L’extension des systèmes de télécommunication génère de plus en plus des ondes électromagnétiques dans notre environnement aux fréquences et puissances très variées. Le temps est venu de faire une étude approfondie sur les possibilités potentielles que nous avons d’utiliser l’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques pour alimenter des applications électroniques. L’idée est d’utiliser une ou plusieurs antennes pour récupérer les ondes électromagnétiques disponibles, suivies par un convertisseur des signaux RF/DC. / The work of this thesis is focuse on designing, measuring and testing an antenna and rectifiercircuit (RECTENNA) optimized for incoming signals of low power density (~651W/m²). The rectenna is used to harvest the ambient electric energy from the RF signals that have been radiated by communication and broadcasting systems at (1GHz-3GHz) without matching circuit and the second is a narrow band (1.8GHz-1.9GHz) with a matching circuit between the antenna and the rectifier.

Parmi les principaux verrous à lever pour la mise en place de l’IoT, l’un des plus difficiles concerne l’autonomie des objets. Il est en effet difficilement concevable, vu le grand nombre de composants déployés, d’intervenir sur chacun pour remplacer, ou recharger, leur batterie. Dans ce contexte ma thèse a pour objectif de proposer des solutions éco-énergétique afin de rendre tout ou partie autonome des objets communicants, type capteur. Une des solutions est de développer des récupérateurs d’énergie radiofréquences fonctionnant aux fréquences dans la bande ISM, 900 MHz et/ou 2,4 GHz. Grâce aux modules de récupération d’énergie le capteur pourra fonctionner sur une période théoriquement illimitée, grâce à un module de stockage d’énergie embarqué rechargeable. En pratique, la fiabilité de l’élément de stockage définira le temps de vie du capteur, estimé à une vingtaine d’années avec les cellules de stockage rechargeables actuelles. Les solutions existantes dans le commerce sont presque exclusivement développées sur substrat époxy (ou dérivé). Cette solution est généralement robuste et performante. En revanche la rigidité mécanique du substrat réduit l’intégration des nœuds dans notre environnement, elle devient rédhibitoire dans le cas des réseaux corporels. Afin de permettre au capteur autonome de s’intégrer plus facilement, et d’adresser notamment des applications de type biomédicales, celui-ci sera développé sur substrat souple. Cet objectif pose certains défis quant à la maitrise des procédés de fabrication et de report des composants pour les performances des parties radiofréquences / Electronics has undergone an unquestionable evolution in recent years. The progress made gives more efficient circuits and smaller, but especially more and more energy efficient. This evolution, combined with advances in the digital and IT domain, has enabled the expansion of Internet of Things (IoT) applications based on the massive deployment of autonomous wireless communicating sensors. The first generations of sensor could only work during the time of discharge of their battery. One of the proposed ways to extend the autonomy of objects is to use the ambient energy. Several technologies have been developed to optimize the energy harvesting depending on the environment of the sensor. The work of this thesis allows developing RF energy harvesters in three steps. The first part studies antennas structures compatible with the energy harvesting. Each antenna is optimized to either recover more energy or better integrate into the environment. The second step focuses on the RF / DC conversion circuit. The study of different circuits architectures, diodes and number of stages potentially relevant for our application, allowed realising circuits able to work with our antennas. Each circuit was then optimized to increase its conversion efficiency and its sensitivity. The final step was to assemble an antenna with a rectifier to characterize the complete harvester according two different scenarios: opportunistic energy harvesting and energy transfer conditions.

