Thèse soutenue

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

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Auteur / Autrice : Erika Vandelle
Direction : Tân-Phu VuongKe Wu
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Optique et radiofréquence
Date : Soutenance le 16/12/2019
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Corinne Déjous
Examinateurs / Examinatrices : Simon Jacques Hemour, Gustavo Adolfo Ardila Rodriguez, Emmanuel Dreina
Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandru Takacs, Fabien Ferrero

Résumé

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La récupération d’énergie électromagnétique provenant de sources ambiantes ou intentionnelles, de fréquences allant de 100 MHz à 10 GHz, est apparue ces dernières années comme une solution prometteuse pour développer l’électronique autoalimentée. Cependant, les faibles densités de puissance, généralement plus faibles que 1 μW.cm-2, engendrent de faibles efficacités de redressement et de faibles sensibilités, et la diversité des signaux ambients (direction d’arrivée et polarisation inconnues et variant dans le temps) ne permet pas d’utiliser des antennes directives.Dans cette thèse, les techniques de combinaison de la puissance RF ou DC dans des systèmes de récupération d’énergie à multiples antennes, associées à des structures originales, sont étudiées pour faire face aux différents verrous technologiques. De plus, une nouvelle Figure-de-Mérite, décrivant la capacité d’un système à récupérer de l’énergie ambiante, est développée avec des termes de probabilités représentant la diversité fréquentielle, spatiale et de polarisation des signaux ambiants.La première partie de cette thèse se consacre à la conception d’antennes et de rectennas individuelles efficaces. Des prototypes peu chers et recyclables sont proposés sur un substrat papier grâce à une technique originale de réduction des pertes.Dans la deuxième partie de cette thèse, l’efficacité de conversion RF-DC est améliorée à travers la combinaison de la puissance RF avant le processus de redressement, sans pour autant réduire la couverture spatiale du système. Pour cela, une structure 3D multidirectionnelle de réseaux d’antennes associés à des réseaux interférométriques passifs, pour la formation de faisceaux, est conçue, afin d’obtenir un diagramme de rayonnement multidirectionnel à fort gain. Cette solution inspirée des systèmes de radar et impliquant des matrices de Butler, aboutit à une haute efficacité de conversion RF-DC ainsi qu’à une couverture spatiale optimale. Ainsi, une capacité à récupérer de l’énergie plus grande que celles de l’état-de-l’art est obtenue.La dernière partie de cette thèse propose de remédier à la limite en sensibilité de la combinaison de puissance RF, plus faible qu’avec une combinaison DC en série de la puissance, grâce à un système reconfigurable. Pour cela, des cellules unitaires de rectennas sont conçues afin de former un réseau interférométrique adaptable et extensible, qui offre la possibilité d’obtenir un système hautement efficace et sensible à la fois. Cette solution peut servir à la récupération d’énergie, à la localisation passive et autonome ou à des applications RFID.