Parallel computing for the finite element method

A finite element method is presented to compute time harmonic microwave fields in three dimensional configurations. Nodal-based finite elements have been coupled with an absorbing boundary condition to solve open boundary problems. This paper describes how the modeling of large devices has been made possible using parallel computation, New algorithms are then proposed to implement this formulation on a cluster of workstations (10 DEC ALPHA 300X) and on a CRAY C98. Analysis of the computation efficiency is performed using simple problems. The electromagnetic scattering of a plane wave by a perfect electric conducting airplane is finally given as example

Post processing for the vector finite element method: from edge to nodal values

9 pages, preprintPurpose - Propose post processing methods for the edge finite element (FE) method on a tetrahedral mesh. They make it possible to deduce vector values on the vertices from scalar values defined on the edges of the tetrahedra. Design/methodology/approach - The new proposed techniques are based on a least squares formulation leading to a sparse matrix system to be solved. They are compared in terms of accuracy and CPU time on a FEs formulation for open boundary - frequency domain problems. Findings - A significant improvement of vector values accuracy on the vertices of the tetrahedra is obtained compared to a classical approach with a very small additional computation time. Originality/value - This work presents techniques: to obtain the values at the initial nodes of the mesh and not inside the tetrahedra; and to take into account the discontinuity to the interface between two media of different electromagnetic properties

Post processing for the vector finite element method: accurate computing of dual field

4 pagesAn accurate method to compute dual field in high frequency time harmonic problem is presented. From a primal field obtained by a vector finite element discretization, the dual field is obtained without numerical derivation by using a least square argument. The accuracy of the method is compared with the natural method using shape function derivatives

Black box EMC modeling of a three phase inverter

International audienceThis paper presents an Electromagnetic Interferences (EMI) modeling of a DC-AC power converter, based on a black box representation: the converter is represented by an association of sources and impedances that reflect its external EMI behavior. This modeling approach presented in this paper requires a very short computation time, which allows an optimized design of an EMC filter or an interaction study between several converters connected on the same electrical network. This EMC model depending on a given operation point of the converter, the second part of this paper is dedicated to the study of the load influence on this behavioral model

Optimisation Globale d'une Cellule de Commutation SiC : Dimensionnement CEM et Thermique

National audienceDans le domaine de l'aéronautique, la masse des équipements est un critère de sélection très important. Il est donc devenu essentiel de pouvoir modéliser ces dispositifs à des fins d'optimisation. Cet article présente une méthode de pré-dimensionnement par optimisation d'un hacheur série sur un modèle multi-physiques analytique. Le compromis pertes/CEM est alors étudié

Contribution à la modélisation prédictive CEM d'une chaine d'entrainement

Pas de résuméNo abstractLYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Efficient design of rectifying antennas for low power detection

ISSN : 0149-645X E-ISBN : 978-1-61284-756-6 Print ISBN: 978-1-61284-754-2 INSPEC Accession Number: 12240657International audienceThis article is dedicated to the design of rectifying antenna for wireless energy transfer at 2.45 GHz and low input power (−10 dBm). Specific design guidelines must be respected to optimize the structure. Different rectifying circuits have been studied and their performances have been evaluated. The effects of the antenna impedance have been investigated to improve the performances. Two test-circuits have been manufactured and measured to validate the interest of a global design approach

