논문/REGULAR PAPERS

무선전력전송 및 에너지 하베스팅을 위한 고조파 억제 기반의 고효율 및 소형화 정류기 설계

최유진https://orcid.org/0009-0001-5484-6453, 기아탕 부이https://orcid.org/0000-0003-1628-2826, 남형석https://orcid.org/0000-0001-5610-3437, 서철헌https://orcid.org/0000-0002-6765-8734
Yujin Choihttps://orcid.org/0009-0001-5484-6453, Gia Thang Buihttps://orcid.org/0000-0003-1628-2826, Hyungseok Namhttps://orcid.org/0000-0001-5610-3437, Chulhun Seohttps://orcid.org/0000-0002-6765-8734
Author Information & Copyright
숭실대학교 정보통신공학과
School of Electronic Engineering, Soongsil University
Corresponding Author: Chulhun Seo (e-mail: chulhun@ssu.ac.kr)

© Copyright 2023 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Oct 20, 2023; Revised: Nov 01, 2023; Accepted: Nov 20, 2023

Published Online: Dec 31, 2023

요 약

본 논문은 고조파 억제를 기반으로 소형화 및 고효율의 2.45 GHz 정류기 설계를 제안한다. 제안된 정류기는 제2 고조파 및 제3 고조파를 억제하여 정류기의 RF-DC 효율을 향상시킨다. 또한 제2 고조파 억제 네트워크는 매칭에도 이용되어 추가적인 입력 임피던스 정합 네트워크가 필요하지 않으므로 작은 크기를 갖는다. 제작된 정류기는 12.5 dBm의 입력 전력에서 81.22 %의 매우 높은 PCE(power conversion efficiency) 측정 결과로 나타내며, 크기는 19 mm×15.5 mm이다.

Abstract

This paper proposes the design of a compact and highly efficient 2.45 GHz rectifier based on harmonic suppression. The proposed rectifier enhanced the RF–DC efficiency by suppressing the second and third harmonics. Additionally, a second harmonic suppression network was used for matching, thereby eliminating the need for an additional input impedance matching network and resulting in a smaller size. The fabricated rectifier demonstrated a very high power conversion efficiency (PCE) of 81.22 % at an input power of 12.5 dBm, with dimensions of 19 mm×15.5 mm.

Keywords: Rectifier; Energy Harvesting; Harmonic Suppression; WPT

Ⅰ. 서 론

최근 전자기기 무선전력전송 어플리케이션 증가로 인해 다양한 어플리케이션에서 사용할 수 있는 원격 충전 시스템이 요구되고 있으며, 이와 함께 무선전력전송 및 에너지 하베스팅과 관련된 마이크로파 정류기는 지속적으로 많은 관심을 받고 있다[1]~[5]. 무선전력전송 시스템에서 마이크로파 정류기는 수신된 RF 에너지를 DC 전력으로 변환하는 역할을 하며, 마이크로파 정류기의 PCE는 정류기를 설계 시 가장 고려해야 할 요소이다. 또한 무선전력전송 시스템에서 마이크로파 정류기의 소형화 및 고효율은 반드시 고려되어야 한다.

다이오드 기반 정류기는 비선형 소자로 인해 고조파가 발생하여 예상치 못한 손실을 가지며, 제안된 정류기는 PR(power recycling)[6]~[8]을 위한 고조파 네트워크를 통해 제2 고조파 및 제3 고조파를 무한 임피던스를 갖도록 하여 제2 고조파 및 제3 고조파가 다이오드에 다시 반사될 때 PR 메커니즘에 의해 향상된 PCE를 가질 수 있다. 또한 제2 고조파 억제 네트워크는 기본 주파수 입력 매칭에 이용되어 최종적으로 작은 사이즈의 정류기 구현을 가능하게 한다.

본 논문에서는 제2 고조파 및 제3 고조파를 억제하는 고조파 네트워크를 이용하여 2.45 GHz에서 고효율 및 소형화를 갖는 정류기를 구현한다.

