Récupération de l'énergie électromagnétique ambiante pour l'amélioration de l'autonomie des objets communicants

Electromagnetic energy harvesting for increasing the autonomy of connected devices

• Auteur / Autrice : Shirin Aghabeiki
• Direction : Moncef Kadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....) - Ecole supérieure d'ingénieurs en génie électrique (Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 2001-...)
• Jury : Président / Présidente : Ala Sharaiha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élodie Richalot, Christophe Delaveaud, Manouan Aka Constant Niamien
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tân-Phu Vuong, Marc Hélier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction électromagnétique

IEEE 802.11 (norme)

UMTS (norme)

GSM (radiotéléphonie)

Antennes (électronique)

Ondes électromagnétiques

Mots clés libres

Energie électromagnétique

Collecte d'énergie ambiante

Antennes isotropes

Rectennas

GSM

IMT-200

Wi-Fi

Electromagnetic energy

Ambient energy harvesting

Isotropic antennas

Rectennas

GSM

IMT-200

Wi-Fi

Résumé

La conversion de l’énergie électromagnétique en énergie électrique par des dispositifs électroniques appelés rectennas est relativement ancienne et date de 1964 où de premières expérimentations ont démontré la possibilité d’alimenter à distance le rotor d’un drone d’hélicoptère à partir de la transmission d’ondes radio à 2,45 GHz. Depuis, plusieurs études se sont succédé pour approfondir ce concept de laboratoire et l’étendre à des cas d’applications plus réalistes comme dans un milieu ambiant intérieur ou extérieur où l’énergie électromagnétique disponible n’est pas directement contrôlable à cause des obstacles (individus, mobilier, bâtiments, végétation, etc.) qui créent en continu des atténuations et des réflexions multiples. Aujourd’hui, l’enjeu de l’innovation autour du rectenna est son exploitation en vue de convertir l’énergie électromagnétique ambiante issues d’émetteurs divers (TV, GSM, 3G/4G, Wi-Fi, etc.) en énergie électrique capable d’alimenter des dispositifs électroniques comme les objets communicants. Ceux-ci deviendraient ainsi autonomes en énergie. Toutefois, cette finalité applicative se heurte à des limitations physiques. En effet, d’un côté les densités de puissance disponibles dans le milieu ambiant sont très faibles, de l’ordre de quelque nW/cm² en extérieur. De l’autre côté, l’efficacité de conversion RF-DC, qui conditionne directement l’efficacité totale du rectenna, diminue considérablement avec de faibles niveaux de puissance RF disponible à l’entrée du convertisseur. Le but de cette thèse est de relever ce défi à travers deux objectifs clés. Le premier vise à proposer une méthodologie rigoureuse permettant de quantifier et mesurer les niveaux « réels » de la densité de puissance RF disponible en milieu ambiant et repartie sur les différentes bandes de fréquences existantes (GSM, IMT-200, Wi-Fi, etc.). Le deuxième objectif concerne le développement de nouvelles générations d’antennes quasi-isotropes en diagramme et en polarisation pour la collecte optimale de l’énergie RF disponible. Ce travail de recherche rentre dans le cadre du projet INTERREG SURFAS regroupant 4 partenaires français et anglais, et dont l’ESIGELEC est le chef de file.

The conversion of electromagnetic energy into electrical energy with electronic devices called rectennas is relatively old as it dates back to 1964 when first experiments have demonstrated the possibility to remotely power the rotor of a helicopter drone by transmitting 2.45-GHz radio waves. Since then, several studies have followed to go beyond this laboratory proof of concept and extend it to more realistic applications in indoor and outdoor environments where the available electromagnetic energy cannot be directly controlled because of obstacles (people, furniture, buildings, vegetation, etc.) which continuously create damping and multiple reflections. Today, the objective of the research on rectennas is to be able to use them to convert the ambient electromagnetic energy from various emitters (TV, GSM, 3G/4G, Wi-Fi, etc.) into electrical energy able to power electronic devices such as Internet-of-Things devices. This way, those devices would become autonomous in energy. The goal of this application, however, is faced with physical limitations. Indeed, on one hand, the available power densities in the environment are very low, of the order of a few nW/cm² in outdoor environments. On the other hand, the RF-DC conversion efficiency, which directly affects the total efficiency of the rectenna, decreases significantly at low available RF power levels at the input of the converter. The goal of this thesis is to address this challenge via two main objectives. First, to offer a rigorous method to quantify and measure the “real” levels of available RF power density in the environment, spread across different frequency bands (GSM, IMT-200, Wi-Fi, etc.). Second, to develop new generations of quasi-isotropic antennas, both in diagram and in polarization for optimal harvesting of the available RF energy. This research is part of the “SURFAS” INTERREG project which involves 4 French and English partners and which is led by ESIGELEC