Optimisation de la récupération d'énergie dans les applications de rectenna

Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la microélectronique et notamment vis-à-vis de l augmentation exponentielle de la densité d intégration des composants et des systèmes a participé activement à l apparition et au développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et polyvalents. La R&D dans les technologies de stockage d énergie n a pas suivi cette tendance d évolution très rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions futures des systèmes portables. La transmission d énergie sans fils sur des distances considérables (plusieurs dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour pallier aux problèmes d autonomie dans le cas des systèmes sans fils communicants. De plus, du fait de l omniprésence des ondes électromagnétiques dans notre environnement avec des niveaux plus ou moins importants, la récupération et l exploitation de cette énergie libre est également possible. La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse axés sur l étude et l optimisation de la rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire. Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la majorité des micro-sources d énergie et à cause de son impédance interne, les performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le développement d un système d interfaçage de la rectenna est nécessaire afin de pallier ces manquements inhérents du convertisseur RF/DC. Ce genre de système d interfaçage est généralement absent dans la littérature à cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif. Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance d entrée et celles de la charge de sortie. Le circuit d interfaçage permet également de fournir à la charge des niveaux de tension utilisables. Le système réalisé est basé tout d abord sur l utilisation d un convertisseur DC/DC résonant pouvant fonctionner d une manière complètement autonome à partir de niveaux très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de garantir l autonomie du système en éliminant la nécessité d une source d énergie auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera utilisé que durant la phase de démarrage. L efficacité du système en termes de rendement énergétique et d adaptation d impédance est garantie grâce à l utilisation d un convertisseur Flyback fonctionnant dans son régime de conduction discontinu. Ainsi, une adaptation d impédance très efficace est réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera durant le régime permanent. Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques W respectivement. Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de l état de l art. Enfin, en fonction de l application désirée, plusieurs synoptiques d association des deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge de sortie.Latest advancements in microelectronic technologies and especially with the exponential increase of components and devices integration density have yield novel high technology and polyvalent portable systems. Such polyvalent communication devices need more and more available energy. Nonetheless, research in energy storage technology did not evolve with a similar speed. This constitutes a substantial handicap for the future evolution of portable devices. Wireless energy transfer through large distances such as tens of meters using microwaves is a very promising solution in order to deal with the autonomy problem in portable devices. In addition, since electromagnetic waves are ubiquitous in our environment, harvesting and using this free and available energy is also possible. Rectenna (Rectifying Antenna) is the device that allows to collect and to convert an electromagnetic wave into DC power. Several thesis research projects focusing on studying and optimizing the rectenna was carried-out into the Ampere laboratory. It has been shown that for a low level of the electromagnetic field the voltage provided by the rectenna is ultra-low and thus impractical. Further, as it is the case for the majority of energy harvesting micro-sources, the performances of the rectenna depend highly with the loading conditions. So, the development of an interfacing circuit for the rectenna is a necessary task in order to relieve the RF/DC converter inherent flaws. As it is pointed out into the literature, such power management circuit is in most cases absent due to the ultra-low power levels. In most cases, the rectenna is used as it; which reduces strongly the applications area. Within this research project, an ultra-low power and fully-autonomous power management system dedicated to rectennas was developed and optimized. It allows to guarantee highest performances of the rectenna whatever are the fluctuation of the input power level and the output load conditions. In addition, this power management system allows to provide a conventional voltage level to the load. The first part of the developed system is composed by a resonant DC/DC converter which plays the role of start-up circuit. In this case, no external energy source is required even with low voltage and ultra-low power source conditions. Because of its general poor energetic performances, this resonant converter will be used only during the start-up phase. The second part of the developed system is composed by a Flyback converter operating in its discontinuous conduction mode. Using this mode, the converter realizes static and very effective impedance matching with the rectenna in order to extract the maximum available power whatever are the input and the output conditions. Furthermore, thanks to the optimization procedure, the converter shows excellent efficiency performances even for W power levels based on a discrete demonstrator. Finally, the converter provides conventional voltage levels allowing to power standard electronics. Experimental tests based on discrete prototypes for the both converters show distinguish results for the start-up voltage, the impedance matching effectiveness and the efficiency as regard to the state of the art. 6LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Modélisation CEM de type boîte noire d'un onduleur triphasé

International audienceCet article présente une modélisation électromagnétique de type « boîte noire » d’un convertisseur de puissance DC-AC. Cet onduleur est représenté par une association de sources de perturbations électromagnétiques et d’impédances, permettant de reproduire ses caractéristiques d’émissions conduites. L’approche de modélisation présentée dans cet article requière un temps de calcul très court, ce qui permet une conception rapide et optimisée d’un filtre CEM, et une étude d’interaction entre plusieurs convertisseurs connectés sur le même réseau électrique. Ce modèle dépendant d’un point de fonctionnement donné du convertisseur, la deuxième partie de cet article est consacrée à l’étude de l’influence du changement de charge sur ce modèle comportemental

Transmission d'énergie sans fil (Application au réveil à distance de récepteurs en veille zéro consommation)

