Exploration de solutions antennaires et de formation passive de faisceaux pour la récupération et le transfert d'énergie sans fil

par Erika Vandelle

Thèse de doctorat en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Tan Phu Vuong et de Ke Wu.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) .


  • Résumé

    La récupération d'énergie électromagnétique provenant de sources ambiantes ou intentionnelles, de fréquences allant de 100 MHz à 10 GHz, est apparue ces dernières années comme une solution prometteuse pour développer l'électronique autoalimentée. Cependant, les faibles densités de puissance, généralement plus faibles que 1 μW.cm-2, engendrent de faibles efficacités de redressement et de faibles sensibilités, et la diversité des signaux ambients (direction d'arrivée et polarisation inconnues et variant dans le temps) ne permet pas d'utiliser des antennes directives. Dans cette thèse, les techniques de combinaison de la puissance RF ou DC dans des systèmes de récupération d'énergie à multiples antennes, associées à des structures originales, sont étudiées pour faire face aux différents verrous technologiques. De plus, une nouvelle Figure-de-Mérite, décrivant la capacité d'un système à récupérer de l'énergie ambiante, est développée avec des termes de probabilités représentant la diversité fréquentielle, spatiale et de polarisation des signaux ambiants. La première partie de cette thèse se consacre à la conception d'antennes et de rectennas individuelles efficaces. Des prototypes peu chers et recyclables sont proposés sur un substrat papier grâce à une technique originale de réduction des pertes. Dans la deuxième partie de cette thèse, l'efficacité de conversion RF-DC est améliorée à travers la combinaison de la puissance RF avant le processus de redressement, sans pour autant réduire la couverture spatiale du système. Pour cela, une structure 3D multidirectionnelle de réseaux d'antennes associés à des réseaux interférométriques passifs, pour la formation de faisceaux, est conçue, afin d'obtenir un diagramme de rayonnement multidirectionnel à fort gain. Cette solution inspirée des systèmes de radar et impliquant des matrices de Butler, aboutit à une haute efficacité de conversion RF-DC ainsi qu'à une couverture spatiale optimale. Ainsi, une capacité à récupérer de l'énergie plus grande que celles de l'état-de-l'art est obtenue. La dernière partie de cette thèse propose de remédier à la limite en sensibilité de la combinaison de puissance RF, plus faible qu'avec une combinaison DC en série de la puissance, grâce à un système reconfigurable. Pour cela, des cellules unitaires de rectennas sont conçues afin de former un réseau interférométrique adaptable et extensible, qui offre la possibilité d'obtenir un système hautement efficace et sensible à la fois. Cette solution peut servir à la récupération d'énergie, à la localisation passive et autonome ou à des applications RFID.

  • Titre traduit

    Exploration of antenna and passive beamforming techniques for wireless energy harvesting and transfer


  • Résumé

    Wireless energy harvesting (WEH) of ambient or intentional electromagnetic power sources of frequency ranging from 100 MHz to 10 GHz, has appeared as a promising solution to develop self-powered electronics in the past decades. However, the low power densities available, usually lower than 1 uW.cm-2, result in a limited RF-to-DC conversion efficiency and sensitivity of the energy harvesting system (rectenna) and the ambient signal diversities (unknown and time-varying direction of arrival, polarization) prohibit the use of directive antennas. In this thesis, the power combination techniques of Radio Frequency (RF) or Direct Current (DC) power in multi-antenna WEH systems, together with original structures, are investigated to address those challenges. Besides, a new Figure-of-Merit (harvesting capability) for rectennas operating in ambient scenarios is derived with probabilistic terms representing the frequency, polarization and spatial diversities of ambient signals. The first part of this thesis focuses on the design of efficient antenna and rectenna elements. Eco-responsible and low-cost prototypes are proposed by using a paper substrate along with an original strategy for the reduction of the losses. In the second part of this work, the rectification efficiency of a WEH system is enhanced through the combination of the RF power prior to the rectification process, without reduction of the spatial coverage. For this, a 3D multidirectional structure of scanning antenna arrays using passive beam-forming networks is designed to obtain a multidirectional high gain aggregate pattern. This radar-inspired solution involving Butler matrices results in a highly efficient RF-to-DC power conversion along with an optimal angular coverage, which leads to a harvesting capability higher than the state-of-the-art. The last part of this work addresses the limited sensitivity of the RF combination technique compared to that obtained with the series DC combination technique thanks to a reconfigurable system. To this end, modular rectenna unit cells are designed to form a scalable and adaptative interferometric beam-forming network, which offers the possibility to achieve a highly efficient and sensitive WEH system. This solution is suitable for low-power energy harvesting, autonomous passive tracking or RFID applications.