Réseau de rectennas

Afin d’augmenter le rendement et/ou la tension de sortie du circuit, des réseaux de rectennas ont été proposés. Les rectennas ont été associées de manières différentes comme le montre la figure II.14: en série, en parallèle ou en cascade [II.20].

Chapitre II : Récupération d’énergie : Historique et état de l’art

(a) (b) (c)

Figure II. 14. Différentes topologies de connexion a)série, b) parallèle et c) cascade [II.20]

En 1998, Shinohara [II.21] propose un réseau de rectennas de 3.2 m x 3.6 m composé de 256 sous-réseaux à 2.45 GHz. Chaque sous-réseau comporte 9 rectennas reliées en parallèle entre elles. Côté émetteur, une puissance de 5 kW a été générée par un magnétron et a été rayonnée à partir d'une antenne parabolique d'un diamètre de 3 m placée à 42 m du réseau de rectennas. Une puissance de 742 W a été obtenue.

En 2010, Hakim Takhadmit a présenté dans sa thèse un réseau de 2 et 4 rectennas.

Dans [II.22], différents réseaux d’antennes ont été présentés. La cellule de base se compose de quatre patchs et une diode Schottky « Metelics, MSS20145-B10B ». L’interconnexion série, parallèle pour simple ou double redressement entre cellules a été étudiée. L’interconnexion série consiste à relier chaque plan de masse du côté de la cathode au plan de masse du côté de l'anode de la cellule adjacente par un fil de cuivre comme le montre la figure II.15a. La tension totale obtenue est égale à N fois la tension d’une cellule. Une tension de 400 mV a été obtenue pour un réseau de 4 rectennas en comparaison à 0.1 mV obtenu pour un rectenna seule et pour une densité de puissance de 30 mW/m².

L’interconnexion parallèle consiste à relier les plans de masse par un fil conducteur comme le montre la figure II.15b. Le courant continu circule à cause de la différence de potentiel entre les plans de masse séparés. Le courant total obtenu est égal à N fois le courant obtenu par une cellule. Un courant de 1.2 mA a été obtenu pour un réseau de 4 rectennas en comparaison à 0.3 mA obtenu pour un rectenna seule et pour une densité de puissance de 30 mW/m².

(a)

Chapitre II : Récupération d’énergie : Historique et état de l’art

Dans [II.23], un réseau de trois convertisseurs RF-DC a été présenté pour une conversion bi-bande, basée sur un coupleur hybride (figure II.16). Le circuit proposé permet d'obtenir des performances comparables à 1.8 et à 2.45 GHz. Les tensions de sortie DC mesurées sont égales à 900 mV, et les efficacités sont de l’ordre de 49% pour une charge de 8.8 kΩ et une puissance d'entrée RF de -10 dBm. Le circuit est alimenté par un signal RF injectant les deux fréquences simultanément.

Figure II. 16. Schéma du convertisseur RF-DC double fréquences [II.23]

Le tableau II.3 regroupe les performances des différentes topologies de convertisseurs RF-DC pour une même puissance incidente à l’entrée du convertisseur RF-DC. Les charges aux bornes des circuits sont par contre différentes d’un circuit à un autre.

Structure Tension récupérée

(pour une puissance incidente de 10 dBm)

Rendement

(pour une puissance incidente de 10 dBm)

Mono diode série 1V (RL = 200-300 Ω) 65 % - 80%

Mono diode parallèle 1V (R_L = 300-500 Ω) 70 %

Doubleur de tension 2.5V (RL = 1 kΩ) 68 %

Multi diodes 2.6 V (pont de diodes)

2.3 V (double diodes série)

pour RL = 1 kΩ

65%

Tableau II. 3. Tableau comparatif des performances des différentes topologies de convertisseurs RF-DC

Antennes planaires II.5.

Une antenne est un élément passif qui transforme une puissance électrique en une onde électromagnétique et réciproquement. Le rôle de l’antenne dans le cadre de la récupération d’énergie est de collecter l’énergie à partir d’une source, par exemple l’énergie que délivre un smartphone ou une borne Wi-Fi ou à partir de l’énergie RF ambiante. Dans le cadre de cette application, les antennes planaires sont privilégiées. En effet, elles sont caractérisées par une faible masse, un encombrement réduit et par la facilité de réalisation. Les antennes imprimées sont difficiles à étudier à cause de l’inhomogénéité du milieu qui les supporte (substrat/air).

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Les conditions aux limites deviennent très complexes, en particulier à l’interface air-substrat ce qui rend difficile la résolution des équations de Helmohltz. Différentes méthodes numériques sont utilisées pour étudier les caractéristiques électriques des antennes planaires. Parmi les méthodes, on peut citer la méthode « Finite Difference in Time Domain » qui est une méthode du domaine temporel et qui nécessite un maillage 3D cubique, la méthode des moements (« Moments Method » (MoM)) qui est une méthode du domaine fréquentiel nécessitant un maillage rectangulaire ou triangulaire et la méthode des éléments finis (« Finite Element Method ») qui est une méthode fréquentielle et qui nécessite un maillage 3D de petits éléments finis, souvent des tétraèdres.

Nous allons présenter dans cette partie les caractéristiques de l’antenne qui sont importantes dans le cas de la récupération de l’énergie.

II.5.1. Zone de rayonnement

Le champ électromagnétique rayonné ne varie pas de la même manière en tout point de l’espace. La figure II.17 décrit la courbe de variation de la densité de puissance en fonction de la distance. On distingue trois zones de rayonnement :

La première zone est la zone de Rayleigh appelée aussi zone de champ proche. Elle est définie entre la distance 0 de l’antenne et la distance D²/2λ. D étant le diamètre de la surface circulaire équivalente à la surface effective de rayonnement de l’antenne.

La deuxième zone dite zone de Fresnel correspond à une distance comprise entre D²/2λ et 2D²/λ. Cette zone est décrite comme fluctuante. La densité de puissance fluctue en fonction de la distance.

La troisième zone est la zone de champ lointain ou appelée zone de Fraunhofer. Elle correspond à une distance de l’antenne supérieure à 2D²/λ.

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