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.
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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.
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Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
Circuit de conversion A1.8 GHz
Circuit de conversion A1.8 GHz
Circuit de conversion A1.8 GHz
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
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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 :
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
0110
100
100
00
2 j
j
jj
jS
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Substrat : ARLON 25N
0025.0;524.1;4.3 tgmmhr
Système bi-bandes à 1.8 et 2.45 GHz
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)
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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
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Résultats : mesures et simulations
Coefficient de réflexion
PRF = -10 dBm
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Résultats : mesures et simulations
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
(%)
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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.
Résultats : mesures et simulations
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
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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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Conclusion et perspectives
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.
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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).
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Conclusion et perspectives
Perspectives
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Merci de votre attention