L'amélioration de l'autonomie énergétique des systèmes communicants constitue aujourd'hui une des préoccupations majeures pour leur déploiement massif dans notre environnement. On souhaite rendre complètement autonome ces dispositifs électroniques (on pense entre autres aux capteurs et réseaux de capteurs) en s'affranchissant des sources d'énergie embarquées qui nécessitent des opérations de remplacement ou de recharge périodiques. Parmi les sources d'énergie disponibles qui peuvent être exploitées, on trouve les ondes électromagnétiques. Le dispositif qui permet de capter cette énergie et la convertir en puissance continue utile est dénommé Rectenna (Rectifying antenna) qui associe une antenne de captation à un circuit de rectification à base de diodes. Les rectennae ont fait l'objet d'un nombre important de communications dans la littérature ces dernières années avec pour fil conducteur, la recherche de performances optimales compte tenu de l'atténuation des ondes électromagnétiques et des faibles niveaux de champ récupérés. C'est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse dont le financement a été assuré par un contrat ANR (REC-EM).Dans ce travail, on s'est attaché à développer, à concevoir et à caractériser expérimentalement des structures planaires qui présentent des propriétés intéressantes :- En terme de polarisations orthogonales, ceci de façon à s'affranchir de l'orientation arbitraire de l'onde incidente à la rectenna. Une rectenna à double polarisation circulaire à 2.45 GHz et à double accès sera réalisée pour, de plus, s'affranchir de la perte de 3 dB lorsque l'onde récupérée est à polarisation linéaire à orientation arbitraire.- En termes de résonances multiples, ceci pour augmenter le niveau de puissance récupérée par l'antenne et optimiser la puissance continue convertie. Une rectenna à double fréquence (1.8 et 2.45 GHz) et à accès unique sera conçue ainsi qu'une rectenna constituée d'un réseau de deux antennes double fréquence.- En terme de réduction de taille en s'affranchissant de l'utilisation du filtre HF entre l'antenne et le circuit de conversion ceci pour l'ensemble des structures rectennae développées dans ce travail. Dans tous les cas, il sera nécessaire de développer le circuit de rectification le plus adapté à la topologie de l'antenne de captation et évaluer la technique de recombinaison optimale coté DC pour s'affranchir au mieux des déséquilibres qui peuvent apparaître entre les voies d'accès de l'antenne. Pour contenir les dimensions de la structure globale, des circuits mono diode seront dimensionnés et réalisés pour chacune des structures. Enfin, on exploitera l'antenne à double polarisation circulaire double accès, dont on cherchera à diminuer les dimensions, pour alimenter un capteur de température à affichage LCD. Pour augmenter le niveau de tension nécessaire au fonctionnement du capteur, nous associerons entre la rectenna et le capteur un convertisseur DC-DC. Il s'agit, dans ce cas, d'un dispositif de gestion d'énergie adapté pour les faibles puissances. Deux convertisseurs seront employés dont celui développé par les laboratoires Ampère de l'Ecole Centrale de Lyon et SATIE à l'ENS Cachan. Ce convertisseur a fait l'objet d'une thèse également financée par l'ANR dans le cadre de ce contrat REC-EM / Improving energy autonomy of communication systems constitutes one of the major concerns for their massive deployment in our environment. We want to make these electronic devices (sensors and sensor networks) completely autonomous, avoiding the embedded energy sources that require replacement operations or periodic charging. Among the available energy sources that can be harvested, there are electromagnetic waves. The device that can capture this energy and convert it into useful DC power is called Rectenna (Rectifying antenna), combining antenna with diode-based rectifier. In recent few years, rectennas have reached a significant number of papers in the literature. The main challenge consists in improving performances in term of efficiency, in an attempt to overcome the electromagnetic wave attenuation and the low available field level. According to this context, this PhD work supported by the ANR project REC-EM has taken place. In this study, we have developed, designed and characterized planar structures that have interesting properties:- In term of orthogonal polarizations, so energy harvesting becomes feasable regardless the arbitrary orientation of the incident wave on the rectenna. A dual-circularly polarized rectenna at 2.45 GHz with dual-access will be set up to overcome the 3 dB power loss in the case of linearly-polarized incident wave with unknown orientation.- In term of multiple resonances, so the amount of total RF power collected by the antenna can be increased and consequently the converted DC power level can also be improved. A dual-frequency rectenna (1.8 and 2.45 GHz) with single access will be designed, as well as a rectenna based upon a dual-frequency antenna array.