Transcript Conception d`une nouvelle rectenna bi-bandes à 1,8 et 2,45

CONCEPTION D'UNE NOUVELLE
RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz
Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio
JOURNÉE DE L’AREMIF
Paris, 27 Mai 2013
PLAN DE LA PRÉSENTATION
1- Introduction
2- Rectennas pour la récupération d’énergie électromagnétique
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats : mesures et simulations
6- Conclusions et perspectives
1
INTRODUCTION
 Augmentation du nombre d’objets communicants sans fil
 Diminution de la consommation énergétique des objets
communicants sans fil
 Capteurs communicant
 Actionneurs
 Terminaux mobiles
Capteur de température
communicant sans fil
Smartphone
 ….
Problèmes de l’autonomie énergétique?
Inconvénients des piles et des batteries
rechargement et durée de vie limitée
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
2
INTRODUCTION
 Comment améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs sans fil ?
Solution : Alimenter les dispositifs par récupération de sources d’énergie
existantes dans l’environnement.
Energie
vibratoire
Energie
Thermique
Piézoélectrique
Energie
solaire
1- Introduction 2- Rectennas
Energie
électromagnétique
Energie
électrique
utile
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
…
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
3
RECTENNAS
 Une rectenna permet de capter l’énergie électromagnétique et de la
convertir en puissance électrique utile.
Adaptation
+
Filtrage HF
Diodes
Filtre DC
Charge
Assurer la rejection des
Capter l’énergie
Bloquer
les
composantes
RF
Assurer
l’adaptation
entre
le
Élément
à
caractéristique
harmoniques
d’ordre
supérieur d’entrée
Modéliser
l’impédance
électromagnétique
et negénérées
laisse
passer
la Schottky
convertisseur et l’antenne
non
linéaire
par du
laque
diode
dispositif
à alimenter
composante continue
1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4
Objectifs
 Concevoir et réaliser un système bi-bandes de conversion d’énergie
RF-DC aux fréquences 1.8 et 2.45 GHz pour des niveaux de
puissances RF faibles, de l’ordre de -10 dBm.
• Assurer des performances comparables sur les deux bandes
fréquentielles.
• Maximiser le rendement de conversion RF-dc.
• Eviter les problèmes de produits d’intermodulation entre
fréquences et faciliter la conception du circuit.
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
5
Circuit de conversion A
1.8 GHz
Circuit de conversion B
2.45 GHz
Charge RL
3
Circuit de conversion A
1.8 GHz
1
4
2
Antenne bi-bandes
1.8 et 2.45 GHz
Anneau hybride
180° 3 dB
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

6
La matrice S de l’anneau hybride modifié par la présence de la
ligne λg/4 (à 2.45 GHz) sur l’accès 1 est donnée par :
 0 j j 0

0  1
 j  j 0

S
0
1
2  j 0
 0 1 1

0


1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
7
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
 Simulation et optimisation avec ADS:
 Couplage entre HB et Momentum.
RL = 8.8 KΩ
 PRF = PRF1 + PRF2
-10 dBm à 2.45 GHz
97.7 mm
Court-circuit
-10 dBm à 1.8 GHz
Puissance RF
totale (PRF)
 Diode Schottky SMS7630
 Substrat : ARLON 25N
76.7 mm
  3.4 ; h  1.524 mm ; tg  0.0025
r
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
8
Protocole expérimental
Prototype
Banc de mesure
Source RF
f1
Source RF
f2
Combineur de puissance
50 Ω
Coupleur hybride 3dB (90°)
f1+f2
f1+f2
DUT (Circuit de
conversion bibandes)
Analyseur
de spectre
RL
V
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Résultats : mesures et simulations
9
Coefficient de réflexion
 PRF = -10 dBm
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
10
Résultats : mesures et simulations
Etude fréquentielle
 Le système bi-bandes reçoit les deux fréquences f1 et f2, on fixe la
fréquence f1 et on varie la fréquence f2, et inversement.
P
U


P
RP
2
DC
RF
 RL = 8.8 KΩ
L
 PRF = PRF1 + PRF2
 (%)
1.8 et 2.45 GHz
Simulation
1.8 et 2.35 GHz
mesure
1.8 et 2.45 GHz
mesure
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
RF
Tension (V)
52.2
0.96
49.4
0.93
31.4
0.74
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
11
Résultats : mesures et simulations
Etude en fonction de la puissance
RL = 8.8 KΩ
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
1.8 et 2.35 GHz
simulation
mesure
PRF1= PRF2
-20
-6
-20
-6
 (%)
25
58
21
50
0.21
1.6
0.19
1.49
Tension (V)
1- Introduction 2- Rectennas
1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
12
Résultats : simulations
Bilan de puissance (simulation ADS)
 Le rendement de conversion RF-dc
augmente avec la puissance RF
jusqu’à -6dBm, ensuite il commence à
décroitre.
 Les pertes dans les diodes sont les
plus importantes, elles diminuent
lorsque les puissances RF augmentes.
 Les autres pertes :
-Pertes dans le diélectrique.
-Pertes dans le métal.
- …
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
13
Résultats : mesures
 Le système bi-bandes reçoit une seule fréquence (PRF = -10 dBm).
Fréquence (GHz)
 Une tension dc supérieure à 250 mV et un rendement de
conversion supérieur à 30 % ont pu être mesurés.
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Conclusion et perspectives
14
Conclusion
 Conception et mesure d’un système bi-bande de conversion RF-dc à
base d’un anneau hybride conçu et optimisé aux fréquences 1.8 et 2.45
GHz.
 Absence du circuit d’adaptation bi-bande.
 Le circuit proposé permet la conversion RF-dc de façon séparée des
deux fréquences, évitant la génération de produits d’intermodulation.
 Pour les fréquences 1.8 et 2.45 GHz injectées, une tension maximale
de 1.5 V a pu être mesurée en sortie du circuit de conversion, pour
une puissance RF de -6 dBm par fréquence.
 Un rendement de conversion de 49.4 % a pu être mesuré, pour une
puissance RF de -10 dBm par fréquence.
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Conclusion et perspectives
15
Perspectives
 Associer une antenne bi-bandes au circuit de conversion.
RC
RB
RA
V1
RL
DA
150 mm
V2
𝝀g/4
DB
3
4
1
DC
2
240 mm
1- Introduction
2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
16
Conclusion et perspectives
Perspectives
 Miniaturiser le circuit.
Miniaturisation de 36 %
82 mm
PRF = PRF1 + PRF2
-15 dBm
-15 dBm
1.850
2.45
-25.9
-34.9
PRF
RL= 4 KΩ
η= 40.30 %
Vout= 319 mV
58.5 mm
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Conclusion et perspectives
17
Perspectives
 Généraliser le concept aux systèmes multi-bandes.
 Conception d’un réseau de rectennae bi-bandes pour augmenter le
niveau de signal reçu
 Diminuer les niveaux de puissance pour tendre vers des niveaux
ambiants (~1 µW/cm²).
1- Introduction 2- Rectennas
3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
4- Protocole expérimental
5- Résultats 6- Conclusion et perspectives
Merci de votre attention