Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull

21/12/2016
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Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull

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URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 112 REE N°5/2016 Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull Par Jérôme Tissier1, 2 , Mohamed Latrach1, 2 1 Enseignant-chercheur, équipe RF-EMC, ESEO Tech, Angers, 2 Chercheur associé, IETR UMR CNRS 6164, université de Rennes 1 Introduction L’autonomie énergétique des systèmes et objets com- municants est devenue un enjeu de recherche majeur. Pour rendre ces systèmes et objets communicants plus auto- nomes en énergie et augmenter la durée de vie de la batterie, les systèmes de récupération d’énergie électromagnétique à partir de rectennas (rectifier+antennas) constituent une voie très intéressante. Ces antennes redresseuses doivent possé- der une forte sensibilité (faible puissance disponible), être compactes, et à faible coût. Le principal problème rencontré quand on souhaite faire de la récupération d’énergie électromagnétique, en particu- lier si l’on cherche à récupérer l’énergie ambiante, est juste- ment le faible niveau de puissance disponible que l’on peut récupérer et convertir. Plusieurs campagnes de mesures ont été effectuées ces dernières années, à travers différents pays européens, pour quantifier les niveaux de puissances récu- pérables. On peut citer, en particulier, l’une des dernières en date [1], où une série de mesures sur Londres a montré que, sur la bande de fréquences GSM1800 qui semble être l’une des bandes de fréquences les plus intéressantes pour faire de la récupération d’énergie, la densité de puissance moyenne était seulement de 84 nW/cm² sur la bande Tx d’émission, avec une valeur maximale beaucoup plus élevée, de l’ordre de 6 390 nW/cm². Ces données montrent l’intérêt de concevoir des rectennas à forte sensibilité, pouvant fonc- tionner avec de faibles niveaux de puissances RF en entrée du redresseur et avec une bonne dynamique en puissance, pour pouvoir absorber les fluctuations de la puissance reçue. Les principales caractéristiques qui doivent être optimi- sées et maximisées quand on réalise un rectenna sont la tension continue de sortie Vout et le rendement de conversion RF-DC en puissance, défini par : (1) où RDC représente la résistance de charge. Une technique très intéressante d’optimisation consiste à réaliser au préalable une étude source-pull de la diode de redressement. Cette étude source-pull permet de connaître précisément l’impédance Zopt , impédance d’entrée optimale à présenter à la diode, donnant la puissance de sortie DC maximale et donc le rendement de conversion RF-DC maxi- mal. De nombreux travaux utilisant cette technique d’optimi- sation ont été publiés par Z. Popovic & al. ([2] [3]), pour des puissances RF incidentes relativement élevées (supérieures à 0 dBm), avec une diode du commerce Skyworks SMS7630. Dans cet article, nous montrons que cette technique d’optimisation peut se révéler également très intéressante pour maximiser le rendement de conversion RF-DC pour des puissances RF incidentes beaucoup plus faibles et inférieures Energy autonomy of connected systems and objects has become a major research challenge. To make these connected objects and systems more autonomous and increase the lifetime of the battery, the electromagnetic energy harvesting systems are an attractive alternative. The rectennas (rectifier + antennas) must have a high sensitivity (low power available, especially in case of ambient RF energy harvesting), be compact and low cost. In this paper, a rectenna, designed for low RF input incident power is presented. The rectenna operates in the 1.8 GHz band and has applications in RF energy harvesting. It has been optimized thanks to source-pull simulations, which are shown to be an effective technique for maximizing RF-DC conversion efficiency at low input powers below -10 dBm. These source-pull simulations are used to determine the optimal rectifying diode input impedance that ensures maximum RF-DC conversion efficiency. A