Conception conjointe antenne-redresseur
La caractéristique des rectennas de type EG (figure 2) est que l'antenne est directement adaptée au redresseur, contrairement à la norme 50 Ω qui impose de minimiser, voire de supprimer, le circuit d'adaptation nécessaire à l'alimentation du redresseur. Cette section examine les avantages des rectennas SoA avec des antennes non-50 Ω et des rectennas sans réseau d'adaptation.
1. Antennes électriquement petites
Les antennes annulaires résonantes LC sont largement utilisées dans les applications où la taille du système est un facteur critique. Aux fréquences inférieures à 1 GHz, la longueur d'onde peut entraîner une surpopulation des antennes à éléments distribués standard par rapport à la taille globale du système. De ce fait, des applications telles que les émetteurs-récepteurs entièrement intégrés pour implants corporels tirent particulièrement profit de l'utilisation d'antennes électriquement compactes pour le transfert d'énergie sans fil (WPT).
La forte impédance inductive de la petite antenne (proche de la résonance) permet un couplage direct avec le redresseur ou via un réseau d'adaptation capacitif intégré. Des antennes électriquement petites ont été utilisées en WPT avec polarisation linéaire et circulaire en dessous de 1 GHz, notamment des dipôles de Huygens (ka = 0,645), contre 5,91 pour les dipôles classiques (ka = 2πr/λ₀).
2. Antenne conjuguée redresseuse
L'impédance d'entrée typique d'une diode étant fortement capacitive, une antenne inductive est nécessaire pour obtenir une impédance conjuguée. Du fait de l'impédance capacitive de la puce, les antennes inductives à haute impédance sont largement utilisées dans les étiquettes RFID. Les antennes dipôles, présentant une impédance élevée (résistance et réactance) au voisinage de leur fréquence de résonance, constituent une solution de plus en plus prisée pour les applications RFID à impédance complexe.
Des antennes dipôles inductives ont été utilisées pour adapter la capacité élevée du redresseur dans la bande de fréquences souhaitée. Dans une antenne dipôle repliée, le double repliement (ligne courte) agit comme un transformateur d'impédance, permettant la conception d'une antenne à très haute impédance. L'alimentation en polarisation permet d'augmenter la réactance inductive ainsi que l'impédance. L'association de plusieurs éléments dipôles polarisés avec des stubs radiaux en forme de nœud papillon asymétriques forme une antenne double bande à haute impédance. La figure 4 présente quelques antennes conjuguées à redresseur décrites dans la littérature.
Figure 4
Caractéristiques de rayonnement dans RFEH et WPT
Dans le modèle Friis, la puissance PRX reçue par une antenne à une distance d de l'émetteur est une fonction directe des gains du récepteur et de l'émetteur (GRX, GTX).
La directivité et la polarisation du lobe principal de l'antenne influent directement sur la puissance collectée de l'onde incidente. Les caractéristiques de rayonnement de l'antenne sont des paramètres clés qui différencient la récupération d'énergie radiofréquence (RFEH) ambiante et le transfert d'énergie sans fil (WPT) (Figure 5). Dans les deux cas, le milieu de propagation peut être inconnu et son influence sur l'onde reçue doit être prise en compte ; toutefois, la connaissance de l'antenne émettrice peut être exploitée. Le tableau 3 récapitule les principaux paramètres abordés dans cette section et leur applicabilité à la RFEH et au WPT.
Figure 5
1. Directivité et gain
Dans la plupart des applications RFEH et WPT, on suppose que le récepteur ignore la direction du rayonnement incident et qu'il n'existe pas de liaison directe. Dans ce travail, plusieurs configurations d'antennes et de placements ont été étudiées afin de maximiser la puissance reçue d'une source inconnue, indépendamment de l'alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur.
Les antennes omnidirectionnelles sont largement utilisées dans les rectennes RFEH environnementales. Dans la littérature, la densité spectrale de puissance (DSP) varie selon l'orientation de l'antenne. Cependant, cette variation de puissance n'est pas expliquée, ce qui ne permet pas de déterminer si elle est due au diagramme de rayonnement de l'antenne ou à un désaccord de polarisation.
