Mécanismes physiques et fondements théoriques de la récupération d'énergie micro-ondes ambiante pour les dispositifs sans fil à faible consommation

La récupération d'énergie micro-ondes ambiantes (REMA) pour alimenter de circuits à faible consommation et faible rapport cyclique a été le sujet de plusieurs publications au cours des dernières années. L'intérêt par ce sujet a été poussé principalement par les diverses applications prévues par l'Internet des Objets, l'Immotique et les nouveaux développements des dispositifs pour les « Body Area Netwoks ». Un des besoins récurrents que l'on retrouve parmi plusieurs de ces applications est une source d'énergie intégrée, qui ne nécessiterait pas de maintenance régulière, qui serait de petite taille et d'un faible poids. Pour beaucoup d'applications à 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'énergie est nécessaire. La récupération d'énergie ambiante est ici proposée comme une source alternative de puissance pour ces circuits à faible consommation. Ce travail explore plus spécifiquement la récupération d'énergie micro-ondes ambiantes par l'utilisation centrale de circuits redresseurs à diodes. Un modèle mathématique a tout d'abord été développé pour décrire les mécanismes qui contribuent au processus de redressement d'énergie micro-ondes aux niveaux de puissance que l'on retrouve dans l'ambiant. Ce modèle est évalué en utilisant des résultats de simulation et de mesures réalisées sur trois prototypes fabriqués dans le cadre de cette maîtrise. Le modèle développé inclut les pertes dans les composants parasitiques de l'élément non linéaire utilisé pour le redressement d'énergie ainsi que les pertes d'insertion du réseau d'adaptation d'impédance. Partant de ce modèle, deux possibilités sont explorées pour améliorer l'efficacité de conversion de puissance des redresseurs micro-ondes actuels, particulièrement pour ceux fonctionnant à des niveaux de puissance trouvés dans la REMA. On considèrera dans ce travail que la plage de puissance correspondant à la REMA se situe à une valeur de crête de -30 dBm, et à des niveaux de puissance moyenne bien en dessous de ce seuil. Un circuit hybride coopératif de récupération d'énergie ambiante va ensuite être proposé. Celui-ci présente la particularité de n'être basé que sur un seul composant non linéaire pour redresser l'énergie micro-ondes et l'énergie mécanique de façon coopérative.

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.