Design of Contactless Power Transmission Device Using Cavity Resonator

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.11.1025

「이 논문은 2010학년도 건국대학교의 지원에 의하여 연구되었음.」

유니스트림(주)(UniStream, Co. Ltd.)

*건국대학교 전자정보통신공학과(Department of Electronics, Information & Communication Engineering, Konkuk University)

․논 문 번 호 : 20110512-038

․교 신 저 자 : 허정(e-mail : [email protected])

․수정완료일자: 2011년 9월 27일

공동공진기를 이용한 무접점 전력 전송 장치 설계

Design of Contactless Power Transmission Device Using Cavity Resonator

장 대 순․김 용 남․허 정*

Tae-Soon Chang․Yong-Nam Kim․Jung Hur*

요 약

본 논문은 공동공진기(cavity resonator)와 스트립라인(stripline) 구조를 이용하여 전력을 전송할 수 있도록 구 현한 무접점 전력 전송 장치에 관한 것이다. 전력 전송 시 송수신기가 밀착된 상태에서 구현되는 무접점 전력 전송 방식으로, 외부에 도체 단자가 없어 송수신기가 전기적으로 분리되며, 전력 송수신에 필요한 수신부의 크 기를 최소화할 수 있다. 공진기용 공동(cavity)의 윗면 도체판에 입력 포트 및 출력 포트용 슬롯(slot)을 구성하고, 그 위에 스트립라인 구조를 이용하여 입력 포트와 출력 포트를 형성한 공동공진기에서, 출력 포트의 일부를 분 리하여 탈착 가능하도록 전력수신부를 형성하고, 이 전력수신부를 제외한 나머지 부분 즉, 스트립라인-슬롯 결 합(coupling)된 입력 포트, 공동공진기, 출력 포트용 슬롯 등은 모두 전력송신부에 포함시킴으로 전력 전송 장치 를 송수신기로 분리하여 제작할 수 있다. 이 송수신기를 결합시키면 마치 하나의 공진기 내에서 입력 포트에서 출력 포트로 전력이 전달되는 형태가 된다. 제작된 무접점 전력 전송 장치의 중심 주파수는 5.782 GHz이며, 이 때 측정된 S

값은 —1.07 dB로 나타나 약 78 %의 높은 전력 전송율을 갖는 것을 확인하였다.

Abstract

In this paper, we introduce the contactless power transmission device for transmitting the power with the resonant characteristic of the cavity resonator. When transmitting the power, the contactless power transmission device begins to work in the condition where the transceiver adheres closely. The transceiver is electrically separated because there is no conductive terminal outside and the size of the receiver required for the electric power transmission can be minimized. The cavity resonator comprises slots for the input port and output port in the upper side conductor plate of the cavity and forms the input port and output port using the stripline structure at this upper part. The some of output port is separated from it and the electric power receiver is formed thus the union can be possible. The rest except electric power receiver become the electric power transmitter, which includes the input port of stripline-slot coupling, cavity, and the slot of the output port. If the transmitter and the receiver are combined, they become the form in which the electricity is transferred from the input port to the output port in a cavity resonator. The center frequency of the contactless power transmitter manufactured is 5.782 GHz. and S

is measured as —1.07 dB. It is confirmed that the high electric power transfer rate is approximately 78 %.

Key words : Contactless Power Transmission, Cavity Resonator, Stripline

Ⅰ. 서 론

에서 전송 거리가 수mm～수 cm 내외로 에너지를 전송하는 방식이다. 무접점 전력 전송 기술에서 전 자기 유도 방식이 가장 일반적이며, 두 개 코일의 상 대적 위치, 거리가 정확해야 높은 전송 효율로 전력 을 전달할 수 있다^[1]～[3]. 이 방식의 경우 휴대기기에 내장되는 수신 코일의 절대적인 크기가 커서 휴대기 기 내부에 실장하는데 어려움이 있고, 코일 위에 자 속이 통과하는 공간이 반드시 필요하다. 따라서, 이 공간을 축소시키기 위해 고가의 자성 재료(Ni-Zn, Mn-Zn 등)가 추가되어야 하기 때문에 비용이 많이 요구된다.

