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

par Erika Vandelle

Projet de thèse en Optique et radiofrequences


Sous la direction de Tan Phu Vuong, Ke Wu et de Simon Hemour.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    On appelle rectenna (rectifier + antenna en anglais) un système de récupération d'énergie RF qui convertit les ondes électromagnétiques RF en une puissance continue. Ces systèmes, généralement opérationnels de 100 MHz à 10 GHz, sont développés depuis plus de 40 ans à des niveaux de puissances moyens (0.1 mW et plus) pour des transmissions "point à point". La récente fulgurante croissance des appareils RF a totalement changé notre environnement électromagnétique qui n'a plus rien à voir avec celui des années 70. Aujourd'hui, avec plus de 4 milliards d'appareils utilisant le Wifi et 15 millions de stations de base pour la téléphonie, l'énergie RF est devenue une source d'énergie omniprésente dans nos villes aux bandes de fréquences utilisées pour la communication. Dans ce contexte, de nombreux travaux ont récemment été réalisés afin d'élargir la plage de fonctionnement des rectennas jusqu'au microwatt afin d'utiliser l'énergie de ces ondes électromagnétiques comme moyen d'alimentation pour des capteurs sans fils a très faible consommation ou tout autre appareils consacrés à l'internet des objets (IoT). Le problème majeur de tels systèmes est que le rendement de conversion RF-DC du redresseur dépend directement de la puissance d'entrée: une faible puissance entraine un faible rendement. Une solution consiste à utiliser une antenne à forte gain, mais le caractère omnidirectionnel d'une telle antenne ne concorde pas avec la nature de l‘environnent électromagnétique où l'énergie RF peut être partout. Ce projet de thèse propose une technologie de récupération d'énergie RF basée sur une technologie de filtrage spatial inspiré du RADAR avec des capacités d'auto adaptation. Ce système innovant sera conçu avec un redresseur pour fonctionner soit comme une rectenna isotropique à fort gain soit comme une rectenna très efficace dans une direction donnée. Dans un second temps, la combinaison entre deux ou plusieurs sources d'énergie indépendante (vibration mécanique et RF par exemple) dans un composant non linéaire sera envisagée. En effet, il a été montre que l'interaction de signaux non corrélés dans un composant non linéaire peut améliorer l'efficacité de conversion du récupérateur d'énergie.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Rectenna are RF energy collecting systems (Rectifier + antenna) that convert RF wave to DC power. Those systems typically operate from 100MHz to 10 GHz, and are being developed for more than 40 years for medium to high power (0.1mW and higher) for point-to-point transmission techniques. But our electromagnetic environment is swiftly changing, and does not compare anymore to the one of the 70s. The recent exponential growth of RF related devices (There is today more than 4 Billion WiFi-enabled consumer devices, more than 15 Million cell phone base-stations, …) tend to mesh our modern cities and create an ubiquitous radiofrequency energy environment at the communication frequencies bands. Because of this reality, the RF community recently put a lot of effort to extend the power range operation of rectenna at micro-watt level to harvest this surrounding radio waves, as a mean to power low duty-cycle, low power wireless sensors and other Internet of Things (IoT) related devices. The key problem faced by such systems is that the conversion efficiency of the rectifier depends greatly on the input power (low received power means low RF-to-DC conversion efficiency). This issue could be very well addressed by using a high gain antenna, but this solution does not comply with the unknown nature of the environment (the position of the rectenna is not meant to be controlled, and the RF sources of energy could be everywhere). We therefore propose to develop during this research work a RADAR-inspired, beam-forming technology with self-powered adaptive capabilities. This innovative system will be co-designed with a rectifier to operate either as a synthetic high gain isotropic rectenna or as a highly efficient narrow beam rectenna, which is anticipated to become a game changing energy platform for the ubiquitous wireless sensors of the IoT. This work will possibly takle the cooperative power harvesting scheme, collecting power from two or more independent ambient energy sources (like mechanical vibration & radiowaves) into a single non-linear component. The interaction of uncorrelated signals in a nonlinear device can indeed greatly improve the conversion efficiency of the harvester.