1. Introduction
La récupération d'énergie par radiofréquence (RFEH) et le transfert d'énergie sans fil par rayonnement (WPT) suscitent un vif intérêt en tant que méthodes permettant de réaliser des réseaux sans fil durables et sans batterie. Les rectennes constituent la pierre angulaire des systèmes WPT et RFEH et ont un impact significatif sur la puissance continue fournie à la charge. Les éléments d'antenne de la rectenne affectent directement l'efficacité de la récupération, ce qui peut faire varier la puissance récupérée de plusieurs ordres de grandeur. Cet article passe en revue les conceptions d'antennes utilisées dans les applications WPT et RFEH ambiantes. Les rectennes présentées sont classées selon deux critères principaux : la bande passante d'impédance de redressement de l'antenne et ses caractéristiques de rayonnement. Pour chaque critère, le facteur de mérite (FoM) est déterminé et comparé pour différentes applications.
La technique de transfert d'énergie sans fil (WPT) a été proposée par Tesla au début du XXe siècle pour transmettre des puissances de plusieurs milliers de chevaux. Le terme « rectenna », désignant une antenne reliée à un redresseur pour récupérer l'énergie radiofréquence, est apparu dans les années 1950 pour les applications de transmission d'énergie par micro-ondes spatiales et l'alimentation de drones autonomes. La WPT omnidirectionnelle à longue portée est limitée par les propriétés physiques du milieu de propagation (l'air). Par conséquent, son utilisation commerciale se limite principalement au transfert d'énergie non radiatif en champ proche pour la recharge sans fil d'appareils électroniques grand public ou la technologie RFID.
Avec la diminution continue de la consommation énergétique des dispositifs semi-conducteurs et des nœuds de capteurs sans fil, l'alimentation de ces derniers par récupération d'énergie radiofréquence ambiante ou par émetteurs omnidirectionnels basse consommation distribués devient une solution de plus en plus envisageable. Les systèmes d'alimentation sans fil à très basse consommation se composent généralement d'un module d'acquisition RF, d'un système de gestion de l'alimentation CC et de la mémoire, ainsi que d'un microprocesseur et d'un émetteur-récepteur basse consommation.
La figure 1 illustre l'architecture d'un nœud sans fil RFEH et les implémentations courantes de l'interface RF. L'efficacité globale du système d'alimentation sans fil et l'architecture du réseau de transfert d'informations et d'énergie sans fil synchronisé dépendent des performances de chaque composant, comme les antennes, les redresseurs et les circuits de gestion de l'énergie. Plusieurs études bibliographiques ont été menées sur les différentes parties du système. Le tableau 1 récapitule l'étage de conversion de puissance, les composants clés pour une conversion efficace et les études bibliographiques correspondantes. Les publications récentes portent sur les technologies de conversion de puissance, les topologies de redresseurs et le RFEH prenant en compte le réseau.
Figure 1
Cependant, la conception de l'antenne n'est pas considérée comme un élément critique en RFEH. Bien que certaines publications abordent la bande passante et l'efficacité de l'antenne d'un point de vue global ou selon une conception spécifique, comme celle des antennes miniaturisées ou portables, l'impact de certains paramètres de l'antenne sur l'efficacité de réception et de conversion de la puissance n'est pas analysé en détail.
Cet article passe en revue les techniques de conception d'antennes rectennas afin de distinguer les défis spécifiques à la récupération d'énergie par radiofréquence (RFEH) et au transfert d'énergie sans fil (WPT) de ceux rencontrés avec les antennes de communication standard. Les antennes sont comparées selon deux axes : l'adaptation d'impédance globale et les caractéristiques de rayonnement. Dans chaque cas, le facteur de mérite (FoM) est identifié et analysé pour les antennes les plus performantes.
2. Bande passante et adaptation : réseaux RF non-50 Ω
L'impédance caractéristique de 50 Ω est un critère de compromis fondamental entre atténuation et puissance dans les applications micro-ondes. Pour les antennes, la bande passante d'impédance est définie comme la plage de fréquences où la puissance réfléchie est inférieure à 10 % (S11 < −10 dB). Les amplificateurs à faible bruit (LNA), les amplificateurs de puissance et les détecteurs étant généralement conçus avec une adaptation d'impédance d'entrée de 50 Ω, une source de 50 Ω est traditionnellement utilisée comme référence.
Dans une rectenna, le signal de sortie de l'antenne est directement injecté dans le redresseur. La non-linéarité de la diode induit une forte variation de l'impédance d'entrée, la composante capacitive étant prédominante. Pour une antenne de 50 Ω, la principale difficulté consiste à concevoir un réseau d'adaptation RF additionnel afin de transformer l'impédance d'entrée en celle du redresseur à la fréquence souhaitée et de l'optimiser pour un niveau de puissance spécifique. Dans ce cas, une large bande passante d'impédance est nécessaire pour garantir une conversion RF/DC efficace. Par conséquent, bien que les antennes puissent théoriquement atteindre une bande passante infinie ou ultra-large grâce à l'utilisation d'éléments périodiques ou d'une géométrie auto-complémentaire, la bande passante de la rectenna sera limitée par le réseau d'adaptation du redresseur.
