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Limitation d’exposition aux champs électromagnétiques
Généralement soumis à des contraintes de licence, les signaux radiofréquences (RF) sont continûment rayonnés par des antennes des stations de radiodiffusion (FM : de 87.5 MHz à 108 MHz) de télévision numérique (en France TNT : 474 MHz à 786 MHz) et aussi par des antennes de téléphonie cellulaire (Principalement : GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz, UMTS 2100 MHz et LTE 800 MHz ou 2600 MHz).
D’autre part, les signaux RF peuvent aussi être délibérément rayonnés sans autorisation de licence, dans les bandes de fréquences ISM (industriel, scientifique et médicale (En Europe les bandes ISM les plus utilisées sont centrées autour de : 433 MHz, 868 MHz ou 2.4 GHz).
En Europe, le maximum du niveau autorisé de la PIRE pour les bandes ISM est fixé par la ECO (European Communications Office) [32]. Par exemple pour la bande WiFi (2400 MHz 2483.5 MHz), ce maximum est de 100 mW.
En France, le décret n° 2002775 publié dans le jou rnal officiel de la république française le 3 mai 2002 [33], avait fixé les limites d’exposition du public aux champs électromagnétiques émis pour différentes plages de fréquences. (Tableau I.2 cidessous)
Lorsque le rayonnement électromagnétique est composé de plusieurs fréquences, alors la somme de tous les rapports de la valeur mesurée à chaque fréquence par la limite recommandée doit être inférieure à l’unité.
Sources d’énergie électromagnétique ambiantes
Les mesures en ambiant effectuées par l’ANFR (Agence Nationale des Fréquences) peuvent varier d’un point de mesure à un autre. On présentera ici un exemple de mesures effectuées dans le département de SeineetMarne (77). (Figure I.16)
Pour cet exemple, les mesures ont été effectuées par l’ANFR [34] à une distance d’environ 190 m de l’émetteur GSM ou UMTS.
Les niveaux de champs E les plus intéressants correspondent dans ce cas au GSM 1800 ensuite au GSM 900 et ensuite à l’UMTS (3G).
Le champ électrique efficace moyen a une intensité de 0.73 V/m à la fréquence 934.2 MHz soit une densité surfacique de puissance de 140 nW/cm².
Le champ électrique efficace moyen a une intensité de 1.76 V/m à la fréquence 1834.6 MHz. soit une densité surfacique de puissance de 820 nW/cm²
Le champ électrique efficace moyen a une intensité de 0.5 V/m à la fréquence 2117.8 MHz. soit une densité surfacique de puissance de 60 nW/cm²
Figure I.16 Exemple de mesures en ambiant : Avenue André Malraux, LAGNYSURMARNE (77400)
(Environnement Outdoor) (Source ANFR 08/03/2012)
D’autre part, la présence des immeubles, ou tout autre objet proche ou loin de l’émetteur, peut provoquer la réflexion multiple des ondes électromagnétiques et est alors à l’origine du phénomène de Fading (évanouissement) ce qui diminue le niveau de puissance RF qui peut être captée.
Ces valeurs mesurées seront encore plus faibles si on passe à un environnement indoor (à l’intérieur des logements) . [paragraphe 6.2 de ce chapitre].
Afin de comprendre comment s’atténue le signal RF depuis son point d’émission, on consacrera le prochain paragraphe à l’aspect propagation des ondes électromagnétiques dans différents milieux.
Propagation des ondes EM en espace libre
Si on considère que les signaux se propagent en espace libre sans obstacles, la puissance RF reçue par une antenne de récupération d’énergie est calculée de la manière suivante : Pr PIRE Gr .² Pt . At .Ar . (I.11) 4. .d ² 4. (.d)²
PIRE : Puissance isotrope rayonnée équivalente de l’émetteur
Pr : Puissance reçue
Pt : Puissance transmise
Ar : Ouverture de l’antenne en réception
At: Ouverture de l’antenne en émission
d : distance entre l’antenne émettrice et l’antenne de réception
Gr : Gain de l’antenne de réception
λ : longueur d’onde du signal RF transmis
D’après cette formule, plus la fréquence du signal RF est élevée et plus l’atténuation dans l’espace libre est grande.
