La transmission d’energie sans fil par micro-onde

La transmission d’énergie sans fil par micro-onde

Historique 

Cela fait plus de 100 ans que la notion de transmission d’énergie sans fil fut introduite par Nicolas TESLA. Il avait exploité les ondes électromagnétiques pour transporter, sans ligne, l’électricité n’importe où dans le monde. Au début du 20ème siècle, il fit construire une tour de transmission à Long Island (New York), mais à l’époque, les connaissances en TESF (Transmission d’Energie Sans Fil) n’étaient qu’empiriques (au niveau des sources de puissances notamment) et le projet fut abandonné. Durant la première et la seconde guerre mondiale, l’utilisation des ondes HF pour les transmissions radars ainsi que l’évolution des technologies et des semi conducteurs ont contribué à l’essor de la recherche dédiée au TESF. En 1969, Peter Glaser présente le concept de SPS qui, associé à celui de TESF, pourrait être une solution de fourniture énergétique alternative et écologique à notre planète.

Dans cette voie, l’expérimentation terrestre de GoldStone de 1975 menée par Raytheon Co constitue une étape importante de validation du concept de TESF. La démonstration d’un système pilote, dont le fonctionnement en laboratoire avait abouti à un rendement global de 54%, a été certifiée par le service de qualité de la JPL .

En outre, en 1980, le département de l’énergie américain a manifesté son intérêt pour cette technologie en initiant un travail de recherche sous la direction de Bill Brown. Toutefois, en dépit d’importants travaux de recherche et de nombreuses publications, peu de prototypes ou de démonstrateurs ont été réalisés. En Avril 1994, lors d’une conférence au CNES à Paris, Peter Glaser a proposé une voie dans la conduite du projet SPS. Une des étapes de base est la réalisation de nouvelles démonstrations terrestres originales et écologiques de transport d’énergie sans fil. A la lumière de ces propositions, le laboratoire d’Electronique, d’Energétique et des Procédés « LE²P » s’est investi dès 1994 dans un projet d’envergure qui proposait de démontrer dans un avenir proche la faisabilité à échelle humaine d’un transport d’énergie sans fil. En collaboration avec l’équipe japonaise de l’ISAS, ce projet d’étude de cas avait pour but d’étudier toutes les conséquences et toutes les contraintes relatives à l’utilisation du TESF pour alimenter l’îlet de Grand Bassin situé au fond d’une vallée encaissée de l’île de La Réunion accessible uniquement en marche à pied [10].

Pour se faire, un prototype de démonstration fut élaboré et présenté à la conférence internationale WPT’01 au campus du Tampon. Les caractéristiques du prototype furent définies afin de transmettre une puissance continue à l’émission de 800W sur une distance de propagation de 40m. En réception, la puissance était collectée par un réseau de radio piles comprenant 2376 antennes dipôles réparties sur une surface de 11.76 m² [11].

Circuit de conversion 

Diode Schottky

Le circuit de redressement est basé sur une ou plusieurs diodes Schottky, il utilise une jonction métal/semi−conducteur à la place d’une jonction PN comme pour les diodes conventionnelles. Pour une polarisation directe (d’environ 1mA), les diodes Schottky ont une tension de seuil qui se situe dans la gamme de 0.15V à 0.45V. Ils possèdent un temps de transition faible, ce qui les rend rapide en commutation. La diode Schottky que nous avons utilisée est optimisée pour fonctionner entre 915 MHz et 5.8 GHz .

Les antennes imprimées 

Structure micro-ruban

La technique des circuits imprimés, qui a révolutionné le domaine de l’électronique, s’est peu à peu étendue à celui des hyperfréquences. Elle y a d’abord été employée pour réaliser des lignes de transmission, des circuits et un peu plus tard des antennes [35]. Un circuit imprimé est formé d’un substrat mince en matériau isolant (diélectrique) sur lequel sont déposées de fines couches métalliques. En hyperfréquences, il est usuel de métalliser tout un côté du substrat (plan de masse), tandis que l’autre côté n’est que partiellement recouvert de métal (conducteur supérieur). Nous parlons alors de structure micro-ruban .

La faible épaisseur des substrats est un atout majeur pour les antennes qui sont destinées aux applications aérospatiales. De plus, comme certains substrats sont flexibles, il est envisageable de plaquer ces antennes sur la surface externe d’un satellite ou d’un avion. On parle alors d’antennes conformées [36], [37].

L’emploi de masques et de techniques photolithographies ou mécaniques permet de reproduire en grand nombre des pièces pratiquement identiques. Pour les antennes, on peut ainsi assembler des éléments rayonnants pour former des réseaux. Cette propriété de duplication est aussi attrayante pour la production en grande série d’antennes destinées à la réception directe de télévision par satellite [38], [39]. Leur faible encombrement et leur poids réduit font également de ces antennes des bonnes candidates pour les applications nécessitant des petites antennes comme les systèmes de communication courte distance par exemple [40]. Pour ce type d’application, l’encombrement de l’antenne est un facteur plus important que le gain.

