Soutenance mémoire
Le projet Solar Power Satellite (SPS) [1968]
Il s’agit du projet le plus connu et pour lequel il y a eu le plus d’investissement. Le principe a été développé par Peter Glaser en 1968 [1] [4]. Le projet consiste en un satellite placé en orbite géostationnaire qui capte l’énergie solaire en permanence et qui la transmet à des stations terrestres à l’aide de faisceaux micro-ondes. Cette solution est présentée comme une alternative à l’épuisement des ressources fossiles d’énergie utilisées actuellement. Les avantages d’un tel procédé sont l’exposition permanente aux rayons solaires, la capacité de récupérer une puissance bien plus importante que les procédés photovoltaïques terrestres, le caractère inépuisable de cette énergie et la possibilité d’utiliser le même procédé pour l’alimentation de satellites placés à des positions peu éclairées par le soleil (Mars et au-delà). L’apport principal de ce projet au domaine de la transmission d’énergie sans fil est d’ordre théorique. En effet, une étude liée au projet SPS a permis de démontrer que la transmission d’énergie sans fil pouvait se faire avec un rendement pouvant approcher 100% à condition que les dimensions et les formes des antennes soient bien étudiées et que l’antenne de transmission répartisse la densité d’énergie de manière gaussienne au niveau du plan formé par sa surface [1]. Ce projet a également réussi à ramener la puissance DC massique des circuits rectenna de 5,4 kg/kW DC à 1 kg/kW DC [1]. Le projet souffre de deux inconvénient majeurs, les dimensions des installations sont, en l’état des connaissances actuelles, irréalisables et l’aspect environnemental. En effet, le satellite imaginé pour cette application mesure 5200m x 10400 m avec une antenne émettrice de 1000m de diamètre [5]. Une station de cette dimension permettra de transmettre une puissance de 5 GW. L’aspect environnemental n’est pas en reste, puisque une étude récente de l’université de Leicester a montré que les faisceaux micro-ondes entrainaient une élévation de la température des gaz composant l’atmosphère et une réduction de la densité des électrons, des ions et des composants neutre de l’atmosphère à la hauteur ionosphérique. Cette étude reste néanmoins théorique et le résultat obtenu reste insuffisant pour se prononcer définitivement sur cette question. En effet, l’auteur de l’étude met en évidence l’impossibilité de conclure sur le modèle d’interaction entre les micro-ondes et l’ionosphère en raison de variation naturelle de celle-ci et des phénomènes non linéaires qui y prennent naissance sans que l’on puisse les expliquer [6]. Le coût de l’énergie est aussi un autre frein au développement des SPS, celui-ci est estimé entre 20 et 40 €/W alors qu’il n’est que de 13 €/W pour le solaire et 3,5 €/W pour le nucléaire [5]. Le projet avait été mis en sommeil à la fin des années 1970 pour être relancé en 1997 avec une approche plus modulaire qui permet le transport de SPS avec des fusées classiques. Au même moment, un projet similaire appelé SPS2000 a été initié au Japon et un autre en Europe par EADS [5] [7].
Le Gyrotron
Le Gyrotron est un oscillateur utilisé à des fréquences très élevées, de 50 à 100 GHz, et pouvant délivrer une puissance importante, jusqu’à 7 MW [14]. Imaginés dans les années 1950, leur fonctionnement est plus complexe que celui d’un tube traditionnel, et nous n’en donnerons qu’un aperçu simplifié. Les électrons sont générés par une cathode imprégnée et accélérés par un canon. Ils traversent un guide d’onde cylindrique orienté selon l’axe z (calé sur une fréquence f = ω/2π), où a lieu la mise en paquets et le rayonnement de l’énergie. Ils sont ensuite récupérés par un collecteur. Lorsqu’ils traversent le guide d’onde, les électrons sont plongés dans un champ magnétostatique longitudinal B, qui leur imprime une trajectoire hélicoïdale avec une pulsation gyromagnétique : ωB = eB/m. Le canon est conçu de telle sorte que leur vitesse transverse vt soit 30 % supérieure à leur vitesse longitudinale vz. La mise en paquet s’effectue le long de ces hélices virtuelles, sous l’effet du champ RF (pulsation ω) qui se propage dans le guide dans la même direction que les électrons .À la différence d’un TWT ou d’un klystron, le champ électrique RF est transverse (mode TE) avec une amplitude nulle au centre et maximale environ à la moitié du rayon de la cavité cylindrique. [14]. Les rendements obtenus avec le gyrotron sont de l’ordre de 25 à 30%, celui-ci peut être élevé à 45% avec l’utilisation d’un canon déprimé, mais ceci limite la puissance transmise générée à 2 MW.
