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KR101183525B1 - 이동 단말의 배터리를 무선으로 충전하기 위한 ｒｆ 에너지 수확 시스템 및 방법 - Google Patents

이동 단말의 배터리를 무선으로 충전하기 위한 ｒｆ 에너지 수확 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101183525B1
KR101183525B1 KR1020100055263A KR20100055263A KR101183525B1 KR 101183525 B1 KR101183525 B1 KR 101183525B1 KR 1020100055263 A KR1020100055263 A KR 1020100055263A KR 20100055263 A KR20100055263 A KR 20100055263A KR 101183525 B1 KR101183525 B1 KR 101183525B1
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South Korea
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energy harvesting
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capacitor
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정태경
하미드 자바르
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 이동 단말이 주위에 존재하는 통신용 RF 신호들을 소스로 이용하여 배터리를 충전하기 위한 RF 에너지 수확 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 RF 에너지 수확 시스템은, 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로, 및 상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 포함하고, 상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로, 및 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초한 회로로 구성된다.

Description

이동 단말의 배터리를 무선으로 충전하기 위한 ＲＦ 에너지 수확 시스템 및 방법{Radio Frequency Energy Harvesting System and Method for Charging Battery of Mobile Devices}
본 발명은 RF 에너지 수확 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 이동 단말 등 시스템 주위에 존재하는 통신용 RF 신호들을 소스로 이용하여 배터리를 충전하기 위한 RF 에너지 수확 시스템 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 많은 무선 통신 장치들은 공중에 방사된 다양한 주파수 대역의 전자기파를 이용하여 각종 이동 통신 서비스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 셀룰러 폰 등 포터블 단말뿐만 아니라, 이동 통신/무선 인터넷/라디오/TV 방송 기지국이나 중계기, 휴대 인터넷 기지국이나 중계기, 인공 위성 등은 GSM, (W)CDMA, 무선 인터넷, 라디오 방송, TV 방송, WIBRO(휴대 인터넷), DMB, GPS 등의 서비스를 위하여 해당 서비스 채널에 정해진 일정 대역의 RF 신호를 이용한다.
그러나, 셀룰러 폰 등의 포터블 단말에 장착된 배터리는 서비스 이용 시간에 따라 다르지만, 일정 시간, 예를 들어, 하루 내지 이틀 이내에 충전된 전하량 또는 에너지가 소모되되므로, 재충전하여 사용되어야 한다. 사용자는 단말을 충전 거치대에 올려 놓거나 파워 아웃렛(outlet)에 연결된 파워 변환 장치를 유선으로 단말에 연결하여 배터리를 재충전하여 사용할 수 있다.
그러나, 사용자가 충전 거치대나 파워 아웃렛을 통하여 단말의 배터리, 또는 기타 자동차 배터리 등 대용량 에너지 저장장치를 재충전하여야 하는 번거로움을 없애기 위하여, 주위에 방사되는 다양한 무선 통신용RF 무선 신호를 이용하여 배터리를 재충전하여 무선 통신 서비스를 원활히 이용할 수 있게 하는 RF 에너지 수확 장치가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 주위에 방사된 무선 신호를 이용하여 이동 단말의 배터리, 자동차 배터리 등 대용량 에너지 저장장치를 충전하거나 시스템에 전원을 공급할 수 있는 RF 에너지 수확 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 다단 증폭 및 정류 방식을 이용하여 미약한 무선 신호를 증폭하고 DC로 정류하여 배터리 또는 대용량 에너지 저장장치를 충전하거나 시스템에 전원을 공급할 수 있는 고성능 RF 에너지 수확 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 RF 에너지 수확 시스템은, 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로; 및 상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 포함하고, 상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로, 및 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초한 회로이다.
상기 다단 증폭 및 정류회로는, 상기 순방향 다이오드의 양 단자 사이에 연결된 제2 클램프 회로, 및 상기 제2 클램프 회로의 양 단자 사이에 연결된 제2 피크 정류기를 포함하는 제2 스테이지 회로; 및 상기 제2 스테이지 회로의 양 단자 사이에 연결된 제3 클램프 회로, 및 상기 제3 클램프 회로의 양 단자 사이에 연결된 제3 피크 정류기를 포함하는 제3 스테이지 회로를 포함한다.
