1. Introduction
La récupération d'énergie radiofréquence (RF) (RFEH) et le transfert d'énergie sans fil radiatif (WPT) suscitent un vif intérêt en tant que méthodes permettant de réaliser des réseaux sans fil durables et sans batterie. Les antennes rectangulaires sont la pierre angulaire des systèmes WPT et RFEH et ont un impact significatif sur la puissance continue délivrée à la charge. Les éléments d'antenne de l'antenne rectangulaire 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 antennes rectangulaires présentées sont classées selon deux critères principaux : la bande passante de l'impédance de redressement de l'antenne et ses caractéristiques de rayonnement. Pour chaque critère, le facteur de mérite (FoM) pour différentes applications est déterminé et comparé.
La transmission ondes pulsées (WPT) a été proposée par Tesla au début du XXe siècle comme méthode de transmission de milliers de chevaux-vapeur. Le terme « rectenna », qui désigne une antenne connectée à un redresseur pour capter l'énergie RF, est apparu dans les années 1950 pour les applications de transmission d'énergie micro-ondes spatiales et pour alimenter les drones autonomes. La transmission ondes pulsées omnidirectionnelle à longue portée est limitée par les propriétés physiques du milieu de propagation (l'air). Par conséquent, la transmission ondes pulsées commerciale se limite principalement au transfert d'énergie non radiatif en champ proche pour la recharge sans fil des appareils électroniques grand public ou la technologie RFID.
La consommation énergétique des semi-conducteurs et des capteurs sans fil continuant de diminuer, il devient plus facile d'alimenter ces derniers par RFEH ambiante ou par des émetteurs omnidirectionnels basse consommation distribués. Les systèmes d'alimentation sans fil ultra-basse consommation se composent généralement d'un frontal d'acquisition RF, d'une 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 frontales RF fréquemment utilisées. 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, tels que les antennes, les redresseurs et les circuits de gestion de l'énergie. Plusieurs études bibliographiques ont été réalisées pour différentes parties du système. Le tableau 1 résume l'étape de conversion de puissance, les composants clés pour une conversion efficace et les études bibliographiques associées pour chaque partie. La littérature récente se concentre sur la technologie de conversion de puissance, les topologies de redresseurs ou le RFEH compatible réseau.
Figure 1
Cependant, la conception des antennes n'est pas considérée comme un élément critique en RFEH. Bien que certaines publications abordent la bande passante et l'efficacité des antennes d'un point de vue global ou d'une conception d'antenne spécifique, comme les antennes miniaturisées ou portables, l'impact de certains paramètres d'antenne sur la réception de puissance et l'efficacité de conversion n'est pas analysé en détail.
Cet article passe en revue les techniques de conception d'antennes dans les antennes rectangulaires afin de distinguer les défis spécifiques aux antennes RFEH et WPT de ceux des antennes de communication standard. Les antennes sont comparées sous deux angles : l'adaptation d'impédance de bout en bout et les caractéristiques de rayonnement ; dans chaque cas, le FoM est identifié et analysé dans les antennes de pointe (SoA).
2. Bande passante et adaptation : réseaux RF non 50 Ω
L'impédance caractéristique de 50 Ω est une des premières considérations du compromis entre atténuation et puissance dans les applications d'ingénierie micro-ondes. Dans 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 impédance d'entrée adaptée de 50 Ω, une source de 50 Ω est traditionnellement référencée.
Dans une antenne redresseuse, la sortie de l'antenne est directement injectée dans le redresseur, et la non-linéarité de la diode entraîne une importante variation de l'impédance d'entrée, la composante capacitive étant prédominante. En supposant une antenne de 50 Ω, le principal défi consiste à concevoir un réseau d'adaptation RF supplémentaire pour transformer l'impédance d'entrée en impédance du redresseur à la fréquence d'intérêt et l'optimiser pour un niveau de puissance spécifique. Dans ce cas, une bande passante d'impédance de bout en bout est nécessaire pour assurer une conversion RF-CC efficace. Par conséquent, bien que les antennes puissent atteindre une bande passante théoriquement infinie ou ultra-large grâce à des éléments périodiques ou à une géométrie auto-complémentaire, la bande passante de la antenne redresseuse sera limitée par le réseau d'adaptation du redresseur.