Pour que cette formule soit applicable, il faut se mettre en zone de champs lointain là où l’onde, qui se propage, est une onde localement plane.
D’autre part, si on est en champ proche, la formule n’est plus applicable. Pour calculer la puissance reçue en champ proche, on utilise le paramètre τ : At * Ar (I.12) *d Pr 1 e ² (I.13) Pt
Les antennes généralement préférées pour récupérer ces signaux RF sont à polarisation circulaire, car dans la plupart des cas, on est confronté à des problèmes de dépolarisation d’onde, sauf pour les endroits à proximité d’un émetteur en vue directe (Line of Sight LOS).
On étudiera dans la suite, l’aspect de l’atténuation de la puissance reçue du signal RF se propageant en milieu outdoor ainsi qu’en milieu indoor.
Les signaux RF en propagation outdoor
Suite à l’évanouissement du signal RF (Fading) dû au phénomène de diffraction ou obstruction du signal par des obstacles comme les bâtiments, ou aussi au phénomène de multi trajets, l’équation de FRIIS n’est plus adaptée pour décrire l’atténuation du signal reçu, se propageant dans un environnement outdoor.
Le modèle HATA basé sur les mesures effectuées par Okumura [35] donne une valeur approchée de l’atténuation du signal RF, provenant d’une antenne relais pour mobile, et ceci pour différents environnements (urbain et rural).
Cette méthode a les limitations suivantes :
· La fréquence doit être comprise entre 150 MHz et 1500 MHz
· La distance entre émetteur et récepteur est comprise entre 1 et 20 km
· La hauteur de l’antenne d’émission entre 30 et 200 m
· La hauteur de l’antenne de réception entre 1 et 10m
L’atténuation du signal en dB opérant sur une fréquence RF jusqu’à 2 GHz est gérée par le modèle COST 231-Hata [35] :
Atténuation(dB) 46.3 33.9 * log( f )13.82 * log(hb ) (44.9 6.55* log(hb )) * log(d) E3 Cm (I.14) E3 (1.1* log( f ) 0.7)* hm (1.56* log( f ) 0.8) (I.15)
f : fréquence en MHz
hb : hauteur de l’antenne émettrice en m
hm : hauteur du récepteur en m
d : distance entre émetteur et récepteur en km
C m : 3 dB (si environnement Urbain) et 0 dB sinon
Suite à cette formule, on peut remarquer que les hauteurs par rapport au sol de l’antenne d’émission ainsi que celle de réception, ont une influence sur la valeur d’atténuation du signal reçu.
Ces formules ne sont également valables que pour une distance entre émetteur et récepteur supérieure à 1 km. Or à partir de 1 km de distance par rapport à une antenne relais, le niveau de puissance du signal à récupérer devient très faible, ce qui rend l’utilité de ces formules assez limitée pour être exploitée pour la récupération d’énergie électromagnétique en outdoor.
Les signaux RF en propagation indoor
Au même titre qu’en environnement outdoor, on est confronté à des phénomènes de diffraction ou d’obstruction par des obstacles, mais auxquels s’ajoutent des facteurs de dépolarisation d’onde propres au milieu indoor.
Principales causes de dépolarisation
La dépolarisation peut être définie comme étant un couplage avec la polarisation croisée orthogonale à la polarisation d’origine, dû à l’interaction avec l’environnement.
Dépolarisation par réflexions multiples dans un volume de mur composite
Pour un mur composite, il y a apparition d’un phénomène de réflexions multiples à l’intérieur du volume ce qui peut engendrer une dépolarisation de l’onde [36]. (Figure I.17)
7. Etat de l’art des rectennas
Dans ce paragraphe, on présentera les travaux les plus importants effectués dans le domaine de rectenna monobande à diversité de polarisation linéaire ou à polarisation circulaire, ensuite on s’intéressera aux rectennas bibande ave c ou sans diversité de polarisation.
Rectennas mono bande à diversité de polarisation linéaire
Rectenna à 2.45 GHz avec alimentation par couplage par fente
L’ antenne à diversité de polarisations linéaires, est alimentée par couplage par fente (Figure I.21). De plus, une fente en croix est pratiquée sur le patch pour permettre de réduire sa taille de 32 % par rapport à un patch sans fentes.
