Study on the microwave rectennas for wireless power transfer and energy harvesting.

Cette thèse propose une nouvelle conception des circuits dans les fréquences micro-ondes comme solution alternative au transfert de puissance sans fil et à la récupération de l'énergie radiofréquence. En raison de l'utilisation limitée des batteries et des fils dans certaines circonstances, l'auto-alimentation peut être bénéfique pour les dispositifs électroniques sans fil. Le problème consiste à trouver un moyen de charger des dispositifs à faible consommation d'énergie en utilisant les systèmes de transmission sans fil existants. Ce travail met en évidence des conceptions de circuits qui intègrent des composants passifs et actifs pour le transfert d'énergie sans fil. Les fonctions principales de ces circuits sont de collecter l'énergie de rayonnement d'origine ambiante et de recycler l'énergie récupérée. Les circuits, appelés rectennas qui sont des Antennes redresseuses, sont construits avec de composants non linéaires passifs, d’antennes intégrées et de redresseurs de radiofréquence. Les circuits passifs se composent d'une antenne micro-ruban et de l'un des composants suivants : un coupleur Wilkinson, une jonction en T et un coupleur hybride à 90º ou 180º utilisé comme combinateur de puissance. Les principaux avantages des circuits passifs sont l'isolation de l'adaptation et les faibles pertes. Ils peuvent être utilisés pour combiner la puissance reçue des antennes afin d'alimenter le circuit redresseur. Les circuits non linéaires constituent une autre partie, composée d'une ou plusieurs diodes (deux pour le doublement de la tension, et quatre pour le pont de diodes) qui sont intégrées à l'étage de charge. L'objectif de ces circuits est double : (i) recevoir et combiner les signaux d'entrée de radiofréquence, et (ii) rectifier avec une plus grande efficacité et convertir les signaux de radiofréquence en courant continu ou alimenter les dispositifs électroniques sans fil. Les principaux objectifs de ce travail sont de développer des circuits récepteurs efficaces qui utilisent l'énergie radiofréquence existante et augmentent la puissance de sortie. Comme les systèmes de dispositifs sans fil sous la bande 6 GHz sont utilisés pour l'Internet des objets et l'identification par radiofréquence, les conceptions d'antennes patch et de coupleurs sont modifiées pour améliorer l'efficacité et minimiser les pertes de retour. Deux techniques de simulation sont employées dans cette étude : l'optimisation et le réglage. Comme ces deux stratégies sont essentielles pour obtenir les performances requises, le logiciel Advanced Design System de Keysight (Agilent) Technologies est utilisé à cet effet. Tous les prototypes proposés sont conçus, simulés, fabriqués et validés par des mesures sur des bancs d'essai. De plus, des circuits redresseurs de radiofréquence en courant continu ont été mis en œuvre pour l'efficacité de la conversion de puissance et la tension de sortie appropriée aux applications ciblées, tandis que des diodes Schottky sont utilisées pour les circuits redresseurs pleine onde avec des doubleurs de tension pour obtenir la tension de sortie continue requise. En outre, un réseau d'adaptation de type L est utilisé pour les redresseurs mono bande et multi-bande afin de maximiser la tension de sortie CC. Des transformateurs d'impédance sont également utilisées comme technique d'adaptation pour augmenter l'efficacité du rectenna. Les prototypes sont fabriqués à Polytechnique Montréal, Circuits Imprimes De La Capitale, et Cancino Technologies, tandis que les mesures sont effectuées au Laboratoire RF de l'INRS-EMT Montréal. Les principaux avantages du système proposé pour les appareils auto-alimentés sont l'élimination des fils et des piles, et la réduction des coûts. De plus, le système peut être pratique dans les applications industrielles, scientifiques et médicales (ISM).<br /><br />This thesis proposes a novel microwave design and the proposed solution is a power transfer/harvesting. Due to the limited use of batteries and wires in some circumstances, self-powering is beneficial for wireless electronic devices. The problem involves finding a way to charge low-power consumption devices using existing telecommunication wireless transmitting systems. This work proposes circuit designs that integrate passive and active components for wireless power transfer. The primary functions of these circuits are to collect ambient-sourced radiation energy and to recycle energy scavenging. The circuits, called rectennas, are built with passive non-linear components, integrated antennas, and radio frequency rectifiers. Passive circuits consist of a microstrip antenna and one of the following components: a Wilkinson coupler, a T-junction, and either a 90º or a 180º hybrid coupler used as a power combiner. The main advantages of passive circuits are matching isolation and low losses. They can be used for combining received power from antennas to feed the rectifier circuit. Non-linear circuits are another part, consisting of one or more diodes (two for double voltage, and four for Diode Bridge) that are integrated with the load stage. The purpose of the circuits is twofold: (i) to receive and combine radio frequency input signals, and (ii) to rectify with higher efficiency and convert radio frequency signals to direct current or power electronic wireless devices. The main objectives of this work are to develop efficient receiver circuits that employ existing radiofrequency energy and increase output power. As wireless device systems under 6 GHz band are used for the Internet of Things and radiofrequency identification, patch antenna and coupler designs are being modified to improve efficiency and minimize return losses. The Advanced Design System software of Keysight (Agilent) Technologies is used for this purpose. All of the proposed prototypes are designed, simulated, fabricated, and validated by measurements on test benches. Also, radiofrequency to direct current rectifier circuits have been implemented for power conversion efficiency and output voltage appropriated for targeted applications, while Schottky diodes are used for full-wave rectifier circuits with voltage doublers to obtain the required DC output voltage. Additionally, an L-type matching network is used to maximize DC output voltage. Also, impedance transformers are used as a matching technique to boost the rectenna efficiency. The prototypes are fabricated at Polytechnique Montréal, Circuits Imprimes De La Capitale, and Cancino Technologies, and the measurements are done at INRS-EMT Montreal RF Laboratory. The main benefits of the proposed system for self-powering devices are getting rid of wires and batteries, and reducing costs. Furthermore, the system can be practical in industrial, scientific, and medical (ISM) applications.

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