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

par Viet-duc Pham

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Laurent Cirio.


  • Résumé

    Les progrès que connaît l'électronique faible consommation ces dernières années favorise l'émergence de capteurs et de réseaux de capteurs sans fil dans de nombreux domaines : industriel, biomédical, domotique … Leur alimentation en énergie est considérée comme le dernier obstacle avant d'atteindre la mobilité totale. Une grande partie de ces capteurs sont alimentés par pile ou batterie. Cette solution conventionnelle peut parfois être assez contraignante particulièrement dans le cas des capteurs enfouis ou opérant dans des environnements dangereux et difficiles d'accès. L'alimentation à distance et sans contact par transfert d'énergie électromagnétique semble être une solution pertinente. L'optimisation de l'efficacité/puissance DC recueillie s'opère essentiellement sur les modules de réception nommés "rectennas" pour rectifying antenna. La source de puissance et le canal de propagation sont rarement, voir jamais, pris en compte dans ce processus. Le signal émis par la source est souvent considéré comme une simple porteuse. Les puissances RF recueillies dans le contexte de la récupération d'énergie électromagnétique sont souvent faibles, de l'ordre du µW/cm². Cela est dû en grande partie aux pertes dans le canal de propagation à cause de la distance, des trajets multiples … L'optimisation de l'efficacité et de la puissance de sortie des modules de récupération et de conversion d'énergie est par conséquent assez contraignante à cause de la sensibilité des diodes entre autre. En effet, les rendements sont de l'ordre de 20 à 30% tout au plus. Une compréhension accrue des phénomènes non-linéaires qui ont lieu dans les circuits rectennas combiné à des formes de signaux particulières en émission est une solution qui parait être potentiellement intéressante. L'optimisation des formes d'ondes (POW : Power Optimized Waveforms) a initialement été proposée en RFID et appliquée pour accroitre la distance de lecture (read range) de tag. Cette technique, complétée par une modélisation comportementale des non-linéarités des diodes, permettra de passer outre la sensibilité des diodes et d'accroitre ainsi l'efficacité. Cette thèse traitera de l'impact de formes d'ondes optimisées sur le rendement de conversion de circuits rectennas avec différentes topologies. Des signaux de type OFDM, bruit blanc, chaotique, à fort PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) ... seront étudiés et leur impact sur les performances évalué. Aussi, on s'intéressera à la modélisation comportementale des phénomènes non linéaires propres aux rectennas. A la lumière de ce travail, des formes d'ondes originales et optimisées seront proposées. Parallèlement, des techniques de focalisation spatiale seront appliquées au contexte du transfert d'énergie sans fil afin de lutter contre les trajets multiples, et éventuellement améliorer les bilans de liaison. L'intérêt sera tout particulièrement porté sur la technique de retournement temporel (TR). Cela permettra de cibler un ou plusieurs capteurs dans un environnement à interférences et où la visibilité directe n'est pas acquise. La distance effective du canal sera réduite, ce qui permettra naturellement l'amélioration du bilan de liaison. Les circuits de réception seront adaptés à ce contexte, particulièrement en ce qui concerne leur largeur de bande, et qui dépendra de la nature des signaux utilisés. La thèse sera transverse entre les deux équipes Electromagnétisme, Applications et Mesures (EAM) de l'UPEM et Systèmes de Communications (SyC) de l'ESIEE. L'équipe SyC apportera ses compétences en modélisation comportementale des non linéarités, appliquée à la base aux amplificateurs de puissance, ainsi qu'en traitement de signaux. L'équipe EAM, quant à elle, interviendra sur la conception et l'optimisation de circuits rectennas et de formes d'ondes, ainsi que sur les techniques de focalisation par retournement temporel.

  • Titre traduit

    Waveform optimization for wireless power transmission


  • Résumé

    This work will focus on the optimized waveforms for wireless power transmission. It contents some kinds of power-optimized waveforms with high PAPR (peak-to-average power ratio) that are used in order to maximize the RF-DC conversion efficiency and some kinds of rectennas should be focus on to have better performance. Furthermore, the simulations on ADS and Matlab, in order to demonstrate the theory, and future work involving waveform optimization are presented. From this, we can find the effective approaches to optimize the waveforms for the context of wireless power transmission. The original waveform and the optimized waveform will be presented at the end.