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CONCEPTION D'UNE NOUVELLE RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz JOURNÉE DE LAREMIF Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio.

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1 CONCEPTION D'UNE NOUVELLE RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz JOURNÉE DE LAREMIF Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio Paris, 27 Mai 2013

2 4- Protocole expérimental 6- Conclusions et perspectives P LAN DE LA PRÉSENTATION 1- Introduction 2- Rectennas pour la récupération dénergie électromagnétique 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 5- Résultats : mesures et simulations

3 I NTRODUCTION 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives Augmentation du nombre dobjets communicants sans fil Capteur de température communicant sans fil Smartphone Terminaux mobiles Capteurs communicant …. Actionneurs 5- Résultats 1 Problèmes de lautonomie énergétique? Diminution de la consommation énergétique des objets communicants sans fil Inconvénients des piles et des batteries rechargement et durée de vie limitée

4 I NTRODUCTION Comment améliorer lautonomie énergétique des dispositifs sans fil ? Solution : Alimenter les dispositifs par récupération de sources dénergie existantes dans lenvironnement. Energie électrique utile Energie solaire Piézoélectrique Energie Thermique Energie vibratoire Energie électromagnétique … 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 2

5 R ECTENNAS Une rectenna permet de capter lénergie électromagnétique et de la convertir en puissance électrique utile. Adaptation + Filtrage HF DiodesFiltre DCCharge Élément à caractéristique non linéaire Capter lénergie électromagnétique Assurer la rejection des harmoniques dordre supérieur générées par la diode Schottky Assurer ladaptation entre le convertisseur et lantenne Bloquer les composantes RF et ne laisse passer que la composante continue Modéliser limpédance dentrée du dispositif à alimenter 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 3

6 Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz Objectifs Concevoir et réaliser un système bi-bandes de conversion dénergie RF-DC aux fréquences 1.8 et 2.45 GHz pour des niveaux de puissances RF faibles, de lordre de -10 dBm. Assurer des performances comparables sur les deux bandes fréquentielles. Maximiser le rendement de conversion RF-dc. Eviter les problèmes de produits dintermodulation entre fréquences et faciliter la conception du circuit. 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 4

7 Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz Circuit de conversion A 1.8 GHz Circuit de conversion A 1.8 GHz Circuit de conversion A 1.8 GHz Circuit de conversion A 1.8 GHz Circuit de conversion B 2.45 GHz Circuit de conversion B 2.45 GHz Charge R L Ligne λg/4 Anneau hybride 180° 3 dB Antenne bi-bandes 1.8 et 2.45 GHz 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 5

8 La matrice S de lanneau hybride modifié par la présence de la ligne λg/4 (à 2.45 GHz) sur laccès 1 est donnée par : Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 6

9 Substrat : ARLON 25N Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz P RF = P RF1 + P RF2 R L = 8.8 K Diode Schottky SMS dBm à 2.45 GHz-10 dBm à 1.8 GHz Court-circuit Simulation et optimisation avec ADS: Couplage entre HB et Momentum. Puissance RF totale (P RF ) 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats mm 97.7 mm

10 Protocole expérimental Source RF f1 Source RF f2 Combineur de puissance 50 Ω f1+f2 Coupleur hybride 3dB (90°) f1+f2 Analyseur de spectre DUT (Circuit de conversion bi- bandes) V RLRL Banc de mesure Prototype 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 8

11 Résultats : mesures et simulations Coefficient de réflexion P RF = -10 dBm 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 9

12 Résultats : mesures et simulations Etude fréquentielle Tension (V) 1.8 et 2.45 GHz Simulation et 2.35 GHz mesure et 2.45 GHz mesure Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 10 R L = 8.8 K P RF = P RF1 + P RF2 Le système bi-bandes reçoit les deux fréquences f1 et f2, on fixe la fréquence f1 et on varie la fréquence f2, et inversement.

13 Résultats : mesures et simulations Etude en fonction de la puissance 1.8 et 2.45 GHz simulation 1.8 et 2.35 GHz mesure P RF1 = P RF Tension (V) R L = 8.8 K 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 11

14 Résultats : simulations Bilan de puissance (simulation ADS) Les autres pertes : -Pertes dans le diélectrique. -Pertes dans le métal. - … Les pertes dans les diodes sont les plus importantes, elles diminuent lorsque les puissances RF augmentes. Le rendement de conversion RF-dc augmente avec la puissance RF jusquà -6dBm, ensuite il commence à décroitre. 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 12

15 Fréquence (GHz) Résultats : mesures 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats Le système bi-bandes reçoit une seule fréquence (P RF = -10 dBm). Une tension dc supérieure à 250 mV et un rendement de conversion supérieur à 30 % ont pu être mesurés. 13

16 Conclusion et perspectives Conception et mesure dun système bi-bande de conversion RF-dc à base dun anneau hybride conçu et optimisé aux fréquences 1.8 et 2.45 GHz. Absence du circuit dadaptation bi-bande. Le circuit proposé permet la conversion RF-dc de façon séparée des deux fréquences, évitant la génération de produits dintermodulation. Pour les fréquences 1.8 et 2.45 GHz injectées, une tension maximale de 1.5 V a pu être mesurée en sortie du circuit de conversion, pour une puissance RF de -6 dBm par fréquence. Un rendement de conversion de 49.4 % a pu être mesuré, pour une puissance RF de -10 dBm par fréquence. Conclusion 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 14

17 Conclusion et perspectives Perspectives Associer une antenne bi-bandes au circuit de conversion. 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats 15 g/4 DADA DBDB RCRC RBRB RARA 150 mm 240 mm V1 V2V2 RLRL DCDC

18 Miniaturiser le circuit. 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats Conclusion et perspectives mm 58.5 mm Miniaturisation de 36 % η= % P RF = P RF1 + P RF2 R L = 4 K Perspectives P RF -15 dBm V out = 319 mV

19 Généraliser le concept aux systèmes multi-bandes. Conception dun réseau de rectennae bi-bandes pour augmenter le niveau de signal reçu Diminuer les niveaux de puissance pour tendre vers des niveaux ambiants (~1 µW/cm²). 1- Introduction2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives 5- Résultats Conclusion et perspectives Perspectives 17

20 Merci de votre attention


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