가변 전력 분배 기반 다중 모드 고효율 정류기 배열

Ⅰ. 서 론

RF 무선전력전송은 전기에너지를 전자기파 형태로 변환 및 전송하는 기술로서, 기존 자기유도 및 자기공진 방식 무선전력전송 기술과 다르게 대상 전자기기의 이동 유무에 상관없이 원거리까지 자유롭게 전력 전송이 가능하다. 이에 따라서 전자기기의 배터리의 크기를 줄일 수 있어 다양한 전자기기의 소형화가 가능하기 때문에, 이를 위해 RF 무선전력전송에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. RF 무선전력전송 시스템에서는 전력 전송 거리에 따라서 수신되는 입력 전력의 크기가 크게 달라지기 때문에, 입력 전력 변화에 상관없이 높은 효율을 유지하는 정류기를 통해 전력 전송 거리에 관계없이 시스템의 높은 효율을 유지하는 것이 필요하다. 최근 이러한 무선전력전송 시스템에서 적용 가능한 넓은 입력 전력을 갖는 다양한 정류기에 대한 연구가 발표되었다^[1]～[6].

전압 체배기의 각 다이오드를 정합하여 넓은 입력 전력에서 높은 효율을 유지하는 정류기 설계 기법은 작은 크기로 구현 가능하다는 장점이 있다^[1]. 정합 기능과 함께 입력 전력에 따라서 차등적으로 전력 분배 가능한 적응형 전력 분배 기반 정류기 배열은 입력 전력 범위를 확장시킬 수 있으나, 설계 복잡도가 커진다는 단점이 있다^[2],[3]. 분기선 결합기 기반의 정류기 배열은 입력 전력에 따른 정합도에 관계없이 전력을 재사용함으로써 넓은 입력전력 범위에서 높은 효율을 가질 수 있으나, 동일한 정류기를 배열로 사용하기 때문에 입력 전력 범위의 확장하는데에 제한이 있다^[4]～[6].

본 논문에서는 넓은 입력 전력 범위를 갖는 가변 전력 분배 기반 정류기 배열을 제안하였다. 제안한 정류기 배열은 저전력 모드 및 고전력 모드에서 동작 가능한 정류기와 전력 분배기로 구성하였으며, 전력 분배기는 저전력 모드 정류부와 고전력 모드 정류부 중 하나의 정류부로 전력을 전달 가능하기 때문에, 입력 전력에 따라서 정류부를 선택하여 각 정류부에서 효과적으로 정류하게 할 수 있으며, 입력 전력에 따른 적절한 모드 선택 시 넓은 입력전력 범위에서 높은 효율을 유지할 수 있다.

Ⅱ. 회로 설계

그림 1은 제안하는 정류기 배열의 도식도를 나타낸 그림이며, 제안하는 정류기 배열은 저전력 모드용 정류부, 고전력 모드용 정류부, 가변 가능한 전력 분배부로 구성되어 있다. 가변 전력 분배부의 포트 2에는 고전력 모드 정류부를 연결하고, 포트 3에 저전력 모드 정류부를 연결 하였다.

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

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먼저 정류부를 살펴보면, 각 정류부는 상대적으로 높은 출력 전압을 정류하고, 입력 전력에 따른 임피던스 변화가 적은 전압 체배기 구조를 사용하였다. 저전력 모드용 정류부의 전압 체배기 다이오드는 7 V의 항복 전압을 갖는 HSMS 286C를 사용하였으며, 고전력 모드용 정류부의 전압 체배기 다이오드는 15 V의 항복 전압을 갖는 HSMS 2822를 사용하였다. 그림 2는 저전력 모드용 정류부 및 고전력 모드용 정류부의 입력 임피던스 Z_LMR, Z_HMR를 나타낸 것이며, 병렬 오픈 스텁과 직렬 전송선로 기반 L-형 정합단을 각각 구성하여 넓은 입력 전력에서 정합하였다. 저전력 모드 정류부는 −1.5～22.5 dBm에서 입력 임피던스 Z_LMR가 VSWR=2 내부에 위치하며, 고전력 모드 정류부는 8～34 dBm에서 입력 임피던스 Z_HMR가 VSWR=2 내부에 위치하는 것을 확인하였다.