본 논문에서는 공동공진기와 스트립라인 구조를 이용하여 송수신기가 전기적으로 분리되고, 도체 단 자가 외부로 노출되지 않는 새로운 형태의 무접점 전력 전송 장치를 구현하였다. 공동공진기 위에 스 트립라인으로 급전한 구조 자체를 송신기와 수신기 로 분리함으로 장치의 구현이 가능하다. 공동공진기 구조의 거의 대부분은 송신기에 포함시키고, 나머지 부분을 수신기로 제작할 수 있어 수신기의 크기를 최소한의 크기로 작게 할 수 있다. 전력 전송을 위해 서 송신기와 수신기를 결합시키면 하나의 공동공진 기 형태가 완성됨으로 높은 효율로 전력이 전송된 다. 공동공진기 구조에서 급전을 위해서 스트립라인- 슬롯 결합을 사용하기 때문에 전력 전송 시 송신기 와 수신기는 전기적으로 분리된 형태로 제작될 수 있다. 따라서, 송수신기가 밀착된 상태에서 무접점 전력 전송 장치가 구현될 수 있다. 공동공진기 자체 를 송수신기로 분리하는 과정에서 수신기를 작게 제 작하기 때문에 송수신기 간에 임피던스 매칭이 설계 에 있어서 중요한 요소가 된다. 임피던스 매칭을 위 해서 송수신기의 여러 구조를 파라미터 스윕(pa- rameter sweep)을 통해 최적화하였다. 이를 위해 An- soft사의 상용 소프트웨어인 HFSS 시뮬레이터를 활 용하였다. 전력 전송의 효율을 측정하기 위해 HP- 8753ES 네트워크 분석기를 사용하였다.

이 무접점 전력 전송 장치는 휴대기기의 무선충 전 부분에 적용할 수 있다. 송수신기의 외부로 도체 단자가 노출되지 않는 무접점 구조이기 때문에 방전 을 줄이고, 방수, 방습 등의 사용 환경이 요구되는 분야에 적용 가능하다. 또한, 비교적 전력 전송 효율 이 높고, 부품의 크기에 민감하여 기존 기술의 적용

이 용이하지 않은 분야에 적용할 수 있다. 휴대폰과 같은 휴대기기의 충전 시스템으로 활용할 경우, 두 께가0.8 mm 이내의 스트립라인만으로 수신기를 구 성할 수 있기 때문에 구조물을 단순화, 최소화할 수 있다. 기존 무선 충전 방식 중에서 전력수신부를 상 당히 작게 만들 수 있으므로 제품화를 위한 설계 및 실장이 유리하다. 또한, 스트립라인을 구성하는 유 전체가 저가의 재료인FR4이기 때문에 아주 저렴하 게 장치를 구현할 수 있다.

Ⅱ. 무접점 전력 전송 장치의 구조 및 설계

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공동의TEmnl 모드에 대한 공진 주파수를 식 (1)에 서 얻을 수 있다. 여기서 f는 공진 주파수이며, c는 광속, L은 도체의 길이, H는 도체의 높이, W는 도체 의 폭을 나타낸다^[5].

공동은 여러 모드 중에서 TE101 주모드를 이용하 여5.8 GHz에서 공진하도록 계산했고, 경계 조건이 정해지는 전자파의 고유값인 m, n, l에 대해서 m=1, n=0, l=1로 대입하고 L, W, H를 산출하였으며, 전자 파의 고유값인n=0이기 때문에 도체의 높이에 해당 하는 H는 공진 주파수 결정에 있어 영향을 미치지 않아 상기 도체의 높이는 되도록 높지 않게 설정하 였다^[5]. 계산 결과, L=58 mm, W=29 mm, H=5 mm를 얻었다. 따라서, 도체벽으로 이루어진 공동 공진기 내부 공간의 크기는58 mm(L)×29 mm(W)×5 mm(H) 이다.

공동공진기의 외형은 구리 도체로 정하였다. 내부 공간을 둘러싼 구리 도체의 두께는 가로, 세로의 경 우13 mm로, 높이는 5 mm로 정했다. 가로, 세로의 경우는 공동공진기 위에 있는 구리판과 유전체 기판 을 서로 연결하기 위한 홀(hole)을 안정적으로 만들 기 위한 두께이다. 따라서, 외벽을 포함한 공동공진 기의 전체 크기는 84 mm(CL)×55 mm(CW)×10 mm (CH)이다. 여기서 공동은 사각체 형상으로 중앙에

비유전율이 1인 공기가 채워지게 된다.