Ⅱ. 고효율 및 소형화 정류기 설계 이론

그림 1은 제안된 정류기 도식도이며, 세 개의 주요 파트로 구성되어 있다. 세 개의 주요 파트 중 Part A는 제3 고조파 억제 역할을 하며, Part B는 제2 고조파 억제와 동시에 입력 매칭하는 역할을 한다. 마지막 파트는 DC pass filter와 로드 저항으로 구성된다. Part A와 Part B는 전송선로 TL1~TL3로 구성되어 있으며, 각각의 임피던스와 전기적 길이는 Zi, θi이다.

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그림 1. | Fig. 1. 제안된 정류기 schematic | Schematic of proposed rectifier.
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2-1 고조파 제어 네트워크

Part A는 다이오드의 anode에 연결되어 제3 고조파를 억제하고, Part B는 다이오드의 cathode에 연결되어 제2 고조파를 억제한다. 따라서 Part A와 Part B는 무한대의 임피던스를 가지며 power recycling 매커니즘에 의해 다이오드로 반사되어 결과적으로 효율을 상승시킨다. 고조파 제어 네트워크는 다음과 같이 식 (1)로 나타낼 수 있다.

Z s 2 f = ,  Z 3 3 f = ,
(1)

Zs2f는 제2 고조파에서의 임피던스 쇼트 스텁 임피던스, Zs3f는 제3 고조파에서의 쇼트 스텁 임피던스 값이다. Part A는 한 개의 전송선로 TL1으로 나타내어지며, 전송선로 이론에 따라 식 (2)와 같이 계산될 수 있다.

Z S 3 f = j Z S t a n θ 1 3 f ,
(2)

Zs3f가 무한대 임피던스를 갖기 위해서 TL1의 전기적 길이가 식 (3)과 같이 계산된다.

θ 1 3 f = λ 4 .
(3)

Part B는 접지와 직접 연결되어 있는 TL1과 달리, 소스 및 DC pass filter와 연결되어 있으며, 다른 부분과 독립적으로 2차 고조파 억제 작업을 하기 위해 TL3이 단락 포인트가 되어야 한다. TL3의 전기적 길이가 다음과 같을 때, 는 2차 고조파에서 0이 된다.

Z c 2 f = j Z 3 t a n θ 3 2 f ,   θ 3 2 f = λ 4 .
(4)

TL3에 의해 생성된 단락점에 의해 전송선로 TL2는 제2 고조파에서 단락 전송선로가 되며, 제3 고조파 억제 분석과 유사하게 제2 고조파에서 식 (1)의 무한 임피던스 Zx의 조건은 TL2의 전기적 길이로 달성될 수 있다.

θ 2 2 f = λ 4 .
(5)

따라서, 고조파 억제 네트워크는 전기적 길이에만 의존되며, 식 (3)식 (5)를 통해 제2 고조파 및 제3 고조파Zc에서 무한대의 임피던스를 가질 수 있다.

2-2 기본 매칭 네트워크

제안된 정류기에 기본 주파수 매칭을 위해서 고조파 네트워크 TL1, TL2, TL3(Z1, Z2, Z3)의 특성 임피던스를 이용하였다. 그림 1ZA 임피던스를 소스 임피던스 Zg=50 과 일치시키기 위한 조건은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

Z A f = Z D f + Z S f = R A f + j X A f
(6)

여기서 ZDf는 다이오드 임피던스이며, 참고문헌 [9]의 이론 및 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 주파수 및 전력에 해당되는 값을 알 수 있다. ZSf식 (2)에 의해 해당하는 전기적 길이 θ1fθ1f=θ12f로 계산되며, RAfXAf는 각각 ZDf의 실수 부분과 허수 부분이다. 따라서, 참고문헌 [10]의 전송선로 이론에 기초하여 다음과 같이 어드미턴스 YB=1ZB 는 계산된다.