그림 2. | Fig. 2. 2.45 GHz에서 입력 전력에 따른 저전력 모드용 정류부 및 고전력 모드용 정류부의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과(R_L1=R_L2=680 Ω) | Simulated input impedance of the rectifier cell 1 for low-power mode and the rectifier cell 2 for high-power mode with input power at 2.45 GHz (R_L1=R_L2=680 Ω).

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그림 1의 재구성 가능한 전력 분배부는 2개의 분기선 결합기 기반 4포트 전력 분배기와 가변 임피던스단으로 구성되었다. 포트 1은 입력 포트이며, 포트 4는 그라운드로 연결하여 포트 2, 3에서 반사되는 전력이 포트 4로 향할 때, 포트 4에서 전력을 다시 반사하여 포트 2, 3으로 재사용되도록 하였다^[6]. 포트 2와 포트 3은 출력 포트이며, 제안된 재구성 가능한 전력 분배부는 가변 임피던스단의 입력 임피던스 Z_RPD가 변하게 되면 포트 2와 포트 3으로 나뉘는 전력 분배율이 변하게 된다. 예를 들어 Z_RPD가 j1에서 j1000까지 변하게 되면 S₂₁이 −28 dB에서 −0.01 dB까지 가변하고, S₃₁이 −0.002 dB에서 −32 dB까지 가변되고, 극단적으로 Z_RPD가 무한대인 경우는 포트 3으로만 전력이 전달되며, 0 Ω인 경우는 포트 2로만 전력이 전달된다^[7]. 본 설계에서는 이를 활용하여 저전력 모드 선택 시 포트 3으로만 전력이 전달되고, 고전력 모드 선택 시 포트 2로만 전력이 전달되는 2가지 모드만을 고려하였다.

제안한 구조와 제안한 구조의 동작 방식에 대한 효용성을 살펴보려면, 가변 임피던스단의 삽입 손실 및 입력 전력에 따른 임피던스 변화가 최소화되어야 한다. 따라서 본 설계에서는 커패시터와 전송 선로를 직렬로 연결 하여 가변 임피던스단을 구현하였으며, 가변 임피던스단의 입력 임피던스 Z_RPD가 각각 0 Ω과 무한대로 표현 가능하도록 하기 위해서, 시뮬레이션 및 측정상에서 커패시터의 연결 및 제거를 통해 동작 검증을 하였다. 그림 3은 구현된 가변 전력 분배부의 시뮬레이션 결과이며, 2.45 GHz에서 저전력 모드 선택시 S₂₁이 −37 dB, S₃₁이 −0.23 dB를 가졌으며, 고전력 모드 선택 시 S₂₁이 −0.21 dB, S₃₁이 −25 dB를 가졌다.

그림 3. | Fig. 3. 모드에 따른 제안한 전력 분배부의 S-parameter 시뮬레이션 결과 | Simulated S-parameter of the proposed power divider according to mode.

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구성한 전력 분배부 및 정류부를 통합한 정류기 배열의 PCE(power conversion efficiency, 전력 변환 효율) 시뮬레이션 결과는 그림 4와 같다. 제안한 정류기 배열은 2.45 GHz의 동작 주파수에서 저전력 모드 선택 시 17 dBm의 입력전력에서 75.8 %의 PCE를 가지며, 4～19 dBm의 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지한다. 고전력 모드 선택 시 28 dBm의 입력 전력에서 76.7 %의 PCE를 가지며, 13～30 dBm의 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지한다. 모드 선택에 따라서 이상적으로 정류부 배열은 4～30 dBm의 넓은 입력전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 가질 수 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. 2.45 GHz에서 제안된 정류기 배열의 입력 전력 및 주파수에 따른 PCE 시뮬레이션 결과(R_L1= R_L2=680 Ω) | Simulated PCE of the proposed rectifier array with input power and frequency at 2.45 GHz (R_L1= R_L2=680 Ω).