patch antenna, directly matched to the real part of the optimal diode input impedance, and an open stub matching circuit are implemented to realize this optimal impedance. Measurement results show a high RF-DC power conversion effi- ciency of 34 % at -20 dBm input power, with a maximum of 55 % at -9 dBm, at 1.86 GHz with an optimal 6.8-kOhms DC load. ABSTRACT REE N°5/2016 113 Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull à -10 dBm. Nous décrivons également les problèmes rencon- trés, liés à ces faibles niveaux de puissance RF en entrée, et les moyens mis en œuvre pour y remédier. Dans un article récent [4], les auteurs ont présenté une comparaison des rendements de conversion mesurés pour un certain nombre de circuits de redressement publiés ces dernières années. Il apparait que ce rendement de conver- sion ne dépasse pas 20 % et 40 %, pour respectivement -20 et -10 dBm de puissance d’entrée, en utilisant des diodes Schottky du commerce. Notre objectif est d’obtenir une amé- lioration de plus de 10 points par rapport à l’état de l’art de [4] et donc de dépasser les 30 et 50 % de rendement de conversion pour respectivement -20 et -10 dBm de puis- sance d’entrée. Analyse source-pull du circuit de redressement choisi Structures de redressement conventionnelles Sur la figure 1, nous présentons quelques structures conventionnelles de rectenna fréquemment rencontrées dans la littérature (par exemple dans [5]). Les structures conventionnelles de redressement sont principalement des structures à base d’une diode simple en série ou parallèle ou à base de plusieurs diodes montées en doubleur ou en pont. Généralement, la diode de redressement est adaptée à 50 en entrée pour pouvoir être connectée facilement sur une antenne 50 et réaliser un rectenna complet. Cependant, les études source-pull publiées en [2] et [3], ont déjà montré que l’impédance de diode optimale, permettant un rendement de conversion maximal, n’était pas forcément 50 et qu’elle dépendait fortement de la puissance et fré- quence d’entrée, ainsi que de la charge. L’idée majeure de cet article est de faire une conception globale du rectenna, en cherchant à adapter l’antenne non pas à 50 mais à l’im- pédance optimale de la diode de redressement permettant un rendement maximal. En adaptant l’antenne directement à l’impédance optimale de la diode, sans passer par 50 , on minimisera les pertes de conversion et maximisera ainsi le rendement de conversion, particulièrement pour de faibles niveaux de puissance RF en entrée. Grâce à des études antérieures [6], nous avons éga- lement montré que le rendement de conversion RF-DC en puissance est un peu meilleur aux faibles puissances (<-15 dBm) pour une topologie à simple diode comparée à une topologie en doubleur de tension, même si cette der- nière a l’avantage de maintenir le rendement à une valeur élevée quand la puissance augmente. Un autre avantage de la topologie à simple diode est que la résistance optimale de charge RDCopt est plus faible et donc plus réaliste que pour une topologie à doubleur de tension. Ces remarques, combinées au fait que nous voulions mettre en oeuvre le plus simple redresseur possible, nous ont orientés vers le choix d’une simple diode en série comme circuit de redressement. Etude source-pull de la topologie choisie Le circuit de redressement est seulement composé d’une diode Schottky, d’une capacité parallèle en sortie qui agit comme filtre passe-bas et élément de stockage d’énergie ainsi que d’une charge purement résistive RDC . Parmi les différents modèles de diodes que nous avons testés, nous avons retenu la diode Avago HSMS2850 car elle représente le meilleur compromis entre performances et facilité de réa- lisation de l’impédance optimale Zopt dans la bande des 1,8 GHz. Elle a l’avantage de posséder une faible tension de seuil de 150 mV et une faible capacité de jonction Cj0 = 0,18 pF. Des simulations source-pull ont été menées à l’aide du logiciel ADS de Keysight dans le but d’obtenir l’impédance optimale Zopt , impédance d’entrée optimale à présenter à la Figure 1 : Structures conventionnelles de rectenna : (a) série ; (b) parallèle ; (c) doubleur. URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 114 REE N°5/2016 diode, donnant la puissance de sortie DC maximale et donc le rendement de conversion RF-DC maximal. Les contours obtenus, à puissance de sortie DC constante, sont représen- tés sur la figure 2. Sur cette figure, le cercle le plus petit (symbolisé par le marqueur m1), représente la puissance de sortie DC maxi- male (en dBm) que l’on peut espérer obtenir et le lieu d’impédance correspondant. Nous pouvons ainsi en déduire l’impédance optimale Zopt . D’après la figure 2, nous remar- quons qu’à fRF = 1,84 GHz, PRF = -20 dBm et RL = 7 k (valeur optimale d’impédance de charge obtenue par simula- tion), nous obtenons : Zopt = 35 + j355 . Cette valeur optimale d’impédance est fortement dépen- dante de la puissance RF d’entrée, de la fréquence et de la charge [2]. Le tableau 1, présente un résumé des résultats obtenus, pour différentes puissances RF, à une fréquence fixe de 1,84 GHz et sous une charge optimale de 7 k . Une nouvelle série de simulations en Harmonic Balance sur ADS a alors été effectuée pour chaque valeur de Zopt du tableau 1, pour vérifier le comportement du redresseur quand la puissance d’entrée RF varie (la charge est prise à une valeur optimale déduite par simulation). A la lumière de cette étude, présentée sur la figure 3, l’impédance que nous avons cherché à atteindre par la suite est celle obtenue pour PRF = -20 dBm (Zopt = 35 + j355 ), car elle représente le meilleur compromis pour obtenir un bon rendement sur une large gamme de puissances en entrée du redresseur. Réalisation du rectenna Réalisation d’une antenne patch 35 Pour limiter les pertes du réseau d’adaptation entre l’an- tenne et le redresseur (qui sont très influentes sur le ren- dement de conversion RF-DC pour de faibles niveaux de puissance d’entrée), nous avons décidé de concevoir une antenne directement adaptée sur la partie réelle de Zopt (35 , comme vu dans l’étude source-pull précédente). Notre choix s’est porté sur une antenne patch alimentée par une ligne microstrip (figure 5), car il est très simple Figure 2 : Simulation des contours de puissance DC en sortie (pas de 0,5 dB) @ 1,84 GHz, PRF = -20 dBm, RL = 7 k (valeur optimale). Tableau 1 : Impédance optimale à présenter à la diode en fonction de la puissance RF en entrée et rendement de conversion maximal associé. Figure 3 : Rendement de conversion (%) en fonction de la puissance RF d’entrée (dBm) pour différentes valeurs de Zopt . REE N°5/2016 115 Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull d’obtenir l’impédance désirée (35 ) en optimisant la pé- nétration de la ligne d’alimentation à l’intérieur du patch. La simulation et l’optimisation de l’antenne patch ont été faites au moyen du logiciel HFSS d’Ansys, en considérant un substrat Duroid 4003C à faibles pertes ( r = 3,55, H = 1,524 mm, tan = 0,0027). Le paramètre S11 , le gain (et directivité) obtenus sont présentés sur la figure 4, en fonction de la fréquence. Nous pouvons voir sur l’abaque de Smith de la figure 4 qu'à 1,84 GHz, la partie réelle de l’impédance de l’antenne patch atteint parfaitement la partie réelle de Zopt (35 ), don- nant la puissance de sortie DC maximale et donc le rende- ment de conversion RF-DC maximal. En ce qui concerne la partie imaginaire, elle est proche de 0. Un circuit d’adaptation simple stub sera ajouté pour atteindre la partie imaginaire de Zopt (355 ). Sur la figure 4, nous pouvons également noter un gain maximal de l’antenne patch de 4,4 dBi à 1,84 GHz pour une directivité de 5,5 dBi, ce qui donne un rendement de rayonnement de 77 %. Réalisation du rectenna complet fonctionnant dans la bande des 1,8 GHz Le rectenna complet a été réalisé sur un substrat Duroid 4003C à faibles pertes dont les caractéristiques ont été indi- quées ci-dessus. L’utilisation de ce type de substrat a permis de limiter au mieux les pertes d’insertion, qui sont très influentes sur le rendement obtenu pour de faibles niveaux de puissance RF. Une photographie de ce rectenna est présentée sur la figure 5. Sur cette figure, nous pouvons voir l’antenne patch, adaptée à 35 . A la ligne d’alimentation de l’antenne