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.