Système compact de télé-alimentation par ondes RF pour des étiquettes géo-localisables et autonomes en énergie

Compact RF wireless power transmission system for battery-free geolocation tags

• Auteur / Autrice : Alassane Sidibé
• Direction : Alexandru Takacs, Jan Mennekens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Dragomirescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Staraj, Eric Cariou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tân-Phu Vuong, Simon Jacques Hemour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Services basés sur la localisation

Appareils électroniques -- Alimentation en énergie

Mots clés libres

Transmission d'énergie sans fil

Étiquettes géolocalisables

Rectenna

Capteurs sans fils et sans batterie

Antenne flexible

Wireless Power Transmission

Geolocation tags

Rectenna

Battery-free sensor node

Flexible antenna

Résumé

L'expansion considérable des systèmes électroniques dans un monde de plus en plus connectés a entrainé un besoin permanent d'énergie pour un fonctionnement en continu. De plus, les objets connectés embarquent davantage de fonctionnalités qui nécessitent une consommation énergétique croissante. L'autonomie en énergie devient ainsi une problématique dont fait face plusieurs systèmes électroniques. Cette limitation de la durée de fonctionnement va donc être solutionner par d'autres approches d'alimentation sans batterie. Par ailleurs, l'essor de nouvelles technologies et de nouveaux secteurs d'activités pour les objets connectés (textile, médical, transport et chaîne de distribution) va motiver la miniaturisation et l'adaptabilité géométrique de ces systèmes. L'usage et le développement de matériaux non conventionnelles (flexibles, biodégradables, etc.) sont souvent privilégiés. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration CIFRE entre le LAAS-CNRS et la société UWINLOC. Cette dernière de par son expertise, a développé une solution de géolocalisation destinées à l'identification et à la traçabilité des actifs au sein d'une zone industrielle de type entrepôt de stockage. Cela relevé d'un intérêt majeur pour une meilleure gestion des flux de production et d'inventaire optimisé d'objet. Cette solution se démarque des autres solutions de traçabilité, par son fonctionnement en continu sans alimentation externe (sans batterie) et sur une précision de localisation de l'ordre du centimètre grâce à la technologie Ultra-Wide Band (UWB). L'alimentation de l'étiquette géolocalisable est assurée par une technique de télé-alimentation des ondes électromagnétiques ou récupération d'énergie au travers d'une source émettrice. Pour faire face aux défis scientifiques et industriels, la thèse porte sur un système compact de télé-alimentation par ondes RF pour des étiquettes géolocalisables et autonomes en énergie. Plus précisément le but est d'une part la miniaturisation et l'intégration optimale des antennes dédiées à la télé-alimentation et d'autres part l'optimisation des performances radiofréquences du système. Pour ce faire, une familiarisation à la technique de récupération d'énergie radiofréquence (RF), aux différents types d'antenne et de redresseur (capable de convertir un signal RF en courant continu) a été nécessaire. Cette pré-étude, va permettre la conception de circuit de récupération d'énergie RF communément appelé rectenna optimisé pour un fonctionnement à 868 MHz pour des faibles densités de puissance. Elle sera par la suite utilisée pour l'alimentation des capteurs et microcontrôleurs pour une communication Bluetooth Low Energy (BLE). Les performances d'autres rectennas double bande ou à des fréquences différentes ou sur substrat Kapton ont également été étudiés. Au travers d'un projet Européen SMARTEES, une partie des travaux de la thèse ont porté sur l'étude et la conception d'une rectenna sur un substrat flexible PET pour l'étiquette géolocalisable (UTAG). La caractérisation des propriétés diélectrique du substrat a, au préalable été nécessaire pour des résultats optimaux. Dans un souci de développer des étiquettes flexibles à bas coût, d'autres travaux ont poursuivie grâce au projet MADRAS. Ce projet a pour objectif, le développement de matériaux innovants pour de l'électronique flexible. Il a donc été objet dans cette thèse de la conception d'antennes sur différents types de matériaux tout en considération un cahier de charge sur les performances et les dimensions. Enfin une partie de la thèse regroupe l'ensemble des travaux en lien avec la récupération d'énergie RF dans le béton. Ces tâches avaient pour but la conception et réalisation de rectenna pour l'alimentation de réseaux de capteur sans fils pour la mesure des paramètres de la structure du bétons (température et humidité) via une communication LoRAWAN et BLE.

The expansion of electronic systems in an increasingly connected world has led to a permanent need of energy for continuous operation. In addition, Internet of things (IoT) objects embeds more and more functionalities that require increased power consumption. Therefore, the autonomous power supply is becoming an issue that many electronic systems are facing. This limitation of the life span is solved by other approaches of power supply without any battery. In addition, the development of new technologies and new applications (textile, medical, retail, and transport) motivates the miniaturization and geometric adaptability of these systems. The use and development of unconventional materials (e.g. flexible and bio-degradable) are often favored. This thesis is part of a CIFRE collaboration between the LAAS-CNRS and UWINLOC company. UWINLOC has developed a geolocation solution for asset tracking and identification in an industrial area such as a warehouse. This is of major interest for better management of production flows and an optimized inventory of objects. The developed solution is different from other tracking solutions, thanks to its continuous operation without any external power supply (battery) and a high localization accuracy (around a few centimeters) and, thanks to the Ultra-Wide Band technology (UWB). The geolocation tag is remotely powered by the wireless power transmission (WPT) technique through an RF source. In order to face scientific and industrial challenges, the thesis focuses on a compact RF wireless power supply system for geolocation and energy-autonomous tags. The purpose is mainly on one hand, the miniaturization and the optimal integration of the antennas dedicated to convert the electromagnetic (EM) waves to an RF signal, and on the other hand, the optimization of RF-to-DC conversion efficiency. Thus, a study of the state of art on the technique of RF energy harvesting and WPT, the different types of antenna and rectifier topologies (RF signal to direct current converter) was operated. It then allows the design of RF energy harvesting circuits, commonly named rectenna optimized for an operation at 868 MHz for low power densities level. The design was then used to supply sensors and microcontrollers for Bluetooth Low Energy (BLE) communication. The performance of other rectenna as dual-band or different frequencies or on Kapton substrate has also been studied. Through a European project SMARTEES, a part of the work of the thesis focused on the study and design of a rectenna on a flexible PET substrate for geolocation tag (UTAG). The extraction of the dielectric properties of the substrate was necessary for optimal results. In order to develop low-cost flexible tags, further work was carried out through the MADRAS project. This project aims to develop innovative materials for flexible electronics. In this thesis the design of antennas on different types of materials was considered too, taking into account the performance, size requirements, and cost. Finally, a part of the thesis includes works related to wireless power transmission in the concrete beam. These tasks were aimed at the design and realization of a rectenna for the supply of wireless sensor networks for the measurement of structural parameters of concrete (temperature and humidity) via LoRAWAN and BLE communication.