patch, nous avons ajouté un simple stub, en circuit ouvert, annulant la partie imaginaire de l’impédance présentée par la diode. Nous avons également rajouté un stub /4, en court-circuit, à proxi- mité de la diode, présentant un circuit ouvert pour le signal RF et un court-circuit pour la composante continue générée par la diode [7]. Le circuit de redressement a, quant à lui, été soudé à 90° de l’ensemble antenne patch + circuit d’adaptation (fi- gure 5), pour une meilleure protection contre les radiations de l’antenne émettrice. Mesures du rectenna Le rectenna a été mesuré dans la chambre anéchoïque de l’ESEO. Le protocole expérimental utilisé est présenté sur la figure 6. La source génère la puissance RF transmise au rectenna via une antenne cornet d’émission de gain connu à la fré- quence considérée. Un voltmètre, placé à la sortie du rec- tenna, permet de mesurer la tension continue récupérée. En prenant soin de bien prendre en compte les pertes du câble reliant la source RF à l’antenne cornet d’émission, le rende- ment de conversion peut être calculé par l’équation des télé- communications (comme dans [2] ou [7]) : (2) avec : Figure 4 : Paramètre S11 (référencé sur 35 ) et gain, directivité (en dBi) de l’antenne patch en fonction de la fréquence (en GHz). Figure 5 : Photographie du rectenna réalisé. URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 116 REE N°5/2016 out , la tension continue de sortie, DC = 6,8 k , la charge (valeur normalisée), r la puissance reçue par le rectenna (à la sortie de l’an- tenne patch, correspondant à la puissance entrante du redresseur), t = 7,5 dBi, le gain de l’antenne cornet émettrice, - tion (figure 4), out est maximale (léger décalage en fréquence par rapport à la fréquence de simulation de 1,84 GHz), Les résultats de mesure de la tension DC de sortie et du rendement de conversion RF-DC, en fonction de la puis- sance reçue Pr , sont présentés sur la figure 7. Pour de si faibles puissances RF, nous obtenons de très fortes tensions continues redressées en sortie (0,15 V et 0,6 V pour respectivement -20 dBm et -10 dBm de puissance reçue sur le redresseur). Cette tension est même supérieure à 1 V pour Pr -6 dBm. A 1,86 GHz, nous mesurons des rendements de conver- sion RF-DC en puissance de 34 % et 53 % pour des puis- sances RF en entrée du redresseur de respectivement -20 et -10 dBm. Nous obtenons ainsi, par cette méthode de conception et d’optimisation, de très bons résultats, d’environ 13 points au-dessus des valeurs de l’état de l’art présenté en [4], pour de si faibles valeurs de puissance RF et avec des diodes du commerce. Le rendement de conversion mesuré atteint une valeur maximale de 55 % à -9 dBm. Pour pouvoir évaluer notre travail par rapport aux don- nées fournies en [1] et présentées en introduction, regardons maintenant l’évolution du rendement de conversion RF-DC en fonction de la densité de puissance reçue sur le rectenna (figure 8). Cette densité de puissance S est calculée à partir de la puissance moyenne Pr, reçue sur le rectenna et de la surface effective Aeff de l’antenne patch du rectenna, par la formule : (3) avec : r = 4,4 dBi, le gain de l’antenne patch déduit par simula- tion (figure 4), Pour une densité de puissance avoisinant les 84 nW/cm² (densité de puissance moyenne relevée dans la bande GSM 1800 MHz [1]), le rendement de conversion RF-DC du rec- tenna est proche de 28 % (valeur élevée si on la compare à à l’état de l’art). Il varie de 10 à 35 % pour des densités de puissance faibles, allant de 10 à 180 nW/cm². On peut égale- ment souligner sa bonne dynamique en puissance puisque, à 6390 nW/cm² (densité de puissance maximale relevée dans la bande GSM 1800 MHz [1]), le rendement est proche de 50 %. Figure 6 : Principe de mesure du rectenna en chambre anéchoïque. Figure 7 : Mesures de la tension continue de sortie et du rendement de conversion en puissance du redresseur, en fonction de la puissance estimée (à la sortie de l’antenne du rectenna). REE N°5/2016 117 Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull Conclusion Dans cet article, nous avons montré que des techniques source-pull pouvaient être un moyen