상기 역방향 다이오드는 소스 단자와 게이트 단자를 연결한 NMOS 트랜지스터로 이루어지고, 상기 순방향 다이오드는 드레인 단자와 게이트 단자를 연결한 NMOS 트랜지스터로 이루어진다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 RF 에너지 수확 시스템은, 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로; 및 상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 포함하고, 상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 NMOS 트랜지스터가 연결된 클램프 회로, 및 상기 NMOS 트랜지스터의 소스와 드레인 단자 사이에 PMOS 트랜지스터와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초한 회로이며, 상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 PMOS 트랜지스터의 게이트 단자가 한 접점에 연결되고, 상기 접점과 상기 스테이지 회로의 한 출력 단자 사이에 연결된 제1 저항, 상기 접점과 상기 스테이지 회로의 다른 출력 단자 사이에 병렬 연결된 제2 저항과 제3 커패시터를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 RF 에너지 수확 시스템은, 복수의 RF 에너지 수확 장치 및 상기 복수의 RF 에너지 수확 장치 중 어느 하나를 선택하여 동작시키기 위한 콘트롤러를 포함하고, 상기 복수의 RF 에너지 수확 장치는 각각이, 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로; 상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로; 상기 RF 신호의 파워를 검출하는 RF 파워 검출기; 및 상기 다단 증폭 및 정류회로의 출력을 검출하는 피크 검출기를 포함하고, 상기 콘트롤러가 상기 RF 파워 검출기의 출력 및 상기 피크 검출기의 출력에 기초하여 상기 복수의 RF 에너지 수확 장치 중 어느 하나를 선택하여 동작시킬 때, 선택된 해당 RF 에너지 수확 장치에 포함된 해당 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로, 및 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초하여 전압을 출력한다.
상기 RF 에너지 수확 시스템은 이동 단말에 내장되고, 상기 다단 증폭 및 정류회로의 출력 전압에 기초하여 상기 이동 단말의 배터리를 충전하거나 상기 이동 단말의 동작을 위한 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 RF 에너지 수확 방법은, 안테나를 통해 주위의 RF 신호를 수신하여 임피던스 매칭회로로 출력하고, 상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 이용하여 일정 전압을 공급하며, 여기서, 상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로를 이용하여 역방향 전압을 저장하고, 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 이용하여 상기 역방향 전압에 의하여 상승된 순방향 전압을 출력한다.
상기 다단 증폭 및 정류회로에서 출력되는 전압을 이용하여 이동 단말의 배터리를 충전하거나 상기 이동 단말의 동작을 위한 전원을 공급한다.
본 발명에 따른 고성능 RF 에너지 수확 시스템 및 방법에 따르면, 다단 증폭 및 정류 방식을 이용하여 미약하게 주위에 방사된 무선 신호를 증폭하고 DC로 정류하여 에너지를 수확함으로써, 고성능으로 이동 단말의 배터리를 충전하거나 이동 단말에 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 방식의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 시스템의 구체적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로와 증폭 및 정류회로에 대한 도면이다.
도 4는 도 3의 회로에 대한 출력 특성의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로와 다단 증폭 및 정류회로에 대한 도면이다.
도 6은 RF 소스의 주파수에 따른 다단 증폭 및 정류회로의 특성 그래프이다.
도 7은 RF 소스의 파워에 따른 다단 증폭 및 정류회로의 특성 그래프이다.
도 8은 RF 소스로부터의 거리에 따른 다단 증폭 및 정류회로의 특성 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로와 증폭 및 정류회로에 대한 구현예이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로와 증폭 및 정류회로에 대한 다른 구현예이다.
도 11은 도 9와 도 10의 매칭회로와 증폭 및 정류회로에서의 RF 소스의 파워에 따른 출력 전압의 비교 그래프이다.
