Étude de la récupération d’énergie radiofréquence ambiante à l’aide d’une approche plastronique de prototypage rapide

Investigation of ambient radio-frequency energy harvesting using a rapid prototyping plastronic approach

• Auteur / Autrice : Xuan Viet Linh Nguyen
• Direction : Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/02/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Jury : Président / Présidente : Philippe Benech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Philippe Benech, Valérie Vigneras, Aleksandar Prodic, Delphine Bechevet, Jean-Marc Duchamp, Michel Cabrera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Vigneras, Aleksandar Prodic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Électrotechnique

Mots clés libres

Génie électrique

Récupération d'énergie

Radiofréquence

Antennes

Gestion de puissance

Plastronique

Stéréolithographie

Métallisation autocatalytique

Electrical engineering

Energy Harvesting

Radio Frequency - RF

Antennas

Power management

Plastronics

Stereolithography

Autocatalytic Growth

Résumé

L’Internet of Things ou l’Internet des objets définit une nouvelle ère de technologie, où les dispositifs électriques communiquent entre eux sans fil. Les appareils IoT trouvent leurs applications dans de nombreux domaines de notre vie quotidienne, tels que les télécommunications, l’éducation, les soins de santé, les domaines industriels, etc. Un obstacle à surmonter dans le développement de ces dispositifs est leur système d’approvisionnement en énergie autonome. En matière de système d’approvisionnement en énergie, le circuit de récupération d’énergie de radiofréquence (RFEH) est sélectionné parmi les circuits récents de récupération d’énergie (thermique, mécanique, lumière, etc.). Un autre aspect intéressant est la possibilité d’intégrer le RFEH à la surface des objets polymères, qui sont souvent largement inutilisées. Cela semble impossible avec les techniques du PCB et du FLEX-PCB, mais la Plastronique permet de réaliser cette idée. Par conséquent, l’objectif de ce travail est de démontrer la faisabilité de l’intégration d’un RFEH à la surface d’un polymère à l’aide d’une technologie de la Plastronique développée dans notre laboratoire, peu coûteuse et adaptée au prototypage. Cette technologie, appelée Plastronique Rapide, est basée sur la fabrication du substrat de l’appareil par impression 3D, en utilisant la Stéréolithographie, et la réalisation des traces conductrices en appliquant la métallisation autocatalytique. L’objectif n’était pas de développer cette technologie mais de l’appliquer dans le contexte RF (ce qui n’était pas fait auparavant) et RFEH. Cette thèse comporte les phases suivantes. Dans la première phase, les études du processus de fabrication des circuits de la Plastronique Rapide, de la permittivité relative, de la tangente de perte du substrat et de la résistivité du conducteur sont effectuées. Ces paramètres jouent un rôle important dans la conception des antennes et du redresseur RF-DC. Dans la deuxième phase, les conceptions d’antennes patch pour les applications de récupération d’énergie sont discutées. Premièrement, une antenne patch de polarisation linéaire fonctionnant à 2,45 GHz et les impacts du substrat SLA et du cuivre ELD sur les performances de l’antenne sont mentionnés. Ensuite, les antennes patch de polarisation circulaire capables de capturer toutes les polarisations dans l’espace sont étudiées. La troisième phase concerne les redresseurs RF-DC, le circuit de gestion de puissance proposé ainsi que l’interconnexion électrique entre les antennes conçues, les redresseurs et le PMU. La technique d’adaptation d’impédance à 50 Ω entre l’antenne et le redresseur est présentée. De plus, la technique d’identification de la charge optimale du redresseur qui donne une vision de la mise en place de l’interférence d’impédance entre le redresseur conçu et le PMU sera également introduite. Dans la dernière phase, la performance de l’assemblage du PMU, des redresseurs et des antennes seront analysées.

Internet of Things (IoT) or Internet of Objects is defining a new era of technology, where the electrical devices communicate with each other wirelessly. IoT devices have their applications in many fields in our quotidian life, such as telecommunications, education, health care, industrial domains, etc. A barrier to overcome in the development of these devices is their autonomic energy supply scheme. In the aspect of energy supply scheme, Radio Frequency Energy Harvester (RFEH) is selected among recent energy harvester mechanisms (thermal, mechanical, light, etc.). Another interesting aspect is the possibility of integrating the RFEH onto the surface of polymeric objects, which are often largely unused. This seems impossible with PCB and FLEX-PCB, but Plastronics allows to realize this idea. Therefore, the objective of this work is to demonstrate the feasibility of RFEH with a low cost, versatile Plastronics technology developed in our laboratory, suitable for prototyping. This technology, called Rapid Plastronics, is based on the fabrication of the device substrate by 3D printing, using Stereolithography (SLA), and realizing the conductive traces applying Electroless Deposition (ELD). The objective was not to develop this technology, but to apply it in the RF (which was not done before) and RFEH context. This thesis is conducted in the following phases. In the first phase, the studies of materials manufacturing process (Stereolithography (SLA) substrate, ELD copper) in Rapid Plastronics, relative permittivity, loss tangent of the substrate, and resistivity of the conductor are carried out. These parameters have a crucial role in designing the antennas and the RF-DC rectifier. In the second phase, designs of patch antenna for the energy harvesting (EH) applications are discussed. Firstly, a fundamental linearly polarized patch antenna operating at 2.45 GHz is studied, and the impacts of the SLA substrate and the ELD copper on the performance of the antenna are mentioned. Then, the circularly polarized patch antennas being able to capture all the polarizations in the air are studied. The third phase is about the RF-DC rectifiers, the proposed Power Management Unit (PMU) as well as the electrical interconnection between the designed antennas, the rectifiers and the PMU. The technique of matching the 50 Ω impedance between the antenna and the rectifier is presented. Moreover, the technique of identifying the optimal load of the rectifier that offers a vision of setting up the impedance interference between the designed rectifier and the PMU will be also introduced. In the last phase, the performance of the assembling of the PMU, the rectifiers and the antennas will be analyzed.