High-performance wireless power and data transfer interface for implantable medical devices

D’importants progès ont été réalisés dans le développement des systèmes biomédicaux implantables grâce aux dernières avancées de la microélectronique et des technologies sans fil. Néanmoins, ces appareils restent difficiles à commercialier. Cette situation est due particulièrement à un manque de stratégies de design capable supporter les fonctionnalités exigées, aux limites de miniaturisation, ainsi qu’au manque d’interface sans fil à haut débit fiable et faible puissance capable de connecter les implants et les périphériques externes. Le nombre de sites de stimulation et/ou d’électrodes d’enregistrement retrouvés dans les dernières interfaces cerveau-ordinateur (IMC) ne cesse de croître afin d’augmenter la précision de contrôle, et d’améliorer notre compréhension des fonctions cérébrales. Ce nombre est appelé à atteindre un millier de site à court terme, ce qui exige des débits de données atteingnant facilement les 500 Mbps. Ceci étant dit, ces travaux visent à élaborer de nouvelles stratégies innovantes de conception de dispositifs biomédicaux implantables afin de repousser les limites mentionnées ci-dessus. On présente de nouvelles techniques faible puissance beaucoup plus performantes pour le transfert d’énergie et de données sans fil à haut débit ainsi que l’analyse et la réalisation de ces dernières grâce à des prototypes microélectroniques CMOS. Dans un premier temps, ces travaux exposent notre nouvelle structure multibobine inductive à résonance présentant une puissance sans fil distribuée uniformément pour alimenter des systèmes miniatures d’étude du cerveaux avec des models animaux en ilberté ainsi que des dispositifs médicaux implantbles sans fil qui se caractérisent par une capacité de positionnement libre. La structure propose un lien de résonance multibobines inductive, dont le résonateur principal est constitué d’une multitude de résonateurs identiques disposés dans une matrice de bobines carrées. Ces dernières sont connectées en parallèle afin de réaliser des surfaces de puissance (2D) ainsi qu’une chambre d’alimentation (3D). La chambre proposée utilise deux matrices de résonateurs de base, mises face à face et connectés en parallèle afin d’obtenir une distribution d’énergie uniforme en 3D. Chaque surface comprend neuf bobines superposées, connectées en parallèle et réailsées sur une carte de circuit imprimé deux couches FR4. La chambre dispose d’un mécanisme naturel de localisation de puissance qui facilite sa mise en oeuvre et son fonctionnement. En procédant ainsi, nous évitons la nécessité d’une détection active de l’emplacement de la charge et le contrôle d’alimentation. Notre approche permet à cette surface d’alimentation unique de fournir une efficacité de transfert de puissance (PTE) de 69% et une puissance délivrée à la charge (PDL) de 120 mW, pour une distance de séparation de 4 cm, tandis que le prototype de chambre complet fournit un PTE uniforme de 59% et un PDL de 100 mW en 3D, partout à l’intérieur de la chambre avec un volume de chambre de 27 × 27 × 16 cm3. Une étape critique avant d’utiliser un dispositif implantable chez les humains consiste à vérifier ses fonctionnalités sur des sujets animaux. Par conséquent, la chambre d’énergie sans fil conçue sera utilisée afin de caractériser les performances d’ une interface sans fil de transmisison de données dans un environnement réaliste in vivo avec positionement libre. Un émetteur-récepteur full-duplex (FDT) entièrement intégré qui se caractérise par sa faible puissance est conçu pour réaliser une interfaces bi-directionnelles (stimulation et enregistrement) avec des débits asymétriques: des taux de tramnsmission plus élevés sont nécessaires pour l’enregistrement électrophysiologique multicanal (signaux de liaison montante) alors que les taux moins élevés sont utilisés pour la stimulation (les signaux de liaison descendante). L’émetteur (TX) et le récepteur (RX) se partagent une seule antenne afin de réduire la taille de l’implant. L’émetteur utilise la radio ultra-large bande par impulsions (IR-UWB) basée sur l’approche edge combining et le RX utilise la bande ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de fréquence central 2.4 