design of a device for Energy Harvesting from vibrations-electromagnetic

L’alimentation des systèmes communicants à partir des sources d’énergies existantes dans l’environnement est une solution pertinente pour prolonger leur autonomie énergétique. Cela peut permettre de s’affranchir des sources d’énergie embarquées comme les piles et les batteries, qui présentent une durée de vie limitée, nécessite un remplacement périodique et un coût de recyclage. Parmi les sources d’énergies récupérables, les ondes électromagnétiques et les vibrations mécaniques sont considérées parmi les plus prometteuses en raison de leur disponibilité notamment dans les milieux urbains. Notre contribution porte sur l’étude et la réalisation d’un dispositif de récupération d’énergie vibratoire par transduction électrostatique. Ce type de système, basé sur une variation de capacité, nécessite une tension de pré-charge provenant d’une source auxiliaire. Afin d’éviter les matériaux piézoélectriques et les électrets caractérisés par une durée de vie limité, la phase d’initialisation a été assurée par une rectenna (Rectifying antenna).Deux rectennas ont été développées pour assurer la pré-charge du transducteur électrostatique. Une première structure bi-bande (2.45 GHz et 1.8 GHz) basée sur un anneau hybride a été proposée. Elle permet, non seulement d’augmenter la puissance RF captée, mais aussi de simplifier les problèmes d’adaptation. Une tension de 320 mV et un rendement de 40.6 % ont été mesurés, respectivement pour des densités surfaciques de puissance de 1.13 et 1.87 µW/cm2 aux fréquences 1.85 et 2.45 GHz. Une deuxième structure élévatrice de tension en topologie Cockcroft-Walton a été conçue et caractérisée expérimentalement. Une tension de 1.06 V a été mesurée pour une densité surfacique de puissance de 1.55 µW/cm².Un dispositif de récupération d’énergie mixte électromagnétique vibratoire complet a été par la suite étudié, conçu et caractérisé expérimentalement. Le transducteur électrostatique a été couplé à un circuit de conditionnement de Bennet pré-chargé par la rectenna. Une tension de 23 V a été obtenue à la sortie du système pour une tension de pré-charge de 0.5 V (1.55 µW/cm²) et à partir d’une vibration mécanique de fréquence 25 Hz et une accélération 1.5g.Une modélisation du transducteur électrostatique adaptée à différentes structures a été proposée. En se basant sur les équivalences mécaniques électriques, un modèle électrique équivalent est déduit en utilisant le logiciel LTspice de façon à étudier le comportement du système et prévoir la tension et la puissance récupérée.Mots clés : récupération d’énergie, rectenna, antenne microruban, circuit de conversion RF-DC, transducteur électrostatique, circuit de conditionnement de Bennet, modélisationEnergy harvesting is an attractive solution to power supply low-power electronics and wireless communication devices avoiding the use of power sources like batteries which have a limited life, requires periodic replacements and have a cost of recycling. Among the available ambient energy sources, electromagnetic waves and mechanical vibrations are the most suitable because of their availability particularly in the urban areas. Our contribution focuses on the study and implementation of a vibrational energy harvesting device using the electrostatic transduction. This system, based on a capacitance modulation, requires a voltage pre-charge given by an auxiliary source. To avoid electret or piezoelectric materials characterized by a limited lifetime, the initialization step was provided by a rectenna (Rectifying antenna).A new structure of dual-band rectenna (2.45 GHz and 1.8 GHz) based on a hybrid ring has been proposed. It allows to increase the received RF power but also to simplify the matching circuit. It experimentally achieves 320 mV voltage and 40 % efficiency when the power densities are 1.13 and 1.87 mW/cm2 at 1.85 and 2.45 GHz, respectively. A Cockcroft-Walton voltage multiplier rectenna was also designed and experimentally characterized. A voltage of 1.06 V was measured at a power density of 1.55 mW/cm².A macro-scale electrostatic vibration harvester (e-VEH), wirelessly pre-charged with a 2.45 GHz Cockcroft-Walton rectenna, was studied, designed and experimentally characterized. The e-VEH uses the Bennet doubler as conditioning circuit. A voltage of 23 V across the transducer terminal has been measured when the vibration harvester is excited at 25 Hz and 1,5g of external acceleration. An energy of 275 µJ and a maximum power of 0.4 µW are available across the load. ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬A lumped element model of the electrostatic transducer has been proposed. Based on mechanical/electrical equivalent equations, an equivalent electrical circuit is derived using the LTspice simulator to study the behavior of the system and provide the voltage and the power converted.Keywords: Energy harvesting, rectenna, microstrip antenna, RF-to-dc converter, electrostatic transduction, Bennet’s doubler, modélizatio

Conception d'un dispositif de récupération d'énergie mixte vibratoire-électromagnétique pour l'alimentation des dispositifs à faible consommation