Les dispositifs électroniques modernes comportent souvent une ou plusieurs phases de veille, dans lesquelles elles attendent un ordre de réveil de la part d un actionneur distant (une télécommande). Ces types de dispositifs ont tendance à être de plus en plus présents dans les habitations et dans les bâtiments tertiaires, en particulier dans le domaine de la domotique. Les phases de veille sont caractérisées par des niveaux de consommations très inférieures aux consommations en mode actif des dispositifs, mais les durées de veille sont généralement grandes devant les périodes actives. Ce fait, combiné à la multiplication des dispositifs, mène à des consommations annuelles qui peuvent dépasser 10 % de la facture d électricité des ménages. Cette étude propose une nouvelle approche de réveil des dispositifs en veille. Au lieu d avoir une écoute permanente en réception et d envoyer une trame d informations de réveil, le récepteur est complètement endormi et est réveillé à travers une impulsion d énergie transmis par d ondes électromagnétiques. Une fois que l étage d interprétation des données est alimenté, un envoi d informations est effectué pour valider l ordre de réveil. En vue des portées attendues pour le système et des contraintes normatives liées aux expositions des personnes aux champs électromagnétiques, une faible quantité d énergie est disponible en réception pour le réveil du dispositif. Plusieurs topologies de circuits de rectification RF-DC (rectenna) en technologies microstrip sont étudiées à travers des simulations circuit et électromagnétiques. La topologie choisie a été optimisée pour fournir un bon niveau de tension DC pour des faibles niveaux de puissance RF incidente. Une adaptation entre le convertisseur et l antenne de réception différente de 50 W a été utilisée. Tous ces résultats ont été validés expérimentalement. Au niveau du circuit de réception des données, plusieurs scénarios de fonctionnement ont été comparés. L étage de démodulation utilise la rectenna comme détecteur à diodes, pour réduire au maximum la consommation et la complexité de mise en œuvre. Le système global a été testé et des gains substantiels sont constatés sur le bilan de consommation annuelle de plusieurs types des dispositifs, comparé à un fonctionnement classique. En parallèle, une architecture de récepteur d énergie électromagnétique reconfigurable est proposée. Il offre l avantage de pouvoir exploiter une large gamme de puissance incidente, ce qui n est pas le cas des structures de rectennas classiques. Des rectennas en technologies discrètes et intégrées sont utilisées, connectées à une antenne commune à travers un switch d antenne intégrée. Le système proposé est adaptatif et les résultats des tests montrent des améliorations notables de la quantité d énergie collectée par rapport à des rectennas individuelles. Enfin, le phénomène de l inversion de la tension dans une association déséquilibrée de rectennas est mis en évidence et des solutions sont proposées.Modern electronic devices often include one or more phases of stand-by, where they waiting for a wakeup order from a distant actuator (remote control). These devices tend to be increasingly present in homes and in commercial buildings, especially in the field of building automation systems. Stand-by periods are characterized by consumption levels well below those in active mode, but stand-by periods are generally large compared to active periods. This fact, combined with the proliferation of devices, leads to annual consumption which may exceed 10% of the annual household electricity bill. This study proposes a new approach to waking up of stand-by devices. Instead of continuous monitoring of the arrival of the wake-up signal, the receiver is completely asleep and woke up through a pulse of energy transmitted via electromagnetic waves. Once the data receiver module is activated, information is sent to validate the wake-up order. In view of the expected ranges for the system and normative constraints related to exposures to electromagnetic fields, only a small amount of energy is available at receiver level for performing the wake-up. Several RF-DC rectification circuit (rectenna) topologies in microstrip technology are studied through circuit and electromagnetic simulation. The chosen topology has been optimized to provide a good level of DC voltage at low levels of incident RF power. A matching impedance other than 50 W between the converter and the receiving antenna was used. All these results have been validated experimentally. For the data receiver circuit, several operating scenarios were compared. The demodulation stage uses the rectenna as a diode detector to minimize consumption and complexity of implementation. The overall system has been tested and substantial gains are obtained for several types of devices, in terms of annual consumption, compared to classical stand-by devices. At the same time, a reconfigurable electromagnetic energy receiver architecture is proposed. It offers the advantage of exploiting a wide range of incident power, which is not the case of conventional rectenna structures. Rectennas fabricated in discrete and integrated technology are used, connected to a common antenna through an integrated antenna switch. The proposed system is self-adaptive and the test results show significant improvements in the amount of energy collected compared to individual rectennas. Finally, the phenomenon of voltage reversal in unbalanced rectenna associations is highlighted and possible solutions are proposed.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF