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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL MÉCANISMES PHYSIQUES ET FONDEMENTS THÉORIQUES DE LA RÉCU

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL MÉCANISMES PHYSIQUES ET FONDEMENTS THÉORIQUES DE LA RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE MICRO-ONDES AMBIANTE POUR LES DISPOSITIFS SANS FIL À FAIBLE CONSOMMATION CARLOS HENRIQUE PETZL LORENZ DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE ÉLECTRIQUE) DÉCEMBRE 2015 © Carlos Henrique Petzl Lorenz, 2015. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé : MÉCANISMES PHYSIQUES ET FONDEMENTS THÉORIQUES DE LA RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE MICRO-ONDES AMBIANTE POUR LES DISPOSITIFS SANS FIL À FAIBLE CONSOMMATION présenté par : PETZL LORENZ Carlos Henrique en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès Sciences Appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. LAURIN Jean-Jacques, Ph. D., président M. WU Ke, Ph. D., membre et directeur de recherche M. CONSTANTIN Nicolas, Ph. D., membre iii DÉDICACE À mon épouse Antonia Yume Eiri Trebien Lorenz, qui m’a appuyé inconditionnellement pendant la maîtrise, à mes parents Curt et Cristina Lorenz, qui m’ont enseigné l’importance de persévérer et de me dévouer au travail, mais aussi de garder du temps pour la famille et les amis, à Simon Hemour pour m’avoir guidé pendant ce travail de recherche et pour toujours avoir été présent pour discuter de nouvelles idées. iv REMERCIEMENTS Je tiens à remercier en premier lieu à Dieu pour toutes ses bénédictions qu’il m’a offertes. Je tiens aussi à exprimer mes remerciements sincères à mon directeur de recherche, professeur Ke Wu, par son soutien et ses conseils donnés au cours de mes travaux de recherches; aussi comme par son soutien lors de mes moments de doute. Un gros merci à Simon Hemour, qui était toujours présent pour discuter de nouvelles idées et méthodes pour résoudre les problèmes auxquelles j’ai fait face. Je suis certain que sans ton aide ce travail ne serait pas arrivé si loin. Je voulais aussi remercier à tous les membres de l’équipe technique de Poly GRAMES, par leur soutien dans les fabrication et caractérisation des prototypes, aussi bien que par leur support informatique, à savoir Jules Gauthier, Traian Antonescu, Maxime Thibault, Steve Dubé et Jean- Sébastien Décarie. Je tiens aussi à remercier à Nathalie Levesque de l'École Polytechnique qui m’a toujours aidé lorsque des problèmes administratifs apparaissaient. Je veux également remercier les membres du jury pour le temps qu'ils ont passé à la révision de ce mémoire. Et aux collègues de Poly GRAMES qui ont contribué directement ou indirectement au bon déroulement de ma maîtrise. Je tiens finalement à exprimer ma plus profonde gratitude à mon épouse Antonia Yume Eiri Trebien Lorenz pour son soutien inconditionnel tout au long de ces années de maîtrise, et aussi à mes parents Curt et Cristina Lorenz qui ont mis plusieurs de leurs années de vie à ma formation, ce qui m’a permis arriver là où je suis maintenant. v RÉSUMÉ La récupération d’énergie micro-ondes ambiantes (REMA) pour alimenter de circuits à faible consommation et faible rapport cyclique a été le sujet de plusieurs publications au cours des dernières années. L’intérêt par ce sujet a été poussé principalement par les diverses applications prévues par l’Internet des Objets, l’Immotique et les nouveaux développements des dispositifs pour les « Body Area Netwoks ». Un des besoins récurrents que l’on retrouve parmi plusieurs de ces applications est une source d’énergie intégrée, qui ne nécessiterait pas de maintenance régulière, qui serait de petite taille et d’un faible poids. Pour beaucoup d’applications à venir, les piles sont trop encombrantes et demandent un plan de maintenance pour les recharger ou les remplacer, ce qui n’est pas possible. Dans ce contexte, un autre type de source d’énergie est nécessaire. La récupération d’énergie ambiante est ici proposée comme une source alternative de puissance pour ces circuits à faible consommation. Ce travail explore plus spécifiquement la récupération d’énergie micro-ondes ambiantes par l’utilisation centrale de circuits redresseurs à diodes. Un modèle mathématique a tout d’abord été développé pour décrire les mécanismes qui contribuent au processus de redressement d’énergie micro-ondes aux niveaux de puissance que l’on retrouve dans l’ambiant. Ce modèle est évalué en utilisant des résultats de simulation et de mesures réalisées sur trois prototypes fabriqués dans le cadre de cette maîtrise. Le modèle développé inclut les pertes dans les composants parasitiques de l’élément non linéaire utilisé pour le redressement d’énergie ainsi que les pertes d’insertion du réseau d’adaptation d’impédance. Partant de ce modèle, deux possibilités sont explorées pour améliorer l’efficacité de