Généralités des rectennas

Généralités des rectennas

De nos jours, avec la miniaturisation et le développement de l’intelligence répartie des systèmes électroniques, il est devenu de plus en plus difficile d’imaginer un domaine où l’électronique n’est pas encore présente. Ces systèmes sont de plus en plus présents dans la plupart des domaines de la vie, sans restriction sur leur localisation dans l’espace. Pour faciliter leur mobilité et assurer une meilleure intégration dans l’environnement, leur taille devra être réduite. L’un des problèmes à résoudre et qui représente l’enjeu de cette étude est :
➤ Leur autonomie énergétique ;
➤ Le choix de la structure d’antenne la plus appropriée pour une meilleure efficacité;
➤ La modélisation exacte du redresseur (diode Schottky) pour les puissances RF;
➤ Avoir une structure la plus compacte possible pour l’obtention d’un rendement élevé dans les systèmes RF ;
➤ L’optimisation de la rectenna complète dans un même logiciel de simulation;

Les techniques d’alimentation classiques par pile ou par batterie restent difficiles à envisager dans certaines applications, elles sont limitées en autonomie, nécessitent des remplacements périodiques et leur recyclage est coûteux. 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. La récupération et la conversion de l’énergie RF en tension continue est possible grâce à l’utilisation de la rectenna qui est une antenne rectificatrice inventée et construite par William C. Brown dans les années 1960.

Ces rectennas fonctionnent avec un maillage de diodes Schottky et n’importe quel type d’antenne. La sortie finale de la rectenna est un courant continu [3]. Les rectennas développés doivent posséder une forte sensibilité (faible puissance disponible), être compact et à faible coût [4].

Historique 

En 1960, William. C. Brown, le pionnier de la transmission de l’énergie microonde (MPT) a mené plusieurs expériences sur la TESF, il est le premier à avoir réalisé une antenne rectificatrice communément appelé aujourd’hui «Rectenna» ses recherches sur le redressement de signal lui ont permis de régler le problème de rectification RF-DC. Par conséquent, en 1964, il a pu, en partenariat avec « l’U.S. Air force », faire planer un hélicoptère en l’alimentant depuis le sol, par un faisceau d’ondes électromagnétiques à une fréquence de 2,45 GHz, l’hélicoptère .

L’efficacité de la conversion RF-DC dépend de la quantité d’énergie absorbée et de la charge connectée. Si l’entrée et la charge connectée ne sont pas optimales, le rendement diminue considérablement. Le circuit mis au point contient une antenne dipôle demi-onde associé à un circuit de conversion RF-DC contenant une diode simple connectée à une charge résistive. Un des paramètres clés des circuits rectennas est le rendement de conversion. Cependant, le rendement le plus important fut atteint par Brown chez Raytheon William en 1977. Brown avait utilisé une diode Schottky en Arséniure de Gallium-Platine (GaAs-Pt), une antenne dipôle en aluminium et une ligne de transmission pour atteindre un rendement de conversion de 90.6% avec une puissance d’entrée de 8 W. En 1982, W.C. Brown et J.F. Triner ont développé une version imprimée du circuit à 2.45 GHz, gravée sur un film mince. Le rendement obtenu était de 85%. En 1991, K. Chang et T.W. Yoo ont développé une rectenna intégrée à 35 GHz avec un rendement de 33 % pour des puissances d’entrée de l’ordre de 60Mw. [6] Plusieurs projets de recherche axés sur l’étude et l’optimisation de rectennas ont été entrepris par le laboratoire Ampère et ses partenaires : le laboratoire SATIE et le laboratoire ESYCOM de l’université de paris-Est Marne-la-Vallée. En 2009, Vlad Marian entama l’étude et l’optimisation de circuits de rectennas pour une application de réveil à distance d’un circuit à zéro consommation en mode veille. Dans ce contexte, il était question de travailler sur des niveaux de la puissance RF entre quelques μW et quelques mW. Enfin, au sein du projet ANR REC-EM, deux thèses ont été financées et ont démarré en 2010. Elles sont axées sur le développement de systèmes de grappillage de l’énergie électromagnétique ambiante basés sur l’usage de rectennas compactes et multi bandes associées à des dispositifs de conversion DC-DC à très faible consommation. L’utilisation de la rectenna telle qu’elle est pour l’alimentation des systèmes portables présente plusieurs limitations. Ainsi, les niveaux de tension délivrés par la rectenna sont relativement faibles et insuffisants dans le cas où la puissance RF est proche du niveau ambiant. Aussi, les performances énergétiques de la rectenna ne dépendent pas uniquement de sa conception interne mais également des conditions extérieures de charge [7].