Y B f = 1 Z 2 Z 2 + j Z A f t a n θ 2 f Z 2 Z A f + j Z 2 ,
(7)

식 (7)에서 YB의 실수 부분은 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.

R e Y B f = R A f + R A f t a n θ 2 f 2 R A f 2 + X A f + Z 2 f t a n θ 2 f 2 .
(8)

ZAZB를 일치시키는 첫 번째 단계는 ReYBf1Zg 과 같게 조정하는 것이다. 식 (8)을 통해 Z2식 (9)와 같이 계산될 수 있다.

Z 2 = R A f Z g + Z g t a n θ 2 f 2 R A f X A f t a n θ 2 f
(9)

또한 θ2f식 (5)를 통해 계산된다.

θ 2 f = θ 2 2 f 3 = λ 12 .
(10)

식 (9)를 통해 Z2를 계산한 뒤 YB의 허수부는 식 (11)과 같이 계산될 수 있다.

I m Y B f = R A f 2 + X A f 2 + Z 2 2 t a n θ 2 f + Z 2 X A f t a n θ 2 f 2 1 Z 2 R A f 2 + Z 2 X A f + Z 2 f t a n θ 2 f 2 ,
(11)

YB의 허수부는 ZCf=1/YBf일 때 보상될 수 있다. 따라서 TL3의 특성 임피던스는 식 (12)와 같이 계산된다.

Z 3 = t a n θ 3 f Z 2 R A f 2 + Z 2 X A f + Z 2 f t a n θ 2 f 2 R A f 2 + X A f 2 + Z 2 2 t a n θ 2 f + Z 2 X A f t a n θ 2 f 2 1
(12)

TL1의 특성 임피던스 Z1는 임의의 값을 사용할 수 있으며, Z1에 따라 Z2, Z3가 결정된다. 즉 적절한 Z1을 선택하여 제작에 용이한 Z2, Z3를 구해야 함을 알 수 있다. 따라서, 별도의 소스 입력 매칭에 필요없이 고조파 네트워크를 이용하여 소형화된 정류기를 설계할 수 있다. 그림 2에 설계된 정류기의 기본주파수, 제2 고조파, 제3 고조파 주파수에서의 Zin시뮬레이션 결과를 스미스 차트에 나타내었다.

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그림 2. | Fig. 2. 설계된 정류기의 기본주파수, 제2 고조파, 제3 고조파 주파수에서의 임피던스 시뮬레이션 결과 | Simulated impedance at the fundamental, second and third harmonic frequency in the designed rectifier.
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Ⅲ. 실험 결과 및 측정 결과

제안된 정류기의 검증을 위해서 2.45 GHz에서 고조파 제어 기반의 정류기를 설계하였으며, 그림 3과 같다. 제작에 사용된 소자 및 기판은 쇼트키 다이오드 BAT15-03W, 최적의 효율을 갖는 로드 저항 RL=680 Ω, 0.8 mm 두께의 Taconic TLY-5(εr=2.2, tanδ=0.0009) 기판이다. 또한 고조파 억제 및 입력매칭을 위한 파라미터 값을 식 (4), 식 (5)식 (10)을 Matlab 및 ADS(advanced design system) software를 사용하여 구하고 표 1표 2에 정리하였다. 정리를 위해서 Agilent사의 신호 발생기 N5182A 및 디지털 전압계를 사용하였으며, 신호 발생기를 통해 생성된 RF 신호는 동축케이블을 통해 정류기로 전달되고 출력 전압은 디지털 전압계에 의해 부하 저항에서 측정된다. 그림 4는 입력 전력에 따른 PCE 및 출력 전압 시뮬레이션 및 측정 결과이다.

