Développements de circuits Rectennae bi-polarisation, bi-bande pour la récupération et conversion d’énergie électromagnétique à faible niveau

par Walid Haboubi

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Laurent Cirio.

Soutenue le 18-12-2014

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Gaquière.

Le jury était composé de Laurent Cirio, Odile Picon, Hakim Takhedmit.

Les rapporteurs étaient Tân-Phu Vuong, Mohamed Himdi.


  • Résumé

    L'amélioration de l'autonomie énergétique des systèmes communicants constitue aujourd'hui une des préoccupations majeures pour leur déploiement massif dans notre environnement. On souhaite rendre complètement autonome ces dispositifs électroniques (on pense entre autres aux capteurs et réseaux de capteurs) en s'affranchissant des sources d'énergie embarquées qui nécessitent des opérations de remplacement ou de recharge périodiques. Parmi les sources d'énergie disponibles qui peuvent être exploitées, on trouve les ondes électromagnétiques. Le dispositif qui permet de capter cette énergie et la convertir en puissance continue utile est dénommé Rectenna (Rectifying antenna) qui associe une antenne de captation à un circuit de rectification à base de diodes. Les rectennae ont fait l'objet d'un nombre important de communications dans la littérature ces dernières années avec pour fil conducteur, la recherche de performances optimales compte tenu de l'atténuation des ondes électromagnétiques et des faibles niveaux de champ récupérés. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse dont le financement a été assuré par un contrat ANR (REC-EM).Dans ce travail, on s'est attaché à développer, à concevoir et à caractériser expérimentalement des structures planaires qui présentent des propriétés intéressantes :- En terme de polarisations orthogonales, ceci de façon à s'affranchir de l'orientation arbitraire de l'onde incidente à la rectenna. Une rectenna à double polarisation circulaire à 2.45 GHz et à double accès sera réalisée pour, de plus, s'affranchir de la perte de 3 dB lorsque l'onde récupérée est à polarisation linéaire à orientation arbitraire.- En termes de résonances multiples, ceci pour augmenter le niveau de puissance récupérée par l'antenne et optimiser la puissance continue convertie. Une rectenna à double fréquence (1.8 et 2.45 GHz) et à accès unique sera conçue ainsi qu'une rectenna constituée d'un réseau de deux antennes double fréquence.- En terme de réduction de taille en s'affranchissant de l'utilisation du filtre HF entre l'antenne et le circuit de conversion ceci pour l'ensemble des structures rectennae développées dans ce travail. Dans tous les cas, il sera nécessaire de développer le circuit de rectification le plus adapté à la topologie de l'antenne de captation et évaluer la technique de recombinaison optimale coté DC pour s'affranchir au mieux des déséquilibres qui peuvent apparaître entre les voies d'accès de l'antenne. Pour contenir les dimensions de la structure globale, des circuits mono diode seront dimensionnés et réalisés pour chacune des structures. Enfin, on exploitera l'antenne à double polarisation circulaire double accès, dont on cherchera à diminuer les dimensions, pour alimenter un capteur de température à affichage LCD. Pour augmenter le niveau de tension nécessaire au fonctionnement du capteur, nous associerons entre la rectenna et le capteur un convertisseur DC-DC. Il s'agit, dans ce cas, d'un dispositif de gestion d'énergie adapté pour les faibles puissances. Deux convertisseurs seront employés dont celui développé par les laboratoires Ampère de l'Ecole Centrale de Lyon et SATIE à l'ENS Cachan. Ce convertisseur a fait l'objet d'une thèse également financée par l'ANR dans le cadre de ce contrat REC-EM

  • Titre traduit

    Dual-polarized and dual-band Rectennas for low level energy harvesting


  • Résumé

    Improving energy autonomy of communication systems constitutes one of the major concerns for their massive deployment in our environment. We want to make these electronic devices (sensors and sensor networks) completely autonomous, avoiding the embedded energy sources that require replacement operations or periodic charging. Among the available energy sources that can be harvested, there are electromagnetic waves. The device that can capture this energy and convert it into useful DC power is called Rectenna (Rectifying antenna), combining antenna with diode-based rectifier. In recent few years, rectennas have reached a significant number of papers in the literature. The main challenge consists in improving performances in term of efficiency, in an attempt to overcome the electromagnetic wave attenuation and the low available field level. According to this context, this PhD work supported by the ANR project REC-EM has taken place. In this study, we have developed, designed and characterized planar structures that have interesting properties:- In term of orthogonal polarizations, so energy harvesting becomes feasable regardless the arbitrary orientation of the incident wave on the rectenna. A dual-circularly polarized rectenna at 2.45 GHz with dual-access will be set up to overcome the 3 dB power loss in the case of linearly-polarized incident wave with unknown orientation.- In term of multiple resonances, so the amount of total RF power collected by the antenna can be increased and consequently the converted DC power level can also be improved. A dual-frequency rectenna (1.8 and 2.45 GHz) with single access will be designed, as well as a rectenna based upon a dual-frequency antenna array.- In term of size compactness by avoiding the use of the HF filter between the antenna and the rectifier for all developed rectenna structures during this work. In all cases, it will be necessary to define the most suitable rectifier topology to each antenna and select, if it is appropriated, the optimum DC recombination technique to overcome the effects of RF power imbalance that may occur between the different antenna accesses. Besides, single-diode circuits will be designed and fulfilled for each structure. Finally, we will miniaturize the dual-circularly polarized dual-access antenna, and exploit it to power a LCD display temperature sensor. To enhance the DC voltage level required to activate the sensor, a DC-DC converter is inserted between the rectenna and the sensor. Such energy management device should be able to operate under low delivered DC power. Two converters will be used. The first one is developed by Ampere Lab at Ecole Centrale de Lyon and SATIE Lab at ENS Cachan. This converter was the subject of another dissertation also supported by the ANR under the REC-EM project


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