Une recombinaison des deux rectifiers en doubleur de tension (à diodes SMS 7630), correspondants aux deux polarisations (V, H) est établie en DC avec une seule charge résistive terminale (Figure I.22).
Toute onde à polarisation linéaire de direction arbitraire peut aussi être récupérée, mais avec des performances plus ou moins dégradées en terme de tension continue délivrée à la sortie. Le paramètre DC à optimiser était ici la puissance continue de sortie.
En terme de rendement, un rapport maximal de conversion RFDC de 38.2% est simulé avec une densité de puissance RF de 1.5 W.cm 2 à 2.43 GHz et une résistance de 6.2 k, que ce soit pour une polarisation verticale ou horizontale [40].
Rectenna à 2.45 GHz avec alimentation par sonde coaxiale
L’antenne est de type patch carré à 2.45 GHz avec diversité de polarisation linéaire (V, H). L’antenne est alimentée par deux sondes sur deux points différents sur le patch (Figure I.23) pour permettre d’exciter 2 modes orthogonaux (TM100 et TM010).
Un anneau rectangulaire en fente pratiquée sur le patch, et situé entre les deux points d’alimentation, permet par ajustement de ses dimensions d’avoir une isolation parfaite entre les deux accès de l’antenne (S21 = 50 dB).
Le rectifier associé à chaque polarisation (V ou H) est formé par un doubleur de tension utilisant la diode SMS 7630. Le circuit d’adaptation à l’entrée du rectifier est en forme de L, avec un stub ouvert. Une recombinaison en DC est effectuée au niveau des sorties des deux rectifiers. Le paramètre DC à optimiser est ici la tension de sortie de la rectenna qui est de 602 mV, 301 mV, 166 mV respectivement pour des puissances RF d’entrée au niveau du rectifier de 10 dBm, 15 dBm, 20 dBm, à 2.45 GHz. [41]
Rectennas mono bande à polarisation circulaire
Rectenna en forme de fente en boucle à 5.8 GHz
Une structure d’antenne polarisée circulairement avec une fente en forme de boucle court circuitée d’un angle α, fonctionnant à la fréquence 5.8 GHz, est proposée (Figure I.24).
Le circuit d’alimentation de l’antenne est composé d’une ligne micro ruban TL1 et deux transformateurs quart d’onde TL2 et TL3.
Le gain de l’antenne en polarisation circulaire est 6.1 dBic et son rapport axial est de 1.5 dB. Le circuit de conversion RFDC est constitué d’une paire de diodes Schottky (HSMS2862) en doubleur de tension.
L’impédance d’entrée du circuit de conversion RFDC est transformée en 50 par le biais de deux lignes microruban TL4 et TL5 ainsi que deux s tubs symétriques en circuit ouvert (Figure I.24).
A 5.8 GHz, le convertisseur RFDC seul, montre une tension de sortie de 1.3 V et de 0.65 V respectivement pour une puissance RF d’entrée de 0 dBm et de 5 dBm avec un rendement de conversion RFDC de 22 % et 17 %.
Une tension de sortie de la rectenna complète de l’ordre de 1.3 V a été mesurée pour une puissance RF de 32 dBm, à 5.8 GHz, à une distance de 2 m d’une antenne cornet émettrice (gain de 20 dB) [42].
Rectenna miniaturisée avec une réduction d’harmoniques fonctionnant à 5.5 GHz
La rectenna est composée d’un patch à deux fentes rectangulaires à 5.5 GHz et d’un circuit redresseur avec filtre coupe bande (Figure I.25) [43]. Un connecteur en broche permet de relier le patch au circuit de conversion RFDC.
Les deux fentes rectangulaires positionnées tout au long de la diagonale gauche du patch permettent de générer la polarisation circulaire (droite dans ce cas). La largeur de bande à polarisation circulaire s’étale de 4.96 à 5.59 GHz, à savoir 12.1 % [44].
A la fréquence 5.5 GHz, le rapport axial est approximativement de 0.7 dB, et le gain de l’antenne en polarisation circulaire est de 7.6 dBic.