Outre les applications de récupération d'énergie radiofréquence (RFEH), les antennes directionnelles et les réseaux d'antennes à gain élevé sont largement utilisés pour le transfert d'énergie sans fil (WPT) par micro-ondes afin d'améliorer l'efficacité de collecte à faible densité de puissance RF ou de compenser les pertes de propagation. Parmi les rectennas évolutives permettant de maximiser la densité de puissance incidente sur une surface donnée, on trouve les réseaux Yagi-Uda, les réseaux en forme de nœud papillon, les réseaux en spirale, les réseaux Vivaldi à couplage étroit, les réseaux CPW et les réseaux patch. D'autres approches pour améliorer le gain d'antenne incluent la technologie des guides d'ondes intégrés sur substrat (SIW) dans les bandes micro-ondes et millimétriques, spécifique au WPT. Cependant, les rectennas à gain élevé se caractérisent par des faisceaux étroits, ce qui rend la réception des ondes dans des directions arbitraires inefficace. Des études sur le nombre d'éléments et de ports d'antenne ont conclu qu'une directivité plus élevée ne se traduit pas par une puissance récupérée plus élevée en RFEH ambiante, en supposant une incidence tridimensionnelle arbitraire ; ce résultat a été vérifié par des mesures sur le terrain en milieu urbain. L'utilisation des réseaux à gain élevé peut donc être limitée aux applications WPT.
Pour étendre les avantages des antennes à gain élevé à des sources d'énergie RFEH quelconques, des solutions d'encapsulation ou d'agencement sont utilisées pour pallier le problème de directivité. Un bracelet à double antenne patch est proposé pour capter l'énergie des sources d'énergie RFEH Wi-Fi ambiantes dans deux directions. Des antennes RFEH cellulaires ambiantes sont également conçues sous forme de boîtes 3D, imprimées ou collées sur des surfaces externes afin de réduire l'encombrement du système et de permettre une captation multidirectionnelle. Les structures de rectenna cubiques présentent une probabilité de réception d'énergie plus élevée dans les sources d'énergie RFEH ambiantes.
Des améliorations ont été apportées à la conception des antennes afin d'accroître la largeur du faisceau, notamment par l'ajout d'éléments parasites auxiliaires, pour optimiser le transfert d'énergie sans fil (WPT) à 2,4 GHz avec des réseaux 4 × 1. Une antenne maillée à 6 GHz à zones de faisceau multiples a également été proposée, démontrant la possibilité d'émettre plusieurs faisceaux par port. Des rectennes de surface multiports et multiredresseurs, ainsi que des antennes de récupération d'énergie à diagramme de rayonnement omnidirectionnel, ont été proposées pour la récupération d'énergie radiofréquence (RFEH) multidirectionnelle et multipolarisée. Des multiredresseurs avec matrices de formation de faisceau et des réseaux d'antennes multiports ont également été proposés pour la récupération d'énergie multidirectionnelle à gain élevé.
En résumé, si les antennes à gain élevé sont privilégiées pour optimiser la récupération d'énergie à partir de faibles densités RF, les récepteurs hautement directionnels peuvent s'avérer inadaptés aux applications où la direction de l'émetteur est inconnue (par exemple, la récupération d'énergie RF ambiante ou le transfert d'énergie sans fil via des canaux de propagation inconnus). Dans ce travail, plusieurs approches multi-faisceaux sont proposées pour le transfert d'énergie sans fil et la récupération d'énergie RF multidirectionnels à gain élevé.
2. Polarisation de l'antenne
La polarisation d'une antenne décrit le mouvement du vecteur champ électrique par rapport à sa direction de propagation. Un désaccord de polarisation peut entraîner une réduction de la transmission/réception entre antennes, même lorsque les directions des lobes principaux sont alignées. Par exemple, si une antenne LP verticale est utilisée pour l'émission et une antenne LP horizontale pour la réception, aucune puissance ne sera reçue. Cette section passe en revue les méthodes existantes permettant d'optimiser l'efficacité de la réception sans fil et d'éviter les pertes dues au désaccord de polarisation. La figure 6 présente un résumé de l'architecture de rectenna proposée en fonction de la polarisation, et le tableau 4 fournit un exemple d'architecture système.