Energy harvesting is an attractive solution to power supply low-power electronics and wireless communication devices avoiding the use of power sources like batteries which have a limited life, requires periodic replacements and have a cost of recycling. Among the available ambient energy sources, electromagnetic waves and mechanical vibrations are the most suitable because of their availability particularly in the urban areas. Our contribution focuses on the study and implementation of a vibrational energy harvesting device using the electrostatic transduction. This system, based on a capacitance modulation, requires a voltage pre-charge given by an auxiliary source. To avoid electret or piezoelectric materials characterized by a limited lifetime, the initialization step was provided by a rectenna (Rectifying antenna).A new structure of dual-band rectenna (2.45 GHz and 1.8 GHz) based on a hybrid ring has been proposed. It allows to increase the received RF power but also to simplify the matching circuit. It experimentally achieves 320 mV voltage and 40 % efficiency when the power densities are 1.13 and 1.87 mW/cm2 at 1.85 and 2.45 GHz, respectively. A Cockcroft-Walton voltage multiplier rectenna was also designed and experimentally characterized. A voltage of 1.06 V was measured at a power density of 1.55 mW/cm².A macro-scale electrostatic vibration harvester (e-VEH), wirelessly pre-charged with a 2.45 GHz Cockcroft-Walton rectenna, was studied, designed and experimentally characterized. The e-VEH uses the Bennet doubler as conditioning circuit. A voltage of 23 V across the transducer terminal has been measured when the vibration harvester is excited at 25 Hz and 1,5g of external acceleration. An energy of 275 µJ and a maximum power of 0.4 µW are available across the load. ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬A lumped element model of the electrostatic transducer has been proposed. Based on mechanical/electrical equivalent equations, an equivalent electrical circuit is derived using the LTspice simulator to study the behavior of the system and provide the voltage and the power converted.Keywords: Energy harvesting, rectenna, microstrip antenna, RF-to-dc converter, electrostatic transduction, Bennet’s doubler, modélizationL’alimentation des systèmes communicants à partir des sources d’énergies existantes dans l’environnement est une solution pertinente pour prolonger leur autonomie énergétique. Cela peut permettre de s’affranchir des sources d’énergie embarquées comme les piles et les batteries, qui présentent une durée de vie limitée, nécessite un remplacement périodique et un coût de recyclage. Parmi les sources d’énergies récupérables, les ondes électromagnétiques et les vibrations mécaniques sont considérées parmi les plus prometteuses en raison de leur disponibilité notamment dans les milieux urbains. Notre contribution porte sur l’étude et la réalisation d’un dispositif de récupération d’énergie vibratoire par transduction électrostatique. Ce type de système, basé sur une variation de capacité, nécessite une tension de pré-charge provenant d’une source auxiliaire. Afin d’éviter les matériaux piézoélectriques et les électrets caractérisés par une durée de vie limité, la phase d’initialisation a été assurée par une rectenna (Rectifying antenna).Deux rectennas ont été développées pour assurer la pré-charge du transducteur électrostatique. Une première structure bi-bande (2.45 GHz et 1.8 GHz) basée sur un anneau hybride a été proposée. Elle permet, non seulement d’augmenter la puissance RF captée, mais aussi de simplifier les problèmes d’adaptation. Une tension de 320 mV et un rendement de 40.6 % ont été mesurés, respectivement pour des densités surfaciques de puissance de 1.13 et 1.87 µW/cm2 aux fréquences 1.85 et 2.45 GHz. Une deuxième structure élévatrice de tension en topologie Cockcroft-Walton a été conçue et caractérisée expérimentalement. Une tension de 1.06 V a été mesurée pour une densité surfacique de puissance de 1.55 µW/cm².Un dispositif de récupération d’énergie mixte électromagnétique vibratoire complet a été par la suite étudié, conçu et caractérisé expérimentalement. Le transducteur électrostatique a été couplé à un circuit de conditionnement de Bennet pré-chargé par la rectenna. Une tension de 23 V a été obtenue à la sortie du système pour une tension de pré-charge de 0.5 V (1.55 µW/cm²) et à partir d’une vibration mécanique de fréquence 25 Hz et une accélération 1.5g.Une modélisation du transducteur électrostatique adaptée à différentes structures a été proposée. En se basant sur les équivalences mécaniques électriques, un modèle électrique équivalent est déduit en utilisant le logiciel LTspice de façon à étudier le comportement du système et prévoir la tension et la puissance récupérée.Mots clés : récupération d’énergie, rectenna, antenne microruban, circuit de conversion RF-DC, transducteur électrostatique, circuit de conditionnement de Bennet, modélisatio

A High-Performance Circularly-Polarized Rectenna for WirelessEnergy Harvesting at 1.85 and 2.45 GHz Frequency Band