Les dimensions de la rectenna complète sont 40 mm x 40 mm x 4.7 mm. Une paire de diodes Schottky HSMS2862 est utilisée dans le rectifier.
Un filtre coupe bande modifié centré sur 11 GHz, permet de laisser passer la composante principale à 5.5 GHz de l’antenne vers le rectifier et d’empêcher le second harmonique à 11 GHz, générée par la diode, d’être rayonnée par l’antenne.
Le rendement de conversion RFDC mesuré de la recte nna à 5.5 GHz est supérieur à 70 % dès que la densité de puissance dépasse 0.75 mW/cm², et ceci avec une charge résistive terminale de 300 .
Rectenna compacte à patch circulaire et 2 fentes circulaires déséquilibrées à 2.45 GHz
Un patch circulaire et un circuit de rectification à la fréquence de 2.45 GHz ont été utilisés. L’alimentation du circuit redresseur est réalisée par une sonde coaxiale. Deux fentes circulaires sont placées selon le diamètre du patch circulaire, avec un angle d’inclinaison de 45° par rapport au diamètre vertical du patch. La taille et la position de chaque fente par rapport au centre du disque étant différentes.
Les paramètres des deux fentes (taille, distance par rapport au centre) sont déterminés afin d’exciter deux modes orthogonaux en polarisation linéaire en quadrature de phase. Plus la taille des deux fentes est grande, plus la fréquence de résonance basse (1er mode) diminue, et plus la distance des deux fentes par rapport au centre du patch est longue, plus la fréquence de résonance haute (2ème mode) augmente. L’antenne représentée à la figure I.26 fournit une polarisation circulaire gauche. La polarisation circulaire droite peut être obtenue en plaçant les slots symétriques par rapport à l’axe x.
Le minimum du rapport axial mesuré est de 1.5 dB à 2.455 GHz avec une bande passante à 3 dB de 30 MHz . Le gain en polarisation circulaire étant de 3.36 dBic en direction broadside.
Les dimensions de la rectenna complète sont de 60 mm x 60 mm x 2.4 mm
Les deux fentes induisent un décalage fréquentiel du coefficient de réflexion S11 de l’antenne, la deuxième harmonique est alors totalement réfléchie par l’antenne.
Au niveau du rectifier (Figure I.27), un stub radial est mis en oeuvre pour rejeter le troisième harmonique afin d’améliorer le rendement du circuit.
Un doubleur de tension en double diode Schottky HSMS282c est utilisé.
Avec une puissance RF d’entrée de 20 dBm, reçue par le rectifier, on obtient un rendement de conversion RFDC du rectifier de 70.6 % en ajustant la charge RL à 1 K avec une tension continue de sortie voisine de 8V [45].
Rectenna à 5.8 GHz avec patch tronqué et DGS pour réjection d’harmoniques
La partie antennaire est composée d’un patch avec deux troncatures triangulaires au niveau des coins, afin d’assurer la polarisation circulaire.
Deux fentes en forme d’os de chien sont pratiquées dans le plan de masse (Defect Ground Structure ou DGS), et en dessous de la ligne d’alimentation microruban, afin de supprimer les harmoniques générés par la diode Schottky (MA4E1317) et principalement le second harmonique à 11.6 GHz (Figure I.28).
Le minimum du rapport axial mesuré est de 1 dB, à 5.8 GHz avec une largeur de bande à polarisation circulaire de 1.37 %.
Le circuit de conversion RFDC est adapté à l’anten ne par deux lignes microruban λ/4 successives. Un stub ouvert permet de supprimer le 3ème harmonique (Figure I.29).
Le filtre DC est composé par une capacité liée à la masse. Une ligne (entre le filtre DC et la diode) peut être finement ajustée afin d’améliorer le rendement de conversion du circuit.
A 5.86 GHz, un rendement de la rectenna globale de 68.4 % et une tension de 4.34 V ont été mesurés en utilisant une charge de 298 [46], pour une puissance RF reçue d’environ 20 dBm.
Rectenna à 35 GHz à patch tronqués
Le gain de la double antenne en polarisation circulaire présentée dans la figure I.30 est de 9.94 dBic, avec un minimum de rapport axial de 0.64 dB situé à 35 GHz.