도 12는 도 11의 결과를 정리한 결과표이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 방식의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따라 이동 단말의 배터리를 무선으로 충전하거나 이동 단말의 동작을 위한 전원을 공급하기 위하여 사용될 수 있는 RF(Radio Frequency) 소스는, 무선 통신을 위하여 주위에 방사되는 각종 RF 신호일 수 있다. 여기서 RF 신호는 마이크로 와트급의 저전력 전자기파 신호부터 수십 와트급 고전력 전자기파 신호 등 일정 파워로 방사되는 어떤 주파수 대역의 신호라도 가능하다. 예를 들어, GSM, (W)CDMA 등 이동 통신을 위한 기지국의 안테나에서 방사되는 RF 신호가 이용될 수 있으며, 이외에도 무선 인터넷, WIBRO(휴대 인터넷) 등을 위한 기지국의 안테나에서 방사되는 RF 신호, GPS 등을 위한 위성 안테나로부터의 RF 신호, 라디오 방송, TV 방송, DMB 등을 위한 중계국의 안테나로부터의 RF 신호, 또는 파워 아웃렛으로부터 전기 에너지를 공급받아 임의 대역의 RF 신호를 발생하는 사용자의 소스 발생기로부터의 RF 신호 등 다양한 전자기파 신호가 이용될 수 있다.
여기서, 이동 단말(이동 통신 단말)은 셀룰러폰(Cellular phone) 이외에도 피씨에스폰(PCS phone: Personal Communications Services phone), 동기식/비동기식 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000) 등이나 팜 PC(Palm Personal Computer), 개인용 디지털 보조기(PDA:Personal Digital Assistant), 스마트폰(Smart phone), 왑폰(WAP phone:Wireless application protocol phone), 모바일 게임기(mobile play-station) 등 각종 무선 통신 서비스를 이용할 수 있는 모든 단말을 의미한다.
이와 같은 이동 단말에 본 발명에 따른 RF 에너지 수확 시스템(100)이 내장될 수 있으며, RF 에너지 수확 시스템(100)은 이동 단말의 배터리를 충전하거나 이동 단말의 동작을 위한 전원을 공급할 수 있게 된다.
여기서, 이동 단말의 배터리를 충전하거나 전원을 공급하기 위한 RF 에너지 수확 시스템(100)을 설명하지만, 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 시스템(100)은 자동차 등 배터리를 사용하는 시스템에 내장되어 그 시스템의 배터리와 같은 대용량 에너지 저장장치를 충전하거나 자동차 등 해당 시스템에 전원을 공급하는데 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 RF 에너지 수확 시스템(100)은, 주위의 RF 신호를 수신하는 안테나(110), 안테나(110)에 결합된 임피던스(예를 들어, 50 오옴) 매칭회로(120), 매칭회로(120)에 결합된 정류기(130), 정류기(130)에 결합된 전압 증폭기(140), 및 전압 증폭기(140)의 출력을 제어하는 콘트롤러(150)에 기초하여 주위의 RF 신호를 이용해 에너지를 수확한다. 콘트롤러(150)는 전압 증폭기(140)의 출력으로 이동 단말의 배터리를 충전시킬 것인 지 여부 또는 이동 단말의 동작을 위한 전원을 공급할 것인지 여부를 선택할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 시스템(200)의 구체적인 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 RF 에너지 수확 시스템(200)은, 콘트롤러(210), 제1 RF 에너지 수확 장치(220), 제2 RF 에너지 수확 장치(230), 및 스위치(240)를 포함한다.
여기서, 제1 RF 에너지 수확 장치(220)와 제2 RF 에너지 수확 장치(230)는 각각 안테나(221/231), 매칭회로(222/232), 다단 증폭 및 정류회로(223/233), 출력 커패시터(224/234), RF 파워 검출기(225/235), 및 피크 검출기(226/236)을 포함한다. 여기서, 제1 RF 에너지 수확 장치(220)와 제2 RF 에너지 수확 장치(230)는 각각 서로 다른 주파수(예를 들어, 각각 400MHz와2.4 GHz)를 갖는 주위 RF 신호로부터 에너지를 수확한다. 여기서, RF 에너지 수확 장치는 2개(220, 230)인 것으로 예를 들어 설명하지만, 경우에 따라서 같은 구성을 갖는 RF 에너지 수확 장치가 더 포함될 수 있다.
