Soutenance mémoire
Durant les dernières décennies, la transmission et la conversion de puissance solaire-microonde de l’espace vers la terre (SPT ) et plus généralement la transmission de puissance micro-onde sans fil (WPT ) sont devenues de nouvelles technologies alternatives pour résoudre les problèmes mondiaux de l’énergie avec notamment l’épuisement des sources d’énergies fossiles. L’idée consistait à utiliser un faisceau micro-onde pour transmettre l’énergie solaire récupérée et convertie vers la terre. Les puissances mises en jeu étaient ici importantes. Aujourd’hui, avec l’avènement des dispositifs sans fils, une des préoccupations majeures consiste à améliorer l’autonomie énergétique des dispositifs communicants (capteurs, réseaux de capteurs…). On souhaite en effet s’affranchir de l’utilisation des batteries ou piles, coûteuses dans les opérations de recharge, de remplacement et lors du recyclage. Ces dispositifs sont certes beaucoup moins gourmands en énergie mais avec des problématiques similaires à ceux évoqués plus haut. En effet, l’une des principales exigences d’un système de transmission de puissance est le rendement de conversion entre la source (mécanique, électromagnétique, solaire, vibratoire,…) et la puissance convertie continue qui alimentera le dispositif.
Modélisation globale et optimisation des circuits micro-ondes actifs non linéaires par la méthode itérative
La simulation des circuits micro-ondes devient, de plus en plus, une étape clé de leur conception. En effet, le coût élevé des technologies et le temps mis œuvre pour la réalisation d’une fonction de l’électronique analogique (oscillation, mélange, déphasage, commutation, amplification, balayage de fréquence, …) rendent impossible l’approche classique qui consiste à tester plusieurs maquettes d’essai pour y apporter les améliorations nécessaires. Le concepteur doit disposer d’un outil de simulation pour prévoir les performances d’un composant ou d’un circuit fonctionnant sous différentes conditions.
Depuis plusieurs années, les chercheurs se sont penchés sur l’élaboration des logiciels de CAO permettant la simulation de différents circuits actifs opérant dans le domaine des micro-ondes. L’élaboration d’un logiciel performant répondant aux besoins des concepteurs passe forcément par :
– Le développement des modèles permettant de simuler les caractéristiques du circuit dans différents modes de fonctionnement;
– L’élaboration des techniques d’extraction des paramètres de ces modèles;
– La maîtrise des méthodes de calcul permettant de résoudre les équations décrivant le comportement du système étudié.
Plusieurs méthodes numériques ont été développées pour modéliser et étudier des circuits micro-ondes en technologie micro-ruban à savoir les méthodes intégrales et différentielles. Face à la complexité de ces circuits, ces méthodes ont été réajustées pour la mise en œuvre d’une approche itérative en ondes transverses. De nombreuses études ont été menées avec cette approche pour étudier des circuits planaires simples ou multicouches de forme arbitraires et comportant des éléments passifs et des circuits planaires intégrant des éléments actifs (diode, transistor).
C’est dans ce contexte et dans le but de répondre aux nouveaux besoins de la modélisation des circuits planaires intégrant des éléments actifs que se situe notre travail de recherche. Notre approche portera ainsi sur la modélisation globale d’une rectenna qui contient un élément non linéaire (diode Schottky). Nous introduisons une nouvelle mise en équation de la méthode itérative pour étudier des circuits micro-ondes actifs.
La méthode itérative notée « WCIP » (Wave Concept Iterative Process) est une méthode intégrale basée sur le concept d’onde, pour la résolution des problèmes de diffraction électromagnétique et l’analyse des circuits planaires. Elle fait appel à la transformée de Fourier Rapide en Mode (FMT) (Annexe B). Cette méthode repose sur la manipulation des ondes incidentes et réfléchies au lieu du champ électromagnétique [1], [2], [3], [4], [5]. Ainsi, la méthode définit deux opérateurs, un dans le domaine spatial et l’autre dans le domaine spectral. Elle est différente des autres méthodes intégrales (Méthodes des moments, Méthode de Galerkin,…), différentielles (F.D.T.D) [6-7], et à élément finis, et ne fait usage ni du produit scalaire, ni d’inversion matricielle. Appliquée en espace guidé, elle permet de définir l’impédance vue par la source d’un guide d’onde rectangulaire comportant des discontinuités métalliques.
Principe de fonctionnement de l’antenne à double polarisation circulaire alimentée par couplage par fente
L’application visée par cette antenne est la réception des fréquences radio dans la bande ISM centrée à 2.45GHz. Pour ce type d’application, nous avons opté pour les antennes à technologie planaire (antennes patchs) car leurs procédés de fabrication sont bien connus et, en plus, ils sont de faible coût (réalisation par photolithographie ou par micro gravure). Un encombrement réduit et un faible poids sont les deux autres avantages de cette technologie. D’autre part, nous avons préféré utiliser une antenne patch alimentée par couplage électromagnétique car ce type d’alimentation offre des bandes passantes plus importantes comparées à une alimentation à contact direct sur un des bords de l’antenne via une ligne imprimé et de plus, il y a une isolation du circuit de conversion.
