Conception et étude CEM d’une structure planaire ULB ‘Antenne Vivaldi couplée

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Introduction générale

Le développement de la microélectronique basse tension, basse consommation a favorisé la portabilité des systèmes électroniques. Cependant, dans bon nombre d’applications, l’autonomie des alimentations reste encore peu satisfaisante. Actuellement, la tendance à améliorer l’autonomie énergétique est devenue une préoccupation majeure suite aux progrès réalisés dans le domaine des transmissions radiofréquence sans fil, et c’est dans ce contexte que la récupération d’énergie ou Harvesting à bénéficier d’un regain d’intérêt, ouvrant un champ d’investigation à de nouvelles applications et offrant des perspectives prometteuses dans le futur. Cette perspective est envisageable car il existe de plus en plus de sources d’énergie radiofréquence grâce à la multiplication des applications sans fil telles que les réseaux mobiles GSM, Wifi, GPRS…
D’une application à l’autre, le niveau de puissance peut fluctuer. Cependant, cette énergie reste disponible et permanente. Ainsi, le challenge résidera dans la récupération de cette énergie. Par exemple, dans la pratique, cette énergie peut être exploitée pour alimenter des microsystèmes dans un environnement de sources stables, ou améliorer l’autonomie des batteries.
La procédure consiste à récupérer l’énergie électromagnétique émise par les sources de l’environnement immédiat et la transformer en puissance continue. Ceci peut être réalisé par une antenne de réception, reliée à un système susceptible de convertir l’énergie radiofréquence en puissance continue. La récupération et la conversion de l’énergie RF est assurée par un système Rectenna (Rectifying Antenna). L’étude d’optimisation de l’ensemble du circuit de Rectenna, nécessite l’utilisation des méthodes d’analyse globale associant la simulation électromagnétique (EM) et circuit. La modélisation numérique sera tout au long de ce travail un outil fondamental et décisif, dans le but de prendre en compte tous les éventuels couplages entre les différentes parties du circuit.
C’est dans ce contexte que s’est déroulé cette thèse en cotutelle par intermittence, à la fois dans le Laboratoire Signaux, Systèmes et Composants (LSSC) de la FST Fès-Maroc, et dans le Laboratoire Microélectronique et Physique des Semi-conducteurs (LaMIPS) à Caen-France. Le partenariat entre ces deux entités m’a permis de réunir d’une part les compétences théoriques de l’équipe CEM dans le domaine de l’électromagnétisme, et d’autre part la grande expérience de l’équipe LaMIPS dans la conception Electromagnétique (EM) et la caractérisation des structures dans le domaine RF. La collaboration de ces deux laboratoires de recherche a conduit
à définir un sujet de thèse original, orienté vers la conception assistée par ordinateur et l’élaboration expérimentale de structures micro-ondes comportant des circuits intégrés destinés
à la récupération d’énergie ou Harvesting.
Dans le cadre de cette thèse, les travaux élaborés se sont focalisés sur les points suivants :
Conception d’un outil de simulation numérique dans le domaine temporel pour étudier les structures micro-ondes, chargées par des éléments localisés arbitraires.
Conception, simulation électromagnétique et caractérisation d’un système ultra large bande (ULB)
Analyse CEM globale d’un système non linéaire dédié à la récupération de l’énergie radio fréquence (Rectenna).
Le manuscrit de cette thèse comporte quatre chapitres.
Dans le premier chapitre, nous traiterons de l’état de l’art sur la transmission d’énergie sans fil par micro-onde, ainsi que des différentes topologies des circuits de rectification. Nous présenterons également les différentes lignes de transmission et le principe de fonctionnement des antennes imprimées ainsi que les techniques d’alimentation qui s’y rapportent. Puis, nous donnerons quelques exemples de travaux effectués sur les structures Rectennas. Ce chapitre se terminera par l’exposé des méthodes numériques fréquentielles et temporelles utilisées dans les outils de simulation numériques ayant pour objectif la résolution des équations de Maxwell.