- In term of size compactness by avoiding the use of the HF filter between the antenna and the rectifier for all developed rectenna structures during this work. In all cases, it will be necessary to define the most suitable rectifier topology to each antenna and select, if it is appropriated, the optimum DC recombination technique to overcome the effects of RF power imbalance that may occur between the different antenna accesses. Besides, single-diode circuits will be designed and fulfilled for each structure. Finally, we will miniaturize the dual-circularly polarized dual-access antenna, and exploit it to power a LCD display temperature sensor. To enhance the DC voltage level required to activate the sensor, a DC-DC converter is inserted between the rectenna and the sensor. Such energy management device should be able to operate under low delivered DC power. Two converters will be used. The first one is developed by Ampere Lab at Ecole Centrale de Lyon and SATIE Lab at ENS Cachan. This converter was the subject of another dissertation also supported by the ANR under the REC-EM project

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception,l'optimisation, la réalisation et la mesure de circuits Rectennas (Rectifying antennas)compacts, à faible coût et à haut rendement de conversion RF-DC.Un outil d'analyse globale, basé sur la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), a été développé et utilisé pour prédire avec précision la sortie DC des rectennas étudiées. Les résultats numériques obtenus se sont avérés plus précis et plus complets que ceux de simulations à base d'outils commerciaux. La diode Schottky a été rigoureusement modélisée, en tenant compte de ses éléments parasites et de son boîtier SOT23, et introduite dans le calcul itératif FDTD.Trois rectennas innovantes, en technologie micro-ruban, ont été développées,optimisées et caractérisées expérimentalement. Elles fonctionnent à 2.45 GHz et elles ne contiennent ni filtre d'entrée HF ni vias de retour à la masse. Des rendements supérieurs à 80% ont pu être mesurés avec une densité surfacique de puissance de l'ordre de 0.21 mW/cm²(E = 28 V/m). Une tension DC de 3.1 V a été mesurée aux bornes d'une charge optimale de1.05 k_, lorsque le niveau du champ électrique est égal à 34 V/m (0.31 mW/cm²).Des réseaux de rectennas connectées en série et en parallèle ont été développés. Les tensions et les puissances DC ont été doublées et quadruplées à l'aide de deux et de quatre éléments, respectivement.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception, la caractérisation, et la mesure d'un circuit Rectenna (Rectifying antenna) à double polarisation circulaire à 2.45 GHz, compact et à rendement de conversion RF-DC optimisé. Un outil d'analyse globale basé sur la méthode itérative a été développé et exploité pour valider la faisabilité de cette analyse. La diode Schottky a été modélisée en utilisant une impédance de surface. La rectenna à double polarisation circulaire, réalisée en technologie micro-ruban, a été validée expérimentalement. Elle est caractérisée par la rejection de la 2ème harmonique et une possibilité de recevoir les deux sens de polarisation LHCP et RHCP par l'intermédiaire de 2 accès. Le rendement mesuré avec une densité de puissance de 0.525 mW/cm² est de l'ordre de 63%, tandis que la tension DC obtenue aux bornes d'une charge optimale de 1.6 kohm est de 2.82 V

Afin d'augmenter l'efficacité et la sécurité du trafic routier, de nouveaux concepts et technologies ont été développés depuis 1992 en Europe pour les applications RTTT (Road Traffic & Transport Telematics). Ces applications utilisent les équipements DSRC qui supportent les transmissions à courte distance à 5.8GHz. Vues la fiabilité et le succès de cette technologie, l'utilisation de ces équipements est ensuite étendue aux ETC (Electronic Toll Collection) ou Télépéage et aussi dans une multitude d'autres domaines d'application comme la gestion des flottes, le transport public et la gestion des parkings. Le système DSRC se compose d'un émetteur/récepteur (lecteur) et des transpondeurs (badges). En toute logique, l'approche industrielle oriente les développements vers la technologie de transpondeur semi passif qui, pour réémettre un signal utilise le signal transmis par l'émetteur–récepteur, effectue une modulation de phase d'une sous porteuse fréquentielle encodant ainsi les données à transmettre. Cette conception évite l'utilisation des oscillateurs locaux, comme dans les transpondeurs actifs, pour générer l'onde Radio Fréquence (RF). Ceci permet de produire des transpondeurs relativement à faible coût et de petite taille. Cependant ce concept nécessite quand même une batterie au Lithium pour assurer le fonctionnement du transpondeur pour une durée de 4 à 6 ans et ce malgré les progrès des technologies de circuits intégrés à faible consommation. Au fur et à mesure de l'expansion de ces équipements, il s'avère