Etat de l`Art des Rectennas et Présentation du Sujet de

 : ECL 2013-xx
Thèse de l’Université de Lyon
Délivrée par l’Ecole Centrale de Lyon
Spécialité : Génie Electrique
Soutenue publiquement le 12 Décembre 2013
Par
Salah-Eddine Adami
Ingénieur INSA de Lyon
Préparée au Laboratoire Ampère
Optimisation de la récupération d’énergie
dans les applications de rectenna
Ecole Doctorale
Electronique, Electrotechnique, Automatique
Jury
Rapporteur
Fabien Ndagijimana
Professeur (INP Grenoble)
Rapporteur
Thierry Meynard
Directeur de Recherche (Univ. Toulouse)
Examinateur
François Forest
Professeur (Univ. Montpellier 2)
Directeur de thèse
Christian Vollaire
Professeur (Ecole Centrale de Lyon)
Co-directeur de thèse
François Costa
Professeur (ENS Cachan)
Encadrant
Bruno Allard
Professeur (INSA de Lyon)
Invité
Huib Visser
Senior Researcher (IMEC, Pays-Bas)

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Les progrès réalisés durant ces dernières années dans le domaine de la
microélectronique et notamment vis-à-      
développement de systèmes portables communicants de plus en plus performants et
rès rapide ; ce qui constitue un handicap majeur dans les évolutions
futures des systèmes portables.
dizaines de mètres) grâce aux microondes constitue une solution très prometteuse pour
          on de cette
énergie libre est également possible.
La rectenna (Rectifying Antenna) est le dispositif permettant de capter et de
convertir une onde électromagnétique en une tension continue. Plusieurs travaux de thèse
a rectenna ont été réalisés au sein du laboratoire.
Ces travaux avaient montré que pour des faibles niveaux de champs les tensions
délivrées par la rectenna sont généralement très faibles et inexploitables. Aussi, comme la
majorité des micro- gie et à cause de son impédance interne, les
performances de la rectenna dépendent fortement de sa charge de sortie. Ainsi, le
manquements inhérents du convertisseur RF/DC.
cause des faibles niveaux de puissance exploités. Par conséquent, la rectenna est très
souvent utilisée tel quelle ; ce qui limite fortement le champ applicatif.
Dans ce projet de recherche, un système de gestion énergétique de la rectenna
complètement autonome a été conçu, développé et optimisé afin de garantir les
performances optimales de la rectenna quelques soient les fluctuations de la puissance
fournir à la charge des niveaux de tension utilisables.
lètement autonome à partir de niveaux
très bas de la tension et de la puissance de la source. Ce convertisseur permet donc de
auxiliaire. A cause de ses faibles performances énergétiques, ce convertisseur ne sera
utilisé que durant la phase de démarrage.
son régim   
réalisée entre la rectenna et la charge de sortie. Ce convertisseur principal fonctionnera
durant le régime permanent.
Les deux convertisseurs ont été optimisés pour des niveaux de tension et de
puissance aussi bas que quelques centaines de mV et quelques µW respectivement.

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Des mesures expérimentales réalisées sur plusieurs prototypes ont démontré le
bon fonctionnement et les excellentes performances prédites par la procédure de
conception ; ce qui nous permet de valider notre approche. De plus, les performances
obtenues se distinguent parfaitement vis-à-
deux structures sont proposés. Ceci inclut également la gestion énergétique de la charge
de sortie.
Mots-Clés: convertisseur DC/DC, flyback, résonant, RF, grappillage d’énergie,
transmission énergie sans fils, faible tension, faible puissance.

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Latest advancements in microelectronic technologies and especially with the
exponential increase of components and devices integration density have yield novel high
technology and polyvalent portable systems. Such polyvalent communication devices need
more and more available energy. Nonetheless, research in energy storage technology did
not evolve with a similar speed. This constitutes a substantial handicap for the future
evolution of portable devices.
Wireless energy transfer through large distances such as tens of meters using
microwaves is a very promising solution in order to deal with the autonomy problem in
portable devices. In addition, since electromagnetic waves are ubiquitous in our
environment, harvesting and using this free and available energy is also possible.
Rectenna (Rectifying Antenna) is the device that allows to collect and to convert
an electromagnetic wave into DC power. Several thesis research projects focusing on
studying and optimizing the rectenna was carried-out into the Ampere laboratory.
It has been shown that for a low level of the electromagnetic field the voltage
provided by the rectenna is ultra-low and thus impractical. Further, as it is the case for the
majority of energy harvesting micro-sources, the performances of the rectenna depend
highly with the loading conditions. So, the development of an interfacing circuit for the
rectenna is a necessary task in order to relieve the RF/DC converter inherent flaws.
As it is pointed out into the literature, such power management circuit is in most
cases absent due to the ultra-low power levels. In most cases, the rectenna is used as it;
which reduces strongly the applications area.
Within this research project, an ultra-low power and fully-autonomous power
management system dedicated to rectennas was developed and optimized. It allows to
guarantee highest performances of the rectenna whatever are the fluctuation of the input
power level and the output load conditions. In addition, this power management system
allows to provide a conventional voltage level to the load.
The first part of the developed system is composed by a resonant DC/DC
converter which plays the role of start-up circuit. In this case, no external energy source is
required even with low voltage and ultra-low power source conditions. Because of its
general poor energetic performances, this resonant converter will be used only during the
start-up phase.
The second part of the developed system is composed by a Flyback converter
operating in its discontinuous conduction mode. Using this mode, the converter realizes
static and very effective impedance matching with the rectenna in order to extract the
maximum available power whatever are the input and the output conditions. Furthermore,
thanks to the optimization procedure, the converter shows excellent efficiency
performances even for µW power levels based on a discrete demonstrator.
Finally, the converter provides conventional voltage levels allowing to power
standard electronics.
Experimental tests based on discrete prototypes for the both converters show distinguish
results for the start-up voltage, the impedance matching effectiveness and the efficiency as
regard to the state of the art.