공동공진기를 이용하여 무접점 전력 전송을 위한 송수신기를 설계하기 위해 공동공진기의 급전부에 스트립라인 구조를 적용하였다. 스트립라인은 마이 크로스트립 라인과 다르게 상부에 도체판이 더 있기 때문에 평행하고 넓은 상부 도체판, 하부 도체판 사 이에 폭이 좁고 얇은 도체 리본으로 입력되는 전파 를 넓은 상, 하부 도체판 사이 공간으로 전달할 수 있다. 또한, 외부로 전파가 유실되는 것을 최소화하 게 할 수 있게 된다.

급전을 위해서 스트립라인의 하부 도체판과 공동 의 상부 도체판을 같이 사용하였다. 공동의 상부 도 체판은 두께를 무시할 수 있는 정도로 얇게 형성되 어 있으며, 이 도체판에 입력 슬롯과 출력 슬롯을 형 성하였다. 입력 슬롯과 출력 슬롯의 상부에는 스트 립라인을 배치하여 스트립라인-입력 슬롯 결합 및 스트립라인-출력 슬롯 결합이 형성된다. 이 결합 슬 롯을 통해 공진기를 여기시킬 수 있다. 기판의 유전 체는 테플론이다. 유전상수가 2.17이고, 손실 탄젠트 (loss tangent)가 0.001로 아주 작은 값을 갖고 있어 전 력 전달 중 손실을 줄일 수 있다.

여기서, 스트립라인-입력 슬롯 결합, 스트립라인- 출력 슬롯 결합 중 스트립라인과-입력 슬롯 결합은 공동공진기의 입력 포트이며, 스트립라인-출력 슬롯 결합은 공동공진기의 출력 포트이다. 출력 포트에서 도체 리본과 상부 도체판 만을 따로 분리함으로 탈 착이 가능한 전력수신부가 된다. 이 전력수신부를 제외한 스트립라인-입력 슬롯 결합된 입력 포트, 공 동, 출력 슬롯은 전력송신부에 포함된다. 그림 1에서 지금까지 설명한 전력송신부와 전력수신부의 기본 적인 설계를 볼 수 있다.

따라서, 전력송신부의 스트립라인-입력 슬롯 결합 된 입력 포트로 전파가 입력되면, 이 전파는 스트립 라인의 상, 하부 도체판 사이 공간으로 전달되면서 입력 슬롯을 통해 공동으로 입력되고, 이 공동 안에 서 특정한 주파수 성분만 공진하게 되며, 이 공진된 전파는 전력송신부의 출력 슬롯을 통해서 도체 리본 과 상부 도체판으로 형성된 전력수신부로 출력되게 된다. 그림 1에서 볼 수 있는 스트립라인의 폭은 1.6 mm이다. 스트립라인의 도체 리본은 스트립라인의

정중앙에 위치하고 있다. 전력수신부는 출력 포트의 일부분만을 분리한 것을 볼 수 있다.

작게 제작된 전력수신부를 충전시키려는 대상기 기 내부에 넣어 구성한 상태에서 대상기기를 전력송 신부에 올려놓으면, 입력 포트와 출력 포트가 정상 적으로 형성된 하나의 공동공진기가 완성되어 무선 전력 전송이 가능하게 된다. 그림 2에서 송수신부가 결합된 상태를 볼 수 있다. 송신부와 수신부가 유전 체로 인해서 서로 전기적으로 분리되었기 때문에 무 접점 구조이다.

그림 3에서는 송수신부가 결합되었을 때 단면도 를 보여준다. 기본적인 수치는 다음과 같다. 송신부 의 그라운드 도체 폭인GL1은 45.5 mm, 수신부의 그 라운드도체 도체 폭인GL2는 37.5 mm, 그리고 그라 운드 도체간 간격인Gap은 1 mm로 정했다. 수신부 쪽의 크기를 줄이는 과정에서GL1보다는 GL2가 더 작게 설계되었다. 송신부와 수신부의 슬롯 위치를 나타내는 SP1, SP2는 동일하게 27 mm로 정했다.

