Les circuits rectenna ont un comportement non linéaire en raison de la présence des diodes. C’est la raison pour laquelle la conception des sous-parties de la rectenna indépendamment les unes des autres est complexe. L’objectif est dans un premier temps de relier la diode au filtre DC et à la charge tout en optimisant la tension de sortie aux bornes de charge. Dans un deuxième temps, l’objectif est d’évaluer l’impédance vue en entrée de la diode afin de l’adapter au filtre côté HF qui était conçu avec des accès à 50 Ω. Le circuit de conversion peut
être approximé par une impédance caractéristique Z0 qui joue le rôle de charge du filtre HF et
du bloc d’adaptation. La particularité de cette charge réside dans son comportement fortement non linéaire dû essentiellement à la présence des diodes servant à faire la conversion RF-DC.
Chapitre IV : Conception de circuits de conversion RF-DC à 2.45 GHz
puissance d’un bloc vers un autre est optimal lorsque les impédances caractéristiques des blocs sont conjuguées.
IV.3.3.1 Impédance de l’afficheur
Pour déterminer quelle impédance de l’afficheur réalisé par nos collègues de l’ICMC Bordeaux il fallait spécifier pour atteindre une tension maximale, une étude paramétrique a été réalisée. La figure IV.5 présente la variation de l’efficacité et de la tension de sortie en fonction de la charge pour deux niveaux de puissance d’entrée différents. Le résultat montre que plus la valeur de la charge augmente, plus la tension à ses bornes est importante. Par contre l’efficacité atteint un optimum pour une charge donnée et ensuite diminue lorsqu’on continue à augmenter la charge. Ce résultat est confirmé par d’autres études récentes dans le domaine de la récupération d’énergie électromagnétique [IV.4] mais la spécificité de notre application nous a conduits à privilégier le niveau de tension DC obtenu au détriment de l’efficacité de conversion.
Figure IV. 5. Influence simulée de la charge RL sur le rendement
IV.3.3.2 Paramètre critique L1
La conception de la rectenna se fait de l’aval vers l’amont. Le point de départ de la conception du circuit de conversion RF-DC est l’afficheur qui impose la valeur de la charge. Un afficheur commercial avec une résistance de 100 KΩ a été utilisé pour ce premier circuit. Les tronçons de lignes reliant l’afficheur au filtre de sortie (ou côté DC) et à la diode sont importants pour le rendement du circuit. La ligne L1 indiquée figure IV.1 permet de renvoyer les harmoniques supérieures ainsi que la composante fondamentale vers la diode pour les mélanger de nouveau et augmenter la quantité d’énergie transférée en DC. Les figures IV. 6 (a) et (b) montrent les niveaux de tension en amont et en aval de la ligne L1 pour la composante fondamentale à 2.45 GHz et pour la 2eme harmonique (7.35 GHz).
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(a) (b)
Figure IV. 6. Niveau de tension avant et après la ligne L1 a) à 2.45 GHz et b) à 7.35 GHz
La longueur doit être optimisée de telle sorte que l’onde arrive en phase avec le reste de signal de manière à ce que les deux signaux s’additionnent et que le mélange soit constructif. Elle permet aussi de compenser la partie imaginaire capacitive de la diode. La figure IV.7 montre la variation de la tension de sortie en fonction de la longueur de la ligne entre la diode et la capacité pour différents niveaux de puissances allant de -15 dBm à 15 dBm. Nous choisissons une longueur de 13 mm qui correspond à la tension la plus élevée sur la bande de puissance [-15 dBm ; -10 dBm].
Figure IV. 7. Influence simulée de la ligne de longueur L1 sur la tension de sortie
La figure IV.8 décrit le bloc obtenu en aval de la diode. L’impédance de chaque partie du circuit est calculée en insérant des sondes de courant et de tension dans le circuit décrit sous
ADS. Zd correspond à l’impédance à l’entrée de la diode lorsque celle-ci est reliée à un
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Figure IV. 8. Procédure d’optimisation du bloc DC de la rectenna
IV.3.3.3 Optimisation du bloc adaptation d’impédance
Nous réalisons par la suite l’adaptation entre le bloc en aval de la diode et celui en amont de la diode.
L‘impédance d’entrée du circuit (diode+ capacité+ afficheur) a été déterminée par simulation, elle correspond à une impédance complexe dont la partie imaginaire est capacitive. Le filtre passe-bas du côté HF a été conçu avec des accès adaptés à 50 Ω.
Figure IV. 9. Principe d’adaptation entre blocs HF et DC
La figure IV.10 présente un exemple de circuit d’adaptation d’impédance. Le stub radial permet de compenser la partie capacitive du bloc DC. Les deux longueurs de lignes permettent d’adapter la partie réelle des impédances du filtre HF et du bloc DC. Une optimisation avec le logiciel ADS a été mise en œuvre pour réaliser cette adaptation et satisfaire les équations IV.6 et IV.7.
𝐼𝑚(𝑍𝑠𝑡𝑢𝑏) = −𝐼𝑚 (𝑍𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒) [𝐸𝑞 𝐼𝑉. 6] 𝑅𝑒(𝑍𝑠𝑡𝑢𝑏) = 𝑅𝑒(𝑍𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒) [𝐸𝑞 𝐼𝑉. 7] Zin = 13.2-j16.3 Ω L1 Z = 3.1+j269 Ω Zd = 37-j202 Ω Circuit d’adaptation Filtre HF passe-bas Filtre HF Filtre HF passe-bas Bloc DC (Diode+Capacité +Afficheur) 50 Ω ZDC = 11.4-j34.3 Ω
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Figure IV. 10. Circuit d’adaptation reliant le filtre HF à la diode