Plusieurs topologies de rectenna ont été proposées pour réaliser une récolte monobande et multibande (WPT) 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 rectenna présentées, classées selon leur architecture d'adaptation d'impédance. Le tableau 2 présente des exemples de rectennas hautes performances en termes de bande passante de bout en bout (dans ce cas, FoM) pour chaque catégorie.
Figure 2 Topologies de rectennes du point de vue de l'adaptation de la bande passante et de l'impédance. (a) Rectenne monobande avec antenne standard. (b) Rectenne multibande (composée de plusieurs antennes couplées mutuellement) avec un redresseur et un réseau d'adaptation par bande. (c) Rectenne large bande avec plusieurs ports RF et des réseaux d'adaptation séparés pour chaque bande. (d) Rectenne large bande avec antenne large bande et réseau d'adaptation large bande. (e) Rectenne monobande utilisant une antenne électriquement petite directement adaptée au redresseur. (f) Antenne monobande, électriquement grande avec une impédance complexe pour se conjuguer avec le redresseur. (g) Rectenne large bande avec une impédance complexe pour se conjuguer avec le redresseur sur une plage de fréquences.
Bien que le WPT et le RFEH ambiant provenant d'une alimentation dédiée soient des applications de rectenna différentes, l'adaptation de bout en bout entre l'antenne, le redresseur et la charge est fondamentale pour obtenir un rendement de conversion de puissance (PCE) élevé en termes de bande passante. Néanmoins, les rectennas WPT se concentrent davantage sur l'obtention d'une meilleure adaptation du facteur de qualité (S11 inférieur) 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 de conditionnement. 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. Rectenne monofréquence
La conception de l'antenne rectenna monofréquence (topologie A) repose principalement sur des antennes standard, telles que des antennes patch rayonnantes à polarisation linéaire (LP) ou circulaire (CP) sur le plan de masse, des antennes dipôles et des antennes en F inversé. La rectenna à bande différentielle repose sur un réseau combiné CC configuré avec plusieurs unités d'antenne ou une combinaison mixte CC et RF de plusieurs unités patch.
Étant donné que de nombreuses antennes proposées sont monofréquences et répondent aux exigences de la transmission sans fil monofréquence, pour la recherche d'une réception radioélectrique multifréquence environnementale, plusieurs antennes monofréquences sont combinées en antennes rectangulaires multibandes (topologie B) avec suppression de couplage mutuel et combinaison CC indépendante après le circuit de gestion de l'alimentation, afin de les isoler complètement du circuit d'acquisition et de conversion RF. Cela nécessite plusieurs circuits de gestion de l'alimentation pour chaque bande, ce qui peut réduire l'efficacité du convertisseur élévateur en raison de la faible puissance CC d'une bande donnée.
2. Antennes RFEH multibandes et large bande
L'acquisition RFEH environnementale est souvent associée à l'acquisition multibande ; par conséquent, diverses techniques ont été proposées pour améliorer la bande passante des antennes standard et pour former des réseaux d'antennes bi-bande ou multibande. Dans cette section, nous examinons des conceptions d'antennes personnalisées pour les RFEH, ainsi que des antennes multibandes classiques pouvant être utilisées comme antennes rectangulaires.