Open stub line(OSL)의 길이는 5.8 GHz에 해당하는

_4로 6.2 mm의 값을 대입하였다. 이것은 슬롯의 중앙에서 자류의 크기를 극대화함으로 자기 결합을 최대화하기 위한 것이다. 송신부와 수신부의 슬롯폭 을 나타내는SW1, SW2는 각각 2 mm, 1 mm로 정하 였다.

(a)

(b)

그림 1. 송수신부의 설계. (a) , (b) 측면도

Fig. 1. Design of transmitter and receiver. (a) 3-D ov-

erview, (b) side view.

(a) 3차원 구조 (a) 3-D overview

(b) 측면도 (b) Side view

그림 2. 송수신부 결합시 구조

Fig. 2. Combination structure of transmitter and recei- ver.

그림 3 . 송수신부 결합시 단면도

Fig. 3. Top view of combination of transmitter and re- ceiver.

Ⅲ. 송신부와 수신부의 임피던스 매칭

이 두 가지 이유로 인해 불가피하게 전송손실이 생 기게 된다. 송수신 효율을 높이기 위해 송신단과 수

신단의 임피던스 매칭이 필요하다. 송수신단의 도체 리본, 입력 슬롯, 출력 슬롯의 길이와 폭을 조절함으 로 입출력의 임피던스 매칭을 효과적으로 할 수 있 다. 송수신기가 서로 전기적으로 비접촉이기 때문에 임피던스 매칭이 중요하다.

여러 파라미터 중에 도체 리본의 폭(MS), 슬롯 길 이(SL1, SL2)이 임피던스 매칭에 있어 가장 민감하 게 영향을 주는 파라미터이다. 이 파라미터들은 입 력 저항과 리액턴스의 제어에 효과적이다. 이 세 가 지 파라미터가 임피던스 매칭에 어떤 영향을 미치는 지 살펴보고자 한다. 위 세 가지 파라미터에 대해서 바뀔 수 있는 모든 경우의 수를 구하고, 그 수만큼 시뮬레이션하여 결과를 분석하였다. MS는 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm로 4개의 경우의 수를 두었고, SL1 과SL2는 동일하게 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm로 5가지 경우의 수를 두었다. 파라미터 MS는 4 개, SW1은 5개, SW2는 5개로 이 세 개의 파라미터 로 구할 수 있는 경우의 수는 총 4×5×5=100가지 이다.

3-1 도체 리본 폭에 의한 영향

모든 경우의 수에 대해 시뮬레이션을 한 결과를 토대로 가장 뚜렷하게S-파라미터의 특성 변화를 볼 수 있는 경우를 살펴보았다.

그림4～6은 도체 리본 폭인 MS의 변화에 따라서 S-파라미터값이 어떻게 변하는 지를 보여준다. MS 값은 송수신부의 도체 리본에 동일하게 적용이 된 것이다. 이 경우 SL1이 11 mm, SL2가 12 mm일 때의 결과이다.

그림4와 5에서는 각각 S11과S22값을 보여주고 있 다. MS의 크기가 증가할수록 상반부 주파수 쪽으로 이동하는 특성은 그림4와 5에서 동일하게 나타나고 있다. 공진 주파수의 이동을 위해서 MS를 변화시키 는 것이 다른 파라미터보다 더 효과적인 것을 확인 하였다.

그림 6은 S21값을 보여주고 있다. 이 결과값이 송 수신단의 전력 전송 효율을 직접적으로 나타낸다.

그림4, 5에서와 마찬가지로 MS의 크기가 증가할수 록 상반부 주파수 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 표 1은 S21값이 가장 클 경우의 주파수와 그 값

그림 4. MS 변화에 따른 S

특성 Fig. 4 . S

property for various MS.

그림 5. MS 변화에 따른 S

특성 Fig. 5 . S

property for various MS.

표 1. MS의 변화에 따른 공진 주파수와 S

값 Table 1. Resonant frequency and S

value for vari-

ous MS.

MS(mm) 2 4 6 8

Freq.(GHz) 5.76 5.76 5.78 5.78 S21[dB] —1.68 —1.24 —1.14 —1.15 을 나타낸다. MS의 크기가 6 mm일 때 S21이 —1.14 dB로 가장 큰 값을 나타냈다.

