2.1 RF 에너지 하베스팅 장치와 편파 손실

RF 에너지 하베스팅 시스템은 운용 시 타 무선 시스템 대비 손실에 대한 영향을 많이 받으므로 이를 줄이기 위한 대책이 필요하다. 단일 대역 에너지 하베스팅 시스템은 편파 차이로 인해 발생하는 손실을 줄이는 방법을 통해 수신 전력을 향상시킬 수 있다. 안테나의 주요한 특성 중 하나인 편파는 전기장의 방향으로 정의되며, 선형편파와 원형편파가 존재한다. 무선 시스템에 널리 사용되는 안테나인 다이폴 및 패치 안테나의 경우 선형 편파의 특성을 지니므로 해당 안테나의 수신 효율을 높이려면 송신 안테나와 수신 안테나와의 편파 방향이 일치해야 한다. 그러나 현실적으로 송신 안테나의 편파 방향은 파악하기 쉽지 않으므로 두 안테나 간의 편파 방향이 맞춰지지 않는 경우가 자주 발생하며, 이로 인해 편파 방향 불일치로 인한 손실이 발생하게 된다. 편파 불일치로 인해 발생하는 손실은 편파 손실 인자 $PLF$로 표현되며 이에 대한 식은 다음과 같다.

여기서, $\bar{E}_{\mathrm{Inc}}$는 입사 전기장 벡터, $\bar{E}_{\mathrm{}}$는 방사 전기장 벡터를 의미한다. 각각의 전기장 벡터는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있으며 $PLF$는 식(4)와 같이 표현할 수 있다.

여기서, $\hat\rho_{w}$는 입사파, $\hat\rho_{a}$는 송신 안테나의 단위 편파 벡터이며, $PLF$는 다음과 같이 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 각도 $\phi$에 대한 식으로 나타낼 수 있다.

편파 불일치로 인해 발생하는 손실을 포함하여 프리스 전달 공식으로 나타낸 수신 안테나의 입사 전력은 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, $P_{R}$은 수신 안테나에서 입사하는 전력이며, $PLF$는 편파 손실 인자, $P_{T}$는 송신 안테나에서 방사되는 전력, $G_{T}$는 송신 안테나의 이득, $\lambda$는 중심 주파수의 파장, $R$은 두 안테나 사이의 거리이다.

위 식을 통해 수신 안테나의 입사 전력은 두 안테나 사이의 각도에 의해 결정되며, 편파 불일치에 대한 손실은 두 안테나 사이가 의 차이를 가질 때 최대가 되어 이론상 수신되는 전력이 0임을 알 수 있다. 이와 같은 편파 손실 문제를 해소하기 위해 사용된 이중 편파 안테나는 단일 선형편파 안테나에 비해 편파 손실에 의한 수신 전력 저하가 적으므로 다양한 편파 방향에 효과적으로 대응할 수 있다.

2.2 정류회로 효율 및 Dickson 차지 펌프 정류 회로

정류회로의 효율은 RF 에너지 하베스팅 장치의 성능을 좌우하는 결정적인 요소이다. RF 에너지 하베스팅 장치에서의 정류 회로 효율 $\eta_{RF-DC}$은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 $V_load$는 부하 저항에 걸리는 전압, $R_{load}$는 부하 저항, $P_{\\in}$은 정류회로로 입사하는 전력을 나타낸다. 일반적인 RF 에너지 하베스팅 장치의 안테나에서 수신하는 전력은 수 $\mu W$ 수준의 미약한 교류 신호이므로 이를 직류 신호로 변환함과 동시에 출력 전압을 상승시키는 과정이 필요하다. 대부분의 정류회로는 이러한 효과를 얻기 위해 비선형 소자인 다이오드를 사용하며, 반파 정류회로부터 전파 정류회로, 차지펌프 정류회로 등 다양한 구조의 정류회로를 사용하여 직류 출력을 얻고 있다⁽¹²⁾.

제안된 시스템은 두 개의 Dickson 차지 펌프 회로를 사용하여 이중 편파 안테나에 대응하는 정류 회로 구조를 갖는다. 그림 2는 Dickson 차지 펌프의 기본 구조와 다단 구조의 회로도를 나타낸다. Dickson 차지 펌프 회로는 한 단당 한 쌍의 다이오드와 한 쌍의 커패시터로 구성된 회로로써 배전압(Voltage multiply) 기능이 있으며, 여러 개의 단을 제한 없이 연결하여, 간단히 전압을 높일 수 있는 정류회로라는 장점이 있으나, 연결된 정류회로의 단수가 증가할수록 다이오드의 손실로 인한 효율 감소가 증가하므로 적용하는 시스템에 따라 적절한 정류회로 단수 설정이 수반되어야 한다. 본 논문에 사용된 dickson 차지펌프의 정류회로 소자는 Skyworks 사의 SMS-7630-061 쇼트키 다이오드와 0.1 uF 세라믹 커패시터가 사용되었으며, DC 출력단에 부하저항으로 1 kΩ 저항을 사용하였다.

2.3 제안된 이중 편파용 정류회로 구현

이중 편파 안테나에서는 총 두 개의 RF 입력을 얻을 수 있다. 여기서 얻은 입력 전력을 가장 효율적으로 변환하는 정류회로의 구조를 검증하기 위해 에너지 하베스팅 장치의 Dickson 차지 펌프 정류 회로에 구성된 다이오드 단수를 1단부터 4단까지 총 4가지 단계의 정류회로 모델을 사용하였으며, 각 단계별로 차지 펌프 회로의 직류 출력 부분을 직렬 또는 병렬로 연결하여 총 8개의 모델을 제작하였다. 모든 차지 펌프 회로의 반사계수는 2.45 GHz 중심주파수에서 최소 -14 dB 이하가 되도록 정합하였다. 최종 구현된 Dickson 차지 펌프의 회로도는 그림 3과 같다.

3.1 측정 환경 구축

측정 환경은 그림 4와 같이 구축하였다. 2.45 GHz RF 신호 발생기에서 나온 정현파 신호가 double-Rigid 혼 안테나에서 방사되며, 이는 25 cm 이격된 이중 편파 에너지 하베스팅 장치로 입사된다. RF 신호 발생기에서 에너지 하베스팅 장치의 정류회로까지의 총 손실은 -20 dB이며 이를 보상하여 에너지 하베스팅 장치로 입사하는 수신 전력을 조절하여 실제 정류회로에 가해지는 전력의 조절 범위는 -20 dBm부터 10 dBm으로 지정하였다. 마지막으로 에너지 하베스팅 장치의 직류 출력을 디지털 멀티미터와 연결하여 출력전압 및 출력전력을 측정하였다.

3.2 측정 결과

앞서 제시한 8가지 정류회로 모델에 대해 측정을 실시하여 얻은 결과는 그림 5와 같다. 그림 5(a)와 (b)는 각각 직렬 및 병렬연결 장치의 단수 별 출력 전압을 도식한 것이며, 그림 5(c)와 (d)는 단수 별 출력 전력, 그림 5(e)와 (f)는 변환 효율

을 나타낸다. 측정 결과 직렬 및 병렬연결 방식 모두 다이오드 연결 단수가 높아질수록 다이오드에 의한 손실로 인해 변환 효율의 저하가 나타나기 시작하며, 4단으로 구성된 정류회로가 가장 낮은 변환 효율을 보였다. 출력 전압 및 전력, 효율을 종합적으로 비교했을 때 가장 최적의 변환 효율을 나타낸 것은 병렬 2단 회로임을 확인하였다.