Simultaneous Data Communication and Power Transfer Technique with Multiport Interferometric Receiver

Le problème de la communication est généralement présenté comme un problème de trans-mission d'un message généré d'un point a un autre. Certains systèmes de communication modernes sou˙rent de contraintes énergétiques sévères. Avec le développement rapide des systèmes électroniques sans fil de faible puissance, d'innombrables activités de recherche ont été menées en vue d'explorer la faisabilité d'une alimentation à distance ou sans fil de ces systèmes. Par conséquent, la transmission d'énergie sans fil (WPT) est en cours de développe-ment en tant que technique prometteuse pour alimenter des appareils électroniques à distance et pour prolonger la durée de vie des réseaux sans fil à contrainte d'énergie. Parmi les éner-gies renouvelables récoltées dans l'environnement, les signaux RF rayonnés par les émetteurs peuvent être une ressource viable pour le transfert d'énergie sans fil, tandis que les signaux RF ont été largement utilisés comme véhicule pour la transmission d'informations sans fil (WIT). Par conséquent, le transfert simultané d'informations et la plateforme de transfert de puissance sans fil (SWIPT) deviennent bénéfiques, car il réalise les deux utilisations utiles des signaux RF en même temps et il o˙re ainsi potentiellement une grande commodité aux utilisateurs mobiles. L'antenne redresseuse, qui combine des fonctionnalités du redresseur et de l'antenne, est un élément clé pour la transmission et la récolte d'énergie sans fil. L'eÿcacité de conversion du circuit de redressement détermine les performances globales de l'antenne redresseuse. Par conséquent, pour concevoir une antenne redresseuse à haute eÿcacité qui peut garantir la qualité d'un système WPT, il convient de se concentrer davantage sur l'investigation, l'analyse et le développement de redresseurs axés sur les performances en référence à une eÿcacité de conversion radio fréquence à courant continu. D'un autre côté, les circuits redresseurs peuvent simplement récupérer l'énergie et ils ne peuvent pas décoder le signal transmis pour fins de communication. Cependant, la transmission de données est une exigence essentielle des systèmes de communication sans fil. Par conséquent, si la capacité de détection et de traitement du signal peut être ajoutée à une architecture antenne redresseuse, un récepteur avec transmission de puissance sans fil et communication de données simultanées peut être réalisé. Ce mémoire vise à étudier et à démontrer un récepteur de multifonction et de multiport qui a la capacité de collecter simultanément l'énergie sans fil et les données de communication fonctionnant à la fréquence des microondes.

Abstract

The problem of communication is usually cast as one of transmitting a message generated at one point to another point. Some modern communication systems are known to suffer from severe energy constraints and power consumptions. With the rapid development of low power wireless electronic systems, countless research activities have been carried out to explore the feasibility of a remote or wireless powering of those systems. Therefore, wireless power transmission (WPT) is being developed as a promising technique, for powering electronic devices over distance and for prolonging the lifetime of energy constrained wireless networks. Among the renewable energy harvested from the environment, the RF signals radiated by transmitters can be a viable resource for wireless power transfer, while RF signals have been widely used as a vehicle for wireless information transmission (WIT). Therefore, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) platform becomes appealing since it realizes both useful utilizations of RF signals at the same time, and thus potentially offers great convenience to mobile users. The rectenna, combining the functionalities of rectifier and antenna, is a key element for wireless power transmission and harvesting. The conversion efficiency of the rectifying circuit determines the overall performance of the rectenna. Therefore, to design a high-efficiency rectenna that can guarantee the quality of a WPT system, more focus should be concentrated on the investigation, analysis and development performance-driven rectifiers with reference to high RF-to-DC conversion efficiency. On the other hand, rectenna circuits can just scavenge energy and they cannot decode the transmitted signal for communication purpose. How-ever, 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 multi-function receiver with simultaneous wireless power transmission and data communication can be realized.This dissertation aims to investigate and demonstrate a multi-function and multi-port receiver with the capability of simultaneous wireless energy harvesting and data communication operating at microwave frequency. To achieve these goals, it becomes interesting when a single receiver chain is able to convert the RF power to DC power, while at the same time converting the RF modulated signal to BaseBand (BB) signal. Therefore, the fundamental methodology to receive and convert the RF signal to BB while simultaneously harvesting power is derived and analyzed in this work.