Plusieurs topologies de rectennas ont été proposées pour la récupération d'énergie sans fil (WPT) mono- et multi-bande, en minimisant les réflexions et en maximisant le transfert de puissance entre l'antenne et le redresseur. La figure 2 présente les structures des topologies de rectennas recensées, classées selon leur architecture d'adaptation d'impédance. Le tableau 2 fournit des exemples de rectennas hautes performances, caractérisées par une bande passante de bout en bout (ici, un facteur de mérite [FoM]), pour chaque catégorie.
Figure 2. Topologies de rectenna du point de vue de la bande passante et de l'adaptation d'impédance. (a) Rectenna monobande avec antenne standard. (b) Rectenna multibande (composée de plusieurs antennes couplées) avec un redresseur et un réseau d'adaptation par bande. (c) Rectenna large bande avec plusieurs ports RF et réseaux d'adaptation distincts pour chaque bande. (d) Rectenna large bande avec antenne et réseau d'adaptation large bande. (e) Rectenna monobande utilisant une antenne électriquement petite directement adaptée au redresseur. (f) Rectenna monobande avec une antenne électriquement grande et une impédance complexe à conjuguer avec le redresseur. (g) Rectenna large bande avec une impédance complexe à conjuguer avec le redresseur sur une gamme de fréquences.
Bien que la récupération d'énergie sans fil (WPT) et la récupération d'énergie radiofréquence ambiante (RFEH) à partir d'une alimentation dédiée soient des applications différentes des rectennas, l'obtention d'une adaptation d'impédance optimale entre l'antenne, le redresseur et la charge est fondamentale pour atteindre un rendement de conversion de puissance (PCE) élevé du point de vue de la bande passante. Néanmoins, les rectennas WPT privilégient l'obtention d'une adaptation d'impédance plus élevée (S11 plus faible) afin d'améliorer le PCE monobande à certains niveaux de puissance (topologies a, e et f). La large bande passante du WPT monobande améliore l'immunité du système aux désaccords, aux défauts de fabrication et aux parasites d'encapsulation. En revanche, les rectennas RFEH privilégient le fonctionnement multibande et appartiennent aux topologies bd et g, car la densité spectrale de puissance (PSD) d'une bande unique est généralement plus faible.
3. Conception d'antenne rectangulaire
1. Rectenna monofréquence
La conception d'une rectenna monofréquence (topologie A) repose principalement sur des antennes classiques, telles que des patchs rayonnants à polarisation linéaire (PL) ou circulaire (PC) sur plan de masse, des antennes dipôles et des antennes en F inversées. La rectenna à bande différentielle est quant à elle basée sur un réseau d'antennes combinées CC, constitué de plusieurs unités d'antenne, ou sur une combinaison CC et RF de plusieurs patchs.
Étant donné que de nombreuses antennes proposées sont monofréquences et répondent aux exigences du transfert d'énergie sans fil (WPT) monofréquence, la récupération d'énergie radiofréquence (RFEH) multifréquence environnementale nécessite la combinaison de plusieurs antennes monofréquences en rectennes multibandes (topologie B). Ces antennes bénéficient d'une suppression du couplage mutuel et d'une combinaison indépendante du courant continu après le circuit de gestion de l'alimentation, afin de les isoler complètement du circuit d'acquisition et de conversion RF. Cette approche requiert plusieurs circuits de gestion de l'alimentation pour chaque bande, ce qui peut réduire le rendement du convertisseur élévateur, la puissance continue étant faible pour chaque bande.
2. Antennes RFEH multibandes et à large bande
La récupération d'énergie radiofréquence environnementale (RFEH) est souvent associée à l'acquisition multibande ; par conséquent, diverses techniques ont été proposées pour améliorer la bande passante des antennes standard et des méthodes de formation de réseaux d'antennes bibandes ou multibandes. Dans cette section, nous passons en revue les conceptions d'antennes personnalisées pour la RFEH, ainsi que les antennes multibandes classiques pouvant être utilisées comme rectennes.
Les antennes monopôles à guide d'ondes coplanaire (CPW) occupent une surface plus réduite que les antennes patch microruban à fréquence égale et produisent des ondes polarisées linéairement (LP) ou circulairement (CP). Elles sont fréquemment utilisées dans les rectennes environnementales à large bande. Des plans de réflexion permettent d'accroître l'isolation et d'améliorer le gain, ce qui se traduit par des diagrammes de rayonnement similaires à ceux des antennes patch. Les antennes à guide d'ondes coplanaire à fente sont utilisées pour améliorer la bande passante d'impédance sur plusieurs bandes de fréquences, telles que 1,8–2,7 GHz ou 1–3 GHz. Les antennes à fente et les antennes patch alimentées par couplage sont également couramment utilisées dans les conceptions de rectennes multibandes. La figure 3 présente quelques exemples d'antennes multibandes utilisant plusieurs techniques d'amélioration de la bande passante.