콘트롤러(210)는 제1 RF 에너지 수확 장치(220)와 제2 RF 에너지 수확 장치(230) 중 어느 하나를 선택하여 동작시킬 수 있다. RF 파워 검출기(225/235)는 안테나(221/231)를 통하여 수신되는 RF 신호의 파워를 검출하며, 피크 검출기(226/236)는 다단 증폭 및 정류회로(223/233)의 출력, 즉, 다단 증폭 및 정류회로(223/233)가 출력 커패시터(224/234)를 충전할 때의 해당 전압을 검출한다. 콘트롤러(210)는 RF 파워 검출기(225/235)가 검출한 파워량과 피크 검출기(226/236)가 검출한 전압 크기에 기초하여 제1 RF 에너지 수확 장치(220)와 제2 RF 에너지 수확 장치(230) 중 어느 하나를 선택하여 동작시킬 수 있다. 예를 들어, RF 파워 검출기(225)의 출력이 RF 파워 검출기(235)의 출력보다 크며, 피크 검출기(226)의 출력이 피크 검출기(236)의 출력보다 크면, 콘트롤러(210)는 제1 RF 에너지 수확 장치(220)를 동작시키고, 이때 스위치(240)를 제어하여, 매칭 회로(222), 다단 증폭 및 정류회로(223), 출력 커패시터(224)를 거쳐 출력되는 전압(예를 들어, DC 전압)이 이동 단말의 배터리를 충전하거나 이동 단말의 동작을 위한 전원으로 공급되도록 할 수 있다. 이때, 제2 RF 에너지 수확 장치(230)의 동작은 정지되는데, 이를 위하여 콘트롤러(210)는 안테나(231)를 통해 수신된 RF 신호가 매칭 회로(232)로 입력되지 않도록 소정 스위치를 이용해 제어할 수 있다.
위에서, 콘트롤러(210)가 제1 RF 에너지 수확 장치(220)를 선택하여 동작하는 방법을 설명하였고, 마찬가지로 안테나(231)를 통하여 수신되는 RF 신호의 파워가 큰 경우에 제2 RF 에너지 수확 장치(230)를 선택하여 동작시키는 방식도 위와 유사한 방식으로 제어할 수 있다.
RF 에너지 수확 장치들(220/230)의 매칭회로(222/232)와 다단 증폭 및 정류회로(223/233)는 각각 도 3과 같은 매칭회로(310)와 증폭 및 정류회로(320)에 기초하여 에너지를 수확할 수 있다.
도 3을 참조하면, 매칭회로(310)는 안테나의 저항(예를 들어, 50오옴)과 임피던스를 매칭시키기 위한 회로로서, 안테나의 양단에 결합된 커패시터(Ctune)를 포함하며, 이외에도 필요에 따라 인덕터, 저항 등을 더 포함할 수도 있다. 증폭 및 정류회로(320)는 클램프(clamp) 회로(312)와 피크 정류기(peak rectifier)(322)를 포함한다. 다단 증폭 및 정류회로(223/233)를 위하여 증폭 및 정류회로(320)로 이루어지는 스테이지 회로를 복수개 결합하여 이용할 수 있다.
클램프 회로(312)는 두 입력 단자 사이에 커패시터(Cclamp)와 역방향 다이오드(D1)가 직렬 연결된 회로이다. 피크 정류기(322)는 역방향 다이오드(D1)의 양 단자 사이에 순방향 다이오드(D2)와 커패시터(Crectifier)가 직렬 연결된 회로이다. 여기서, 순방향은 안테나의 + 단자에서 안테나의 - 단자로 전류가 흐르는 방향으로서, 해당 양측 단자 중 + 단자의 전압이 - 단자의 전압보다 크면 도통되고, 그렇지 않으면 오프(off)되는 방향이다.