Dans une optique de miniaturisation des circuits rectennas et d’amélioration de leur rendement, le filtre d’entrée HF peut être directement intégré dans l’antenne de réception en utilisant des antennes à rejection d’harmoniques [1], [2], [3], [4]. Cela permet de diminuer les dimensions du circuit ainsi que les pertes.
L’antenne qui sera présentée dans ce chapitre conserve l’utilisation de 3 niveaux de métallisation. Elle utilisera par ailleurs le couplage électromagnétique qui existe entre la ligne d’alimentation et l’élément rayonnant pour générer la polarisation circulaire à travers une fente en croix dans le plan de masse sans toutefois perturber la forme de l’élément rayonnant. Nous utiliserons un patch parfaitement carré car il est capable de générer des polarisations rectilignes suivant n’importe quelle direction en fonction du point d’excitation. Ce patch carré sans perturbation géométrique permettra également de conserver la symétrie du diagramme de rayonnement.
Enfin, nous nous intéresserons au fonctionnement de l’antenne et présenterons ensuite les résultats de mesures obtenus, et nous terminerons ce chapitre par l’étude de quelques structures d’antennes à couplage électromagnétique notamment une antenne couplée par proximité utilisant les structures DGS (Defect Ground Structure) pour la rejection d’harmoniques [5].
L’antenne patch micro-ruban
Comme nous l’avons déjà précisé, l’antenne patch micro-ruban se compose d’un patch constitué d’une couche métallique très mince (généralement en cuivre) d’une fraction de longueur d’onde, placée au-dessous d’un plan de masse séparé par un substrat diélectrique. Les antennes patchs micro-rubans présentent de nombreux avantages, elles sont légères et peuvent, en plus, être conçues pour fonctionner sur une large gamme de fréquences (1− 40 GHz). Elles peuvent également être combinées pour former des réseaux linéaires ou planaires pouvant ainsi générer des polarisations linéaire, double et circulaire. Ces antennes sont peu coûteuses, elles sont fabriquées par de simples gravures, ce qui les rend très utiles en tant qu’antennes actives intégrées offrant ainsi l’opportunité de fabriquer des antennes micro-rubans émetteur et récepteur compactes selon différentes formes et configurations. Cependant, seules des antennes micro-rubans de forme carrée seront considérées dans notre travail.
Techniques d’excitation d’une antenne micro-ruban
L’adaptation d’impédance est une opération très importante dans l’alimentation d’une antenne quelque soit la technique utilisée, car c’est elle qui garantit que la plupart de la puissance est transférée de l’alimentation vers l’élément rayonnant, c’est-à-dire le patch. En plus de l’adaptation d’impédance, il y a les rayonnements parasites et les pertes par ondes de surface qui sont causés par des discontinuités comme les raccords de coudes d’adaptation et des transformateurs d’impédance.
Excitation par couplage par fente
Dans cette technique, la ligne d’alimentation est séparée du patch par un plan de masse commun. L’élément rayonnant est gravé sur le substrat supérieur de l’antenne tandis que la ligne d’alimentation est gravée sur le substrat inférieur. L’énergie est couplée de manière électromagnétique à travers une ouverture (fente) dans le plan de masse. L’épaisseur et les constantes diélectriques de ces deux substrats peuvent ainsi être choisies de façon indépendante pour optimiser les fonctions distinctes de rayonnent et de circuit. La fente de couplage rectangulaire est la plus utilisée pour ce genre de structures. Cette fente est généralement centrée par rapport au patch où le champ magnétique est maximum. Pour un maximum de couplage, il a été suggéré qu’une fente rectangulaire rayonnante, parallèle aux deux bords, soit utilisée [7], [8]. Deux mécanismes de couplage très semblables sont créés, l’un entre la ligne d’alimentation et la fente et l’autre entre la fente et l’élément rayonnant.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
I.1 INTRODUCTION
I.2 LA TRANSMISSION D’ENERGIE SANS FIL PAR MICRO-ONDE
I.2.1 Historique
I.2.2 Principe de la transmission d’énergie sans fil
I.2.3 Structure de base d’une rectenna
I.3 CIRCUIT DE CONVERSION
I.3.1 Diode Schottky
