A RF(Radio Frequency) and light hybrid energy harvesting system is proposed for autonomous IoT sensor. The hybrid energy harvester is comprised of an slot array antenna in 915MHz ISM band, a flexible thin film solar cell, and proposed hybrid DC power combining circuit. The solar cell is integrated on the ground plane of the slot array antenna. This integration has little effect on antenna performance such as return loss and antenna beam patterns.
The proposed hybrid DC power combining circuit is made up with a switch, a voltage comparator with hysteresis, and a DC-DC boost converter added to conventional DC power combining circuit in previous studies. The switch separates the load from the circuit, and the circuit works like a charging system. Then, each harvesters only depend on the voltage of an energy storage. The voltage comparator controls the voltage change in a specific narrow range. As a result, proposed circuit has enhanced performance which are stable RF input impedance matching with a change of light intensity, and improved power combining by reducing the power loss by comparison with previous researches.
A prototype of IoT sensor with proposed hybrid energy harvester is fabricated. The proposed system can harvests and combines DC power from both RF and light energy sources.
본 논문에서는 자주적인 IoT 센서를 위한 RF와 빛을 이용한 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 제안되었다. 하이브리드 에너지 하베스터는 다음과 같이 915MHz ISM 대역의 슬롯 배열 안테나, 유연한 박막 구조의 태양전지, 그리고 제안된 하이브리드 DC 전력 결합 회로로 구성된다. 태양전지는 슬롯 배열 안테나의 접지 면에 부착되었고, 이러한 결합은 안테나의 성능, 예를 들면 반사손실, 안테나 방사 패턴에 영향을 거의 주지 않았다.
제안하는 하이브리드 DC 전력 결합 회로는 스위치와 히스테리시스를 가지는 전압 비교기, 그리고 DC-DC 부스트 컨버터가 기존 연구에서 제시된 DC 전력 결합 회로에 추가된 형태이다. 스위치는 회로로부터 부하를 분리시켜, 회로가 충전 시스템처럼 동작하게하며, 그러면 각각의 에너지 하베스터는 에너지 저장 장치의 전압에만 의존하게 된다. 전압 비교기는 에너지 저장 장치의 전압 변화를 특정 좁은 범위 내로 제어하며, 그 결과 제안하는 회로는 기존 회로에 비해 빛의 세기의 변화에 안정한 RF 입력 임피던스 정합과 전력 손실을 줄여 향상된 전력 결합을 하는 향상된 성능을 가진다.
하이브리드 에너지 하베스터를 가지는 IoT 센서의 예시를 제작하였으며, 제안하는 시스템은 RF와 빛 에너지원 모두로부터 DC 전력을 수확하고 결합할 수 있음을 확인하였다.