Description de quelques structures RF-DC à très faibles puissances

Définition
La rectenna tire son nom de l’association de deux mots anglo-saxons qui sont «Rectifying +antenna », pour « Antenne » et « Redresseur » Comme son nom l’indique, elle est typiquement composée d’une antenne de réception et d’un circuit de redressement qui convertie l’énergie électromagnétique collectée par l’antenne en tension continue.

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d’une rectenna   est le suivant: une antenne de réception suivie d’un circuit de conversion RF-DC. Ce dernier est composé d’une ou de plusieurs diodes, d’un filtre RF, d’un filtre DC et d’une charge résistive. Le filtre RF ou HF bloque les harmoniques crées par les non-linéarités des diodes et assure l’adaptation entre l’antenne et le reste du circuit de conversion. Le filtre DC est composé le plus souvent d’un bloc capacité parallèle, il permet d’isoler la charge de sortie de la partie RF.

L’antenne de réception 

L’antenne est l’interface entre l’espace libre et le milieu guidé (redresseur) et vice-versa. En émission, l’antenne convertit le signal RF à son entrée en ondes électromagnétiques et rayonne ces ondes dans l’espace libre, l’opération inverse est réalisée en réception. Dans le but d’obtenir le meilleur rendement possible, l’antenne doit respecter quelques critères tels que l’adaptation, le gain, le diagramme de rayonnement, l’efficacité de rayonnement, la polarisation et la taille.

Coefficient de réflexion S11

Comme ceci a été expliqué avant, une antenne est définie par la norme comme étant un dispositif utilisé pour rayonner le champ électromagnétique dans l’espace ou pour le capter. L’antenne est donc la structure de transition entre la propagation libre dans le vide et la propagation guidée dans la matière. Dans les deux cas (antenne en émission et en réception), l’antenne doit assurer un transfert maximal de l’énergie. En effet, il est souhaitable que toute l’énergie soit convertie et transmise. Pour ce faire, il faut adapter l’antenne à la source d’énergie électromagnétique, si cela n’est pas fait, les ondes électromagnétiques seront réfléchies vers la source, interféreront avec les ondes électromagnétiques incidentes et des interférences destructives indésirables se produiront. Une onde dite stationnaire s’établira donc dans le milieu guidé. Le paramètre qui nous permet de quantifier l’adaptation en impédance est le coefficient de réflexion exprimé par Γ ou S11.Son module peut être exprimé en linéaire ou en décibel (dB), même s’il est plus commun de l’exprimer en dB.

Table des matières

I. Introduction
II. Historique
III. Description de quelques structures RF-DC à très faibles puissances
III.1 Définition
III.2 Structure d’une rectenna
III.2.1 Principe de fonctionnement
III.2.2 L’antenne de réception
III.2.2.1 Coefficient de réflexion S11
III.2.2.2 Diagramme de rayonnement
III.2.2.3 Directivité D
III.2.2.4 Efficacité d’une antenne
III.2.2.5 Gain d’une antenne
III.2.2.6 Impédance d’entrée d’une antenne
III.2.2.7 Adaptation d’une antenne
III.2.2.8 Alimentation d’une antenne micro ruban
III.2.2.8.1 Alimentation par ligne micro ruban
III.2.3 Circuit d’adaptation
III.2.4 Le Filtre RF
III.2.5 La diode SCHOTTKY
III.2.6 Le Filtre DC
IV. Topologies de redresseur
IV.1 Topologie série
IV.2 Topologie shunt (parallèle)
IV.3 Topologie doubleur de tension
IV.4 Multiplieur de tension
IV.5 Comparaison entre les différentes topologies
V. La charge
VI. Quelques exemples de circuits de rectennas
VI.1 Rectenna avec une antenne micro-ruban à rejection d’harmoniques
VI.2 Rectenna à double fréquence à polarisation circulaire
VI.3 Rectenna à double diode
VII. Conclusion

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