Un filtre HF permet de réduire de 19 dB le coefficient de réflexion de l’antenne aux fréquences harmoniques d’ordre 2 et 3.
Le circuit de conversion RFDC basé sur une diode M A4E1317, comprend aussi trois stubs radiaux pour bloquer le fondamental et les harmoniques d’ordre supérieur (Figure I.31)
Le maximum de rendement est de 81 % pour une densité de puissance de 30 mW/cm² et une charge terminale de 760 [47].
Rectenna à 2.45 GHz avec réjection d’harmoniques
L’antenne en forme de patch circulaire à 2.45 GHz, présente deux troncatures périphériques en forme de triangle afin de créer la polarisation circulaire grâce à la génération de deux modes orthogonaux de même amplitude et déphasés de 90°.
D’autre part, quatre fentes en forme de coude à 90° sont pratiquées sur le patch circulaire afin de supprimer le second et le troisième harmonique (Figure I.32).
Ces quatre fentes participent aussi à la diminution de la taille du patch circulaire puisqu’elles modifient le trajet des courants surfaciques.
L’antenne est alimentée par une sonde coaxiale 50 , le point d’alimentation est situé à une distance Fr du centre du patch.
L’antenne montre, en mesure, une largeur de bande à polarisation circulaire (rapport axial < 3 dB) de 30 MHz, avec un minimum de rapport axial de 0.32 dB à la fréquence 2447 MHz. Le gain en polarisation circulaire étant de 3.4 dBic.
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Table des matières
Introduction générale
I. Chapitre I : Introduction à la récupération de l’énergie électromagnétique et état de l’art des rectennas
1. Introduction
2. Historique
3. Structure globale d’une rectenna faible puissance
3.1 Antenne de réception
3.2 Circuit d’adaptation
3.2.1 Adaptation par des éléments localisés
3.2.2 Adaptation par des éléments distribués
3.3 Circuit de conversion RF-DC (Rectifier)
3.3.1 Topologie série
3.3.2 Topologie parallèle
3.3.3 Topologie doubleur de tension
3.4 Filtre de sortie DC
3.4.1 En éléments localisés
3.4.2 En éléments distribués
4. Limitation d’exposition aux champs électromagnétiques
5. Sources d’énergie électromagnétique ambiantes
6. Propagation des ondes EM en espace libre
6.1 Les signaux RF en propagation outdoor
6.2 Les signaux RF en propagation indoor
6.2.1 Principales causes de dépolarisation
6.2.2 Comportement de la polarisation d’onde dans un milieu indoor
7. Etat de l’art des rectennas
7.1 Rectennas mono bande à diversité de polarisation linéaire
7.1.1 Rectenna à 2.45 GHz avec alimentation par couplage par fente
7.1.2 Rectenna à 2.45 GHz avec alimentation par sonde coaxiale
7.2 Rectennas mono bande à polarisation circulaire :
7.2.1 Rectenna en forme de fente en boucle à 5.8 GHz
7.2.2 Rectenna miniaturisée avec une réduction d’harmoniques fonctionnant à 5.5 GHz
7.2.3 Rectenna compacte à patch circulaire et 2 fentes circulaires déséquilibrées à 2.45 GHz
7.2.4 Rectenna à 5.8 GHz avec DGS (Defect Ground Structure)
7.2.5 Rectenna à 35 GHz avec deux patch tronqués
7.2.6 Rectenna à 2.45 GHz avec réjection d’harmoniques
7.3 Rectennas avec réseaux d’antennes mono bande à polarisation circulaire
7.3.1 Rectenna avec réseau d’antennes 2 x 2 à 5.8 GHz
7.3.2 Rectenna avec réseau d’antennes à rotation séquentielle à 2.45 GHz
7.4 Rectennas fonctionnant sur deux bandes de fréquence
7.4.1 Rectenna avec deux fentes en boucle à 2.45 GHz et à 5.8 GHz
7.4.2 Rectenna compacte en dipôle replié à 915 MHz et 2.45 GHz
7.4.3 Rectenna bi-bande à 915 MHz et 2.45 GHz sur substrat flexible
7.5 Rectennas bi-bande utilisant des réseaux d’antennes
