Mecanismes physiques et fondements theoriques de la recuperation d'energie micro-ondes ambiante pour les dispositifs sans fil a faible consommation

RESUME La recuperation d’energie micro-ondes ambiantes (REMA) pour alimenter de circuits a faible consommation et faible rapport cyclique a ete le sujet de plusieurs publications au cours des dernieres annees. L’interet par ce sujet a ete pousse principalement par les diverses applications prevues par l’Internet des Objets, l’Immotique et les nouveaux developpements des dispositifs pour les « Body Area Netwoks ». Un des besoins recurrents que l’on retrouve parmi plusieurs de ces applications est une source d’energie integree, qui ne necessiterait pas de maintenance reguliere, qui serait de petite taille et d’un faible poids. Pour beaucoup d’applications a venir, les piles sont trop encombrantes et demandent un plan de maintenance pour les recharger ou les remplacer, ce qui n’est pas possible. Dans ce contexte, un autre type de source d’energie est necessaire. La recuperation d’energie ambiante est ici proposee comme une source alternative de puissance pour ces circuits a faible consommation. Ce travail explore plus specifiquement la recuperation d’energie micro-ondes ambiantes par l’utilisation centrale de circuits redresseurs a diodes. Un modele mathematique a tout d’abord ete developpe pour decrire les mecanismes qui contribuent au processus de redressement d’energie micro-ondes aux niveaux de puissance que l’on retrouve dans l’ambiant. Ce modele est evalue en utilisant des resultats de simulation et de mesures realisees sur trois prototypes fabriques dans le cadre de cette maitrise. Le modele developpe inclut les pertes dans les composants parasitiques de l’element non lineaire utilise pour le redressement d’energie ainsi que les pertes d’insertion du reseau d’adaptation d’impedance. Partant de ce modele, deux possibilites sont explorees pour ameliorer l’efficacite de conversion de puissance des redresseurs micro-ondes actuels, particulierement pour ceux fonctionnant a des niveaux de puissance trouves dans la REMA. On considerera dans ce travail que la plage de puissance correspondant a la REMA se situe a une valeur de crete de -30 dBm, et a des niveaux de puissance moyenne bien en dessous de ce seuil. Un circuit hybride cooperatif de recuperation d’energie ambiante va ensuite etre propose. Celui-ci presente la particularite de n’etre base que sur un seul composant non lineaire pour redresser l’energie micro-ondes et l’energie mecanique de facon cooperative. ---------- ABSTRACT Powering low consumption and low duty cycle devices and circuits using Ambient Microwave Energy Harvesting (AMEH) has been the subject of several investigations in recent years. The interest for this research topic has been promoted mainly by various and new applications driven mainly by the Internet of things, Building Automation and new developments in devices for the Body Area Netwoks. A common characteristic among several of these applications is the need for a wireless source which does not require regular maintenance, and has a small size and low weight. Batteries are often too cumbersome and require a maintenance plan to recharge or replace them, which is not always possible. A new source of energy is thus necessary. Ambient energy harvesting is proposed as an alternative source of power to these low power consumption devices and circuits. This M.A.Sc. work is developed to explore the microwave ambient energy harvesting using diode rectifier circuits. A mathematical model is first developed to explain the mechanisms that contribute to the process of recovery of microwave energy in the range of power found in the ambient microwave energy harvesting applications. An evaluation of this model is made using simulation results and then measurements results from three prototypes developed under this M.A.Sc. program. The results show an excellent agreement between the three methods. The developed model includes losses in the parasitic components of the non-linear element used for the rectification of energy as well as the impedance matching network insertion losses. Based on this model, two possible ways of improving the efficiency of ambient microwave power rectifiers at the power levels found in the AMEH are explored. In this work, it is considered that the AMEH takes place within the range of powers with a peak value of -30 dBm, however at average power levels well below this threshold. First, a cooperative hybrid circuit of ambient energy harvesting is presented where collected microwave and mechanical energies are converted in a cooperative manner through a single non-linear component. Theory, simulations and measurements show that the total power recovered by the proposed scheme can provide up to twice the efficiency of a circuit combining the output of two independent harvesters.