임피던스가 정합된 것을 확인할 수 있다. 그림 4는 고정된 입력전력 16.5 dBm에서 주파수에 따른 제안된 정류기의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이며, 2∼3 GHz의 초 광대역 범위에서 VSWR=2를 만족하는 것을 확인하였다.

그림 4. | Fig. 4. 16.5 dBm 전력 입력 시 주파수에 따른 제안한 정류기의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과 (R_L= 680 Ω) | Simulated input impedance of the proposed rectifier with frequency at 16.5 dBm (R_L=680 Ω).

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그림 5는 제안된 전송선로 트랜스포머 기반 정류기의 주파수 및 입력 전력에 따른 PCE (power conversion efficiency, 전력 변환 효율) 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이며, 제안된 회로는 15 dBm에서 30 dBm까지 입력전력이 변할 때 1.8∼2.4 GHz의 초광대역에서 50 % 이상의 PCE를 갖는 것을 확인하였다.

그림 5. | Fig. 5. 입력 전력 및 주파수에 따른 제안된 정류기의 PCE 시뮬레이션 결과 (R_L=680Ω) | Simulated PCE of the proposed rectifier with input power and frequency (R_L=680Ω).

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Ⅲ. 측정 결과

제안된 정류기는 3.2의 유전율, 0.003의 손실 탄젠트를 갖는 0.813 mm 두께의 Taconic사의 TLC-32 기판을 이용하여 제작하였다. 제작된 정류기의 레이아웃 및 PCB (printed circuit board)는 그림 6과 같으며, 제작된 회로의 크기는 34.4×12.8 mm²이다. 전압 체배기의 정류 다이오드는 높은 항복 전압을 지님과 동시에 높은 DC 전압이 출력 가능한 Avago 사의 HSMS-286C 쇼트키 다이오드를 사용하였다. 로드 저항은 최대 변환 효율을 갖도록 최적화를 통해 680 Ω으로 값을 결정하였고, 5 pF의 DC 차단 커패시터와 3개의 100 pF의 DC 통과 필터용 커패시터를 사용하였다. 제작된 정류기의 성능 확인을 위해 N58182A의 신호 발생기를 사용하여 신호를 생성 및 인가하였으며, 파워 센서 및 디지털 멀티미터를 통해 정류기의 RF 입력 및 DC 출력 전압을 측정하였다. 측정된 RF 입력과 DC 출력 전압을 기반으로 V_OUT²/(P_IN⋅R_L)의 식을 통해 PCE값을 계산하였다.

그림 6. | Fig. 6. 제작된 정류기의 레이아웃 및 사진 | Layout and photograph of the implemented rectifier.

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그림 7은 제안된 정류기의 2.45 GHz에서 입력 전력에 따른 PCE 측정결과를 나타낸 것이며, 19.7 dBm의 입력 전력에서 최대 75.9 %의 PCE를 가지며, 4.6∼22.8 dBm의 넓은 입력 전력 범위에 대해 50 % 이상의 PCE를 유지하는 것을 확인하였다. 주파수 특성 측면에서 제안한 정류기는 그림 8과 같이 2.0∼2.8 GHz의 넓은 대역폭에서 70 % 이상의 PCE를 유지하는 것을 확인하였다. 그림 7과 8에서 보이는 시뮬레이션과 측정의 오차는 다이오드 모델링의 오차와 PCB 공정상의 오차에 의해서 발생하였다.

그림 7. | Fig. 7. 제안된 정류기의 2.45 GHz에서 입력 전력에 따른 PCE 시뮬레이션 및 측정 결과 (R_L=680 Ω) | Simulated and measured PCE of the proposed rectifier versus input power at 2.45 GHz (R_L=680 Ω).

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그림 8. | Fig. 8. 주파수에 따른 최대 PCE 시뮬레이션 및 측정 결과 (R_L=680 Ω) | Simulated and measured peak PCE versus frequency (R_L=680 Ω).

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표 1은 기존 정류기의 연구결과와 본 논문에서 제안한 정류기의 연구결과를 비교한 표이며, 동작 주파수에서 더 넓은 입력 전력 범위에서 정류 특성이 우수함과 동시에 넓은 동작 주파수 특성을 가지는 것을 통해 본 논문에서 제안한 기법을 적용한 정류기의 효용성을 검증하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 전송 선로 트랜스포머 기반의 넓은 입력 전력 및 주파수 범위를 갖는 WPT용 고효율 정류기를 제안하였다. 사용된 전압 체배기의 임피던스 정합을 위해 직렬 전송선로를 연결하였으며, 길이 당 상대적으로 높은 인덕턴스를 가짐으로서 낮은 삽입 손실을 갖기 위해 전송선로가 반대 방향의 전류로 결합되도록 전송선로를 결합하여 트랜스포머 형태로 구현하였으며, 길이 및 간격 조정을 통해 광대역 및 넓은 입력 전력 범위에서 고효율 특성을 갖도록 최적화 하였다. 제안된 전송 선로 트랜스포머 기반 정류기는 2.45 GHz의 동작 주파수에서 4.6∼22.8 dBm의 넓은 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 효율을 가졌을 뿐만 아니라, 2.0∼2.8 GHz의 광대역에서 70 % 이상의 PCE를 유지하는 것을 측정결과를 통해서, 제작된 정류기의 아이디어를 검증하였다.