Le second chapitre sera consacré au développement d’un outil de simulation électromagnétique utilisant la méthode numérique des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) en 2.5D. Dans un premier temps, nous présenterons les paramètres qui définissent le domaine de calcul FDTD ainsi que les problèmes rencontrés aux interfaces. Puis, nous aborderons les conditions aux limites absorbantes permettant de limiter le domaine de calcul. Ensuite, sera mis en lumière, l’avantage majeur de la méthode FDTD qui permet de traiter des structures à caractère non linéaire, à partir desquelles seront développées les algorithmes FDTD-LE, qui tiennent compte des éléments localisés simples et complexes. Cependant, pour résoudre les équations de Maxwell, des algorithmes seront développés. Ils régissent la variation des champs électromagnétiques autour d’une structure micro-ondes multicouches et multiconducteurs chargée par une diode Schottky. Les résultats obtenus, seront validés à l’aide du logiciel commercial PSPICE.
Dans le troisième chapitre, sera développée la technologie ultra large bande (ULB) ainsi que les principales caractéristiques de type d’antennes ULB les plus répandues. Nous présenterons le principe de fonctionnement de l’antenne Vivaldi, alimentée par couplage à travers une fente gravée dans le plan de masse, suivi d’une analyse paramétrique de l’antenne Vivaldi fabriquée sur un substrat stratifié. Le dimensionnement de l’antenne sera effectué à partir de cette analyse. Ensuite, sera étudié le comportement électromagnétique de l’antenne Vivaldi de réception fonctionnant dans la bande K, Ka, Ku. Nous conclurons ce chapitre par les résultats de simulation de l’antenne Vivaldi pour différents méthodes numériques (FDTD, FEM, MoM), grâce aux logiciels : MATLAB, EMPro, ADS et Momentum., ces résultats seront comparés aux résultats de caractérisation et aux mesures des performances de rayonnement.
Le dernier chapitre sera consacré à une analyse de la structure Rectenna, qui intègre à la fois deux approches très complémentaires :
– La première, l’approche circuit qui se base sur les modèles de composants électroniques,
– La seconde qui repose sur l’analyse par la compatibilité électromagnétique prenant en compte les effets des lignes de transmission et du rayonnement.
Initialement, nous étudierons l’impact des plans de polarisation en mode émission sur la puissance reçue par l’antenne Vivaldi. Ensuite, sera examiné et analysé le comportement électromagnétique de l’antenne Vivaldi de réception fonctionnant dans la bande ISM. Egalement, sera traité l’optimisation du circuit de conversion RF/DC basé sur la diode Schottky de redressement. Deux circuits de la structure Rectenna seront étudiés en fonction de la fréquence et pour différentes valeurs de charge. En dernier lieu, une étude par co-simulation du circuit de la structure Rectenna sera élaborée à l’aide du simulateur électromagnétique EMPro 3D et du simulateur circuit (Harmonic Balance-ADS). A la suite de ces travaux, des mesures seront effectuées dans une chambre anéchoïque ; puis, elles seront comparées aux résultats obtenus par simulation de façon à valider l’étude.