efficace pour maximi- ser le rendement de conversion RF-DC en puissance d’un rectenna, même pour de faibles valeurs de puissance RF à l’entrée. Des simulations source-pull sur une diode redres- seuse en série ont été effectuées pour déterminer pré- cisément l’impédance Zopt , impédance d’entrée optimale à présenter à la diode, donnant la puissance de sortie DC maximale et donc le rendement de conversion RF-DC maxi- mal. Une antenne patch, directement adaptée sur la partie réelle de Zopt et un circuit d’adaptation à simple stub ont été assemblés pour réaliser cette impédance optimale. Des ré- sultats de mesure d’un rectenna, fonctionnant dans la bande des 1,8 GHz, ont également été présentés, montrant un fort rendement de conversion RF-DC de 34 % à -20 dBm de puissance reçue sur le redresseur, avec un maximum de 55 % à -9 dBm, le tout à une fréquence de 1,86 GHz et sur une charge résistive de 6,8 k . Comme nous l’avons déjà signalé dans l’article, si l’on veut travailler avec des sources d’énergie ambiantes, les niveaux de puissance RF à récupérer sur une seule bande de fré- quences sont relativement faibles et seront certainement trop limités pour assurer une alimentation énergétique di- recte d’un capteur ou objet communicant. Références [1] M. Pinuela, P. D. Mitcheson, S. Lucyszyn, “Ambiant RF energy harvesting in urban and semi-urban environments,” IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 61, No 7, pp. 2715-2726, July 2013. [2] E. Falkenstein, M. Roberg, and Z. Popovic, “Low-power Figure 8 : Rendement de conversion du rectenna mesuré, en fonction de la densité de puissance reçue sur le rectenna : (a) pour toutes les puissances Pr (de -31 à -2 dBm) ; (b) zoom sur les puissances les plus faibles (de -31 à -19 dBm). LES AUTEURS Jérôme Tissier (jerome.tissier@eseo.fr) a obtenu le doc- torat en électronique de l’université de Limoges en 2001. Depuis 2002, il est enseignant-chercheur à l’ESEO, écoles d’ingénieurs généralistes en sciences et technologies de l’information et de la communication à Angers. Depuis 2013, il est également chercheur associé à l’IETR (Univer- sité de Rennes 1). Courant 2014, il a passé six mois en tant que chercheur invité à l’université du Colorado, Boulder, USA, où il a travaillé sur la thématique de la récupération d’énergie électromagnétique. Mohamed Latrach (mohamed.latrach@eseo.fr), membre d’URSI et IEEE, a reçu son doctorat en électronique de l’université de Limoges. Il est professeur à l’ESEO, Angers, responsable de l’équipe RF-EMC et chercheur associé à l’IETR. Ses activités de recherche s’articulent autour des techniques RF et Hyperfréquences et leurs applications dans les domaines de la transmission, des métamatériaux, de la récupération et transmission d’énergie, des capteurs et de la RFID. Mohamed Latrach est auteur/co-auteur de nombreuses publications dans des conférences et revues nationales et internationales et également auteur de trois brevets. URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 118 REE N°5/2016 wireless power delivery,” IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 60, No 7, pp. 2277-2286, Jul. 2012. [3] Z. Popovic, E. Falkenstein, D. Costinett, R. Zane, “Low-power far-field wireless powering for wireless sensors,” Proc. IEEE, Vol. 101, No 6, pp. 1397,1409, June 2013. [4] S. Hemour, Y. Zhao, C. H. P. Lorenz, D. Houssamedine, Y. Gui, C.-M. Hu K. Wu, “Towards low power high-efficiency RF and microwave energy harvesting,” IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 62, pp. 965-976, April 2014. [5] J. Zbitou, M. Latrach, S. Toutain, “Hybrid Rectenna and monolithic integrated zero bias microwave rectifier,” IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol. 54, pp. 147-152, Jan. 2006. [6] J. Tissier, M. Latrach, Z. Popovic, “Efficiency optimization of a compact low-power voltage doubler rectifier using source-pull techniques,” Radio Science Conference (URSI AT-RASC), Gran Canaria, Spain, 16-24 May 2015. [7] H. Sun, Y. Guo, M. He, Z. Zhong, “A dual-band rectenna using broadband Yagi-antenna array for ambient RF power harvesting”, IEEE Antennas Wireless Prop. Lett., Vol. 12, pp. 918-921, 2013.