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Ⅲ. 측정 결과

그림 5는 제안한 정류기 배열을 제작한 그림이며, 3.2의 유전율, 0.003의 손실 탄젠트를 갖는 0.813 mm 두께를 가지는 Taconic사의 TLC-32 기판을 이용하여 제작하였다. 정류기 배열에서 저전력 및 고전력 모드용 정류부에 사용된 로드 저항은 680 Ω을 동일하게 사용하였으며 DC 통과 필터용 커패시터는 30 pF, 20 pF를 각각 사용하였다. 제작된 정류기 배열의 정류 특성을 확인하기 위해 N58182A의 신호발생기와 파워센서 및 디지털 멀티미터를 사용하여 정류기 배열의 RF 입력 전력과 DC 출력 전압 특성을 확인하였으며, 측정된 값을 이용하여 정류기 배열의 PCE를(V_OUT1²/R_L1+V_OUT2²/R_L2)/P_IN의 식을 통해 계산하였다. 측정 시, 모드 선택에 따라서 가변 임피던스단의 입력 임피던스 Z_RPD가 0 Ω과 무한대로 최대한 보일 수 있도록 커패시터의 부착 및 탈착을 통해 측정을 진행하였다. 추후 스위치를 통해서 선택적으로 임피던스를 가변할 수 있도록 설계할 예정이다.

그림 5. | Fig. 5. 제작된 정류기 배열의 레이아웃 및 사진 | Layout and photograph of the implemented rectifier array.

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그림 6은 2.45 GHz의 동작 주파수에서 제작된 정류기 배열의 모드에 따른 측정된 정류 특성을 나타낸 그래프이며, 저전력 모드 선택 시 19.3 dBm의 입력 전력에서 최대 80.2 %를 가지며, 4.4～23.1 dBm의 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지하는 것을 확인하였다. 고전력 모드 선택 시 25.2 dBm의 입력 전력에서 최대 68.7 %의 PCE를 가지며, 13.9～28 dBm의 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지하는 것을 확인하였다. 이에 따라서 제안한 정류기 배열은 모드 선택에 따라서 이상적으로 4.4～28 dBm의 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지할 수 있다. 그림 4와 그림 6을 통해 정류기 배열의 시뮬레이션 및 측정결과를 비교할 수 있으며, 두 결과의 오차는 다이오드 및 커패시터의 모델링의 부정확성과 함께 고전력 모드 시 0 Ω이 아닌 약 7 Ω의 임피던스가 가변 임피던스단에서 보임으로써 발생한 오차이다.

그림 6. | Fig. 6. 제안된 정류기 배열의 2.45 GHz에서 입력 전력에 따른 PCE 측정 결과(R_L1=R_L2=680 Ω) | Measured PCE of the proposed rectifier array versus input power at 2.45 GHz (R_L1=R_L2=680 Ω).

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표 1은 기존 정류기 배열과 제안한 정류기 배열의 측정 결과를 비교한 표이며, 제안한 정류기 배열은 입력 전력에 따라서 모드 가변 시 기존 연구결과, 대비 훨씬 더 넓은 입력 전력 범위에서 높은 PCE를 유지하는 것을 확인하였으며, 그와 동시에 최대 PCE가 동일한 수준을 유지하는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 논문에서 제안한 가변 가능한 전력 분배 기반 정류기 배열의 효용성을 확인하였다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 넓은 입력 전력 범위를 갖는 가변 전력 분배 기반 정류기 배열을 제안하였다. 제안된 가변 전력 분배기는 저전력 모드 및 고전력 모드용 정류기를 결합하며, 입력 전력에 따라서 전력 분배율을 선택하여 넓은 입력 전력에서 높은 효율을 가질 수 있도록 설계하였다. 제안한 정류기 배열은 2.45 GHz에서 저전력 모드와 고전력 모드에서 4.4～23.1, 13.9～28 dBm의 전력 범위에서 50% 이상의 높은 효율을 유지하기 때문에, 입력전력에 따라서 적절한 모드 선택 시 이상적으로 4.4～28 dBm의 전력 범위에서 50 % 이상의 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한, 저전력 모드와 고전력 모드에서 각각 최대 80.2 %, 68.7 %의 높은 최대 효율을 얻는 측정결과를 통해서, 제작된 정류기 배열의 아이디어를 검증하였다.