3-2 슬롯 길이에 의한 영향

송신부의 슬롯 길이인SL1과 수신부의 슬롯 길이 인SL2를 각각 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 15 mm 로5가지의 경우의 수로 변화를 주고 각각의 경우에 대해 모두 시뮬레이션하였다. SL1과 SL2의 변화에 대한 S-파라미터의 값의 변화가 유사하기에 여기서

그림 6 . MS 변화에 따른 S

특성 Fig. 6. S

property for various MS.

는 SL1에 대한 결과만을 나타내었다.

그림7～9는 송신부의 슬롯 길이인 SL1의 변화에 따라서 S-파라미터값이 어떻게 변하는 지를 보여준 다. 이 경우 MS가 4 mm, SL2가 12 mm일 때의 결과 이다.

그림7과 8에서는 각각 S11과S22값을 보여주고 있 다. 슬롯의 길이의 변화에 따라서 S11값과S22값이 큰 폭으로 변화되었다. SL1이 커지면서 공진 주파수가 상반부 주파수 쪽으로 이동하는 특성은 그림7과 8 에서 동일하게 나타나고 있다. 이러한 경향은 MS에 의한 영향보다는 미세하게 나타났다.

그림 9는 S21값을 보여주고 있다. 현재 주어진 조 건에서는SL1이 13mm일 때 S21값이 —1.21 dB로 가 장 크게 나타났다. 이를 통해 다른 파라미터보다 SL1의 크기 변화가 결합 슬롯의 입력 저항과 리액턴 스 제어에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인하였다.

그림 7. SL1 변화에 따른 S

특성

Fig. 7. S

property for various SL1.

그림 8. SL1 변화에 따른 S

특성 Fig. 8. S

property for various SL1.

그림 9 . SL1 변화에 따른 S

특성 Fig. 9. S

property for various SL1.

표 2. 최적화된 파라미터 Table 2. Optimized parameter.

파라미터 값(mm)

MS 6

SL1 11

SL2 12

각각의 파라미터가 공진특성에 어떤 영향을 미치 는지 확인하였다. MS를 포함하여 3개의 변수를 변 화시키며 공진특성을 최적화한 결과 표2에서와 같 은 최적화된 파라미터를 얻게 되었다.

그림10에서는 최적화된 파라미터를 적용한 후의 S-파라미터 결과를 볼 수 있다. 중심 주파수는 5.783 GHz로 나타났으며, 그 때 S11값은 —18.3 dB, S22는 —15.7 dB, 그리고 S21은 —1.14 dB로 나타났다.

그림 10. 최적화된 파라미터를 적용한 후의 S-파라미 터 결과

Fig. 10. S-parameter results after applied optimized pa- rameter.

Ⅳ. 송수신부 간의 정렬이 맞지 않았을 경우의 전력전달 특성 분석

그림 11에서는 송수신부 간의 정렬이 맞지 않았 을 경우에 송수신 간의 간격에 따라서S21 특성이 어 떻게 변하는지 보여준다. 우선 수신부가 X1과 X2 방 향으로 이동하는 경우2 mm 이내로 이동했을 때 S21

그림 11. 송수신부 간의 정렬이 맞지 않았을 경우 간 격 변화에 따른 S

특성

Fig. 11. S

property for various gap in misalignment

between transmitter and receiver.

값의 변화가 거의 없었고, 그 이상으로 이동하면 거 리에 따라서 손실이 발생하는 것을 확인하였다. Y방 향으로 이동하는 경우는2 mm로 이동했을 때 S21이

—2.5 dB의 값을 보였다. Z방향으로 이동하는 경우 수신부가 위쪽 방향으로 송신부와 분리되면서 공진 주파수가 변화됨으로 다른 경우에 비해서 현저하게 전력 전달 특성이 나빠지는 것을 확인하였다. 실제 로 이 무접점 전력 전송 장치를 사용하는데 있어Z 방향으로 높아질 경우는 없으며, 대부분 X1, X2, Y 방향으로 이동하기 때문에2 mm 이내로 정렬이 틀 어질 경우2.5 dB 이하의 S21 특성을 유지할 수 있음 을 확인하였다.

