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

Multifunction Transceiver Architecture and Technology for Future Wireless Systems

RÉSUMÉ Depuis la toute première transmission sans fil, les ondes radiofréquences ont été progressivement mises en valeur et exploitées dans un nombre de plus en plus important d'applications. Parmi toutes ces applications, la détection et la télécommunication sont sans doute les plus indispensables de nos jours. Il existe un grand nombre d’utilisations des radiofréquences, incluant les transports intelligents pour lesquels les véhicules doivent être équipés à la fois de radars et de dispositifs de communication afin d’être capables de détecter l'environnement ainsi que de réaliser la communication avec d'autres unités embarquées. La technologie émergente 5G est un autre exemple pour lequel plusieurs capteurs et radios devraient être capables de coopérer de manière autonome ou semi-autonome. Les principes de fonctionnement des systèmes radars et radio sont toutefois différents. Ces différences fondamentales peuvent entraîner l'utilisation de différentes architectures de traitement du signal et d'émetteur-récepteur, ce qui peut poser des problèmes pour l'intégration de toutes les fonctions requises au sein d'une seule et même plate-forme. En dehors de cela, certaines applications requièrent plusieurs fonctions simultanément dans un même dispositif. Par exemple, les systèmes de détection d'angle d'arrivée 2D nécessitent d'estimer l'angle d'arrivée (AOA) du faisceau entrant dans les plans horizontal et vertical simultanément. La communication radio multi-bandes et multi-modes est un autre exemple pour lequel un système radio doit être capable de communiquer dans plusieurs bandes de fréquences et dans plusieurs modes, par exemple, un duplexage en fonction de la fréquence ou du temps. À première vue, on peut penser que l'assemblage de plusieurs dispositifs distincts n'est pas la meilleure solution en ce qui concerne le coût, la simplicité et la fonctionnalité. Par conséquent, une direction de recherche consiste à proposer une architecture d'émetteur-récepteur unifiée et compacte plutôt qu’une plate-forme assemblant de multiples dispositifs distincts. C’est cette problématique qui est spécifiquement abordée dans ce travail. Selon les fonctions à intégrer dans un seul et unique système multifonctionnel, la solution peut traiter plusieurs aspects simultanément. Par exemple, toute solution réalisant l'intégration de fonctions liées au radar et à la radio devrait traiter deux aspects principaux, à savoir : la forme d'onde opérationnelle et l'architecture frontale RF.----------ABSTRACT Since the very early wireless transmission of radiofrequency signals, it has been gradually flourished and exploited in a wider and wider range of applications. Among all those applications of radio technology, sensing and communicating are undoubtedly the most indispensable ones. There are a large number of practical scenarios such as intelligent transportations in which vehicles must be equipped with both radar and communication devices to be capable of both sensing the environment and communication with other onboard units. The emerging 5G technology can be another important example in which multiple sensors and radios should be capable of cooperating with each other in an autonomous or semi-autonomous manner. The operation principles of these radar and radio devices are different. Such fundamental differences can result in using different operational signal, distinct signal processing, and transceiver architectures in these systems that can raise challenges for integration of all required functions within a single platform. Other than that, there exist some applications where several functions of a single device (i.e. sensor or radio) are required to be executed simultaneously. For example, 2D angle-of-arrival detection systems require estimating the angle of arrival (AOA) of the incoming beam in both horizontal and vertical planes at the same time. Multiband and multimode radio communication is another example of this kind where a radio system is desired to be capable of communication within several frequency bands and in several modes, e.g., time or frequency division duplexing. At a first glance, one can feel that the mechanical assembling of several distinct devices is not the best solution regarding the cost, simplicity and functionality or operability. Hence, the research attempt in developing a rather unified and compact transceiver architecture as opposed to a classical platform with assembled multiple individual devices comes out of horizon, which is addressed specifically in this work. Depending on the wireless functions that are to be integrated within a single multifunction system, the solution should address multiple aspects simultaneously. For instance, any solution for integrating radar and radio related functions should be able to deal with two principal aspects, namely operational waveform and RF front-end architecture. However, in some other above- mentioned examples such as 2D DOA detection system, identical operational waveform may be used and the main challenge of functional integration would pertain to a unification of multiple mono-functional transceivers

1-D broadside-radiating leaky-wave antenna based on a numerically synthesized impedance surface

A newly-developed deterministic numerical technique for the automated design of metasurface antennas is applied here for the first time to the design of a 1-D printed Leaky-Wave Antenna (LWA) for broadside radiation. The surface impedance synthesis process does not require any a priori knowledge on the impedance pattern, and starts from a mask constraint on the desired far-field and practical bounds on the unit cell impedance values. The designed reactance surface for broadside radiation exhibits a non conventional patterning; this highlights the merit of using an automated design process for a design well known to be challenging for analytical methods. The antenna is physically implemented with an array of metal strips with varying gap widths and simulation results show very good agreement with the predicted performance

Beam scanning by liquid-crystal biasing in a modified SIW structure

A fixed-frequency beam-scanning 1D antenna based on Liquid Crystals (LCs) is designed for application in 2D scanning with lateral alignment. The 2D array environment imposes full decoupling of adjacent 1D antennas, which often conflicts with the LC requirement of DC biasing: the proposed design accommodates both. The LC medium is placed inside a Substrate Integrated Waveguide (SIW) modified to work as a Groove Gap Waveguide, with radiating slots etched on the upper broad wall, that radiates as a Leaky-Wave Antenna (LWA). This allows effective application of the DC bias voltage needed for tuning the LCs. At the same time, the RF field remains laterally confined, enabling the possibility to lay several antennas in parallel and achieve 2D beam scanning. The design is validated by simulation employing the actual properties of a commercial LC medium