Figure 3
Adaptation d'impédance antenne-redresseur
L'adaptation d'une antenne de 50 Ω à un redresseur non linéaire est complexe en raison de la forte variation de son impédance d'entrée avec la fréquence. Dans les topologies A et B (figure 2), le réseau d'adaptation classique est un circuit LC à composants discrets ; cependant, la bande passante relative est généralement inférieure à celle de la plupart des bandes de communication. L'adaptation par stub monobande est couramment utilisée dans les bandes micro-ondes et millimétriques inférieures à 6 GHz. Les rectennas millimétriques décrites dans la littérature présentent une bande passante intrinsèquement étroite, car leur bande passante de conversion de puissance (PCE) est limitée par la suppression des harmoniques de sortie, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications de transfert d'énergie sans fil (WPT) monobande dans la bande non licenciée de 24 GHz.
Les rectennes des topologies C et D possèdent des réseaux d'adaptation plus complexes. Des réseaux d'adaptation de ligne entièrement distribués ont été proposés pour l'adaptation à large bande, avec un blocage RF/court-circuit CC (filtre passe-bande) au niveau du port de sortie ou un condensateur de blocage CC comme chemin de retour pour les harmoniques de diodes. Les composants du redresseur peuvent être remplacés par des condensateurs interdigités sur circuit imprimé (PCB), synthétisés à l'aide de logiciels de CAO électronique commerciaux. D'autres réseaux d'adaptation pour rectennes à large bande combinent des composants discrets pour l'adaptation aux basses fréquences et des composants distribués pour créer un court-circuit RF à l'entrée.
La variation de l'impédance d'entrée vue par la charge via une source (technique dite de « source-pull ») a permis de concevoir un redresseur à large bande présentant une bande passante relative de 57 % (1,25–2,25 GHz) et un rendement de conversion de puissance (PCE) supérieur de 10 % à celui des circuits à composants localisés ou distribués. Bien que les réseaux d'adaptation soient généralement conçus pour adapter les antennes sur toute la bande passante de 50 Ω, on trouve dans la littérature des exemples d'antennes à large bande connectées à des redresseurs à bande étroite.
Les réseaux d'adaptation hybrides à éléments localisés et distribués sont largement utilisés dans les topologies C et D, les inductances et les condensateurs en série étant les éléments localisés les plus courants. Ils permettent d'éviter les structures complexes telles que les condensateurs interdigités, qui nécessitent une modélisation et une fabrication plus précises que les lignes microruban standard.
La puissance d'entrée du redresseur influe sur son impédance d'entrée en raison de la non-linéarité de la diode. Par conséquent, la rectenna est conçue pour maximiser le rendement de conversion de puissance (PCE) pour un niveau de puissance d'entrée et une impédance de charge spécifiques. Les diodes présentant une impédance élevée et un comportement principalement capacitif aux fréquences inférieures à 3 GHz, les rectennas à large bande, qui éliminent les réseaux d'adaptation ou minimisent les circuits d'adaptation simplifiés, se sont concentrées sur les fréquences supérieures à 1 GHz (Prf > 0 dBm). En effet, les diodes y présentent une faible impédance capacitive et peuvent être bien adaptées à l'antenne, évitant ainsi la conception d'antennes avec des réactances d'entrée supérieures à 1 000 Ω.
L'adaptation d'impédance adaptative ou reconfigurable est utilisée dans les rectennes CMOS, où le réseau d'adaptation est constitué de bancs de condensateurs et d'inductances intégrés. Des réseaux d'adaptation CMOS statiques ont également été proposés pour les antennes standard de 50 Ω ainsi que pour les antennes boucle co-conçues. Il a été démontré que des détecteurs de puissance CMOS passifs sont utilisés pour commander des commutateurs qui dirigent la sortie de l'antenne vers différents redresseurs et réseaux d'adaptation en fonction de la puissance disponible. Un réseau d'adaptation reconfigurable utilisant des condensateurs accordables discrets a été proposé ; son réglage est effectué par ajustement fin tout en mesurant l'impédance d'entrée à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel. Dans les réseaux d'adaptation microruban reconfigurables, des commutateurs à transistors à effet de champ sont utilisés pour ajuster les tronçons d'adaptation afin d'obtenir des caractéristiques bi-bande.
Pour en savoir plus sur les antennes, veuillez consulter :
Date de publication : 9 août 2024