International audienceThis paper deals with the design and experiments of a dual-band circularly polarized rectenna at 1.85 and 2.45 GHz. It uses a single antenna and a single RF-to-dc rectifier. The circuit contains a dual-band circularly polarized antenna and a dual-band RF-to-dc rectifier based on a miniaturized 180 • hybrid ring junction. The ring junction is used to independently match the sub-rectifiers at each frequency. The proposed rectenna was experimented with single-tone and multi-tone incident waves. It achieves more than 300 mV and 40% efficiency, across a 4-kΩ resistive load, at very low power density of 1.13 µW/cm 2 at 1.85 GHz and 1.87 µW/cm 2 at 2.45 GHz. It also achieves more than 150 mV under the same load condition and in the critical case when receiving only one of the two frequency bands. It is dedicated to harvest RF energy in the GSM 1800 and the 2.45-GHz ISM bands, regardless the polarization angle of the incident waves

Énergie et radiosciences Rectenna multi-étages Cockcroft-Walton : Application à la récupération d'énergie vibratoire par transduction électrostatique

International audienceLes progrès que connaît l’électronique faible consommation ces dernières années favorise l’émergence d’objets communicants sans fil dans de nombreux domaines : industriel, biomédical, domotique ... Leur alimentation en énergie est considérée comme le dernier obstacle avant d’atteindre la mobilité totale. Une grande partie de ces capteurs sont alimentés par pile ou par batterie. Cela pose parfois d’importantes contraintes particulièrement dans le cas de capteurs enfouis ou opérant dans des environnements dangereux et difficiles d’accès. Leur alimentation par récupération de sources d’énergie primaires disponibles dans l’environnement proche du capteur semble de plus en plus pertinente. Parmi les différentes sources primaires qu'il est possible d'exploiter, l’énergie électromagnétique revêt un intérêt tout particulier de par sa disponibilité. En effet, des émetteurs radio pour la téléphonie mobile, la télévision numérique ... fleurissent un peu partout dans le paysage urbain. Ce papier traite de la conception, la fabrication et la mesure d’une rectenna [1-2] multi-étages à 2.4 GHz. Le circuit deconversion RF-DC s’inspire d’une structure multi-étages de type Cockcroft-Walton [3]. Le circuit servira à pré-charger un dispositif de récupération d’énergie vibratoire par transduction électrostatique afin de lui assurer le démarrage. Un prototype de rectenna composé d'une antenne patch et d'un circuit de conversion à six étages identique en cascade a été proposé et validé expérimentalement. L’application à la pré-charge et au démarrage du dispositif de récupération d’énergie vibratoire par variation de capacité a aussi été démontrée expérimentalement à partir d’une densité de puissance d’environ 0.5 μW/cm²

Electrostatic Vibration Energy Harvester Pre-charged Wirelessly at 2.45 GHz

International audienceThis paper reports the design, fabrication and experiments of an electrostatic vibration harvester (e-VEH), pre-charged wirelessly for the first time by using an electromagnetic waves harvester at 2.4 GHz. The rectenna uses the Cockcroft-Walton voltage doubler rectifier. It is designed and optimized to operate at low power densities and provides high voltage levels: 0.5 V at 0.5 µW/cm² and 0.8 V at 1 µW/cm². The e-VEH uses the Bennet doubler as conditioning circuit. Experiments show 23 V voltage across the transducer terminal when the harvester is excited at 25 Hz by 1.5 g of external acceleration. An accumulated energy of 275 µJ and a maximum power of 0.4 µW are available for the load

Dispositif de récupération d'énergie vibratoire par transduction électrostatique, pré-chargé par une rectenna Cockcroft–Walton à 2,4 GHz

International audienceIn this paper, we propose the design, fabrication and experiments of a macro-scale electrostatic vibration energy harvester (e-VEH), pre-charged wirelessly for the first time with a 2.4-GHz Cockcroft–Walton rectenna. The rectenna is designed and optimized to operate at low power densities and provide high voltage levels: 0.5 V at 0.76 μW/cm 2 and 1 V at 1.53 μW/cm 2. The e-VEH uses a Bennet doubler as a conditioning circuit. Experiments show a 23-V voltage across the transducer terminal, when the harvester is excited at 25 Hz by 1.5 g of external acceleration. An accumulated energy of 275 μJ and a maximum available power of 0.4 μW are achieved.Cet article propose la conception, la réalisation et les mesures d'un transducteur électrostatique, à base d'une capacité macroscopique, pré-chargé par une rectenna de type Cockcroft–Walton à 2,4 GHz. La rectenna est conçue et optimisée pour fonctionner à des niveaux de puissance faibles et fournir des tensions élevées : 0,5 V à 0,76 μW/cm2 et 1 V à 1,53 μW/cm2. Le transducteur électrostatique utilise le circuit de conditionnement de Bennet. Les mesures du système complet montrent des tensions supérieures à 23 V aux bornes du transducteur, lorsqu'il est excité à 25 Hz et avec une accélération externe de View the MathML source1,5g. Une énergie cumulée de 275 μJ et une puissance disponible de 0,4 μW ont pu être obtenues

Rectenna à faible niveau de puissance pour la récupération et la conversion d'énergie électromagnétique à 1.8 et 2.45 GHz

National audienc

Rectenna à faible niveau de puissance pour la récupération et la conversion d'énergie électromagnétique à 1.8 et 2.45 GHz

National audienc