qu'avec les années la quantité des batteries au lithium à détruire deviendrait un problème crucial pour l'environnement. Aujourd'hui, la conception d'un transpondeur DSRC complètement autonome n'est pas faisable, car la quantité d'énergie nécessaire s'avère encore élevée (mode actif 8 mA/3.6 V). Néanmoins, la réduction de la consommation électrique du transpondeur, permet au moins doubler la durée de vie de la batterie et pourrait être un bon point de départ pour améliorer la protection de l'environnement.Dans cette thèse, nous proposons un nouveau transpondeur DSRC avec un diagramme d'état original qui réduit considérablement la consommation énergétique. Après validation d'un nouvel état de fonctionnement en mode très faible consommation d'énergie, nous avons étudié la possibilité de recharger la batterie du transpondeur à travers de la récupération d'énergie sans fil. Le bilan de liaison énergétique DSRC a été réalisé afin d'estimer la quantité d'énergie disponible quand une voiture avec un transpondeur passe à sous un système de péage. Toutefois, le bilan énergétique à 5.8 GHz présente une faible densité d'énergie RF, puisque la voiture ne reste pas assez sur le lobe de l'antenne DSRC afin de procéder à la récupération d'énergie. Par conséquent, nous avons alors exploré une autre fréquence ISM, le 2.45 GHz dans laquelle la présence d'émetteurs est bien plus grande. Dans le chapitre de récupération d'énergie sans fil nous présentons la conception et l'optimisation d'un nouveau récupérateur d'énergie RF. Après avoir démontré qu'une charge RF-DC optimale est nécessaire afin d'atteindre une haute efficacité de conversion RF-DC. Plusieurs redresseurs et rectennas ont été conçus pour valider les études numériques. Parmi, les résultats présentés dans cette thèse les rendement de conversion obtenus sont à l'état de l'art de la récupération d'énergie sans fil pour une très faible densité de puissance disponible. / To increase the efficiency and safety of the road traffic, new concepts and technologies have been developed in Europe since 1992 for RTTT applications (Road Traffic & Transport Telematics). These applications use the Dedicated Short Range Communications (DSRC) devices at 5.8 GHz (ISM band). In view of the reliability and success of this technology, the use of such equipment is thus extended to the EFC (Electronic Fee Collection) or e-toll and also in many other application areas such as fleet management, public transport and parking management. Due to the broad applications, these equipments are subject to various standards CEN/TC 278, CEN ENV (EN) 12253, ETSI, etc.... The DSRC system consists in a transceiver (reader) and transponders (tags). Industrial approaches are oriented to semi-passive transponder technology, which uses the same signal sent by the reader to retransmit, performing a frequency shift and encoding data to be transmitted. This design avoids the use of the local oscillators to generate the RF wave, as in active transponders, and save electrical energy of batteries. This allows the development of relatively low cost and small size transponders. Despite advances in integrated low-power circuits technology, this concept still requires a lithium battery to operate the transponder for a period of 4-6 years. However, with the expansion of these facilities, it appears that over the years the amount of lithium to destroy has become a crucial problem for the environment. Nowadays designing a completely autonomous DSRC transponder is not feasible, since the amount of energy required is still high (8 mA/3.6 V active mode). Nevertheless, reducing the transponder electrical power consumption, as a solution to at least double the battery life, could be a good start point to improve environment protection.In this thesis we propose a new DSRC transponder with an original statechart that considerably reduces the power consumption. After validation of the new low-power consumption mode, we studied the possibility to recharge the battery of the transponder by means of Wireless Energy Harvesting. The DSRC Toll Collection RF link budget was carried out in order to estimate the amount of energy available when a car with a transponder passes through a toll system. However, RF link budget at 5.8 GHz presents a low power density, since the car does not stay enough on the DSRC antenna's field to proceed to energy harvesting. Therefore we explored another ISM frequency, the 2.45 GHz. Thus the Wireless Energy Harvesting chapter aims to further the state of the art through the design and optimization of a novel RF harvesting board design. We demonstrated that an optimum RF-DC load is required in order to achieve high RF-DC conversion efficiency. Several rectifiers and rectennas were prototyped in order to validate the numerical studies. Finally, the results obtained in this thesis are in the forefront of the State-of-the-Art of Wireless Energy Harvesting for very low available power density.