GHz et la modulation on-off-keying (OOK). Une bonne isolation (> 20 dB) est obtenue entre le TX et le RX grâce à 1) la mise en forme les impulsions émises dans le spectre UWB non réglementée (3.1-7 GHz), et 2) le filtrage espace-efficace (évitant l’utilisation d’un circulateur ou d’un diplexeur) du spectre du lien de communication descendant directement au niveau de l’ amplificateur à faible bruit (LNA). L’émetteur UWB 3.1-7 GHz utilise un e modultion OOK ainsi qu’une modulation par déplacement de phase (BPSK) à seulement 10.8 pJ / bits. Le FDT proposé permet d’atteindre 500 Mbps de débit de données en lien montant et 100 Mbps de débit de données de lien descendant. Il est entièrement intégré dans un procédé TSMC CMOS 0.18 um standard et possède une taille totale de 0.8 mm2. La consommation totale d’énergie mesurée est de 10.4 mW (5 mW pour RX et 5.4 mW pour TX au taux de 500 Mbps).In recent years, there has been major progress on implantable biomedical systems that support most of the functionalities of wireless implantable devices. Nevertheless, these devices remain mostly restricted to be commercialized, in part due to weakness of a straightforward design to support the required functionalities, limitation on miniaturization, and lack of a reliable low-power high data rate interface between implants and external devices. This research provides novel strategies on the design of implantable biomedical devices that addresses these limitations by presenting analysis and techniques for wireless power transfer and efficient data transfer. The first part of this research includes our proposed novel resonance-based multicoil inductive power link structure with uniform power distribution to wirelessly power up smart animal research systems and implanted medical devices with high power efficiency and free positioning capability. The proposed structure consists of a multicoil resonance inductive link, which primary resonator array is made of several identical resonators enclosed in a scalable array of overlapping square coils that are connected in parallel and arranged in power surface (2D) and power chamber (3D) configurations. The proposed chamber uses two arrays of primary resonators, facing each other, and connected in parallel to achieve uniform power distribution in 3D. Each surface includes 9 overlapped coils connected in parallel and implemented into two layers of FR4 printed circuit board. The chamber features a natural power localization mechanism, which simplifies its implementation and eases its operation by avoiding the need for active detection of the load location and power control mechanisms. A single power surface based on the proposed approach can provide a power transfer efficiency (PTE) of 69% and a power delivered to the load (PDL) of 120 mW, for a separation distance of 4 cm, whereas the complete chamber prototype provides a uniform PTE of 59% and a PDL of 100 mW in 3D, everywhere inside the chamber with a chamber size of 27×27×16 cm3. The second part of this research includes our proposed novel, fully-integrated, low-power fullduplex transceiver (FDT) to support bi-directional neural interfacing applications (stimulating and recording) with asymmetric data rates: higher rates are required for recording (uplink signals) than stimulation (downlink signals). The transmitter (TX) and receiver (RX) share a single antenna to reduce implant size. The TX uses impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) based on an edge combining approach, and the RX uses a novel 2.4-GHz on-off keying (OOK) receiver. Proper isolation (> 20 dB) between the TX and RX path is implemented 1) by shaping the transmitted pulses to fall within the unregulated UWB spectrum (3.1-7 GHz), and 2) by space-efficient filtering (avoiding a circulator or diplexer) of the downlink OOK spectrum in the RX low-noise amplifier (LNA). The UWB 3.1-7 GHz transmitter using OOK and binary phase shift keying (BPSK) modulations at only 10.8 pJ/bit. The proposed FDT provides dual band 500 Mbps TX uplink data rate and 100 Mbps RX downlink data rate. It is fully integrated on standard TSMC 0.18 nm CMOS within a total size of 0.8 mm2. The total power consumption measured 10.4 mW (5 mW for RX and 5.4 mW for TX at the rate of 500 Mbps)

