Etude et analyse de circuits Rectenna

Introduction

La consommation des systèmes et objets communicants sans fil est de plus en plus conséquente par rapport à la quantité d’information échangée et à la portée souhaitée, ce qui réduit d’autant la durée de vie de la batterie.

Pour rendre ces systèmes et objets communicants plus autonomes en énergie et augmenter la durée de vie de la batterie, les systèmes de récupération d’énergie électromagnétique sont une alternative très intéressante.

Le composant clé d’un système de récupération d’énergie RF est le rectenna (antenne de rectification).
Les rectennas développés doivent posséder une forte sensibilité (faible puissance disponible), être compact et à faible coût. Les principales caractéristiques qui doivent être optimisées quand on réalise un rectenna sont la tension continue de sortie Vout et le rendement de conversion RF-DC en pourcentage.
Dans ce chapitre on s’intéresse aux différents circuits de récupération d’énergie qui sont basés sur les diodes Schottky [III.1].

Etude de circuit de redressement

Choix de la diode

Dans le cas de la récupération d’énergie RF environnante, et vu la très faible densité de puissance reçue, il est important de concevoir un circuit de redressement de forte sensibilité pour avoir une quantité de puissance DC exploitable [III.2]. La sensibilité du redresseur est directement liée à la sensibilité des diodes utilisées.

Afin de faire le choix de la diode Schottky, une étude paramétrique sur les éléments de la diode a été réalisée.

Etude paramétrique

La Figure (III.1) montre le circuit équivalent dynamique de la diode Schottky. La résistance série « RS » représente la résistance des contacts métalliques, Cj est la capacité de jonction qui est contrôlée par la surface du contact Schottky ainsi que de la tension appliquée à la jonction. La résistance Rj de la jonction dépend de la tension Vj ou Vf aux bornes de la jonction métal semiconducteur, ainsi que du courant total qui passe à travers la jonction et la résistance RL de charge.

Influence de la charge (RL)

La valeur de la charge RL joue également un rôle important sur le rendement de la conversion RF/DC. La figure (III.5) montre l’évolution du rendement en fonction de la charge. Ces résultats sont obtenus avec les paramètres suivant : Vj=0.1V, Cj0=0.15pF, Rs=20Ω, Vout=0.3V, en faisant varier RL entre 1 et 10 MΩ. On remarque que la charge augmente lorsque le rendement diminue.
D’après cette étude, nous voyons que le rendement de conversion RF/DC dépend fortement des caractéristiques de la diode de redressement utilisée, ainsi que de la valeur de la charge.
Pour que le rendement de conversion soit maximal, il faut que la tension de jonction Vj et la valeur de la capacité de jonction Cj0 de la diode soient les plus faibles possibles. Ainsi pour minimiser la chute de tension dans la diode, il faut que la résistance série Rs soit à son tour la plus faible possible.

Comparaison entre les trois diodes

Pour les diodes Schottky à haute fréquence, elles sont largement utilisées en raison de leur faible temps de réversion et de leur faible chute de tension, qui se situent entre 0.15V et 0.4V dans leur condition de polarisation vers l’avant. Pour une faible puissance d’entrée RF, HSMS2820, HSMS2850 et HSMS286C sont généralement utilisés .Une comparaison de l’efficacité de conversion RF à DC pour différentes diodes est présentée dans la figure (III.6), il est clair que le choix de la diode est indépendant du niveau de puissance d’entrée RF.
En remarque que la diode HSMS286C offre la meilleure sensibilité pour les faibles puissances incidentes par rapport aux autres diodes.
Les paramètres du modèle SPICE de la diode HSMS286C pour le circuit doubleur et HSMS2820 pour le circuit série sont reportés dans le tableau suivant [III.7-III.8] :

Choix de la topologie

Plusieurs topologies peuvent être utilisées pour convertir l’alimentation RF en énergie DC, d’après l’étude effectuée sur les différentes topologies décrites au chapitre 1 et de la technologie à adopter pour la conception de l’antenne patch décrite au chapitre 2, nous avons utilisé deux topologies la première en série qui constitue un bon choix pour très faible niveau puissance et la deuxième doubleur c’est la topologie la plus utiliser dans la conception actuel dans la configuration des Rectennas [III.9-III.10].

Configuration du circuit de redresseur

Après avoir sélectionné les diodes de redressement les plus sensibles, et les deux topologies les plus utilisé, il s’agit maintenant de définir le circuit de redressement pour assurer une récupération d’énergie efficace. Pour ce faire, nous avons configuré les deux topologies de circuits redresseurs. Le redresseur à une seule diode en série et le doubleur.
La configuration du circuit de redressement est effectuée à l’aide du simulateur Harmonic Balance, du logiciel ADS [III.11]. Elle a permis de visualiser les réponses fréquentielles.
Le simulateur S-Paramètres est aussi utilisé pour vérifier l’adaptation de ces circuits de conversion dans le cas d’une intégration des composants actifs.

