Soutenance mémoire
On constate aujourd’hui l’augmentation du nombre d’objets électroniques communicants et connectés dans notre environnement. Les applications sont multiples et couvrent aussi bien les bâtiments rendus intelligents et communicants, en passant par les transports et la mobilité jusqu’aux applications à la santé, du bien-être et la sécurité. Plus généralement, on parle aujourd’hui d’internet des objets (en anglais Internet of Things ou IoTs) pour caractériser cette passerelle entre le monde physique constitué d’objets identifiés connectés (les capteurs, compteurs communicants ou appareil électroménagers…) et celui virtuel de l’internet ou autres technologies et réseaux de communication qui permettrait à ces objets de communiquer entre eux et d’échanger leurs données. La diffusion massive pressentie de ces dispositifs sera facilitée par la diminution de la taille et de la consommation énergétique des composants électroniques. Pour autant, il demeure encore aujourd’hui des facteurs limitants à cette prolifération annoncée. Parmi eux, on trouvera les contraintes d’intégration de plus en plus poussée, la sécurisation et la confidentialité dans l’échange des données et enfin l’autonomie énergétique de ces systèmes. En effet, il paraît difficilement envisageable d’effectuer systématiquement des opérations de remplacement ou de recharge des sources d’énergie embarquées sans prendre le risque d’un abandon pur et simple par l’utilisateur de la technologie ou pire, d’un dysfonctionnement du dispositif. Une solution aujourd’hui exploitée et investiguée concerne la récupération d’énergie ambiante pour alimenter ou prolonger la durée de vie de la source (pile, batterie) par un appui énergétique continu. Parmi les sources disponibles dans l’environnement, on retrouve l’énergie solaire, thermique, mécanique et électromagnétique. Cette dernière est attrayante car dans la majorité des cas, elle est disponible dans notre environnement compte tenu de la prolifération des dispositifs sans fil. On parlera dans ce dernier cas de dispositifs Rectenna (pour Rectifying antenna), association d’une antenne de captation et d’un convertisseur RF-DC.
Introduction à la récupération d’énergie électromagnétique et les rectennas
On constate aujourd’hui l’augmentation croissante du nombre d’objets communicants sans fils dans notre environnement (terminaux mobiles, capteurs, actionneurs…). Pour limiter les coûts dus au déploiement de réseaux filaires peu esthétiques et pour s’affranchir de l’utilisation des batteries à durée de vie limitée, une solution consiste à alimenter ces dispositifs par récupération d’énergie ambiante. L’idée consiste alors à récupérer une partie de l’énergie présente dans l’environnement et de la convertir en puissance continue pour l’alimentation de la partie électronique en appui à la batterie. Parmi les différentes sources d’énergie récupérables et qui seront présentées dans ce chapitre, on distingue la récupération d’énergie électromagnétique qui s’inscrit dans une thématique plus globale qui est la transmission d’énergie sans fil (TESF). La TESF consiste à transmettre de l’énergie électromagnétique d’un point à un autre dans l’atmosphère sans le besoin physique de lignes de transmission ou de câbles.
Récemment, un intérêt particulier s’est porté sur la conception d’antennes utilisant des matériaux transparents. Les antennes transparentes constituent un grand potentiel pour des applications de récupération d’énergie. Elles ont des caractéristiques intéressantes qui les rendent presque invisibles et par conséquent discrètes, non intrusives et facilement intégrables dans l’environnement urbain. Ceci permet d’exploiter les surfaces vitrées présentes dans la quasitotalité des bâtiments . Surfaces vitrées dont la proportion a d’ailleurs été imposée à 17% de la surface habitable par la réglementation thermique RT2012 [1]. Le verre et le plexiglas constituent par conséquent deux supports disponibles en nombre pour y intégrer des rectenna et exploiter le champ électromagnétique ambiant pour l’alimentation de capteurs à très faible consommation.
L’énergie mécanique
Un récupérateur d’énergie à partir de vibrations mécanique se compose typiquement de 4 unités :
◆ un dispositif mécanique permettant d’optimiser les vibrations mécaniques;
◆ un dispositif électromécanique dont l’objectif est de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique;
◆ un circuit électrique d’extraction qui va effectuer la conversion de l’énergie électrique récupérée en énergie électrique exploitable;
◆ un dispositif de gestion et de stockage de l’énergie.
La récupération d’énergie mécanique développée ces dernières années s’appuie sur l’utilisation de structures MEMS (Micro Electro Mechanical System). Ces microstructures sont capables de transformer de l’énergie mécanique en électricité [5]. Son principe consiste à utiliser le mouvement des électrodes d’un condensateur variable électriquement chargé et soumis aux vibrations externes.
