Conception d'une nouvelle rectenna bi-bandes à 1,8 et 2,45 GH z

1. 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

2. 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

3. 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 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

4. 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. 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

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

6. 4 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. 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

7. 5 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 1 3 Circuit de conversion A 1.8 GHz 4 2 Antenne bi-bandes 1.8 et 2.45 GHz Anneau hybride 180° 3 dB 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

8. 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 : 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

9. 7 Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz RL = 8.8 KΩ • Simulation et optimisation avec ADS: • Couplage entre HB et Momentum. • PRF = PRF1 + PRF2 Court-circuit 97.7 mm Puissance RF totale (PRF) • Diode Schottky SMS7630 76.7 mm • Substrat : ARLON 25N -10 dBm à 2.45 GHz -10 dBm à 1.8 GHz 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

10. 50 Ω Source RF f1 Source RF f2 Combineur de puissance Coupleur hybride 3dB (90°) f1+f2 f1+f2 DUT (Circuit de conversion bi-bandes) Analyseur de spectre RL V 8 Protocole expérimental Prototype Banc de mesure 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

11. 9 Résultats : mesures et simulations Coefficient de réflexion • PRF = -10 dBm 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

12. 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 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

13. 11 Résultats : mesures et simulations Etude en fonction de la puissance RL = 8.8 KΩ 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

14. 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. • … 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

15. 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. 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

16. 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. 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

17. 15 Conclusion et perspectives Perspectives • Associer une antenne bi-bandes au circuit de conversion. 240 mm DA 𝝀g/4 RA 1 2 3 RB RL 4 V2 V1 DC DB RC 150 mm 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

18. 16 Conclusion et perspectives Perspectives • Miniaturiser le circuit. Miniaturisation de 36 % PRF = PRF1 + PRF2 82 mm -15 dBm -15 dBm PRF η= 40.30 % RL= 4 KΩ Vout= 319 mV 58.5 mm 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

19. 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). 6- Conclusion et perspectives 4- Protocole expérimental 5- Résultats 1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

20. Merci de votre attention