도 3에서, 안테나는 AC 전압 형태로 RF 신호를 수신하게 되며, 안테나로부터 음의 전압이 들어올 때, 역방향 다이오드(D1)는 온(on)되며 이때 커패시터(Cclamp)에는 해당 역방향 전압이 저장된다. 다음 순간 안테나로부터 양의 전압이 들어올 때, 역방향 다이오드(D1)는 오프되고 순방향 다이오드(D2)가 온(on)되며 이때 들어오는 양의 전압과 커패시터(Cclamp)에 저장된 역방향 전압이 합해지고, 이와 같이 합해진 전압, 즉, 역방향 전압에 의하여 상승된 순방향 전압은 순방향 다이오드(D2)를 통해 커패시터(Crectifier)로 출력될 수 있다. 증폭 및 정류회로(320)가 복수개 결합되면 위와 같은 방식에 따라 안테나를 통해 들어오는 전압을 원하는 만큼 증폭시켜 출력할 수 있게 된다.
도 4는 도 3의 회로에 대한 출력 특성의 그래프이다. 도 4는 소정 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과로서, 증폭 및 정류회로(320)는 입력 전압을 대략 2배로 증폭시킴을 확인할 수 있었다. 증폭 및 정류회로(320)를 스테이지 회로로 하여 n(자연수)개의 스테이지 회로를 결합한 다단 증폭 및 정류회로(223/233)는, [수학식 1]과 같이 입력 전압(Vin)에 대하여 거의 2n배의 출력 전압(Vout)을 생성할 수 있다.
[수학식 1]
Vout ≒ 0.95*2n*Vin
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로(222/232)와 다단 증폭 및 정류회로(223/233)에 대한 도면이다.
도 5에서, 매칭회로(222/232)는 도 3의 매칭회로(310)와 유사하며, 다단 증폭 및 정류회로(223/233) 중 제1 스테이지 회로(Stage-1)의 클램프 회로(C11, D11)와 피크 정류기(D12, C12)는 도 3의 증폭 및 정류회로(320)의 도 3의 클램프 회로(Cclamp, D1)와 피크 정류기(D2, Crectifier)와 유사하다. 이외에 다단 증폭 및 정류회로(223/233)는 제1 스테이지 회로(Stage-1)에 결합된 제2 스테이지 회로(Stage-2) 및 제3 스테이지 회로(Stage-3)를 더 포함한다.
제2 스테이지 회로(Stage-2)의 클램프 회로(C21, D21)와 피크 정류기(D22, C22) 및 제3 스테이지 회로(Stage-3)의 클램프 회로(C31, D31)와 피크 정류기(D32, C32)는 제1 스테이지 회로(Stage-1)의 클램프 회로(C11, D11)와 피크 정류기(D12, C12)가 결합되는 방식과 유사하게 결합된다. 다만, 제2 스테이지 회로(Stage-2)의 클램프 회로(C21, D21)는 제1 스테이지 회로(Stage-1)의 순방향 다이오드(D2)의 두 단자 사이에 연결되며, 제2 스테이지 회로(Stage-2)의 피크 정류기(D32, C32)는 도 3과 같은 방식으로 클램프 회로(C21, D21)의 두 단자 사이에 연결된다. 또한, 제3 스테이지 회로(Stage-3)의 클램프 회로(C31, D31)는 제1 스테이지 회로(Stage-1)의 두 단자 사이에 연결되며, 제3 스테이지 회로(Stage-3)의 피크 정류기(D32, C32)는 도 3과 같은 방식으로 클램프 회로(C31, D31)의 두 단자 사이에 연결된다.
도 6은 RF 소스의 주파수에 따른 다단 증폭 및 정류회로(223/233)의 특성 그래프이다. 여기서 RF 소스가 안테나(315/400MHz 안테나)로부터 파워가 13dBm의 파워로 방사될 때의 예시를 보여준다. 또한, 매칭회로(310)의 커패시턴스는 각 주파수에 대하여 최대 출력을 낼 수 있도록 조정되었다. 도 6과 같이 RF 소스의 주파수가 변함에 따라 안테나를 통해 에너지 수확 장치가 수신하는 파워는 약간씩 달라질 수 있으며, 적절한 주파수가 선택되어야 최적의 파워를 수신할 수 있게 된다.
