CONCEPTION D'UNE NOUVELLE RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz JOURNÉE DE LAREMIF Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio

CONCEPTION D'UNE NOUVELLE RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz

JOURNÉE DE L’AREMIF

Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio

Paris, 27 Mai 2013

4- Protocole expérimental

6- Conclusions et perspectives

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

5- Résultats : mesures et simulations

INTRODUCTION

1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives

Augmentation du nombre d’objets communicants sans fil

Capteur de température communicant sans fil

Smartphone Terminaux mobiles

Capteurs communicant

….

Actionneurs

5- Résultats

1

Problèmes de l’autonomie énergétique?

Diminution de la consommation énergétique des objets communicants sans fil

Inconvénients des piles et des batteries

rechargement et durée de vie limitée

INTRODUCTION

Comment améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs sans fil ?

Solution : Alimenter les dispositifs par récupération de sources d’énergie existantes dans l’environnement.

1- Introduction 2- Rectennas 3- Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz 4- Protocole expérimental 6- Conclusion et perspectives5- Résultats

2

RECTENNAS

Une rectenna permet de capter l’énergie électromagnétique et de la convertir en puissance électrique utile.

Élément à caractéristique non linéaire

Capter l’énergie électromagnétique

Assurer la rejection des harmoniques d’ordre supérieur générées par la diode Schottky

Assurer l’adaptation entre le convertisseur et l’antenne

Bloquer les composantes RF et ne laisse passer que la

composante continue

Modéliser l’impédance d’entrée du dispositif à alimenter


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Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz

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.


4


Circuit de conversion A1.8 GHz




Circuit de conversion B2.45 GHz

Circuit de conversion B2.45 GHz

Charge RL

2

13

4

Lig

ne λ

g/4

Anneau hybride 180° 3 dB

Antenne bi-bandes1.8 et 2.45 GHz


5

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 :


0110

100

100

00

2 j

j

jj

jS


6

Substrat : ARLON 25N

0025.0;524.1;4.3 tgmmhr


PRF = PRF1 + PRF2

RL = 8.8 KΩ

Diode Schottky SMS7630

-10 dBm à 2.45 GHz -10 dBm à 1.8 GHz

Court-circuit

Simulation et optimisation avec ADS: Couplage entre HB et Momentum.

Puissance RF totale (PRF)


7

76.7 mm

97.7 mm

Protocole expérimental

Source RFf1

Source RFf2

Combineur de puissance

50 Ω

f1+f2

Coupleur hybride 3dB (90°)

f1+f2

Analyseur de spectre

DUT (Circuit de conversion bi-

bandes)

V

RL

Banc de mesure Prototype


8

Résultats : mesures et simulations

Coefficient de réflexion

PRF = -10 dBm


9


Etude fréquentielle

RFLRF

DC

PRU

PP 2

Tension (V)

1.8 et 2.45 GHz

Simulation 52.2 0.96

1.8 et 2.35 GHz

mesure 49.4 0.93

1.8 et 2.45 GHz

mesure 31.4 0.74

(%)


10

RL = 8.8 KΩ PRF = PRF1 + PRF2

Le système bi-bandes reçoit les deux fréquences f1 et f2, on fixe la fréquence f1 et on varie la fréquence f2, et inversement.


Etude en fonction de la puissance

1.8 et 2.45 GHz

simulation

1.8 et 2.35 GHz

mesure

PRF1= PRF2-20 -6 -20 -6

25 58 21 50

Tension (V) 0.21 1.6 0.19 1.49

(%)

RL = 8.8 KΩ


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Résultats : simulations

Bilan de puissance (simulation ADS)

Les autres pertes :

-Pertes dans le diélectrique.

-Pertes dans le métal.

- …

Les pertes dans les diodes sont les plus importantes, elles diminuent lorsque les puissances RF augmentes.

Le rendement de conversion RF-dc augmente avec la puissance RF jusqu’à -6dBm, ensuite il commence à décroitre.


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Fréquence (GHz)

Résultats : mesures


Le système bi-bandes reçoit une seule fréquence (PRF = -10 dBm).

Une tension dc supérieure à 250 mV et un rendement de conversion supérieur à 30 % ont pu être mesurés.

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Conclusion et perspectives

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.

Conclusion


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Perspectives

Associer une antenne bi-bandes au circuit de conversion.


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𝝀g/4DA

DB

RC RB RA

150

mm

240 mm

V1

V2

RL

1

2

34

DC

Miniaturiser le circuit.


Conclusion et perspectives16

82

mm

58.5 mm

Miniaturisation de 36 %

η= 40.30 %

PRF = PRF1 + PRF2

RL= 4 KΩ

Perspectives

PRF

-15 dBm -15 dBm

Vout= 319 mV

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).



Perspectives

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Merci de votre attention

Documents

CONCEPTION D'UNE NOUVELLE RECTENNA BI-BANDES À 1,8 ET 2,45 GHz JOURNÉE DE LAREMIF Z. Saddi, H. Takhedmit, W. Haboubi, J.D. Lan Sun Luk O. Picon et L. Cirio