High Data-Rate, Battery-Free, Active Millimeter-Wave Identification Technologies for Future Integrated Sensing, Tracking, and Communication Systems-On-Chip

RÉSUMÉ Pour de nombreuses applications allant de la sécurité, le contrôle d'accès, la surveillance et la gestion de la chaîne d'approvisionnement aux applications biomédicales et d'imagerie parmi tant d'autres, l'identification par radiofréquence (RFID) a énormément influencé notre quotidien. Jusqu'à présent, cette technologie émergente a été la plupart du temps conçue et développé dans les basses fréquences (en dessous de 3 GHz). D’une part, pour des applications où de courte distances (quelques centimètres) et à faible taux de communications de données sont suffisantes (même préférables dans certains cas), la technologie RFID à couplage inductif qui fonctionne à basse fréquences (LF) ou à haute fréquences (HF) fonctionne très bien et elle est largement utilisée dans de nombreuses applications commerciales. D'autre part, afin d’augmenter la distance de communication (quelques mètres), le débit de données de communication, et ainsi minimiser la taille du tag, la technologie RFID fonctionnant dans la bande d’ultra-haute fréquence (UHF) et aux fréquences micro-ondes (par exemple, 2.4 GHz) a récemment attiré beaucoup d'attention dans le milieu de la recherche et le développement. Cependant, dans ces bandes de fréquences, une bande passante disponible restreinte avec la taille du tag assez large (principalement dominée par la taille d'antenne et de la batterie dans le cas d'un tag actif) sont les principaux facteurs qui ont toujours limité l'évolution de la technologie RFID actuelle. En effet, propulser la technologie RFID dans la bande de fréquences à ondes millimétriques briserait les barrières actuelles de la technologie RFID. La technologie d’identification aux fréquences à ondes millimétriques (MMID) offre plus de bande passante, et permet également la miniaturisation de la taille du tag, car à ces bandes de fréquences, la longueur d’onde est de l’ordre de quelques millimètres, une taille comparable à la taille d’un circuit intégré. L'antenne peut donc être soit intégré sur la même puce (antenne sur puce) ou soit encapsulé dans le même boitier que le circuit intégré. En dotant le tag la capacité de récolter sans fil son énergie à partir d'un signal aux fréquences à ondes millimétriques provenant du lecteur, lui fournissant ainsi l'autonomie énergétique (ainsi éliminant la nécessité d'une batterie et en même temps permettant la miniaturisation du tag), il devient alors possible d'intégrer entièrement tout le tag MMID sur une seule puce y compris les antennes, ce qui aboutira à la mise au point d’une nouvelle technologie miniature (μRFID) fonctionnant à la bande de fréquences à ondes millimétriques.----------ABSTRACT For countless applications ranging from security, access control, monitoring, and supply chain management to biomedical and imaging applications among many others, radio frequency identification (RFID) technology has tremendously impacted our daily life. So far, this ever-needed and emerging technology has been mostly designed and developed at low RF frequencies (below 3-GHz). For many practical applications where short-range (few centimeters) and low data-rate communications are sufficient and in some cases even preferable, inductively coupled RFID systems that operate over either low-frequency (LF) or high-frequency (HF) bands have performed quite well and have been widely used for practical and commercial applications. On the other hand, in the quest for a longer communication range (few meters), relatively high data-rate and smaller antenna size RFID systems operating over ultra-high frequency (UHF) and microwave frequency bands (e.g., 2.4-GHz) have recently attracted much attention in the research and development community. However, over these RF bands, a restricted available bandwidth together with an undesired tag size (mainly dominated by its off-chip antenna size and battery in the case of active tag) are the main factors that have been limiting the evolution of today’s RFID technology. Indeed, propelling RFID technology into millimeter-wave frequencies opens up new applications that cannot be made possible today.Millimeter-wave identification (MMID) technology is set out to exploit significantly larger bandwidth and smaller antenna size. Over these frequency bands, an effective wavelength is in the order of a few millimeters, hence close to a typical semiconductor (CMOS) die size. The antenna, therefore, may either be integrated on the same chip (antenna-on-chip – AoC) or embedded in the related package (antenna-in-package – AiP). In addition, by equipping the tag with the capability to wirelessly harvest its energy from an incoming millimeter-wave signal, thereby providing energy autonomy without the need of a battery and at the same time allowing miniaturization, it becomes possible to integrate the entire MMID tag circuitry on a single chip. Furthermore, the timely MMID concept is fully compatible with upcoming and future applications of millimeter-wave technology in wireless communications which are being discussed and developed worldwide in research and development communities, such as the internet of things (IoT), 5G, autonomous mobility, μSmart sensors, automotive RADAR technologies, etc

