Soutenance mémoire
Durant les dernières décennies, la transmission et la conversion de puissance solaire-microonde de l’espace vers la terre (SPT) et plus généralement la transmission de puissance micro-onde sans fil (WPT) sont devenues de nouvelles technologies alternatives pour résoudre les problèmes mondiaux de l’énergie avec notamment l’épuisement des sources d’énergies fossiles. L’idée consistait à utiliser un faisceau micro-onde pour transmettre l’énergie solaire récupérée et convertie vers la terre. Les puissances mises en jeu étaient ici importantes. Aujourd’hui, avec l’avènement des dispositifs sans fils, une des préoccupations majeures consiste à améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs communicants (capteurs, réseaux de capteurs…). On souhaite en effet s’affranchir de l’utilisation des batteries ou piles, coûteuses dans les opérations de recharge, de remplacement et lors du recyclage. Ces dispositifs sont certes beaucoup moins gourmands en énergie mais avec des problématiques similaires à ceux évoqués plus haut. En effet, l’une des principales exigences d’un système de transmission de puissance est le rendement de conversion entre la source (mécanique, électromagnétique, solaire, vibratoire,…) et la puissance convertie continue qui alimentera le dispositif.
A l’heure actuelle, nous vivons dans un monde où la consommation d’énergie ne cesse de s’accroître, les besoins énergétiques augmentent de manière considérable tandis que les réserves s’épuisent peu à peu. La consommation d’énergie mondiale dépend environ de 40% du pétrole, les profits dégagés par celui-ci sont donc au cœur de la problématique économique et géopolitique. Ainsi, une alternative à ces énergies fossiles serait les énergies renouvelables, malheureusement en faible émergence et ne couvrant actuellement qu’environ 13% des besoins énergétiques mondiaux. En effet, le soleil, l’eau, le vent, le bois et les autres produits végétaux sont autant des ressources naturelles capables de générer de l’énergie grâce aux technologies développées par les hommes. En outre, le soleil peut être considéré comme à l’origine de la plupart des énergies renouvelables à notre disposition: énergie éolienne, photovoltaïque, etc. Le rayonnement solaire constitue une ressource 10000 fois supérieure à la consommation mondiale d’énergie, ressource qui serait inépuisable et disponible continuellement si l’on se situait dans l’espace. De ce fait, le principe de transport d’énergie sans fil, qui a vu le jour il y a de cela près d’un siècle, apparaissait dans ce contexte comme une alternative intéressante. Ce concept, dans le cadre d’une fourniture d’énergie propre et écologique à la planète, consiste à collecter l’énergie solaire disponible durablement en orbite terrestre avant de la transférer vers une station de réception via des ondes RF. Son relatif faible impact sur l’environnement en fait une énergie d’avenir face au problème de la gestion des déchets du nucléaire et aux émissions de gaz à effet de serre.
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 .
Structure de base d’une rectenna
L’élément fondamental d’un système de récupération d’énergie sans fil est la rectenna « rectifying antenna ». Une rectenna est composée essentiellement d’une antenne réceptrice suivie d’un circuit de redressement qui convertit l’énergie micro-onde en une énergie continue DC. Généralement, les rectennas sont conçues en technologie imprimée, et cela pour des raisons de coût, de compatibilité et de facilité de réalisation .
Pour la partie antenne, des dipôles et des patches à polarisation circulaire et à gain élevé sont les plus utilisés. La polarisation circulaire est une caractéristique très importante dans la conception des rectennas, elle permet de garder une tension DC pratiquement inchangée avec la rotation du récepteur (rectenna) ou de l’émetteur . Pour le circuit de redressement, différentes configurations peuvent être utilisées pour convertir l’énergie RF en énergie DC, comme les ponts et les demi-ponts de diodes, ainsi que les diodes série et shunt. Les diodes Schottky sont néanmoins les plus utilisées dans ce type d’applications .
Le filtre d’entrée HF est un filtre passe-bas à double fonction. Il assure d’une part la rejection des harmoniques créées par le circuit de redressement (qui est un circuit non linéaire), et l’adaptation de l’antenne au circuit de redressement d’autre part [14], [15], [22]. Ce filtre HF peut être directement intégré dans l’antenne de réception, pour obtenir ce qu’on appelle une antenne à rejection d’harmoniques [23], [24]. Ce type d’antennes est notamment intéressant du fait qu’il réduit les dimensions de la rectenna ainsi que son coût.
Le filtre de sortie DC est un filtre passe-bas comprenant une capacité en parallèle avec la charge. Ce filtre laisse passer la puissance DC et bloque l’énergie RF. La distance entre la diode et la capacité de sortie est utilisée pour ajuster la capacitance de la diode, ce qui est nécessaire pour maximiser l’efficacité de la diode.
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 .
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.
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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
CHAPITRE VI : ETUDE ET CONCEPTION D’UNE RECTENNA A DOUBLE POLARISATION CIRCULAIRE A 2.45 GHZ
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME DE CONVERSION RF-DC
IV.3.1 Conception du redresseur
IV.2.1.1 Choix du substrat
IV.2.1.2 Choix de la diode
IV.2.1.3 Choix de la topologie
IV.2.2 Simulation du circuit de redressement sous ADS
IV.2.2.1 Redresseur série
IV.2.2.2 Etude de l’adaptation du redresseur série
IV.2.2.3 Influence de la charge RL sur le rendement
IV.2.2.4 Influence de la capacité C sur le rendement
IV.2.2.5 Influence de la longueur de la ligne entre diode et capacité
IV.2.2.6 Influence de la résistance série Rs de la diode sur le rendement
IV.2.2.7 Influence de la capacité de jonction Cj0 sur le rendement
IV.2.2.8 Influence de la puissance RF sur le rendement
IV.2.3 Réalisation du redresseur
IV.3 RESULTATS DE MESURE DE LA RECTENNA
IV.4 CONCLUSION
IV.5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE
