Optimisation conjointe de la forme d'onde et du circuit de conversion RF-DC pour le transfert d'énergie sans fil

Joint Optimization of the Waveform and RF-DC Conversion Circuit for Wireless Power Transfer

• Auteur / Autrice : Amine Hamidouche
• Direction : Laurent Cirio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 13/06/2025
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Philippe Le Thuc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Cirio, Yvan Duroc, Marjorie Greskowiak, Hakim Takhedmit, Patrick Poulichet, Jean-Lou Dubard, Odile Picon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvan Duroc, Marjorie Greskowiak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Antennes (électronique)

Ondes

Internet des objets

Radiofréquences

Transfert d'énergie sans fil

Mots clés libres

Transfert d'énergie sans fil

Radiofréquence

Rectennas

IoT

Formes d'ondes

Optimisation

Wireless power transfer

Radiofrequency

Rectennas

IoT

Waveforms

Optimization

Résumé

Dans le contexte de transfert/récupération d’énergie sans fils, ce travail propose une approche innovante sur la conception de circuits redresseurs RF associés aux formes d’ondes optimisées en puissance. Alors que l’analyse des limitations d’un circuit redresseur RF a permis de soulever, notamment en l'absence d’éléments redresseurs commerciaux adaptés aux faibles puissances, la problématique quant à la maximisation de l'efficacité de conversion RF-dc à faible puissance, l’usage de signaux à fort PAPR tels que l'OFDM, les signaux chaotiques, multitons et RF impulsionnels ont pu établir une amélioration de l'efficacité de conversion RF-dc du redresseur comparé à un signal en CW. Ainsi, les caractéristiques de signaux multitons et RF impulsionnels sont explorés dans un 1er temps et trois outils numériques basés sur ADS sont identifiés et discutés, ceci afin de tenir compte de la forme d’onde lors de la synthèse de circuits RF non-linéaires. Par la suite, un redresseur large bande est caractérisé en régimes CW et impulsionnel. Les réponses simulées et mesurées en fréquence et en puissance sont comparées afin de mettre en évidence l'amélioration de l'efficacité de conversion, ainsi que les limitations liées au PAPR. Les résultats montrent qu'en fonction du niveau de puissance d'entrée, l'efficacité de conversion peut être améliorée en appliquant un signal RF impulsionnel avec un rapport cyclique dit « optimal ». À l’aide du processus de caractérisation automatisé, des cartographies sont extraites et permettent en fonction de la fréquence, du niveau de puissance d'entrée et de la charge de sortie, de localiser le rapport cyclique optimal. Par conséquent, le bilan de puissance du redresseur est évalué en fonction du rapport cyclique et montre que les pertes dues à la désadaptation sont minimales tandis que la tension de sortie est maximale. Cette tendance est validée par la mesure du S11 en régime impulsionnel via l’introduction d’un banc de mesure adapté. Des investigations supplémentaires sont menées sur le redresseur en appliquant différentes fenêtres de modulation afin d'évaluer le rôle que pourrait jouer l’enveloppe du signal pour atteindre l’efficacité optimale et tenter par la même occasion de répondre à la question de savoir si l’efficacité optimale est régie par la présence d’une forme d’onde optimale ou d’un PAPR optimal. Enfin, un nouveau processus d'optimisation pour les redresseurs est présenté afin de tenir compte du PAPR optimal comme dimension supplémentaire et de manière conjointe lors de la phase de conception du redresseur. Les tendances analytiques étant extraites en régimes CW et impulsionnel, cette étude est suivie d’une présentation des règles de conceptions du redresseur lorsqu’optimisé en impulsionnel à l’aide de l’outil numérique introduit au préalable. Quatre prototypes sont alors fabriqués, incluant différents modèles de diodes et optimisés sous régimes CW et impulsionnel. Une efficacité maximale mesurée de 53 % à -20 dBm et 70 % à -10 dBm est mesurée. Après avoir discuté les performances des redresseurs conçus, les bilans de puissance de ces derniers sont évalués afin d’expliquer l’apport de l’optimisation conjointe. Par la suite, divers convertisseurs DC-DC et un démonstrateur sont employés pour les différents prototypes afin de mettre en évidence l’apport d’une structure optimisée en régime impulsionnel dans le contexte du transfert d’énergie sans fil à faible niveau de puissance

In wireless power transfer/energy harvesting context, this thesis aims to present an innovative approach to the design of RF rectifier circuits coupled with power-optimized waveforms. The analysis of RF rectifier limitations, particularly in the absence of commercially available rectifying components suitable for low-power conditions, has raised the issue of maximizing RF-to-DC conversion efficiency at low power levels. The use of high PAPR signals, such as OFDM, chaotic signals, multitone, and pulsed RF signals, has demonstrated an enhancement in the RF-to-DC conversion efficiency of the rectifier compared to CW signals. In this framework, the characteristics of multitone and pulsed RF signals are initially investigated, and three numerical tools based on ADS are identified and discussed, aiming to handle the waveform during the synthesis of nonlinear RF circuits process.Following this, a broadband rectifier is characterized under both CW and pulsed regimes. Simulated and measured responses in terms of frequency and power are compared to highlight the improvement in conversion efficiency, as well as the limitations associated with PAPR. The results indicate that, depending on the input power level, conversion efficiency can be enhanced by applying a pulsed RF signal with an “optimal” duty cycle. Through the automated characterization process, maps are generated to identify the optimal duty cycle as a function of frequency, input power level, and output load. Consequently, the power budget of the rectifier is evaluated based on the duty cycle, showing that losses due to impedance mismatch are minimal while output voltage is maximized. This trend is validated by measuring the S11 parameter under pulsed conditions using a suitable measurement setup. Further investigations are conducted on the rectifier by applying different modulation windows to assess the role of the signal envelope in achieving optimal efficiency, and to explore whether optimal efficiency is governed by the presence of an optimal waveform or an optimal PAPR. Finally, a new optimization process for rectifiers is presented, incorporating the PAPR as an additional dimension during the rectifier design phase. Analytical trends are extracted for both CW and pulsed regimes, followed by a presentation of rectifier design rules when optimized for pulsed operation using the previously introduced numerical tool. Four prototypes are fabricated, incorporating various diode models and optimized under both CW and pulsed regimes. A measured maximum efficiency of 53% at -20 dBm and 70% at -10 dBm is achieved. After discussing the performance of the designed rectifiers, their power balances are evaluated to explain the contribution of the joint optimization. Subsequently, various DC-DC converters and a demonstrator are used for the different prototypes to highlight the benefit of using the joint optimized process in the context of low-power wireless energy transfer