Optimisation de formes d'ondes pour le contexte du transfert d'énergie sans fil

Power optimized waveforms for wireless power transmission

• Auteur / Autrice : Viet-Duc Pham
• Direction : Laurent Cirio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Fabien Ferrero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Cirio, Yvan Duroc, Robert Staraj, Odile Picon, Hakim Takhedmit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvan Duroc, Robert Staraj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Ondes -- Propagation

Transfert d'énergie sans fil

Mots clés libres

Rectenna

Optimisation

Formes d'ondes

Transfert d'énergie sans fil

Wireless power transmission

Waveforms

Optimization

Rectenna

Résumé

Cette thèse porte sur l'optimisation des formes d'onde (POW pour Power Optimized Waveforms) d'entrée pour la transmission d'énergie sans fil. Il s'agit de signaux à PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) élevés. Les signaux multi-porteuses et impulsion mudulée ont été utilisés. Les POWs seront étudiés afin de démontrer leurs caractéristiques mais aussi leur potentiel. En tant que partie principale de cette thèse, le signal sera utilisé pour montrer l'impact sur l'efficacité de la conversion RF-DC des dispositifs de collecte d'énergie tels que es circuits de conversion RF-DC et les rectennas.Des topologies de redresseurs traditionnelles sont conçues et optimisées à l'aide du logiciel ADS. Ensuite, les signaux considérés dans cette thèse sont appliqués à ces circuits pour comparer la tension continue de sortie avec celle obtenue par le signal CW. Les résultats expérimentaux montrent qu'avec une impulsion modulée, le redresseur non optimisé peut fournir des performances comparables voire meilleures que les redresseurs optimisés dans une large gamme de fréquences mais aussi de résistance de charge.En outre, ces signaux sont également appliqués à un redresseur/rectenna à large bande fonctionnant dans la gamme de fréquences de 1,6 à 2,8 GHz. Les deux signaux donnent de meilleures performances que le signal CW. Le signal impulsionnel montre une nette amélioration sur toute la gamme de fréquences concernée et dans une large gamme de valeurs de charge.Enfin, ces signaux ont permis d'améliorer considérablement la tension de sortie de réseaux de rectennas basés sur un redresseur multi-étage et ce à des densités de puissance faibles. Cela a permis donc de réduire la temp de charge et recharge du condensateur d'entrée dans une application d'alimentation à distance et sans fil d'un capteur de température et d'accélération à la fréquence de 2.45 GHz. De plus, en utilisant le signal impulsion modulée, les densités de puissance minimales requises pour charger le condensateur pour la cellule unitaire (réseau 1x1) et le réseau 2x2 ont pu être réduites de 31 % et 26 %, respectivement, par rapport au signal CW

This thesis focuses on POWs (Power Optimized Waveforms) for wireless power transmission. It consists of high PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) signals: multi-sine and RF pulse signals. The POWs will be studied to demonstrate their characteristics. As the main part of this thesis, the signal will be used to show the impact on the RF-to-dc conversion efficiency of energy harvesting devices using different rectification topologies.The traditional rectifier topologies are designed and optimized using ADS software. Then RF pulse and multi-sine signals are applied to those circuits to compare the output DC voltage with that obtained by using CW signals. The experimental results shows that with RF pulse signal, the non-optimized rectifiers can obtain a comparable or even better performance than the optimized rectifiers in a wide frequency range.Also, RF pulse and multi-sine signals are applied to a broadband rectifier/rectenna operating at the frequency range from 1.6 to 2.8 GHz. Both signals give a better performance than CW signal on the broadband rectenna/rectifier. RF pulse signal show a clear improvement in all the frequency range of interest and in a wide range of output-load values.Finally, RF pulse and multi-sine signals help the rectenna arrays reach a higher output DC voltage at small power densities. For that reason, it allows to reduce the charge and recharge time of the input capacitor for remote power supply of a temperature/acceleration wireless sensor à 2.45 GHz. Moreover, using RF pulse signal, the minimum power densities required to charge the capacitor for single cell and 2x2 rectennas are reduced by 31 % and 26 %, respectively, compared to CW signal