Tri-band CMOS Circuit Dedicated for Ambient RF Energy Harvesting

L'utilisation de systèmes sans fil connait une croissance rapide dans divers domaines tels que les réseaux de téléphonie cellulaire, Wi-Fi, Wi-Max, la radiodiffusion et les communications par satellite. Cette croissance mènera à une quantité considérable d'énergie électromagnétique générée dans l'air ambiant, mais toujours en dessous des limites de sécurité internationales. Ainsi, la recherche au niveau des systèmes de récupération d'énergie RF pour alimenter des appareils électroniques miniaturisés à faible consommation de puissance devient attrayante et prometteuse. Le bloc principal dans un système de récupération d'énergie RF est le redresseur qui détermine l'efficacité et la sensibilité de l'ensemble du système. Étant donné que la puissance RF ambiante est très faible, la quantité d'énergie captée par l'antenne l'est également. En outre, il y a des pertes au niveau du réseau d'adaptation d'impédance qui réduisent encore plus la puissance transmise au bloc redresseur. Par conséquent, la puissance disponible est trop faible pour faire fonctionner des redresseurs classiques. Dans ce mémoire, nous proposons trois redresseurs à trois-étages et à grilles totalement croisées-couplées en utilisant des transistors à faible tension de seuil afin d'opérer à de faibles puissances d'entrée. Les trois redresseurs ont été conçus et intégrés au sein d'une même puce fabriquée en utilisant une technologie CMOS 130nm d'IBM. Ils ont été optimisés à des fréquences de 880MHz, 1960MHz et 2.45GHz respectivement. Les résultats expérimentaux démontrent qu'ils atteignent une efficacité de conversion de puissance maximale de 62%, 62% et 56.2% respectivement. Les mesures montrent également une grande amélioration de l'efficacité à de faibles niveaux de puissance d'entrée. Afin de récupérer l'énergie ambiante de trois principales sources RF au Canada – GSM-850, GSM-1900 et Wi-Fi, un système de redresseur utilisé pour la combinaison de la puissance de ces trois canaux est simulé et analysé. Le système utilise une topologie consistant simplement à connecter les sorties des redresseurs ensemble pour charger le condensateur de charge. En dépit de la grande amélioration de l'efficacité et de la sensibilité dans la plage de 0-5μW, une baisse d'efficacité indésirable se produit aux puissances plus élevées. Ainsi, un nouveau bloc de gestion de l'alimentation est proposé. De plus, une antenne tri-bande est conçue et simulée pour diminuer le volume de l'ensemble du système de récupération d'énergie RF. En particulier, les pertes par réflexion obtenues sont de -25.43dB, -13.92dB et -12.73dB aux fréquences citées plus haut respectivement.