HF-Band Magnetic-Field Communication System Using Bias Switching Circuit of Class E Amplifier

In this paper, we implemented a HF-band magnetic-field communication system consisting of an amplitude shift keying(ASK) transmitter, a pair of loop antennas, and an ASK receiver. Especially, we suggested a new ASK transmitter architecture, where a drain bias of class E amplifier is switched alternatively between two voltage levels with respect to input data. A maximum 5 W class E amplifier was designed using a low cost IRF510 power MOSFET at the frequency of 6.78 MHz. A measured sensitivity of the designed ASK receiver is -78 dBm, which consists of a log amplifier, a filter, and a comparator. Maximum communication range of magnetic-wave communication system with loop antennas was calculated using magnetic field equations in both near-field and far-field ranges. Also, in order to verify the calculated values, an indoor propagation loss was measured using a pair of loop antennas whose dimensions are $30{\times}30cm$. Maximum operating range is estimated about 35 m in case of transmitter's output power of 1 W and receiver sensitivity of -70 dBm, respectively. Finally, the communication field test using the designed ASK transmitter and receiver was successfully done at the distance of 5 m.

E급 증폭기의 바이어스 스위칭 회로를 이용한 HF-대역 자기장 통신 시스템

본 논문에서는 ASK(Amplitude Shift Keying) 송신기, 한 쌍의 루프 안테나 및 ASK 수신기로 구성되는 HF-대역 자기장 통신 시스템을 구현하였다. 특히, E급 증폭기를 사용하는 ASK 송신기의 데이터 변조 방법으로 Drain 바이어스 전압을 입력 데이터에 따라 두 가지 레벨로 가변하여 공급하는 바이어스 스위칭 회로를 새롭게 제안하였다. E급 증폭기는 저가의 IRF510 power MOSFET를 이용하여 6.78 MHz에서 최대 5 W 출력과 동작 바이어스 전체에서 75 % 이상의 효율이 측정되었다. ASK 수신기는 Log 증폭기, 필터 및 비교기로 구현하여 -78 dBm의 수신 감도를 구현하였다. 자기장 통신 시스템의 최대 통신 거리를 예측하기 위하여 근역장과 원역장에서의 자기 장 유도식을 활용하여 전송 손실을 계산하는 방법을 고안하였다. 또한, $30{\times}30cm^2$ 크기의 사각형 루프 안테나쌍 을 이용한 실내 전송 실험을 수행하여 제시한 방법의 타당성을 확인하였다. 전송 손실 추정 결과, 1 W 출력과 -70 dBm 수신 감도를 가질 경우 최대 35 m의 수신거리가 계산되었다. 최종적으로 설계된 ASK 송신부와 ASK 수신부를 루프 안테나 쌍에 연결하여 5 m 거리에서 통신이 이루어짐을 확인하였다.