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UNIVERSITÉ PARIS-EST
ÉCOLE DOCTORALE MSTIC
THÈSE
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Paris-Est
Spécialité : Électronique, optronique et systèmes
Développements de Circuits Rectennae Bi-
polarisation, Bi-bande pour la Récupération
et Conversion d’Énergie Électromagnétique
à Faible Niveau
Thèse soutenue publiquement le 18/12/2014 par :
Walid HABOUBI
Directeur de thèse : Laurent CIRIO
Co-directrice de thèse : Odile PICON
Co-encadrant : Hakim TAKHEDMIT
Rapporteurs :
Tan-Phu VUONG Professeur à l’université de Grenoble (IMEP-LAHC)
Mohamed HIMDI Professeur à l’université de Rennes (IETR)
Examinateurs :
Christophe GAQUIERE Professeur à l’université de Lille (IEMN)
Odile PICON Professeur à l’université Paris-Est Marne la Vallée (ESYCOM)
Hakim TAKHEDMIT Maître de Conférences à l’université Paris-Est Marne la Vallée
Laurent CIRIO Professeur à l’université Paris-Est Marne la Vallée
Invités :
François COSTA Professeur à l’université de Créteil (SATIE)
Christian VOLLAIRE Professeur à l’Ecole Centrale de Lyon (Ampère)

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Résumé :
L’amélioration de l’autonomie énergétique des systèmes communicants constitue aujourd’hui
une des préoccupations majeures pour leur déploiement massif dans notre environnement. On
souhaite rendre complètement autonome ces dispositifs électroniques (on pense entre autres
aux capteurs et réseaux de capteurs) en s’affranchissant des sources d’énergie embarquées qui
nécessitent des opérations de remplacement ou de recharge périodiques. Parmi les sources
d’énergie disponibles qui peuvent être exploitées, on trouve les ondes électromagnétiques. Le
dispositif qui permet de capter cette énergie et la convertir en puissance continue utile est
dénommé Rectenna (Rectifying antenna) qui associe une antenne de captation à un circuit de
rectification à base de diodes.
Les rectennae ont fait l’objet d’un nombre important de communications dans la littérature ces
dernières années avec pour fil conducteur, la recherche de performances optimales compte
tenu de l’atténuation des ondes électromagnétiques et des faibles niveaux de champ récupérés.
C’est dans ce contexte que s'est déroulé ce travail de thèse dont le financement a été assuré
par un contrat ANR (REC-EM).
Dans ce travail, on s'est attaché à développer, à concevoir et à caractériser expérimentalement
des structures planaires qui présentent des propriétés intéressantes :
- En terme de polarisations orthogonales, ceci de façon à s’affranchir de l’orientation
arbitraire de l’onde incidente à la rectenna. Une rectenna à double polarisation circulaire à
2.45 GHz et à double accès sera réalisée pour, de plus, s’affranchir de la perte de 3 dB lorsque
l’onde récupérée est à polarisation linéaire à orientation arbitraire.
- En terme de résonances multiples, ceci pour augmenter le niveau de puissance récupérée par
l'antenne et optimiser la puissance continue convertie. Une rectenna à double fréquence (1.8
et 2.45 GHz) et à accès unique sera conçue ainsi qu’une rectenna constituée d’un réseau de
deux antennes double fréquence.
- En terme de réduction de taille en s’affranchissant de l’utilisation du filtre HF entre
l’antenne et le circuit de conversion ceci pour l’ensemble des structures rectennae
développées dans ce travail.
Dans tous les cas, il sera nécessaire de développer le circuit de rectification le plus adapté à la
topologie de l’antenne de captation et évaluer la technique de recombinaison optimale coté
DC pour s’affranchir au mieux des déséquilibres qui peuvent apparaître entre les voies
d’accès de l’antenne. Pour contenir les dimensions de la structure globale, des circuits mono
diode seront dimensionnés et réalisés pour chacune des structures.
Enfin, on exploitera l’antenne à double polarisation circulaire double accès, dont on cherchera
à diminuer les dimensions, pour alimenter un capteur de température à affichage LCD. Pour
augmenter le niveau de tension nécessaire au fonctionnement du capteur, nous associerons
entre la rectenna et le capteur un convertisseur DC-DC. Il s’agit, dans ce cas, d’un dispositif
de gestion d’énergie adapté pour les faibles puissances. Deux convertisseurs seront employés
dont celui développé par les laboratoires Ampère de l’Ecole Centrale de Lyon et SATIE à
l’ENS Cachan. Ce convertisseur a fait l’objet d’une thèse également financée par l’ANR dans
le cadre de ce contrat REC-EM.
Mots-Clés : Récupération de l'énergie électromagnétique, antenne imprimée, polarisation
circulaire, diode Schottky, techniques de recombinaison en DC, antenne co-localisée, antenne
bi-bande, circuit de conversion RF-DC bi-bande, bande GSM-1800, bande ISM-2.45 GHz,
convertisseur DC-DC, capteur de température.

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Abstract :
Improving energy autonomy of communication systems constitutes one of the major concerns
for their massive deployment in our environment. We want to make these electronic devices
(sensors and sensor networks) completely autonomous, avoiding the embedded energy
sources that require replacement operations or periodic charging. Among the available energy
sources that can be harvested, there are electromagnetic waves. The device that can capture
this energy and convert it into useful DC power is called Rectenna (Rectifying antenna),
combining antenna with diode-based rectifier.
In recent few years, rectennas have reached a significant number of papers in the literature.
The main challenge consists in improving performances in term of efficiency, in an attempt to
overcome the electromagnetic wave attenuation and the low available field level.
According to this context, this PhD work supported by the ANR project REC-EM has taken
place. In this study, we have developed, designed and characterized planar structures that
have interesting properties:
- In term of orthogonal polarizations, so energy harvesting becomes feasable regardless the
arbitrary orientation of the incident wave on the rectenna. A dual-circularly polarized rectenna
at 2.45 GHz with dual-access will be set up to overcome the 3 dB power loss in the case of
linearly-polarized incident wave with unknown orientation.
- In term of multiple resonances, so the amount of total RF power collected by the antenna
can be increased and consequently the converted DC power level can also be improved.
A dual-frequency rectenna (1.8 and 2.45 GHz) with single access will be designed, as well as
a rectenna based upon a dual-frequency antenna array.
- In term of size compactness by avoiding the use of the HF filter between the antenna and the
rectifier for all developed rectenna structures during this work.
In all cases, it will be necessary to define the most suitable rectifier topology to each antenna
and select, if it is appropriated, the optimum DC recombination technique to overcome the
effects of RF power imbalance that may occur between the different antenna accesses.
Besides, single-diode circuits will be designed and fulfilled for each structure.
Finally, we will miniaturize the dual-circularly polarized dual-access antenna, and exploit it to
power a LCD display temperature sensor. To enhance the DC voltage level required to
activate the sensor, a DC-DC converter is inserted between the rectenna and the sensor. Such
energy management device should be able to operate under low delivered DC power. Two
converters will be used. The first one is developed by Ampere Lab at Ecole Centrale de Lyon
and SATIE Lab at ENS Cachan. This converter was the subject of another dissertation also
supported by the ANR under the REC-EM project.
Keywords : RF energy harvesting, printed antennas, circular polarization, Schottky diode,
DC recombination techniques, co-localized antenna, dual-band antenna, dual-band rectifier,
GSM-1800 band, 2.45-GHz ISM band, DC-DC converter, temperature sensor.

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