다중대역 RF 에너지 수집 모듈 단일 기판 통합

초록

본 논문은 GSM, ISM, WLAN, UWB 등 여러 주파수 대역을 포괄하는 RF 에너지 수집 모듈(RECTENNA)을 제안한다. coplanar monopole 안테나를 배열해 전력 수집 효율을 높이고, Wilkinson 전력 결합기를 이용해 배열 안테나의 출력을 합산한다. 7단계 RF‑DC 정류 회로와 직접 결합하여 외부 포트 연결 없이 40 dB 입력 전력에서 1.8 V DC를 얻는다. 임피던스 매칭은 결합기 분기점에 수동 부품을 삽입해 변환기 입력 임피던스와 동일하게 맞추었다.

상세 분석

이 연구는 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 및 사물인터넷(IoT) 디바이스의 자가 구동을 위한 RF 에너지 하베스팅 기술의 실용화를 목표로 한다. 가장 큰 특징은 다중 대역을 동시에 커버하는 안테나 어레이와 전력 결합기의 통합 설계이다. coplanar monopole 안테나는 평면 구조로 제작이 용이하고, 넓은 대역폭을 제공한다. 저자는 2×2 배열을 채택해 각 안테나 요소의 방사 패턴을 상호 보강하도록 설계했으며, 배열 간 위상 차이를 최소화하기 위해 동일한 길이와 동일한 급전 포인트를 유지하였다. 이러한 배열은 단일 안테나 대비 전력 수집 면적을 4배 확대하면서도 프로파일을 크게 늘리지 않는다.

전력 결합기로 Wilkinson 네트워크를 선택한 이유는 손실이 적고 포트 간 격리를 제공함으로써 각 안테나 요소에서 수집된 RF 전력을 효율적으로 합산할 수 있기 때문이다. 저자는 50 Ω 임피던스를 기준으로 설계된 3 dB 90° 위상 이동기를 사용해 각 포트의 전력을 동일하게 결합하고, 결합기 출력에 삽입된 저항값을 변환기 입력 임피던스와 일치시켜 매칭 손실을 최소화하였다. 이 과정에서 수동 부품(정밀 저항) 하나만 추가함으로써 복잡한 매칭 네트워크를 배제하고, 전체 모듈을 단일 기판에 집적할 수 있었다.

RF‑DC 변환 회로는 7단계 정류기(다이오드 브리지 + 전압 승압 회로)로 구성되어, 입력 전력이 -20 dBm 이하에서도 일정 수준의 DC 전압을 생성한다. 특히, 저전력 영역에서 효율을 높이기 위해 저전압 강하 Schottky 다이오드를 채택하고, 각 단계마다 적절한 커패시터를 배치해 리플을 억제하였다. 실험 결과, +40 dB(10 mW) 입력 전력에서 1.8 V DC를 얻었으며, 이는 일반적인 RF 하베스팅 시스템이 제공하는 전압보다 현저히 높은 수치이다.

또한, 포트 커넥터를 전혀 사용하지 않은 ‘포트리스’ 설계는 제조 공정 단순화와 비용 절감에 크게 기여한다. 전체 시스템이 하나의 PCB에 집적됨으로써 크기와 무게가 최소화되고, 실내·실외 환경에서 다양한 주파수 대역을 동시에 활용할 수 있다. 다만, 고출력(>+40 dB) 상황에서 정류기 포화 현상이 발생할 가능성이 있으며, 장기 안정성 및 온도 변화에 따른 임피던스 변동에 대한 추가 연구가 필요하다.