Design of rectennas for electromagnetic energy harvesting in order to supply autonomous wireless sensors

L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka.The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands

Conception et réalisation de rectennas utilisées pour la récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fils

The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka

Compact Flat Dipole Rectenna for IoT Applications

International audienceA new compact topology of rectenna, which combines a miniaturized wideband printed antenna and a rectifier integrated on the radiating surface, is reported in this paper. The rectenna is designed for ISM 900 MHz band and applied to wireless power transmission and energy harvesting to supply Ultra-Wideband tags for 3D indoor localization. The rectenna allows activating a DC-DC boost converter that supplies power to the tags. It exhibits a minimum conversion efficiency of 25% for very low microwave power densities (> 0.18 µW/cm 2) on the non-optimal loading impedance (of about 10 kΩ) of a commercial DC-to-DC boost converter and power management unit. The harvested DC voltage obtained from this novel rectenna exceeds 330 mV for microwave power density of 0.22 µW/cm 2. This measured DC voltage is in the range of the cold turn-on/start-up voltage of nowadays commercial off-the-shelf DC-to-DC boost converters and power management units. The proposed rectenna is also very compact, as its surface (11 × 6 cm 2) is of 0.05λ 2 at the operating frequency (860 MHz)

Compact Rectennas for Ultra-Low-Power Wireless Transmission Applications

International audienceThis paper addresses the design and characterization of compact rectennas for wireless power transmission application in the industrial, scientific, and medical 868-MHz/915-MHz band. These rectennas are designed for supplying power to a dc-to-dc boost converter. The proposed low-profile rectenna exhibits a good tradeoff between compactness (0.06λ² at 900 MHz) and RF-to-dc conversion efficiency, which is higher than 25% for RF power densities of at least 0.25 μW/cm² and 37% for 2.1 μW/cm². It is shown that this rectenna can activate the standard Bq25504 dc-to-dc boost converter for an RF power density higher than 0.6 μW/cm². Moreover, through using a storage capacitor of 220 μF, a light emitting diode (LED) can be turned on for a duration of 60 ms with power consumption of 9.45 mW and a dc voltage of 3 V. The LED allows emulating the dc consumption of the QN908x ultra-lower-power Bluetooth 5 module which operates in the transmission mode with -4 dBm of output power

900 MHz Miniaturized Rectenna

International audienceThis paper addresses the design and the characterization of a new topology of compact rectenna used for electromagnetic energy harvesting of low incident electromagnetic power densities. The rectenna uses a broadband miniaturized flat dipole antenna with a single diode rectifier. The experimental results demonstrate that the efficiency of the proposed compact rectenna is up to 38% at 900MHz for electromagnetic power density of 0.26µW/cm²

Compact Planar Integrated Rectenna for Batteryless IoT Applications

International audienceThis paper addresses a new topology of compact rectennas in which the rectifier is integrated directly on the radiating surface. The rectenna is designed for wireless power transmission or microwave energy harvesting application in ISM 900 MHz band and exhibits a very good measured conversion efficiency (>25%) on a non-optimal load (10kΩ) for very low microwave power densities (>0.18 µW/cm 2). The measured DC voltage (>330 mV for microwave power density of at least 0.22 µW/cm 2) obtained from this planar rectenna is in the range of the cold turn-on/start-up voltage of modern commercial off-the-shelf DC-to-DC boost converters and power management units. The proposed rectenna is also very compact: its physical surface (10.5 x 6 cm 2) is only 5% of the square wavelength at the operating frequency (860 MHz). Keywords-wireless power transmission, microwave energy harvesting, rectenna, internet of things. I. INTRODUCTION The rise of the Internet of Things (IoT) applications faces to a new challenge: how to power efficiently an enormous number of wireless sensors, intelligent tags, and devices? Nowadays, the use of a battery is almost a standard but, the topic of the self-powered/batteryless devices excites from longtime the scientific community and becomes recently an industrial reality for emerging innovative start-up and companies [1][2]. One solution to implement self-powered and/or batteryless devices is to use a wireless power transmission approach: an intentionally microwave transmitter (energy shower) will energize at distance a rectenna module (rectifier + antenna). The energy shower should operate in the ISM bands and is then subject to regulations. ISM 868/915 MHz band provides a good trade-off in terms of free-space losses (fixing the maximum operating range of such a system) and wavelength (fixing the size of receiving antenna of the rectenna module). Many rectenna designs operating in the ISM 868/915 MHz band were proposed in the past with a focus mainly on the measured intrinsic performances (e.g., efficiency, harvested DC power, etc.) [3]-[5]. From an industrial point of view, a successful rectenna design for IoT applications should be compact, low-profile and low-cost. The size of the rectenna module is determined mainly by the receiving antenna. Electronic devices should be also integrated with the antenna, e.g., the rectifier including its matching circuit, the Power Management Unit (PMU), the energ

Compact Flat Dipole Rectenna for Energy Harvesting or Wireless Power Transmission Applications

International audienceThis paper addresses the design and the characterization of a compact (2.3 cm x 3.4 cm) flat dipole antenna surrounded by a rectangular ring. Due to its wide frequency bandwidth, this antenna covers the UMTS, LTE 4G, WiFi and WiMAX (IEEE 802.16e) bands and can be advantageously used for RF Energy Harvesting or Wireless Power Transmission applications. A compact rectenna using the proposed antenna was manufactured and characterized. It allows reaching a RF-DC conversion efficiency of 38.6% for an E-field of 7V/m with a 1.5 kΩ load

Compact C-band Rectenna for Satellite Applications

International audienceThis paper addresses the design and the characterization of a compact C-band rectenna for satellite applications. The proposed flat dipole rectenna achieves an efficiency of 58.2% at 3.25 GHz when illuminated with an electromagnetic power density of only 33.9 µW/cm 2. The proposed rectenna is also compact ; its size is 1334 mm 2 that is only 16% of the square wavelength at 3.25 GHz. Index Terms-RF and microwave energy harvesting, recten-na, wireless power transmissio

Rectenna à 2.45 GHz utilisant une antenne à dipôle arrondi

National audienceCet article présente la conception et les résultats obtenus pour une rectenna fonctionnant dans les bandes UMTS et ISM. Cette rectenna, développée pour des applications 'Internet des Objets', est composée d'une antenne à dipôle arrondi et d'un redresseur haute efficacité. Les résultats expérimentaux montrent de très bonnes performances pour cette rectenna. Le redresseur peut délivrer 490µW sur une charge de 1.5KΩ pour une puissance RF en entrée du redresseur de 0 dBm

Autonomous RFID Sensor Node Using a Single ISM Band for Both Wireless Power Transfer and Data Communication

International audienceThis paper addresses the implementation of autonomous radiofrequency identification sensor nodes based on wireless power transfer. For size reduction, a switching method is proposed in order to use the same frequency band for both supplying power to the nodes and wirelessly transmitting the nodes' data. A rectenna harvests the electromagnetic energy delivered by the dedicated radiofrequency source for charging a few-mF supercapacitor. For supercapacitors of 7 mF, it is shown that the proposed autonomous sensor nodes were able to wirelessly communicate with the reader at 868 MHz for 10 min without interruption for a tag-to-reader separation distance of 1 meter. This result was obtained from effective radiated powers of 2 W during the supercapacitor charging and of 100 mW during the wireless data communication