The 30/20 GHz flight experiment system, phase 2. Volume 2: Experiment system description

A detailed technical description of the 30/20 GHz flight experiment system is presented. The overall communication system is described with performance analyses, communication operations, and experiment plans. Hardware descriptions of the payload are given with the tradeoff studies that led to the final design. The spacecraft bus which carries the payload is discussed and its interface with the launch vehicle system is described. Finally, the hardwares and the operations of the terrestrial segment are presented

Satellite Power Systems (SPS) concept definition study, exhibit C. Volume 2, part 1: System engineering

Volume 2, Part 1, of a seven volume report is presented. Part 1 encompasses Satellite Power Systems (SPS) systems engineering aspects and is divided into three sections. The first section presents descriptions of the various candidate concepts considered and conclusions and recommendations for a preferred concept. The second section presents a summary of results of the various trade studies and analysis conducted during the course of the study. The third section describes the Photovoltaic Satellite Based Satellite Power System (SPS) Point Design as it was defined through studies performed during the period January 1977 through March 1979

Design and Implementation of an RF front end for the NeXtRAD radar system

This dissertation presents the design of the RF front end for use on the NeXtRAD radar system. The system is intended for research purposes to investigate potential target detection benefits to be derived from a multistatic, dual-band (X- and L-band), polarimetric radar architecture, particularly within dense clutter environments such as the maritime environment. By examining the high-level system requirements and objectives, requirement specifications for the RF front end were derived and a suitable architecture, making use of commercial off-the-shelf components, proposed. This architecture was modified in order to meet cost constraints - subsequently offering reduced levels of functionality but suitable for an initial build. Using this modified RF front end architecture, design verification and system analysis was conducted, both analytically and with the aid of SystemVue, in order to predict both the front end and overall radar detection performance. Once the front end design was found to be satisfactory, it was built and tested in a laboratory environment. Test results revealed a general improvement in performance when compared with the design predictions, yielding peak transmitter power levels in excess of 61dBm at L-band, and 54dBm at X-band. Some non-conformances were also identified, but these were as a result of component problems and not system design. Since the front end could not yet be integrated into the radar, performance modelling was repeated using the final lab test results. This indicated a negligible improvement in receiver single-pulse signal-to-noise ratio, but confirmed that the system performed as predicted. Based on the lab test results, it was concluded that the 'as-built' front end design closely matched the design goals and would be suitable for eventual integration into the first revision of the NeXtRAD system. It was, however, recommended that a concerted effort be made to secure funding to implement the original front end architecture in order to achieve the full system functionality originally desired

Satellite power systems (SPS) concept definition study. Volume 2, part 1: System engineering

Top level trade studies are presented, including comparison of solid state and klystron concepts, higher concentration on the solar cells, composite and aluminum structure, and several variations to the reference concept. Detailed trade studies are presented in each of the subsystem areas (solar array, power distribution, structures, thermal control, attitude control and stationkeeping, microwave transmission, and ground receiving station). A description of the selected point design is also presented

Advances in Antennas, Design Methods and Analysis Tools for Passive UHF RFID Tags

Radio-frequency identification (RFID) makes use radio waves to track objects equipped with electronic transponders, commonly known as tags. In passive RFID systems, the tags are remotely powered and they are composed of only two components: an antenna and an application specific integrated circuit (tag IC). At ultra high frequencies (UHF) this technology enables the rapid identification of a large quantity of tags at the distanc-es of several meters, also in the absence of line-of-sight connection with the tag. While the passive UHF RFID is currently used e.g. in supply chain management and access control, in the future the passive tags capable of ultra-low-power data transmission are envisioned to provide platforms for wireless sensor nodes. The maintenance-free and fully integrated on-tag electronics holds the promise to small, cheap, and inconspicuous tags, but achieving this in practice requires completely new design methods and analysis tools for antennas. Unlike conventional antennas, tag antennas need to be directly interfaced with an active load (tag IC) and seamlessly integrated with objects of various sizes and material contents. Here, especially the materials having adverse effect on the operation of conventional antennas present a major challenge, while at the same time the fundamental limitations on the performance of small antennas need to be considered. This work addresses the above-mentioned challenges in the design of antennas for passive tags. Based on the new analysis tools and modern computational electromagnetics, a framework specifically tailored for the development of tag antennas is established. Combined with novel electronics materials and new fabrication methods this is shown to provide compelling means for tag antenna development. In particular, it is shown that tags with antennas produced using printable electronics, which has great potential to enable fabrication antennas directly on various unconventional platforms, can achieve competitive performance against the copper-based references. Furthermore, novel high-permittivity materials can be exploited to develop miniature antennas for metal mountable tags. Finally, three case studies, where antennas for tags in challenging applications are developed using the proposed design framework, are presented. The prototype tags achieve performance exceeding state of the art and exhibit excellent structural properties for the seamless integration with the considered objects

