High-Efficiency SWIPT Base Station Transmitter Techniques for IoT Applications

RÉSUMÉ Au cours des prochaines décennies, l'Internet des objets (IdO), associé aux algorithmes d'intelligence artificielle (IA), devrait contribuer à l'automatisation et à la gestion de bon nombre de nos activités quotidiennes, de la fabrication et du transport de masse à la surveillance de la santé individuelle et la gestion du ménage. Cependant, pour être abordables, écologiques et saufs, ces systèmes IdO omniprésents exigent des noeuds IdO sans batterie capables de fournir et de traiter des données complexes. Dans le parcours de développement technologique des réseaux IdO sans batterie alimentés sans fil (SBSF), les architectures de transmission simultanée d'informations et d'énergie sans fil (TSIESF) se distinguent comme la solution la plus prometteuse pour répondre à ces exigences. Selon le niveau de connectivité du réseau IdO SBSF, les régions de champ proche et lointain du champ électromagnétique (EM) peuvent être utilisées. En règle générale, les solutions de champ proche non-radiatives basées sur l'induction magnétique sont préférées pour les applications IdO à courte portée ayant un taux d'absorption spécifique et des limites de sécurité serrées, tandis que les solutions radiatives de champ lointain sont préférées pour les applications IoT à longue portée mobile e à une couverture étendue. Considérant que l'émetteur de la station de base (ESB) a un impact considérable sur l'efficacité et le coût de bout en bout des systèmes TSIESF, l'objectif général de cette recherche est d'étudier et de développer des théories et des techniques visant des architectures d’ESB TSIESF d’haute efficacité et à faible coût dans le contexte d'applications basées sur l'IoT à bande étroite et à faible puissance dans les gammes de radiofréquences (RF) et de micro-ondes (bande inférieure à 6 GHz). Pour atteindre cet objectif, cette thèse de doctorat est divisée en deux parties en fonction du type de technologie (non radiative ou radiative) utilisée. Pour le cas non-radiatif, cette thèse de doctorat démontre et valide expérimentalement pour la première fois la faisabilité d'une métasurface non-linéaire stable basée sur le résonateur de Duffing capable de créer un effet de focalisation sur une bande passante beaucoup plus large que les topologies linéaires similaires. Pour le cas radiatif, elle démontre et valide expérimentalement la faisabilité d'une antenne active intégrée de classe E multifonctionnelle qui pourrait être utilisée pour le frontal d’un ESB TSIESF hautement intégré mais simple.

Abstract

ABSTRACT In the next decades, the Internet of Things (IoT), in conjunction with artificial intelligence (AI) algorithms, is expected to assist the automation and management of many of our daily life activities, from mass manufacturing and transportation to individual health-monitoring and household management. However, to be affordable, green and safe, such ubiquitous and pervasive IoT systems demand battery-free IoT nodes capable of delivering and processing complex data. In the roadmap of development for the battery-free wirelessly powered (BFPW) IoT networks, simultaneous wireless information and power transmission (SWIPT) architectures stand out as the most promising solution to fulfill these requirements. Depending on the level of connectivity of the BFPW IoT network, both the near- and far-field regions of the electromagnetic (EM) field can be employed. Typically, non-radiative near-field solutions based on magnetic induction are preferred for short-range IoT applications having tight specific absorption rate and security limits, while radiative far-field solutions are preferred for long-range IoT applications suitable for wide-area coverage and mobility. Considering that the base station transmitter (BSTX) has a considerable impact on the end-to-end efficiency and cost of SWIPT systems, the general objective of this thesis research is to investigate and develop theories and techniques aiming at low-cost, high-efficiency SWIPT BSTX architectures in the context of narrowband and low-power IoT-based applications in the radiofrequency (RF) and microwave ranges (sub-6GHz band). To achieve this goal, this Ph.D. thesis is divided into two parts based on the type of technology (non-radiative or radiative) being used. For the non-radiative case, this Ph.D. thesis demonstrates and experimentally validates for the first time the feasibility of a stable nonlinear metasurface based on the Duffing resonator capable of creating a focalization effect over a much wider bandwidth than similar linear topologies. For the radiative one, it demonstrates and experimentally validates the feasibility of a multifunctioning class-E seamlessly integrated active antenna that could be used for highly-integrated but simple SWIPT BSTX front end.