Towards Battery-Free Internet of Things (IoT) Sensors: Far-Field Wireless Power Transfer and Harmonic Backscattering

Notre vie tend à être plus agréable, plus facile et plus efficace grâce à l'évolution rapide de la technologie de l'Internet des objets (IoT). La clef de voute de cette technologie repose essentiellement sur la quantité de capteurs IoT interconnectés, que l'on est en mesure de déployer dans notre environnement. Malheureusement, l'électronique conventionnelle fonctionnant sur piles ou relié au réseau électrique ne peut pas constituer une solution durable en raison des aspects de coût, de faisabilité et d'impact environnemental. Pendant ce temps, le changement climatique dû à la consommation excessive de combustibles fossiles continue de s'aggraver. Il devient donc urgent de trouver une solution pour l'alimentation électrique des capteurs IoT géographiquement répartis à grande échelle, afin de simultanément soutenir la mise en oeuvre de nombreux capteurs IoT tout en limitant leur poids environnemental. L'énergie radiofréquence (RF) ambiante, qui sert de support à l'information sans fil, est non seulement capitale pour notre société, mais aussi omniprésente dans les zones urbaines et suburbaines. Elle permet de réaliser des communications et des détections sans fil. Cependant, l'énergie RF ambiante est majoritairement « gaspillée » car seule une toute petite partie de la puissance transmise est effectivement reçu ou « consommée » par le destinataire. C'est pourquoi le recyclage de l'énergie RF ambiante est une solution prometteuse pour alimenter les capteurs IoT. Pour certains capteurs IoT consommant une puissance plus élevée, l'apport d'énergie sans fil pourra similairement se faire par des centrales électriques spécialisées, suivant le même schéma d'alimentation sans fil. Pour utiliser et récupérer cette énergie RF, cette thèse présente deux techniques principales : la récupération/réception de puissance sans fil en champ lointain (wireless power transfer: WPT) et la rétrodiffusion d'harmoniques. Le chapitre 2 aborde les différents mécanismes de conversion de fréquence entre le WPT en champ lointain et la rétrodiffusion d'harmoniques. La récupération de WPT en champ lointain consiste à convertir l'énergie RF en puissance continue. En revanche, la rétrodiffusion d'harmoniques a pour but de convertir l'énergie RF dans une autre fréquence, dans la plupart des cas, la composante harmonique de rang 2. A titre d'étape préliminaire de recherche et d'étude de faisabilité, une cartographie de la densité de l'énergie RF ambiante dans les zones centrales de l'île de Montréal est résumée au chapitre 3. Contrairement aux mesures traditionnelles précédentes effectuées à des endroits fixes, cette mesure dynamique a été réalisée le long des rues, des routes, des avenues et des autoroutes pour couvrir une large zone.

Abstract

Our life is becoming more convenient, efficient, and intelligent with the aid of fast-evolving Internet of Things (IoT) technology. One essential foundation of IoT technology is the development of numerous interrelated IoT sensors that are distributed extensively in our environment. However, conventional batteries/cords-based powering solutions are certainly not an acceptable long-term solution, considering the incurred cost, feasibility, most of all, environmental impact. Meanwhile, climate change due to excessive consumption of fossil fuels is worsening day by day. Therefore, a transformative powering solution for such large-scale and geographically scattered IoT sensors is of extreme importance in support of such extensive IoT sensors implementation while simultaneously mitigating its environmental burden. Serving as a critical information carrier, ambient radiofrequency (RF) energy is pervasive in urban and suburban areas to realize wireless communication and sensing. However, part of ambient RF energy is dissipated due to path loss if not fully consumed by end-users. Hence, recycling the wasted ambient RF energy to power IoT sensors is a promising solution. The concept of harnessing wireless energy for powering IoT sensors requiring a higher power supply is also feasible through the dedicated wireless power delivery from specialized power stations, which can be an effective supplement. To realize the RF power scavenging, this thesis research introduces two mainstream techniques: far-field wireless power transfer (WPT) and harmonic backscattering. Chapter 2 discusses the different frequency conversion mechanisms applied for far-field or ambient WPT harvesting and harmonic backscattering. Far-field WPT harvesting converts RF energy into dc power (zeroth harmonic). In contrast, harmonic backscattering upconverts RF energy into its harmonics, in most cases, the second harmonic component. As a preliminary research step and a feasibility study, a survey of ambient RF energy density in the core areas on Montreal Island is summarized in Chapter 3. Different from the previously published traditional measurements at fixed locations, this dynamic measurement is carried out along streets, roads, avenues, and highways to cover a large area. Also, a stationary measurement in Downtown Montreal is to reveal whether human activities are able to bring visible change to ambient RF energy levels. This work demonstrates how much ambient RF energy is available in free space and acts as a significant reference for researchers and engineers designing ambient RF energy harvesting circuits/systems for practical applications.