7.5.1 Rectenna opérant sur deux bandes GSM-1800 et UMTS -2100
8. Conclusion
9. Références
II. Chapitre II : Rectenna à double polarisation circulaire en bande ISM à 2.45 GHz
1. Introduction
2. Introduction aux antennes alimentées par couplage par fente :
2.1 Modèle électrique de l’antenne alimentée par couplage par fente :
2.2 Influences des différents paramètres
3. Optimisation d’une antenne à double polarisation circulaire à deux accès à 2.45 GHz
3.1 Description de la structure
4. Caractérisation expérimentale de l’antenne optimisée
4.1 Réalisation
4.2 Paramètres S
4.3 Rapport axial
4.4 Exploitation de l’antenne pour la récupération de l’énergie EM dans un environnement indoor WLAN
4.5 Gain total mesuré en fonction de la fréquence
4.6 Diagrammes de rayonnement
4.7 Impédance d’entré
5. Systèmes de conversion RF-DC
5.1 Introduction à la recombinaison des rectennas
5.2 Comparaison des recombinaisons série et parallèle
5.3 Simulation globale du circuit rectifier à recombinaison parallèle
5.4 Mesures du circuit rectifier à recombinaison en parallèle
5.4.1 Etude fréquentielle à une puissance RF de -15 dBm par accès
5.4.2 Etude en fonction de la puissance RF dans le cas équilibré
5.4.3 Etude de l’influence du déséquilibre en puissance RF d’entrée
6. Rectenna à deux accès à 2 .45 GHz :
6.1 Banc et protocole de mesures :
6.2 Charge optimale pour -15 dBm par accès (Φ = 0°) à 2.45 GHz
6.3 Tension et rendement de la rectenna dans le cas de -15 dBm par accès à Φ = 0° en fonction de la fréquence
6.4 Tension et rendement de la rectenna à 2.45 GHz dans le cas d’une densité de puissance RF incidente de 1.5 PW/cm²
6.5 Tension et rendement en fonction de la densité de puissance à 2.45 GHz
7. Conclusion
8. Références
III. Chapitre III : Rectennas à polarisation circulaire fonctionnant dans Les bandes GSM 1800 et ISM-2.45 GHz
1. Introduction
2. Antenne bi-bande à polarisation circulaire fonctionnant à 1.85 GHz et à 2.45 GHz
2.1 Description de l’antenne
2.2 Paramètres S
2.3 Rapport axial
2.4 Gain :
3. Rectenna bi-bande à 1.85 GHz et à 2.45 GHz
3.1 Description du circuit de conversion RF-DC bi-bande
3.2 Rendement simulé à une puissance RF constante de -15 dBm
3.3 Simulation en fonction de la puissance RF d’entrée du rectifier
3.4 Mesures en fonction de la puissance RF d’entrée du rectifier
3.5 Mesures en fonction de l’angle Φ :
4. Antenne bi-bande à polarisation circulaire réduite en dimensions
4.1 Description de l’antenne :
4.2 Performances simulées :
5. Réseau d’antennes 2 éléments bi-bande à polarisation circulaire :
5.1 Description du réseau d’antennes :
6. Rectifier bi-bande associé au réseau d’antennes à 2 éléments :
6.1 Description du rectifier
6.2 Résultats de simulation
6.3 Résultats de mesures
7. Conclusion
8. Références
IV. Chapitre IV : Applications pour la récupération de l’énergie électromagnétique
1. Introduction
2. Première Application : utilisation d’une rectenna miniaturisée à 2.45 GHz avec un convertisseur DC-DC élévateur pour alimentation d’un capteur de température à faible consommation
2.2 Convertisseur DC-DC
2.3 Antenne à double polarisation circulaire à 2.45 GHz miniaturisée par superstrate
2.4 Rectenna à double polarisation circulaire miniaturisée
2.5 Démonstrateur de la première application
3. Deuxième Application : utilisation de la rectenna à 2.45 GHz à double polarisation circulaire non miniaturisée avec un convertisseur DC-DC développé au cours du projet ANR
4. Conclusion
5. Références
Conclusion générale
Perspectives
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