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그림 3. | Fig. 3. 제작된 정류기 사진 | Photograph of the implemented rectifier.
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표 1. | Table 1. 전송선로의 파라미터 | Parameters of transmission lines.
TL 1 TL 2 TL 3
Zi(Ω) 140 140 150
θi(degree) 30 45 45
f (GHz) 2.45 2.45 2.45
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표 2. | Table 2. 이전에 발표된 연구들과의 비교 | Comparison with the previously reported work.
Ref Fre. (GHz) Max. PCE Pin (dBm) Diode Size
[11] 2.45 74.9 % 10.1 HSMS2860 0.075
[12] 2.45 80.9 % 20 HSMS282 0.051
[13] 2.45 66.5 % 10 HSMS2860 0.053
This work 2.45 81.2 % 12.5 BAT15-03W 0.020

λ : Wavelength at the frequency.

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그림 4. | Fig. 4. 입력 전력에 따른 2.45 GHz에서의 시뮬레이션 결과 및 2.37 GHz에서 측정 결과 | Performance versus input power at 2.45 GHz for simulation and at 2.37 GHz for measurement. (RL= 680 Ω).
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시뮬레이션 결과는 2.45 GHz, 11.5 dBm의 입력 전력에서 84.84 %의 최대 PCE를 가지며, 측정 결과는 2.38 GHz, 12.5 dBm에서 81.22 %의 최대 PCE를 달성함을 확인하였다. PCE는 식 (13)을 통해 계산되었다.

P C E = V o u t 2 R L P i n × 100   % ,
(13)

식 (13)에서 Vout은 출력 전압, Pin은 입력 전력이다.

그림 5는 주파수와 입력 전력에 따른 PCE 측정 결과이다. −10 dBm, 0 dBm, 10 dBm 그리고 12 dBm의 입력 전력에서 각각 29.23 %, 55.62 %, 80.60 %, 80.15 %의 최대 PCE를 달성했음을 확인했다.

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그림 5. | Fig. 5. 주파수와 입력 전력에 따른 PCE 측정 결과 | PCE versus frequency at −10 dBm, 0 dBm, 10 dBm, and 12 dBm for measurement.
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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 고효율 및 소형화를 위한 정류기를 제안한다. 또한, 매칭 네트워크는 제안된 구조가 소형화된 크기를 가지면서도 고효율을 달성되도록 하는 제2 고조파 억제에서 조사된다. 검증을 위해서 제작된 정류기는 19 mm×15 mm의 크기를 갖는다. 또한 2.38 GH, 12.5 dBm에서 최대 81.23 %의 PCE를 갖는 것을 확인함으로써 제안된 정류기의 효용성을 검증하였다.

Acknowledgements

이 연구는 2017학년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구 사업임 (No. NRF-2017R1A5A1015596).

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Notes

최 유 진 [숭실대학교/석사과정]

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  • https://orcid.org/0009-0001-5484-6453

  • 2021년 2월: 숭실대학교 전자정보공학부 전자공학전공 (공학사)

  • 2022년~현재: 숭실대학교 정보통신공학과 석사과정

  • [주 관심분야] RF, RF 무선전력전송 기술, RF Power Amplifier 등

기아 탕 부이 [숭실대학교/박사과정]

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  • https://orcid.org/0000-0003-1628-2826

  • 2021년 3월 : 하노이 과학기술대학교 전자통신학과 (공학사)

  • 2023년 3월: 숭실대학교 정보통신공학과 (공학석사)

  • 2023년 ~현재: 숭실대학교 정보통신공학과 박사과정

  • [주 관심분야] RF 무선전력 전송 기술, RF Power Amplifier 등

남 형 석 [숭실대학교/석․박사통합과정]

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  • https://orcid.org/0000-0001-5610-3437

  • 2017년 9월: 숭실대학교 정보통신전자공학부 (공학사)

  • 2017년~현재: 숭실대학교 정보통신공학과 석․박사통합과정

  • [주 관심분야] RF 무선전력 전송 기술, RF Power Amplifier 등

서 철 헌 [숭실대학교/교수]


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