Redresseur série

La configuration série du redresseur a été retenue pour des raisons de simplicité d’adaptation. Le circuit d’adaptation est suivi d’une diode Schottky positionne en série et d’un filtre passe bas. La diode utilisée dans notre circuit la HSMS2820. Nous avons simulé le comportement de ce redresseur sous ADS. Son modèle est donné à la figure (III.8) avec tous les paramètres de son circuit équivalent.

La figure (III.9) montre le coefficient de réflexion (S11) en fonction de la fréquence. On remarque que le circuit de redresseur en série présente une bonne adaptation à la fréquence 1.8 GHZ.

Redresseur doubleur

Le doubleur de tension produit une sortie supérieure pour une puissance d’entrée donnée et offre une impédance d’entrée inférieure à la source, ce qui simplifie le réseau d’adaptation d’impédance d’entrée.
Afin de réduire la taille du redresseur, un talon de dérivation en circuit ouvert pourrait être remplacé par le condensateur de puce. Une résistance est placée sur les bornes de sortie pour servir de charge pour mesurer la puissance de sortie en courant continu DC.
Notons que la sortie de tension présentée correspond à une diode redresseuse dans une configuration double. En théorie, la configuration du doubleur de tension double la tension de sortie par rapport à la configuration unique avec la même puissance d’entrée [III.12].
La figure (III.11) présente le schéma de simulation sous ADS du circuit double diode avec un récapitulatif des différents paramètres utilisés.

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons étudié le circuit de conversion RF /DC pour la récupération de l’énergie radiofréquence dans la bande de fonctionnement du GSM, ainsi une comparaison des performances de plusieurs diodes Schottky. Nous avons choisi la diode et la topologie de redresseur les plus appropriées pour la conception des rectennas à 1.8 GHz.
On n’a obtenu à travers des programmations sur scilab que la diode HSMS2820 et HSMS286C est celle qui offre les meilleures performances en termes d’efficacité de conversion.
Les différents résultats sous ADS montrent, que les topologies en série et doubleur présentent une meilleure adaptation pour la récupération de l’énergie à la fréquence 1.8 GHz.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art des rectennas
I.1.Introduction
I.2.Historique
I.3.Spectre électromagnétique
I.4.Rectenna
I.4.1.Définition
I.4.2.Schéma de principe
I.4.3.Antenne de réception
I.4.3.1.Pourquoi le choix de l’antenne patch
I.4.3.2.Différentes formes d’antennes imprimées
I.4.3.3.Méthodes d’alimentation
I.4.3.4.Les caractéristiques des antennes imprimées
I.4.3.5.Avantages et inconvénients des antennes
I.4.3.6.Les applications des antennes imprimées
I.4.4.Filtre HF
I.4.4.1.Adaptation par des eléments localises
I.4.4.2.Adaptation par des eléments distribues
I.4.5. Redresseur de base
I.4.5.1. Diode Schottky
I.4.5.2. Topologies du circuit de conversion RF-DC
I.4.5.3. Les réseaux de rectennas
I.4.6. Filtre de sortie DC
I.4.7. La charge résistive
I.5. Caractérisation d’une rectenna
I.6. Conclusion
I.7. Bibliographie du Chapitre I
Chapitre II : Conception d’antenne patch rectangulaire
II.1. Introduction
II.2. La ligne micro ruban
II.2.1. Définition de la ligne micro ruban
II.2.2. Ondes dans la ligne microruban
II.2.3. Définition de la permittivité effective ɛ?? avec t=0
II.2.4. Impédance caractéristique d’une ligne micro ruban avec t=0
II.2.5. Synthèses d’une ligne micro_ ruban avec t=0
II.3. Calcul des dimensions d’une antenne imprimée rectangulaire (RMSA)
II.3.1. Longueur effective, largeur effective et fréquence de résonance
II.3.2. Calcul de la Conductance
II.3.3. Impédance d’entrée
II.4. Conception et simulation de l’antenne patch
II.4.1. Procédure de conception
II.4.1.1. Calcul des dimensions
II.4.1.2. Calcul et localisation du point d’excitation de la ligne microruban
II.5.Simulation d’une antenne patch alimentée par une ligne microruban
II.5.1. Adaptation de la ligne d’alimentation
II.5.2 Conception d’une antenne patch dans la bande L [1-2GHz]
II.6.Conclusion
II.7.Bibliographie du Chapitre II
Chapitre III : Etude et analyse de circuits Rectenna
III.1. Introduction
III.2. Etude de circuit de redressement
III.2.1.Choix de la diode
III.2.2.Etude paramétrique
III.2.3. Le rendement de conversion RF/DC
III.2.3.1. Influence de la tension de jonction (Vj)
III.2.3.2. Influence de la résistance (Rs)
III.2.3.3. Influence de la capacité (Cj0)
III.2.3.4. Influence de la charge (RL)
III.2.4.Comparaison entre les trois diodes
III.2.5.Choix de la topologie
III.3.Configuration du circuit de redresseur
III.3.1. Redresseur série
III.3.2. Redresseur doubleur
III.4 Conclusion
III.5 Bibliographie du Chapitre III
Conclusion générale