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la thématique de la transmission d'énergie sans fil, appliquée à l'alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d'actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception, la caractérisation, et la mesure d'un circuit Rectenna (Rectifying antenna) à double polarisation circulaire à 2.45 GHz, compact et à rendement de conversion RF-DC optimisé. Un outil d'analyse globale basé sur la méthode itérative a été développé et exploité pour valider la faisabilité de cette analyse. La diode Schottky a été modélisée en utilisant une impédance de surface. La rectenna à double polarisation circulaire, réalisée en technologie micro-ruban, a été validée expérimentalement. Elle est caractérisée par la rejection de la 2ème harmonique et une possibilité de recevoir les deux sens de polarisation LHCP et RHCP par l'intermédiaire de 2 accès. Le rendement mesuré avec une densité de puissance de 0.525 mW/cm² est de l'ordre de 63%, tandis que la tension DC obtenue aux bornes d'une charge optimale de 1.6 kohm est de 2.82 V / The work presented in this thesis is within the subject of wireless power transmission, power applied to the remote sensors, networks of sensors and actuators with low power consumption. This study focuses on the design, characterization, and measurement of a rectenna circuit (rectifying antenna) with dual circular polarization at 2.45 GHz, and optimisation of the conversion efficiency. A global analysis tool, based on the iterative method was developed and used to validate the feasibility of this concept by this method. The Schottky diode was modeled using surface impedance. The dual circular polarization rectenna with microstrip technology has been optimized and characterized experimentally operating at 2.45 GHz. It includes the property of harmonic rejections. Two accesses can receive either direction LHCP or RHCP sense. The conversion efficiency of 63% has been measured with a power density of 0.525 mW/cm². A DC voltage of 2.82V was measured across an optimum load of 1.6 kohm

Les travaux présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans la thématique de la transmission d’énergie sans fil, appliquée à l’alimentation à distance de capteurs, de réseaux de capteurs et d’actionneurs à faible consommation. Cette étude porte sur la conception,l’optimisation, la réalisation et la mesure de circuits Rectennas (Rectifying antennas)compacts, à faible coût et à haut rendement de conversion RF-DC.Un outil d’analyse globale, basé sur la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD), a été développé et utilisé pour prédire avec précision la sortie DC des rectennas étudiées. Les résultats numériques obtenus se sont avérés plus précis et plus complets que ceux de simulations à base d’outils commerciaux. La diode Schottky a été rigoureusement modélisée, en tenant compte de ses éléments parasites et de son boîtier SOT23, et introduite dans le calcul itératif FDTD.Trois rectennas innovantes, en technologie micro-ruban, ont été développées,optimisées et caractérisées expérimentalement. Elles fonctionnent à 2.45 GHz et elles ne contiennent ni filtre d’entrée HF ni vias de retour à la masse. Des rendements supérieurs à 80% ont pu être mesurés avec une densité surfacique de puissance de l’ordre de 0.21 mW/cm²(E = 28 V/m). Une tension DC de 3.1 V a été mesurée aux bornes d’une charge optimale de1.05 k_, lorsque le niveau du champ électrique est égal à 34 V/m (0.31 mW/cm²).Des réseaux de rectennas connectées en série et en parallèle ont été développés. Les tensions et les puissances DC ont été doublées et quadruplées à l’aide de deux et de quatre éléments, respectivement. / The work presented in this thesis is included within the theme of wireless power transmission, applied to wireless powering of sensors, sensor nodes and actuators with low consumption. This study deals with the design, optimization, fabrication and experimental characterization of compact, low cost and efficient Rectennas (Rectifying antennas).A global analysis tool, based on the Finite Difference Time Domain method (FDTD),has been developed and used to predict with a good precision the DC output of studied rectennas. The packaged Schottky diode has been rigorously modeled, taking into account the parasitic elements, and included in the iterative FDTD calculation.Three new rectennas, with microstrip technology, have been developed and measured.They operate at 2.45 GHz and they don’t need neither input HF filter nor via hole connections. Efficiencies more than 80 % have been measured when the power density is 0.21mW/cm² (E = 28 V/m). An output DC voltage of about 3.1 V has been measured with anoptimal load of 1.05 k_, when the power density is equal to 0.31mW/cm² (34 V/m).Rectenna arrays, with series and parallel interconnections, have been developed and measured. Output DC voltages and powers have been doubled and quadrupled using two andfour rectenna elements, respectively.