Conception et réalisation d'un nouveau transpondeur DSRC à faible consommation

To increase the efficiency and safety of the road traffic, new concepts and technologies have been developed in Europe since 1992 for RTTT applications (Road Traffic & Transport Telematics). These applications use the Dedicated Short Range Communications (DSRC) devices at 5.8 GHz (ISM band). In view of the reliability and success of this technology, the use of such equipment is thus extended to the EFC (Electronic Fee Collection) or e-toll and also in many other application areas such as fleet management, public transport and parking management. Due to the broad applications, these equipments are subject to various standards CEN/TC 278, CEN ENV (EN) 12253, ETSI, etc.... The DSRC system consists in a transceiver (reader) and transponders (tags). Industrial approaches are oriented to semi-passive transponder technology, which uses the same signal sent by the reader to retransmit, performing a frequency shift and encoding data to be transmitted. This design avoids the use of the local oscillators to generate the RF wave, as in active transponders, and save electrical energy of batteries. This allows the development of relatively low cost and small size transponders. Despite advances in integrated low-power circuits technology, this concept still requires a lithium battery to operate the transponder for a period of 4-6 years. However, with the expansion of these facilities, it appears that over the years the amount of lithium to destroy has become a crucial problem for the environment. Nowadays designing a completely autonomous DSRC transponder is not feasible, since the amount of energy required is still high (8 mA/3.6 V active mode). Nevertheless, reducing the transponder electrical power consumption, as a solution to at least double the battery life, could be a good start point to improve environment protection.In this thesis we propose a new DSRC transponder with an original statechart that considerably reduces the power consumption. After validation of the new low-power consumption mode, we studied the possibility to recharge the battery of the transponder by means of Wireless Energy Harvesting. The DSRC Toll Collection RF link budget was carried out in order to estimate the amount of energy available when a car with a transponder passes through a toll system. However, RF link budget at 5.8 GHz presents a low power density, since the car does not stay enough on the DSRC antenna's field to proceed to energy harvesting. Therefore we explored another ISM frequency, the 2.45 GHz. Thus the Wireless Energy Harvesting chapter aims to further the state of the art through the design and optimization of a novel RF harvesting board design. We demonstrated that an optimum RF-DC load is required in order to achieve high RF-DC conversion efficiency. Several rectifiers and rectennas were prototyped in order to validate the numerical studies. Finally, the results obtained in this thesis are in the forefront of the State-of-the-Art of Wireless Energy Harvesting for very low available power density.Afin d'augmenter l'efficacité et la sécurité du trafic routier, de nouveaux concepts et technologies ont été développés depuis 1992 en Europe pour les applications RTTT (Road Traffic & Transport Telematics). Ces applications utilisent les équipements DSRC qui supportent les transmissions à courte distance à 5.8GHz. Vues la fiabilité et le succès de cette technologie, l'utilisation de ces équipements est ensuite étendue aux ETC (Electronic Toll Collection) ou Télépéage et aussi dans une multitude d'autres domaines d'application comme la gestion des flottes, le transport public et la gestion des parkings. Le système DSRC se compose d'un émetteur/récepteur (lecteur) et des transpondeurs (badges). En toute logique, l'approche industrielle oriente les développements vers la technologie de transpondeur semi passif qui, pour réémettre un signal utilise le signal transmis par l'émetteur–récepteur, effectue une modulation de phase d'une sous porteuse fréquentielle encodant ainsi les données à transmettre. Cette conception évite l'utilisation des oscillateurs locaux, comme dans les transpondeurs actifs, pour générer l'onde Radio Fréquence (RF). Ceci permet de produire des transpondeurs relativement à faible coût et de petite taille. Cependant ce concept nécessite quand même une batterie au Lithium pour assurer le fonctionnement du transpondeur pour une durée de 4 à 6 ans et ce malgré les progrès des technologies de circuits intégrés à faible consommation. Au fur et à mesure de l'expansion de ces équipements, il s'avère qu'avec les années la quantité des batteries au lithium à détruire deviendrait un problème crucial pour l'environnement. Aujourd'hui, la conception d'un transpondeur DSRC complètement autonome n'est pas faisable, car la quantité d'énergie nécessaire s'avère encore élevée (mode actif 8 mA/3.6 V). Néanmoins, la réduction de la consommation électrique du transpondeur, permet au moins doubler la durée de vie de la batterie et pourrait être un bon point de départ pour améliorer la protection de l'environnement.Dans cette thèse, nous proposons un nouveau transpondeur DSRC avec un diagramme d'état original qui réduit considérablement la consommation énergétique. Après validation d'un nouvel état de fonctionnement en mode très faible consommation d'énergie, nous avons étudié la possibilité de recharger la batterie du transpondeur à travers de la récupération d'énergie sans fil. Le bilan de liaison énergétique DSRC a été réalisé afin d'estimer la quantité d'énergie disponible quand une voiture avec un transpondeur passe à sous un système de péage. Toutefois, le bilan énergétique à 5.8 GHz présente une faible densité d'énergie RF, puisque la voiture ne reste pas assez sur le lobe de l'antenne DSRC afin de procéder à la récupération d'énergie. Par conséquent, nous avons alors exploré une autre fréquence ISM, le 2.45 GHz dans laquelle la présence d'émetteurs est bien plus grande. Dans le chapitre de récupération d'énergie sans fil nous présentons la conception et l'optimisation d'un nouveau récupérateur d'énergie RF. Après avoir démontré qu'une charge RF-DC optimale est nécessaire afin d'atteindre une haute efficacité de conversion RF-DC. Plusieurs redresseurs et rectennas ont été conçus pour valider les études numériques. Parmi, les résultats présentés dans cette thèse les rendement de conversion obtenus sont à l'état de l'art de la récupération d'énergie sans fil pour une très faible densité de puissance disponible