Simultaneous Wireless Power Transmission and Data Communication

Le développement rapide des systèmes électroniques sans fil de faible consommation de puissance a conduit à d'innombrables activités de recherche dans le cadre de la faisabilité d'une alimentation à distance ou sans fil de ces systèmes. Par conséquent, la transmission d'énergie sans fil (WPT), qui est développé comme une technique prometteuse pour alimenter les appareils électroniques à longue distance et permettre la conception et le développement de systèmes auto-alimentés, est devenue un centre d'intérêt depuis de nombreuses années. Les antennes de redressement connues sous le nom de rectennas, sont les éléments les plus importants de transmission à longue portée d'énergie sans fil. L'efficacité de rectennas dépend essentiellement de leurs antennes et les circuits redresseurs associés. Par conséquent, pour concevoir une antenne redresseuse à haut rendement qui garantit la qualité d'un système WPT, plus d'attention devrait être concentré sur l'étude, l'analyse et le développement des antennes à gain élevé et redresseurs à haute efficacité de conversion RF-DC. Dans la littérature, différentes configurations de circuit antenne redresseuse, opérant principalement à basse fréquence tels que 2,45 GHz et 5,8 GHz, ont été largement étudiés. Cependant, il existe quelques études rapportées à la fréquence à ondes millimétriques, bien que les avantages de plus petite taille et l'efficacité du système global plus élevée pour la transmission à longue distance peuvent être obtenus à la fréquence à ondes millimétriques. D'autre part, les circuits rectennas peuvent tout simplement récupérer l'énergie, mais ils ne peuvent pas décoder le signal transmis à des fins de communication. Cependant, la transmission de données est une condition essentielle dans les systèmes de communication sans fil. Par conséquent, si la capacité de détection et de traitement du signal peut être ajoutée à une architecture de rectenna, alors, un récepteur de communication sans fil transmettant simultanément de l'énergie et de données peut être réalisé. La réalisation d'un tel système peut être considérée comme une approche prometteuse pour la prochaine génération de systèmes de communication auto-alimentés. Cette thèse de doctorat vise à examiner et à démontrer un système de transmission d'énergie sans fil et également un récepteur avec la capacité de récupérer l'énergie et de données de communication simultanément fonctionnant aux fréquences à ondes millimétriques. Pour atteindre ces objectifs, différentes structures de circuit redresseurs sont étudiés, conçus et mesurés expérimentalement.

Abstract

The rapid development of low power wireless electronic systems has led to countless research activities in connection with the feasibility of a remote or wireless powering of those systems. Therefore, wireless power transmission (WPT) has become a focal point of interest since many years, which is being developed as a promising technique, for powering electronic devices over distance and for enabling the design and development of self-powered systems. The rectifying antennas known as rectennas are the most important elements in long-range wireless power transmission. The efficiency of rectennas mainly depends on their antennas and the related rectifier circuits. Therefore, to design a high-efficiency rectenna that guarantees the quality of a WPT system, more focus should be concentrated on the investigation, analysis and development of high-gain antennas and performance-driven rectifiers with reference to high RF-to-DC conversion efficiency. In the literature, different configurations of rectenna circuit, mainly operating at low frequency such as 2.45 GHz and 5.8 GHz, have been widely investigated. However, there are just a few reported studies at millimeter-wave frequency although the advantages of more compact size and higher overall system efficiency for long distance transmission can be obtained at millimeter-wave frequency. On the other hand, rectenna circuits can just scavenge energy and they cannot decode the transmitted signal for communication purpose. However, the data transmission is an essential requirement of wireless communication systems. Therefore, if the ability of signal detection and processing can be added to a rectenna architecture then a receiver with simultaneous wireless power transmission and data communication can be realized. The realization of such a system can be considered as a promising approach for the next generation of self-powered communication systems. This PhD dissertation aims to investigate and demonstrate a system of wireless power transmission and also a receiver with the capability of simultaneous wireless energy harvesting and data communication operating at up-microwave and millimeter-wave frequency.