Conception d'un système de transmission d'énergie sans fils pour les implants autonomes biomédicaux

Design of a Power-Efficient Radiative Wireless System for Autonomous Biomedical Implants

• Auteur / Autrice : Shuoliang Ding
• Direction : Lionel Pichon, Stavros Koulouridis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 05/02/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kokabi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lethuc, Dimitrios Anagnostou, Feliziani Mauro, Yann Le Bihan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Lethuc, Dimitrios Anagnostou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotélémétrie

Antennes (électronique)

Énergie

Mots clés libres

Rectenna

Antenne implantée

Biotélémétrie

Transmission d’énergie sans fil

Industrial, Scientific and Medical Band

Rectenna

Implantable antenna

Wireless power transmission

Biomedical engineering

Industrial, Scientific and Medical Band

Résumé

Ce travail est destiné à concevoir un système de transmission d’énergie sans fil complet, qui est constitué par les éléments suivants : une antenne externe pour fournir la puissance ; une antenne bi-bande circulaire miniaturisée implantée pour la réception d’énergie et un circuit de redressement—doubleur de tension. Quelques capteurs issus de la littérature sont aussi mentionnés et discutés. Le scénario complet garantit l’intégrité du système et donc valide sa faisabilité. En comparant avec des publications récentes, le système proposé dans cette thèse possède la taille électrique la plus petite. Même si l’efficacité de transmission peut être considérée comme basse, le travail montre que le système est capable d’alimenter plusieurs types de capteur sans difficulté.La partie d’antenne, afin de maximiser la puissance transmise, fonctionne à 915 MHz selon la contrainte internationale de puissance de transmission. L’antenne est circulaire et a un diamètre de 11 mm. Plusieurs améliorations ont été réalisées pendant la procédure de conception, par exemple, réduire la taille du patch ou augmenter le rayon de la fente d’antenne. En plus, dans l’intention d’envisager toutes les améliorations possibles de l’antenne, le rôle et l’influence de chaque paramètre sont détaillés. Plusieurs résultats numériques importants sont présentés et le scénario de la transmission est évalué. Quelques éléments annexes du système, comme l’antenne externe et le réflecteur sont aussi étudiés et la composition l optimisée est déterminée. Les contraintes de sécurité sont également satisfaites. Le rendement de l’antenne dans le corps humain peut atteindre -35 dB pour une distance de 400mm. Enfin, une méthode mathématique récente est présentée. Elle est capable d’analyser la sensibilité et d’estimer des résultats de simulation à moindre coût.Pour la partie de circuit, plusieurs idées sont proposées et comparées afin d’atteindre la meilleure performance. Les caractéristiques électromagnétiques de tous les éléments du circuit sont prises en compte afin d’obtenir des valeurs optimales. Une simulation totale (antenne et circuit ensemble) est également réalisée. Avec l’analyse antenne-circuit, le système complet est capable de recevoir 56.9 μW pour une distance de transmission de 400 mm et 233.6 μW pour 200 mm avec la configuration optimisée. Le scénario a été finalisé tout en présentant des capteurs de basse consommation.Finalement, plusieurs mesures ont été réalisées pour valider le comportement du système. Pendant la première mesure, un certain nombre de problème ont été diagnostiqués et certaines hypothèses ont été étudiées. Ensuite, elles ont été prouvées correctes et la deuxième mesure s’est avérée une réussite. Différents environnements de simulation ont été comparés et les résultats ont été discutés. Le circuit a également été mesuré.

The work in this thesis is dedicated to designing a complete wireless power transmission system including an external power delivery patch antenna, a miniaturized dual-band circular embedded power reception dipole antenna, and a voltage doubler rectifying circuit. Some sensors in the previous literature are mentioned and discussed as well. This entire scenario guarantees the completeness of this system and thus validates its feasibility. Comparing to the previous literature, the system in this thesis has the smallest electrical size. Although the total efficiency seems as low as in other designs, our work proves that it could support several kinds of sensors without any difficulty.For the antenna part, in order to have the maximum power transmitted, the power transmission operates at 915 MHz because of the power limit standards. The circular antenna has a diameter of 11 mm. Several improvements have been made during the design process, including reducing the patch size or increasing the slot radius, etc. Also, in order to simplify any improvement in the future, the influence of each antenna’s parameters is detailed. Several important simulation results are presented and the transmission scenario is evaluated. Different accessories such as the external antenna and the reflector are also evaluated. The most optimized parameter for the reflector is found and safety issues are considered. The in-body transmission efficiency could reach -35 dB for 400 mm distance. At last, a new mathematical method with the capability of analyzing the parameters’ sensitivity and predicting results is introduced.For the circuit part, several designs are proposed and compared in order to achieve the best performance. The electromagnetic properties of all parts in the circuit are considered and taken into account. Each component is altered for the purpose of finding the optimized value and an antenna-circuit simulation is done. Through antenna-circuit combination analysis, with the most optimized configuration, the entire system is able to receive 56.9 μW for 400 mm power transmission distance and 233.6 μW for 200 mm power transmission distance. By introducing the sensors, the entire scenario has been completed.Finally, several measurements are done in order to validate the performance of the system. During the first measurement, some issues were found and some assumptions were made. Then the assumptions were proved to be right and the second measurement was a success. Different operation environments were compared and differences were discussed. The circuit was measured as well.