L’énergie éolienne
Une installation éolienne consiste à utiliser la force du vent pour faire tourner une hélice de grande taille. Lorsque l’hélice de l’éolienne se met à tourner, elle acquiert de l’énergie de mouvement transmise par le vent pour la transformer ensuite en électricité selon le principe de la dynamo. L’énergie éolienne est généralement utilisée à très grande échelle (avec un mat d’une hauteur de plusieurs dizaines de mètres). La puissance maximale générée pouvant être très importante, de l’ordre de 2 MW. Par ailleurs des études ont été menées afin de générer de l’énergie à partir de dispositifs de petites tailles. La référence [7] représente un dispositif qui exploite la force du vent comme source d’énergie afin d’alimenter un anémomètre.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1: Introduction à la récupération d’énergie électromagnétique et les rectennas
1.1 Introduction
1.2 Différentes sources d’énergie récupérables
1.2.1 L’énergie photovoltaïque
1.2.2 L’énergie thermique
1.2.3 L’énergie mécanique
1.2.4 L’énergie éolienne
1.2.5 L’énergie radiofréquence
1.3 La transmission d’énergie sans fil
1.3.1 Historique de la TESF
1.3.2 Structure globale d’un système TESF
1.4 La conversion DC-RF
1.5 Rappel sur la propagation des ondes électromagnétiques
1.5.1 Variation de l’atténuation dans l’espace libre
1.5.2 Variation de l’atténuation en milieu urbain
1.6 La rectenna
1.6.1 Structure globale d’une rectenna
1.6.2 Les antennes pour rectennas
1.6.3 Les antennes dipôles et boucles magnétiques
1.6.4 Le circuit de conversion RF-DC
1.6.4.1 La diode Schottky
1.6.4.2 Choix et référence de la diode commerciale
1.6.4.3 Le filtre HF et DC
1.6.4.4 La charge
1.6.4.5 Configuration des redresseurs
1.7 Rectennas en technologie filaire ou boucle imprimée
1.7.1 Rectenna boucle circulaire en technologie coplanaire CPS
1.7.2 Rectenna bi-bande à 915 MHz et 2.45 GHz en technologie CPS
1.7.3 Rectenna compacte travaillant à la fréquence 5.8 GHz
1.7.4 Rectenna Bi-bande pour la récupération et conversion d’énergie électromagnétique à 2.45 et 5.8 GHz
1.7.5 Rectenna compacte 2.45 GHz en technologie CPS
1.7.6 Rectenna cadre résonnant à 5.8 GHz en technologie coplanaire CPS
1.8 Conclusion
1.9 Références du chapitre 1
Chapitre 2: Substrats et techniques pour les rectennas transparentes
2.1 Introduction
2.2 Puissance RF disponible dans l’ambiant
2.2.1 Etude ANFR
2.2.2 Limitation d’exposition aux champs électromagnétiques
2.3 Evaluation du niveau de puissance RF captée pour différentes sources ambiantes
2.4 Mesure du champ électromagnétique à l’Université Gustave Eiffel
2.5 Substrats transparents
2.5.1 Substrat verre
2.5.2 Substrat plexiglas
2.5.3 Extraction de la permittivité d’un matériau par la méthode des deux lignes microruban
2.5.3.1 Description de la méthode
2.5.3.2 Résultats et comparaisons
2.6 Conducteurs transparents
2.6.1 Utilisation d’un conducteur maillé
2.7 Quelques exemples d’antennes transparentes
2.8 Conclusion
2.9 Références du chapitre 2
Chapitre 3: Conceptions et réalisations de rectennas sur substrat plexiglas
3.1 Introduction
3.2 Optimisation d’une rectenna sur substrat transparent : antennes dipôles et circuit de rectification à 2.45 GHz
3.2.1 Description de l’antenne
3.2.2 Couplage entre éléments
3.2.3 Impédance de l’antenne
3.2.4 Diagramme de rayonnement et gain
3.3 Circuit de conversion
3.3.1 Optimisation du circuit de redressement en technologie CPS
3.3.2 Validation de la simulation du circuit de conversion en technologie CPS
3.3.3 Influence de la longueur L2 sur le rendement RF/DC
3.4 Associations de rectennas à 2.45 GHz
3.4.1 Association parallèle de 2 rectennas
3.4.2 Association série de 2 rectennas
3.4.3 Technique de réalisation des rectennas sur substrats Plexiglas
3.4.4 Banc de mesure
3.5 Résultats de mesure
3.5.1 Association parallèle de deux rectennas
3.5.2 Association série de deux rectennas
3.5.3 Comparaison entre série et parallèle
3.5.4 Réseaux de rectenna à 6 éléments en série
3.6 Rectenna sur plexiglas à 945 MHz
3.6.1 Antenne de captation type boucle circulaire
3.6.2 Impédance de l’antenne
3.6.3 Caractéristiques de rayonnement
3.7 Circuit de redressement RF-DC à 945 MHz
3.7.1 Influence de la longueur de ligne L2
3.7.2 Adaptation d’impédance
3.8 Synthèse de la rectenna
3.8.1 Validation expérimentale
3.8.1.1 Rendement de conversion et tension DC en fonction de la charge
3.8.1.2 Rendement de conversion en fonction de la fréquence
3.8.1.3 Rendement de conversion et tension DC en fonction de la puissance RF
3.9 Rectennas pour les standards GSM-UMTS-WiFi-LTE
3.10 Conclusion
3.11 Références du chapitre 3
Conclusion générale