L’antenne de réception
Une antenne est définie par la norme comme étant un dispositif métallique destiné à rayonner ou à recevoir des ondes radio [17]. L’antenne est donc la structure de transition entre la propagation libre dans le vide et la propagation guidée dans la matière. Le choix de l’antenne associée au circuit de rectification dépend avant tout du type de charge à alimenter et de la nature de l’onde incidente. Nous retrouvons dans la littérature une diversité importante dans le choix des antennes. La grande majorité des auteurs utilisent des antennes patch et des dipôles. Pour l’antenne patch, le gain important permet d’élever la puissance fournie au convertisseur et donc obtenir un meilleur rendement de conversion, alors que pour le dipôle, l’omni-directivité permet de s’adapter au circuit pourvu d’une mobilité dans l’espace. D’autres formes d’antennes, moins utilisées que les deux citées, ont un intérêt grandissant, la plus connue est l’antenne circulaire (de forme spirale sur plan) qui est de plus en plus utilisée dans les travaux récents. Dans [18], une antenne dipôle a été utilisée pour convertir une énergie à 5.8 GHz. L’avantage d’un tel choix est une simplicité de fabrication, puisqu’au même titre que le circuit celle-ci est réalisée sur circuit imprimé. Elle présente également l’avantage d’être plus simple à optimiser aux hautes fréquences. Dans [19], une antenne patch a été dimensionnée pour recevoir à la fois de l’énergie à convertir, mais aussi un signal qui sera transmis par un port secondaire de l’antenne. Pour pouvoir fixer l’impédance de l’antenne, et ceci est valable pour toutes les antennes patch, il suffit de faire translater le « feed point » du centre du patch à son extrémité, en effet, la position du point d’alimentation définie l’impédance de l’antenne. Dans [16], une antenne spirale a été utilisée, celle-ci offre l’avantage d’être opérationnelle sur des gammes de fréquences larges et d’adapter son impédance en fonction de la fréquence. Cette propriété associée à un dimensionnement judicieux a donné lieu à une adaptation de l’impédance de l’antenne à celle de la diode sur une large part du spectre de fréquence. Afin d’augmenter le gain global, les antennes élémentaires peuvent être associées de telle sorte à fournir plus de puissance au circuit de conversion [21]. Cette association peut également avoir comme but de renforcer l’omni-directivité de l’antenne sans pour autant dégrader le gain [17]. Le choix d’une antenne n’est pas déterminé que par sa forme géométrique, le substrat utilisé pour la réalisation de l’antenne est également un paramètre important. En effet, plus la permittivité relative du substrat est élevée, plus l’antenne sera réduite. Le facteur de pertes est également important puisque celui-ci doit être le plus faible possible. Nous reviendrons plus en détail sur les aspects mathématiques du développement d’une antenne en chapitre 5 pour une réalisation.
Outils numériques d’étude et d’optimisation
Les outils numériques généralement utilisés dans le domaine de la conversion d’énergie RF sont de deux types : des outils de simulation de type circuit et des outils qui se basent sur la résolution numérique des équations de Maxwell (éléments finis, différences finis,…). Les simulations de type circuit ne permettent pas de simuler le fonctionnement électromagnétique d’une antenne, particulièrement lorsque celle-ci est large bande. Il est néanmoins possible, en prenant un minimum de précaution, de représenter une antenne par une source de tension lorsque le circuit ne fonctionne qu’à une seule fréquence. L’avantage
de ce type de simulation est la possibilité de simuler de manière fiable l’influence des éléments non-linéaires sur le comportement électrique de la structure, chose difficilement réalisable avec un simulateur électromagnétique. Le temps de calcul des simulations circuit est également un avantage car il est réduit comparativement aux simulations électromagnétiques. A l’inverse, les simulations électromagnétiques sont relativement coûteuses en termes de temps de calcul et de mémoire mais restent indispensables sur la partie antenne. Leur inconvénient majeur reste la complexité de la représentation des éléments non-linéaires et le risque de divergence lié à leur présence dans les modèles. Des travaux particulièrement orientés vers les méthodes numériques de conception des circuits rectennas ont pu mettre en place des co-simulations couplant des simulateurs de type électromagnétique, principalement sur la partie antenne, à des simulateurs de type circuit sur la partie convertisseur [52] [53]. Durant ce travail de thèse, nous avons utilisé deux simulateurs circuits Orcad PSpice et Agilent ADS. PSpice est un