Ⅴ. 무접점 전력 전송 장치 제작 및 측정

그림 12. 송수신부 실물 사진

Fig. 12 . Photograph of transmitter and receiver.

그림 13. 송수신부 결합시 실물 사진

Fig. 13. Photograph of combination of transmitter and receiver.

그림 14. 실제 측정된 S-파라미터 결과 Fig. 14 . Measured S-parameter results.

그림 15. 시뮬레이션과 측정 간의 S

비교

Fig. 15. Comparison of S

between simulation and mea- surement.

결합 전후 사진이다.

이때 실제로 측정된S-파라미터의 결과를 그림 14 에서 확인할 수 있다. S11, S22가 모두 5.782 GHz에서

—17 dB이하로 작은 값을 가지며, 같은 주파수에서 공진하는 것을 확인할 수 있다. S21은5.782 GHz에서

—1.07 dB로 나타났다. 이는 전력송신부에서 전력수 신부로의 전송율이 약78 %인 것으로 나타나, 우수 한 공진 특성으로 전력을 전송할 수 있음을 확인하 였다. 그림 15는 S21값의 시뮬레이션과 측정 결과를 비교한 그래프이다. 중심 주파수는 각각 시뮬레이션 의 경우5.783 GHz에서, 측정 결과에서는 5.782 GHz 로 나타나 거의 동일한 공진 주파수를 갖는 것을 확 인하였다. 이 때 S21값은 각각 시뮬레이션의 경우 —1.14 dB로 측정 결과는 —1.07 dB로 나타나, 약 6 %의 값 의 차이를 보였다.

Ⅵ. 결 론

본 논문에서는 공동공진기와 스트립라인 구조를 이용한 무접점 전력 전송 기술을 제안하였다. 이때 수신부의 크기를 가장 작게 하기 위해서 스트립라 인으로 구성된 출력 포트 중 일부만을 떼어놓아 수 신부로 삼고, 나머지 부분은 송신부로 활용하는 것 이 특징이다. 입력 슬롯과 출력 슬롯의 상부에는 스 트립라인을 배치하여 스트립라인-입력 슬롯 결합 및 스트립라인-출력 슬롯 결합을 형성하도록 설계 하였다. 따라서, 송수신기가 밀착된 상태에서 무접 점 전력 전송 장치가 구현될 수 있다. 스트립라인 구 조를 이용함으로 송수신부를 전기적으로 분리시 켜 도체 단자가 외부에 노출되지 않음으로 방전을 줄이고, 방습 효과를 얻을 수 있다. 도체리본의 폭, 입력 슬롯, 출력 슬롯의 길이를 조절함으로 입출 력의 임피던스 매칭을 효과적으로 할 수 있다. 전력 전송을 위해서 송신기와 수신기를 결합시키면 하나 의 공동공진기 형태가 완성됨으로 높은 효율로 전력 이 전송된다. 실제 제작한 결과, S21은5.782 GHz에 서 —1.07 dB로 나타나 전력송신부에서 전력수신 부로 78 %의 높은 전송율을 보이는 것으로 확인되 었다.

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장 대 순

2001년 2월: 건국대학교 전자공학 과 (공학사)

2003년 2월: 건국대학교 전자공학 과 (공학석사)

2009년 2월: 건국대학교 전자공학 과 (공학박사)

2009년 2월～현재: (주)유니스트림 근무

[주 관심분야] 안테나 설계, UWB System, 무선전력 전송 등

김 용 남

1994년 2월: 경원대학교 전자공학 과(공학사)

1996년 2월: 건국대학교 전자공학 과(공학석사)

1996년 3월: (주)미래통신 근무 2002년 4월: (주)에이치텔레콤 근무 2005년 8월～현재: (주)유니스트림 대표이사

[주 관심분야] 모바일 멀티미디어 시스템, 무선전력 전송 등

허 정

1981년 2월: 서울대학교 전자공학 과 (공학사)

1983년 2월: 서울대학교 전자공학 과 (공학석사)

1991년 2월: 서울대학교 전자공학 과 (공학박사)

1991년 4월～현재: 건국대학교 전자 공학과 교수

[주 관심분야] 안테나, RF 및 마이크로파 회로, 무선전력 전송 등