Ces divers avantages sont assortis d’inconvénients non négligeables. Les substrats utilisés pour la conception d’antennes micro-rubans (appelées aussi antennes imprimées ou antennes patchs) sont à pertes. Il en résulte une perte de rendement car les lignes de champs se concentrent dans le substrat diélectrique qui se caractérise par sa tangente de pertes. Les pertes dans le métal sont une source de problème pour les applications très hautes fréquences. La présence d’ondes de surface peut produire des couplages parasites entre éléments, ce qui rend difficile le contrôle des lobes secondaires d’une antenne réseau. Comme on fait le plus souvent usage de structures résonnantes, la bande passante obtenue n’est que de quelques pourcents. Pour l’élargir, il faut combiner plusieurs résonances. Il est important de noter également que la réalisation d’antennes patchs à grande pureté de polarisation n’est pas une opération facile à mettre en œuvre.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
I.1 INTRODUCTION
I.2 LA TRANSMISSION D’ENERGIE SANS FIL PAR MICRO-ONDE
I.2.1 Historique
I.2.2 Principe de la transmission d’énergie sans fil
I.2.3 Structure de base d’une rectenna
I.3 CIRCUIT DE CONVERSION
I.3.1 Diode Schottky
I.3.2 Topologie série
I.3.3 Topologie parallèle
I.3.4 Topologie doubleur de tension
I.3.5 Topologie en pont de diodes modifié
I.4 LES ANTENNES IMPRIMEES
I.4.1 Structure micro-ruban
I.4.2 Les antennes patchs
I.4.3 Techniques d’excitation d’une antenne patch micro-ruban
I.4.3.1 Introduction
I.4.3.2 Alimentation par ligne micro-ruban
I.4.3.3 Alimentation par sonde coaxiale
I.4.3.4 Alimentation par couplage par fente
I.4.3.5 Alimentation par couplage par proximité
I.5 QUELQUES TRAVAUX SUR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DES RECTENNAS UTILISANT DES ANTENNES PATCHS
I.5.1 Rectenna avec antenne microstrip à rejection d’harmoniques
I.5.2 Rectenna à double fréquence à polarisation circulaire
I.5.3 Rectenna à double diode
I.6 PROBLEMATIQUE
I.7 CONCLUSION
I.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE II : MODELISATION GLOBALE ET OPTIMISATION DES CIRCUITS MICRO-ONDES ACTIFS NON LINEAIRES PAR LA METHODE ITERATIVE : APPLICATION AUX RECTENNAS
II.1 INTRODUCTION
II.2 DEVELOPPEMENT DE LA METHODE
II.2.1 Formulation des conditions aux limites
II.2.2 Le concept d’onde
II.2.3 Opérateur de réflexion dans le domaine spectral
II.2.4 Opérateur de diffraction dans le domaine spatial
II.2.4.1 Domaine métallique
II.2.4.2 Domaine diélectrique
II.2.4.3 Domaine de la source
a − Cas où la source d’excitation est bilatérale
b − Cas où la source d’excitation est unilatérale
c − Cas de la région d’une impédance de surface
II.2.5 Le processus itératif
II.3 APPLICATION : ETUDE D’UNE LIGNE MICRO-RUBAN
II.4 CIRCUITS CONTENANT DES ELEMENTS LOCALISES
II.5 ANALYSE D’UNE RECTENNA AVEC LA METHODE ITERATIVE
II.6 CONCLUSION
II.7 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE III : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE ANTENNE A DOUBLE POLARISATION CIRCULAIRE ALIMENTEE PAR COUPLAGE PAR FENTE
III.1 INTRODUCTION
III.2 L’ANTENNE PATCH MICRO-RUBAN
III.3 TECHNIQUES D’EXCITATION D’UNE ANTENNE MICRO-RUBAN
III.3.1 Introduction
III.3.2 Excitation par couplage par fente
III.4 POLARISATION D’UNE ANTENNE
III.5 ETUDE DE LA STRUCTURE DE L’ANTENNE COUPLEE PAR FENTE COMPLETE
III.5.1 Introduction
III.5.2 Etude de l’antenne à double polarisation circulaire couplée par fente en croix
III.6 ETUDE PARAMETRIQUE DE L’ANTENNE
III.6.1 Introduction
III.6.2 Influence de A sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.3 Influence de Ls sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.4 Influence de Ws sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.5 Influence du gap d’air sur le fonctionnement de l’antenne
III.7 CARACTERISTIQUES DE L’ANTENNE ETUDIEE
III.7.1 Coefficients de réflexion et d’isolation
III.7.2 Etude des caractéristiques de rayonnement dans le plan azimutal
III.7.3 Etude des courants de surface
III.7.4 Caractéristiques de polarisation circulaire
III.8 OPTIMISATION ET VALIDATION DE L’ANTENNE PAR LA MESURE
III.8.1 Mesure des paramètres Sij
III.8.2 Mesure des caractéristiques de rayonnement
III.9 ANTENNE A COUPLAGE PAR PROXIMITE A REJECTION D’HARMONIQUES
III.9.1 Introduction
III.9.2 Antenne alimentée par proximité
III.9.3 Etude de la structure DGS sur une ligne micro-ruban
III.9.4 Antenne alimentée par proximité avec DGS
III.9.5 Réalisation et mesure de l’antenne
III.10 CONCLUSION
III.11 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE

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