conversion de puissance des redresseurs micro-ondes actuels, particulièrement pour ceux fonctionnant à des niveaux de puissance trouvés dans la REMA. On considèrera dans ce travail que la plage de puissance correspondant à la REMA se situe à une valeur de crête de -30 dBm, et à des niveaux de puissance moyenne bien en dessous de ce seuil. Un circuit hybride coopératif de récupération d’énergie ambiante va ensuite être proposé. Celui-ci présente la particularité de n’être basé que sur un seul composant non linéaire pour redresser l’énergie micro-ondes et l’énergie mécanique de façon coopérative. La théorie, les simulations ainsi que les mesures montrent que la puissance totale récupérée par ce schéma est jusqu’à deux fois plus forte que la puissance combinée de deux circuits indépendants, utilisés pour exploiter les deux sources séparément. vi L’aspect composant non linéaire a aussi été développé dans ce travail, à travers une étude sur le rôle critique que joue la responsivité en courant du composant sur les performances globale du circuit de redressement. On démontre ainsi pour la première fois que l’utilisation de diodes tunnel ayant une responsivité en courant plus élevée que la valeur atteignable avec des diodes Schottky permet de dépasser l’efficacité de récupération d’énergie micro-ondes atteignable avec ces dernières diodes. L’efficacité de récupération de puissance mesurée pour un signal RF d’entrée de -30 dBm à 2.4 GHz est de 18.2 %, tandis que l’efficacité de conversion pour un circuit similaire utilisant des diodes Schottky, telle que ceux présentés dans la première partie de ce travail, ne dépasse pas 11 % dans de conditions similaires de fréquence et de puissance. Notons par ailleurs que jusqu’à la date de publication des articles présentés dans ce mémoire de maîtrise la plus haute efficacité de récupération de puissance micro-ondes publiée était proche de 5 % pour une puissance à l’entrée de -30 dBm et une fréquence proche de 2 GHz. Enfin, les compétences acquises lors des études ci-dessus ont été mises à profit pour une application de transfert de puissance par micro-ondes. Une rectenne opérant à 94 GHz est ainsi présentée, dont l’efficacité de conversion de puissance égale à 37.7 % a été obtenue pour une puissance à l’entrée de 3 dBm. Cette rectenne est proposée comme source alternative de puissance pour les microrobots, qui en raison de leur taille et leur poids limités ne peuvent pas embarquer de piles. vii ABSTRACT Powering low consumption and low duty cycle devices and circuits using Ambient Microwave Energy Harvesting (AMEH) has been the subject of several investigations in recent years. The interest for this research topic has been promoted mainly by various and new applications driven mainly by the Internet of things, Building Automation and new developments in devices for the Body Area Netwoks. A common characteristic among several of these applications is the need for a wireless source which does not require regular maintenance, and has a small size and low weight. Batteries are often too cumbersome and require a maintenance plan to recharge or replace them, which is not always possible. A new source of energy is thus necessary. Ambient energy harvesting is proposed as an alternative source of power to these low power consumption devices and circuits. This M.A.Sc. work is developed to explore the microwave ambient energy harvesting using diode rectifier circuits. A mathematical model is first developed to explain the mechanisms that contribute to the process of recovery of microwave energy in the range of power found in the ambient microwave energy harvesting applications. An evaluation of this model is made using simulation results and then measurements results from three prototypes developed under this M.A.Sc. program. The results show an excellent agreement between the three methods. The developed model includes losses in the parasitic components of the non-linear element used for the rectification of energy as well as the impedance matching network insertion losses. Based on this model, two possible ways of improving the efficiency of ambient microwave power rectifiers at the power levels found in the AMEH are explored. In this work, it is considered that the AMEH takes place within the range of powers with a peak value of -30 dBm, however at average power levels well below this threshold. First, a cooperative hybrid circuit of ambient energy harvesting is presented where collected microwave and mechanical energies are converted in a cooperative manner through a single non- linear component. Theory, simulations and measurements show that the total power recovered by the proposed scheme can provide up to twice the efficiency of a circuit combining the output of two independent harvesters. Then, a work demonstrating for the first time uploads/Geographie/2015-carloshenriquepetzllorenz.pdf