도 7은 RF 소스의 파워에 따른 다단 증폭 및 정류회로(223/233)의 특성 그래프이다. 여기서 RF 소스의 파워를 변화시킬 때 안테나로부터 400MHz 또는 2.4GHz를 수신할 때의 예시를 보여준다. 도 7과 같이 RF 소스의 파워가 변함에 따라 안테나를 통해 에너지 수확 장치가 수신하는 파워는 비례하며, 에너지 수확 장치는 어떠한 RF 소스의 파워에 대하여도 최적의 파워를 수신할 수 있다.
도 8은 RF 소스로부터의 거리에 따른 다단 증폭 및 정류회로(223/233)의 특성 그래프이다. 여기서 RF 소스로부터의 거리를 변화시킬 때 안테나로부터 400MHz 또는 2.4GHz를 수신할 때의 예시를 보여준다. 도 8과 같이 RF 소스로부터의 거리가 변함에 따라 안테나를 통해 에너지 수확 장치가 수신하는 파워는 비례하지만, 다만, 2.4GHz 에 대하여는 빌딩 등의 주변 영향으로 거리가 멀어질 때 수신 파워가 감소한다. 출력 커패시터(224)를 크게하면 충전 시간이 오래 걸릴 수 있지만, 수신 파워를 증가시킬 수 있을 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로(310)와 증폭 및 정류회로(320)에 대한 구현예이다. 도 9에서, 도 3의 매칭회로(310)는 인덕터(Lm)를 포함하는 회로(910)로 이루어질 수 있다. 여기서, 회로(910)는 커패시터(Cm)를 더 포함할 수도 있다. 증폭 및 정류회로(320)는 커패시터(Cm), NMOS 트랜지스터들(FET: Field Effect Transistors)(N1, N2), 및 커패시터(CA)를 포함하는 회로(920)로 이루어질 수 있다. 커패시터(Cm)는 임피던스 매칭에도 기여하지만 역방향 전압의 저장에도 기여한다. 여기서 NMOS 트랜지스터들 중 역방향 다이오드를 위한 제1 NMOS 트랜지스터(N1)는 소스 단자와 게이트 단자가 연결되어 있다. 또한, 순방향 다이오드를 위한 제2 NMOS 트랜지스터(N2)는 드레인 단자와 게이트 단자가 연결되어 있다. 도 3의 동작과 유사하게 커패시터(CA)로 증폭된 순방향 전압이 출력된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 매칭회로(310)와 증폭 및 정류회로(320)에 대한 다른 구현예이다. 도 10에서, 도 3의 매칭회로(310)는 인덕터(Lm)를 포함하는 회로(1010)로 이루어질 수 있다. 여기서, 회로(1010)는 커패시터(Cm)를 더 포함할 수도 있다. 증폭 및 정류회로(320)는 커패시터(Cm), NMOS 트랜지스터(N3), PMOS 트랜지스터(P1), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 커패시터(C1)및 커패시터(CB)를 포함하는 회로(1020)로 이루어질 수 있다. 커패시터(Cm)는 임피던스 매칭에도 기여하지만 역방향 전압의 저장에도 기여한다.
여기서, NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트 단자와 PMOS 트랜지스터(P1)의 게이트 단자가 한 접점에 연결되어 있고, 제1 저항(R1)은 상기 접점과 스테이지 회로(1020)의 한 출력 단자 사이에 연결되며, 제2 저항(R2)와 커패시터(C1)은 상기 접점과 스테이지 회로(1020)의 다른 출력 단자 사이에 병렬 연결된다. 도 3의 동작과 유사하게 커패시터(CB)로 증폭된 순방향 전압이 출력된다.