simulateur de la famille SPICE. Cette famille a été conçue initialement pour la simulation des circuits intégrés (SPICE pour Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Les équations des modèles de composants semi prévues pour des composants de faible puissance, petits et rapides. Les valeurs définissant par défaut la précision absolue sur les courants (ABSTOL = 1 pA) et sur les tensions (VNTOL = 1 µV) sont également adaptées dans le cas des circuits intégrés Cette famille de simulateurs offre néanmoins de bonnes solutions pour la simulation de tout type de circuits électriques et le cœur de l’algorithme (Newton parfaitement adapté à la résolution des équations issues des circuits. En effet, il permet de résoudre de façon itérative un ensemble d’équations non comportement d’un circuit électrique à condition qu’elles soient continues et dérivables afin d’obtenir la convergence [54]. La version que nous avons utilisée est développée par Orcad et offre, en plus du noyau de calcul, un module d’optimisation donnant ac Comme toute méthode d’optimisation, celle proposée par ce module s’appuie sur quatre paramètres : Le but à atteindre, les contraintes liées à la solution, la performance qui indique le degré de concordance des valeurs at atteindre et enfin l’algorithme d’optimisation.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Etat de l’art
1 Historique
1.1 Le projet Solar Power Satellite (SPS) [1968]
1.2 Le project LEO to GEO [1977]
1.3 Le projet PRS [1977]
1.4 Le projet HALE [1981]
1.5 Le projet du grand bassin [1994]
2 La transmission d’énergie sans fils
2.1 La conversion DC-RF
2.1.1 Le Klystron
2.1.2 Le magnétron
2.1.3 Le Gyrotron
2.2 La propagation
2.3 La conversion RF-DC
3 Les circuits rectenna
3.1 Forme générale d’un circuit rectenna
3.2 L’antenne de réception
3.3 Le convertisseur RF-DC
3.3.1 Les convertisseurs à transistors MOS
3.3.2 Les convertisseurs à diodes
3.4 Les filtres
3.4.1 La technologie répartie – Micro-ruban
3.4.2 Technologie localisée – composants CMS
3.4.3 La technologie intégrée
4 Domaine fréquentiel et applications
4.1 Domaine fréquentiel et normalisation
4.2 Domaine fréquentiel et applications possibles
Chapitre 2 : Faible densité de puissance – Structure mono-diode
1 Topologies de circuits basse puissance
2 Topologie du circuit développé
3 Outils numériques d’étude et d’optimisation
4 Circuit mono-diode en technologie CMS
4.1 Théorie des lignes et circuits RF
4.2 Modèle numérique du circuit mono-diode
4.3 Résultats de simulation
4.4 Circuit rectenna mono-diode développé en technologie localisée
5 Circuit mono-diode réalisé en technologie hybride
5.1 Présentation des composants de la technologie utilisée
5.1.1 Les diodes
5.1.2 Les condensateurs
5.1.3 L’inductance
5.2 Pertes au niveau des éléments passifs de la technologie OMMIC
5.2.1 Pertes introduites par l’inductance
5.2.2 Pertes introduites par les condensateurs
5.3 Modèle numérique du circuit rectenna hybride
5.4 Résultats de simulation
5.5 Structure mono-diode réalisée en technologie hybride
6 Résultats expérimentaux
6.1 Protocole expérimental
6.2 Résultats expérimentaux obtenus avec les circuits en composants discrets
6.3 Résultats expérimentaux obtenus avec le circuit hybride
7 Exemple d’application
Conclusion
Chapitre 3 : Forte densité de puissance – Structure en pont
Introduction
1 Topologies de circuits de conversion forte densité de puissance
2 Topologie du circuit développé
2.1 La conversion double alternance
2.2 Le principe de succession des sources
2.3 Circuit développé de conversion de fortes densités de puissance
3 Structure en pont réalisée en technologie CMS
3.1 Modèle numérique du circuit en pont
3.2 Analyse temporelle du fonctionnement du circuit
3.3 Résultats de simulation
3.4 Structure en pont réalisée en technologie CMS
3.4.1 Choix du boitier des composants CMS
4 Circuit en pont en technologie hybride
4.1 Modèle de simulation numérique du circuit en pont hybride
4.2 Résultats de simulation.
4.3 Prototype réalisé en technologie hybride
5 Résultats expérimentaux
5.1 Résultats expérimentaux du circuit en pont à base de CMS
5.2 Résultats expérimentaux sur la structure en pont à base hybride
Conclusion
Chapitre 4 : Association de rectenna
Introduction
1 Topologies d’associations de rectenna
2 Les associations de rectennas développées pour l’étude
3 Simulation des associations de rectenna
3.1 Introduction
3.2 Associations série de cellules rectenna mono-diode
3.3 Association parallèle de rectennas mono-diode
3.4 Association parallèle de rectennas en pont
3.5 Associations série de rectennas en pont
4 Résultats expérimentaux
5 Choix de la structure rectenna
Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
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