Les antennes monopôles à guide d'ondes coplanaire (CPW) occupent moins de surface que les antennes patch microruban à fréquence égale et produisent des ondes LP ou CP. Elles sont souvent utilisées pour les antennes rectangulaires environnementales à large bande. Des plans de réflexion sont utilisés pour augmenter l'isolation et améliorer le gain, ce qui produit des diagrammes de rayonnement similaires à ceux des antennes patch. Les antennes à guide d'ondes coplanaire à fentes permettent d'améliorer les largeurs de bande d'impédance pour plusieurs bandes de fréquences, telles que 1,8-2,7 GHz ou 1-3 GHz. Les antennes à fentes à alimentation couplée et les antennes patch sont également couramment utilisées dans les conceptions de antennes rectangulaires multibandes. La figure 3 présente quelques antennes multibandes rapportées utilisant plusieurs techniques d'amélioration de la bande passante.
Figure 3
Adaptation d'impédance d'antenne-redresseur
L'adaptation d'une antenne de 50 Ω à un redresseur non linéaire est complexe, car son impédance d'entrée varie fortement avec la fréquence. Dans les topologies A et B (figure 2), le réseau d'adaptation courant est un réseau LC utilisant des éléments localisés ; cependant, sa bande passante relative est généralement inférieure à celle de la plupart des bandes de communication. L'adaptation monobande est couramment utilisée dans les bandes micro-ondes et millimétriques inférieures à 6 GHz. Les redresseurs millimétriques décrits présentent une bande passante intrinsèquement étroite, car leur bande passante PCE est limitée par la suppression des harmoniques de sortie, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications WPT monobande dans la bande sans licence de 24 GHz.
Les redresseurs des topologies C et D présentent des réseaux d'adaptation plus complexes. Des réseaux d'adaptation de ligne entièrement distribués ont été proposés pour l'adaptation large bande, avec un court-circuit RF/CC (filtre passe-bas) au port de sortie ou un condensateur de blocage CC comme voie de retour pour les harmoniques de diode. Les composants du redresseur peuvent être remplacés par des condensateurs interdigités sur circuit imprimé (PCB), synthétisés à l'aide d'outils d'automatisation de conception électronique commerciaux. D'autres réseaux d'adaptation de redresseurs large bande décrits combinent des éléments localisés pour l'adaptation aux basses fréquences et des éléments distribués pour créer un court-circuit RF à l'entrée.
La variation de l'impédance d'entrée observée par la charge via une source (technique dite de source-pull) a permis de concevoir un redresseur large bande offrant une bande passante relative de 57 % (1,25-2,25 GHz) et un PCE supérieur de 10 % à celui des circuits localisés ou distribués. Bien que les réseaux d'adaptation soient généralement conçus pour adapter les antennes sur toute la bande passante de 50 Ω, la littérature rapporte que des antennes large bande ont été connectées à des redresseurs à bande étroite.
Les réseaux d'adaptation hybrides à éléments localisés et à éléments distribués sont largement utilisés dans les topologies C et D, les inductances et condensateurs série étant les éléments localisés les plus couramment utilisés. Ils évitent 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 affecte l'impédance d'entrée en raison de la non-linéarité de la diode. Par conséquent, le redresseur est conçu pour maximiser le PCE pour un niveau de puissance d'entrée et une impédance de charge spécifiques. Les diodes étant principalement capacitives à haute impédance aux fréquences inférieures à 3 GHz, les redresseurs large bande éliminant les réseaux d'adaptation ou minimisant les circuits d'adaptation simplifiés se sont concentrés sur les fréquences Prf > 0 dBm et supérieures à 1 GHz. En effet, ces diodes 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.
Une adaptation d'impédance adaptative ou reconfigurable a été observée dans les redresseurs CMOS, où le réseau d'adaptation est constitué de batteries 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 cadre conçues conjointement. Il a été rapporté que des détecteurs de puissance CMOS passifs sont utilisés pour contrôler les 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 localisés a été proposé. Ce réseau est ajusté par réglage 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 ont été utilisés pour ajuster les stubs d'adaptation afin d'obtenir des caractéristiques bi-bande.
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Date de publication : 09/08/2024