도 11은 도 9와 도 10의 매칭회로와 증폭 및 정류회로에서의 RF 소스의 파워에 따른 출력 전압의 비교 그래프이다. 도 12는 도 11의 결과를 정리한 결과표이다. 증폭 및 정류회로(320)를 도 10과 같이 구현할 때, 도 11 및 도 12에서 보는 바와 같이, RF 소스의 입력 파워의 전체 구간에서 도 9의 회로에서보다 높은 파워의 출력을 생성하는 것을 알 수 있다. 특히, 입력 파워가 1000 마이크로 와트일 때 도 10의 회로는 가장 높은 파워의 출력을 생성하고, 그 이상 또는 그 이하에서는 파워의 증가율이 약간 작게 나타난다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210: 콘트롤러
220: 제1 RF 에너지 수확 장치
230: 제2 RF 에너지 수확 장치
240: 스위치
221, 231: 안테나
222, 232: 매칭회로
223, 233: 다단 증폭 및 정류회로
224, 234: 출력 커패시터
225, 235: RF 파워 검출기
226, 236: 피크 검출기

Claims (8)

  1. 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로; 및
    상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 포함하고,
    상기 다단 증폭 및 정류회로는,
    두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 제1 클램프 회로, 및 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 제1피크 정류기를 포함하는 제1 스테이지 회로; 상기 순방향 다이오드의 양 단자 사이에 연결된 제2 클램프 회로, 및 상기 제2 클램프 회로의 양 단자 사이에 연결된 제2 피크 정류기를 포함하는 제2 스테이지 회로; 및 상기 제2 스테이지 회로의 양 단자 사이에 연결된 제3 클램프 회로, 및 상기 제3 클램프 회로의 양 단자 사이에 연결된 제3 피크 정류기를 포함하는 제3 스테이지 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 역방향 다이오드는 소스 단자와 게이트 단자를 연결한 NMOS 트랜지스터로 이루어지고, 상기 순방향 다이오드는 드레인 단자와 게이트 단자를 연결한 NMOS 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 시스템.
  4. 안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로; 및
    상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 포함하고,
    상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 NMOS 트랜지스터가 연결된 클램프 회로, 및 상기 NMOS 트랜지스터의 소스와 드레인 단자 사이에 PMOS 트랜지스터와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초한 회로이며,
    상기 NMOS 트랜지스터의 게이트 단자와 상기 PMOS 트랜지스터의 게이트 단자가 한 접점에 연결되고, 상기 접점과 상기 스테이지 회로의 한 출력 단자 사이에 연결된 제1 저항, 상기 접점과 상기 스테이지 회로의 다른 출력 단자 사이에 병렬 연결된 제2 저항과 제3 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 시스템.
  5. 복수의 RF 에너지 수확 장치 및 상기 복수의 RF 에너지 수확 장치 중 어느 하나를 선택하여 동작시키기 위한 콘트롤러를 포함하고,
    상기 복수의 RF 에너지 수확 장치는 각각이,
    안테나를 통해 수신된 주위의 RF 신호를 입력받는 임피던스 매칭회로;
    상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로;
    상기 RF 신호의 파워를 검출하는 RF 파워 검출기; 및
    상기 다단 증폭 및 정류회로의 출력을 검출하는 피크 검출기를 포함하고,
    상기 콘트롤러가 상기 RF 파워 검출기의 출력 및 상기 피크 검출기의 출력에 기초하여 상기 복수의 RF 에너지 수확 장치 중 어느 하나를 선택하여 동작시킬 때, 선택된 해당 RF 에너지 수확 장치에 포함된 해당 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로, 및 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 포함하는 스테이지 회로에 기초하여 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 RF 에너지 수확 시스템은 상기 다단 증폭 및 정류회로의 출력 전압에 기초하여 소정 시스템에 내장된 배터리를 충전하거나 상기 소정 시스템의 동작을 위한 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 시스템.
  7. 안테나를 통해 주위의 RF 신호를 수신하여 임피던스 매칭회로로 출력하고,
    상기 임피던스 매칭회로의 출력에 결합된 다단 증폭 및 정류회로를 이용하여 일정 전압을 공급하며,
    여기서, 상기 다단 증폭 및 정류회로는, 두 입력 단자 사이에 제1 커패시터와 역방향 다이오드가 연결된 클램프 회로를 이용하여 역방향 전압을 저장하고, 상기 역방향 다이오드의 양 단자 사이에 순방향 다이오드와 제2 커패시터가 연결된 피크 정류기를 이용하여 상기 역방향 전압에 의하여 상승된 순방향 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다단 증폭 및 정류회로에서 출력되는 전압을 이용하여 소정 시스템의 배터리를 충전하거나 상기 소정 시스템의 동작을 위한 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 수확 방법.
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