I.3.2 Topologie série
I.3.3 Topologie parallèle
I.3.4 Topologie doubleur de tension
I.3.5 Topologie en pont de diodes modifié
I.4 LES ANTENNES IMPRIMEES
I.4.1 Structure micro-ruban
I.4.2 Les antennes patchs
I.4.3 Techniques d’excitation d’une antenne patch micro-ruban
I.4.3.1 Introduction
I.4.3.2 Alimentation par ligne micro-ruban
I.4.3.3 Alimentation par sonde coaxiale
I.4.3.4 Alimentation par couplage par fente
I.4.3.5 Alimentation par couplage par proximité
I.5 QUELQUES TRAVAUX SUR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DES RECTENNAS UTILISANT DES ANTENNES PATCHS
I.5.1 Rectenna avec antenne microstrip à rejection d’harmoniques
I.5.2 Rectenna à double fréquence à polarisation circulaire
I.5.3 Rectenna à double diode
I.6 PROBLEMATIQUE
I.7 CONCLUSION
I.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE II : MODELISATION GLOBALE ET OPTIMISATION DES CIRCUITS MICRO-ONDES ACTIFS NON LINEAIRES PAR LA METHODE ITERATIVE : APPLICATION AUX RECTENNAS
II.1 INTRODUCTION
II.2 DEVELOPPEMENT DE LA METHODE
II.2.1 Formulation des conditions aux limites
II.2.2 Le concept d’onde
II.2.3 Opérateur de réflexion dans le domaine spectral
II.2.4 Opérateur de diffraction dans le domaine spatial
II.2.4.1 Domaine métallique
II.2.4.2 Domaine diélectrique
II.2.4.3 Domaine de la source
a − Cas où la source d’excitation est bilatérale
b − Cas où la source d’excitation est unilatérale
c − Cas de la région d’une impédance de surface
II.2.5 Le processus itératif
II.3 APPLICATION : ETUDE D’UNE LIGNE MICRO-RUBAN
II.4 CIRCUITS CONTENANT DES ELEMENTS LOCALISES
II.5 ANALYSE D’UNE RECTENNA AVEC LA METHODE ITERATIVE
II.6 CONCLUSION
II.7 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE III : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE ANTENNE A DOUBLE POLARISATION CIRCULAIRE ALIMENTEE PAR COUPLAGE PAR FENTE
III.1 INTRODUCTION
III.2 L’ANTENNE PATCH MICRO-RUBAN
III.3 TECHNIQUES D’EXCITATION D’UNE ANTENNE MICRO-RUBAN
III.3.1 Introduction
III.3.2 Excitation par couplage par fente
III.4 POLARISATION D’UNE ANTENNE
III.5 ETUDE DE LA STRUCTURE DE L’ANTENNE COUPLEE PAR FENTE COMPLETE
III.5.1 Introduction
III.5.2 Etude de l’antenne à double polarisation circulaire couplée par fente en croix
III.6 ETUDE PARAMETRIQUE DE L’ANTENNE
III.6.1 Introduction
III.6.2 Influence de A sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.3 Influence de Ls sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.4 Influence de Ws sur le fonctionnement de l’antenne
III.6.5 Influence du gap d’air sur le fonctionnement de l’antenne
III.7 CARACTERISTIQUES DE L’ANTENNE ETUDIEE
III.7.1 Coefficients de réflexion et d’isolation
III.7.2 Etude des caractéristiques de rayonnement dans le plan azimutal
III.7.3 Etude des courants de surface
III.7.4 Caractéristiques de polarisation circulaire
III.8 OPTIMISATION ET VALIDATION DE L’ANTENNE PAR LA MESURE
III.8.1 Mesure des paramètres Sij
III.8.2 Mesure des caractéristiques de rayonnement
III.9 ANTENNE A COUPLAGE PAR PROXIMITE A REJECTION D’HARMONIQUES
III.9.1 Introduction
III.9.2 Antenne alimentée par proximité
III.9.3 Etude de la structure DGS sur une ligne micro-ruban
III.9.4 Antenne alimentée par proximité avec DGS
III.9.5 Réalisation et mesure de l’antenne
III.10 CONCLUSION
III.11 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE VI : ETUDE ET CONCEPTION D’UNE RECTENNA A DOUBLE POLARISATION CIRCULAIRE A 2.45 GHZ
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME DE CONVERSION RF-DC
IV.3.1 Conception du redresseur
IV.2.1.1 Choix du substrat
IV.2.1.2 Choix de la diode
IV.2.1.3 Choix de la topologie
IV.2.2 Simulation du circuit de redressement sous ADS
IV.2.2.1 Redresseur série
IV.2.2.2 Etude de l’adaptation du redresseur série
IV.2.2.3 Influence de la charge RL sur le rendement
IV.2.2.4 Influence de la capacité C sur le rendement
IV.2.2.5 Influence de la longueur de la ligne entre diode et capacité
IV.2.2.6 Influence de la résistance série Rs de la diode sur le rendement
IV.2.2.7 Influence de la capacité de jonction Cj0 sur le rendement
IV.2.2.8 Influence de la puissance RF sur le rendement
IV.2.3 Réalisation du redresseur
IV.3 RESULTATS DE MESURE DE LA RECTENNA
IV.4 CONCLUSION
IV.5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE
