Conception d'une nouvelle rectenna bi-bandes à 1,8 et 2,45 GHz Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio Journée de l’aremif Paris, 27 Mai 2013

Plan de la présentation 1- Introduction 2- Rectennas pour la récupération d’énergie électromagnétique 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats : mesures et simulations 6- Conclusions et perspectives

Introduction Augmentation du nombre d’objets communicants sans fil 1 Introduction Augmentation du nombre d’objets communicants sans fil Diminution de la consommation énergétique des objets communicants sans fil  Capteurs communicant  Actionneurs  Terminaux mobiles Smartphone Capteur de température communicant sans fil  …. Problèmes de l’autonomie énergétique? Inconvénients des piles et des batteries rechargement et durée de vie limitée 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Energie électrique utile Energie électromagnétique 2 Introduction Comment améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs sans fil ? Solution : Alimenter les dispositifs par récupération de sources d’énergie existantes dans l’environnement. Energie électrique utile Energie solaire Piézoélectrique Energie Thermique vibratoire Energie électromagnétique … 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

3 Rectennas Une rectenna permet de capter l’énergie électromagnétique et de la convertir en puissance électrique utile. Adaptation + Filtrage HF Diodes Filtre DC Charge Capter l’énergie électromagnétique Assurer la rejection des harmoniques d’ordre supérieur générées par la diode Schottky Modéliser l’impédance d’entrée du dispositif à alimenter Assurer l’adaptation entre le convertisseur et l’antenne Élément à caractéristique non linéaire Bloquer les composantes RF et ne laisse passer que la composante continue 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz Objectifs Concevoir et réaliser un système bi-bandes de conversion d’énergie RF-DC aux fréquences 1.8 et 2.45 GHz pour des niveaux de puissances RF faibles, de l’ordre de -10 dBm. Assurer des performances comparables sur les deux bandes fréquentielles. Maximiser le rendement de conversion RF-dc. Eviter les problèmes de produits d’intermodulation entre fréquences et faciliter la conception du circuit. 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz Circuit de conversion A 1.8 GHz Ligne λg/4 Circuit de conversion B 2.45 GHz Charge RL 3 1 Circuit de conversion A 1.8 GHz 4 2 Antenne bi-bandes 1.8 et 2.45 GHz Anneau hybride 180° 3 dB 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 6 Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz La matrice S de l’anneau hybride modifié par la présence de la ligne λg/4 (à 2.45 GHz) sur l’accès 1 est donnée par : 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 7 Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz Simulation et optimisation avec ADS:  Couplage entre HB et Momentum. RL = 8.8 KΩ PRF = PRF1 + PRF2 Court-circuit 97.7 mm -10 dBm à 2.45 GHz -10 dBm à 1.8 GHz Puissance RF totale (PRF) Diode Schottky SMS7630 Substrat : ARLON 25N 76.7 mm 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Protocole expérimental 8 Protocole expérimental Prototype Banc de mesure Source RF f1 f2 Combineur de puissance 50 Ω f1+f2 Coupleur hybride 3dB (90°) Analyseur de spectre DUT (Circuit de conversion bi- bandes) V RL 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Résultats : mesures et simulations 9 Résultats : mesures et simulations Coefficient de réflexion PRF = -10 dBm 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Résultats : mesures et simulations 10 Résultats : mesures et simulations Etude fréquentielle Le système bi-bandes reçoit les deux fréquences f1 et f2, on fixe la fréquence f1 et on varie la fréquence f2, et inversement. RL = 8.8 KΩ PRF = PRF1 + PRF2 Tension (V) 1.8 et 2.45 GHz Simulation 52.2 0.96 1.8 et 2.35 GHz mesure 49.4 0.93 31.4 0.74 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Etude en fonction de la puissance 11 Résultats : mesures et simulations Etude en fonction de la puissance RL = 8.8 KΩ 1.8 et 2.45 GHz simulation 1.8 et 2.35 GHz mesure PRF1= PRF2 -20 -6 25 58 21 50 Tension (V) 0.21 1.6 0.19 1.49 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Résultats : simulations 12 Résultats : simulations Bilan de puissance (simulation ADS) Le rendement de conversion RF-dc augmente avec la puissance RF jusqu’à -6dBm, ensuite il commence à décroitre. Les pertes dans les diodes sont les plus importantes, elles diminuent lorsque les puissances RF augmentes. Les autres pertes : Pertes dans le diélectrique. Pertes dans le métal. … 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Le système bi-bandes reçoit une seule fréquence (PRF = -10 dBm). 13 Résultats : mesures Le système bi-bandes reçoit une seule fréquence (PRF = -10 dBm). Fréquence (GHz) Une tension dc supérieure à 250 mV et un rendement de conversion supérieur à 30 % ont pu être mesurés. 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives 14 Conclusion et perspectives Conclusion Conception et mesure d’un système bi-bande de conversion RF-dc à base d’un anneau hybride conçu et optimisé aux fréquences 1.8 et 2.45 GHz. Absence du circuit d’adaptation bi-bande. Le circuit proposé permet la conversion RF-dc de façon séparée des deux fréquences, évitant la génération de produits d’intermodulation. 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. 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives 15 Conclusion et perspectives Perspectives 𝝀g/4 DA DB RC RB RA 150 mm 240 mm V1 V2 RL 1 2 3 4 DC Associer une antenne bi-bandes au circuit de conversion. 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Miniaturisation de 36 % Conclusion et perspectives Perspectives 16 Conclusion et perspectives Perspectives Miniaturiser le circuit. Miniaturisation de 36 % PRF = PRF1 + PRF2 82 mm -15 dBm -15 dBm f(GHz) 1.850 2.45 S11(dB) -25.9 -34.9 PRF η= 40.30 % RL= 4 KΩ Vout= 319 mV 58.5 mm 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives 17 Conclusion et perspectives Perspectives Généraliser le concept aux systèmes multi-bandes. Conception d’un 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- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 5- Résultats 6- Conclusion et perspectives

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