Figure 6
Dans les communications cellulaires, l'alignement linéaire de la polarisation entre les stations de base et les téléphones mobiles est difficilement réalisable. Par conséquent, les antennes des stations de base sont conçues à double polarisation ou à polarisation multiple afin de limiter les pertes dues au désaccord de polarisation. Cependant, la variation de polarisation des ondes à polarisation linéaire (LP) causée par les trajets multiples demeure un problème non résolu. Partant de l'hypothèse de stations de base mobiles à polarisation multiple, les antennes RFEH cellulaires sont conçues comme des antennes à polarisation linéaire.
Les rectennas à polarisation circulaire (PC) sont principalement utilisées en transfert d'énergie sans fil (WPT) en raison de leur relative insensibilité aux désadaptations de polarisation. Elles peuvent recevoir, sans perte de puissance, un rayonnement à polarisation circulaire de même sens (à gauche ou à droite), en plus de toutes les ondes à polarisation linéaire (PL). Dans tous les cas, l'antenne à PC émet et l'antenne PL reçoit avec une atténuation de 3 dB (50 % de perte de puissance). Les rectennas à PC sont particulièrement adaptées aux bandes industrielles, scientifiques et médicales de 900 MHz, 2,4 GHz et 5,8 GHz, ainsi qu'aux ondes millimétriques. En récupération d'énergie par radiofréquence (RFEH) d'ondes à polarisation quelconque, la diversité de polarisation représente une solution potentielle aux pertes dues aux désadaptations de polarisation.
La polarisation complète, également appelée multipolarisation, a été proposée pour éliminer totalement les pertes dues au désaccord de polarisation, permettant ainsi la collecte des ondes à polarisation circulaire (PC) et à polarisation linéaire (PL). Dans ce cas, deux éléments PL orthogonaux à double polarisation reçoivent efficacement toutes les ondes PC et PL. Pour illustrer ce principe, les tensions nettes verticale et horizontale (VV et VH) restent constantes quel que soit l'angle de polarisation.
Champ électrique « E » de l'onde électromagnétique CP, où la puissance est collectée deux fois (une fois par unité), recevant ainsi pleinement la composante CP et surmontant la perte de 3 dB due au désaccord de polarisation :
Enfin, grâce à la combinaison en courant continu, il est possible de recevoir des ondes incidentes de polarisation arbitraire. La figure 7 illustre la géométrie de la rectenne entièrement polarisée décrite.
Figure 7
En résumé, pour les applications de transfert d'énergie sans fil (WPT) avec alimentations dédiées, la polarisation circulaire (CP) est privilégiée car elle améliore l'efficacité du WPT indépendamment de l'angle de polarisation de l'antenne. En revanche, pour l'acquisition multi-sources, notamment à partir de sources ambiantes, les antennes entièrement polarisées offrent une meilleure réception globale et une portabilité maximale ; des architectures multiports/multi-redresseurs sont alors nécessaires pour combiner la puissance entièrement polarisée en radiofréquence (RF) ou en courant continu (DC).
Résumé
Cet article passe en revue les progrès récents en matière de conception d'antennes pour la récupération d'énergie RF et le transfert d'énergie sans fil, et propose une classification standard de ces antennes, inédite dans la littérature. Trois exigences fondamentales pour obtenir un rendement de conversion RF-CC élevé ont été identifiées :
1. Bande passante d'impédance du redresseur d'antenne pour les bandes RFEH et WPT d'intérêt ;
2. Alignement du lobe principal entre l'émetteur et le récepteur dans WPT à partir d'une alimentation dédiée ;
3. Adaptation de la polarisation entre la rectenna et l'onde incidente, quels que soient l'angle et la position.
En fonction de l'impédance, les rectennes sont classées en rectennes 50Ω et en rectennes à conjugaison de redresseur, l'accent étant mis sur l'adaptation d'impédance entre les différentes bandes et charges et sur l'efficacité de chaque méthode d'adaptation.
Les caractéristiques de rayonnement des rectennes SoA ont été analysées du point de vue de la directivité et de la polarisation. Les méthodes d'amélioration du gain par formation de faisceau et d'encapsulation permettant de pallier la faible largeur de faisceau sont abordées. Enfin, les rectennes à polarisation circulaire pour le transfert d'énergie sans fil (WPT) sont passées en revue, ainsi que diverses implémentations permettant une réception indépendante de la polarisation pour le WPT et la récupération d'énergie radiofréquence (RFEH).
Pour en savoir plus sur les antennes, veuillez consulter :
Date de publication : 16 août 2024