Table des matières

TABLE DES MATIERS
Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art des structures hyperfréquence
I. Les systèmes de transmission sans fil
1. Introduction
2. Principe de transmission sans fil
3. Structure d’une Rectenna
3.1. Topologies du circuit de conversion RF/DC
3.2. Les réseaux de Rectenna
II. Les supports de guides d’onde
1. Introduction
2. Les lignes de transmission
2.1. Ligne bifilaire
2.2. Ligne coaxiale
2.3. Les circuits planaires
III. Les structures d’antennes planaires
1. Introduction
2. Technique d’excitation
2.1. Excitation par ligne micro-ruban
2.2. Excitation par couplage
2.3. Excitation par fente
3. Paramètres caractéristiques de l’antenne
3.1. Paramètres S
3.2. Impédance d’entrée
3.3. Efficacité
3.4. Diagramme de rayonnement
3.5. Directivité
3.6. Gain
4. Avantages et limitations
IV. Les outils de simulation numérique
1. Introduction
2. Comparaison entre les domaines de calcul
3. Présentation des méthodes numériques
3.1. Méthode TLM
3.2. La méthode FEM
3.3. Méthode MoM
3.4. Méthode FDTD
4. La simulation à l’aide de Advanced Design System (ADS)
Conclusion :
Références bibliographiques :
Chapitre II : Etude numérique et validation des algorithmes FDTD en 2.5D
I. Formalisme général sur la méthode FDTD
1. Introduction sur la Méthode FDTD
1.1. Les équations de Maxwell
1.2. Principe de Yee
1.3. Implémentation des équations de maxwell dans l’algorithme FDTD
2. Interfaces et zone conductrice
3. Problèmes numériques
3.1. Critère de stabilité
3.2. Dispersion numérique
4. Condition aux limites absorbantes
4.1. Insertion du matériau absorbant aux équations de maxwell
4.2. Paramètres de la PML
II. Extension de la méthode FDTD : Insertion des éléments localisés
1. Introduction
2. Eléments localisés linéaires
2.1. Sources passives
2.2. Sources actives
3. Eléments localisés non linéaires
III. Applications et validation du code FDTD
1. Structure de base : ligne micro ruban infinie
1.1. Présentation de la structure de base
1.2. Calcul des paramètres de la ligne avec la méthode FDTD.
2. Structure multicouche chargé par des éléments localisés linéaire
2.1. Présentation de la structure
2.2. Dimensions de la structure
2.3. Résultats et discussion
3. Structure multiconducteurs (MTL) chargée par des éléments localisés linéaires et
linéaires
3.1. Présentation de la structure
3.2. Dimensions de la structure
Conclusion
Référence bibliographique
Chapitre III : Conception et étude CEM d’une structure planaire ULB ‘Antenne Vivaldi couplée’
I. La technologie Ultra large bande
1. Introduction à la technologie ultra large bande
2. Réglementation
3. Système ULB / système bande étroite
4. Applications des systèmes ULB
4.1. Communications sans fil
4.2. Radar
5. Les types d’antenne ultra large bande
5.1. Les antennes indépendantes de la fréquence
5.2. Les antennes omnidirectionnelles
5.3. Les antennes directives
5.4. Comparaison entre les antennes ULB
II. Analyse des antennes Vivaldi
1. Introduction
2. Rayonnement de l’antenne Vivaldi
3. Techniques d’alimentation
3.1. Alimentation par ligne coaxiale – ligne à fente
3.2. Alimentation par ligne micro ruban – ligne à fente
4. Etude paramétriques de l’antenne Vivaldi
4.1. Paramètres de l’antenne Vivaldi élémentaire
4.2. Taux d’ouverture
4.3. La fente circulaire
4.4. Le stub radial
4.5. Longueur de l’antenne
5. Les réseaux d’antennes Vivaldi
III. Conception et mesure de l’antenne Vivaldi couplée
1. Conception, modélisation et analyse
1.1. Caractéristiques de conception
1.2. Corrélation entre modélisation et mesure
2. Performances de l’antenne Vivaldi couplée
2.1. Diagramme de rayonnement
2.2. Directivité et gain de l’antenne
3. Intégration de l’antenne dans différents milieux
Conclusion :
Références bibliographiques :
Chapitre IV : Analyse CEM globale, structure et circuit : Application à un système linéaire pour la récupération d’énergie
I. Les circuits de conversion d’énergie RF-DC
1. Introduction
2. Structure globale d’une Rectenna
3. Problématique
4. Optimisation du circuit de conversion RF/DC
4.1. Diode Schottky de redressement
4.2. Rendement en puissance
4.3. Choix de nombre d’étages élévateurs
4.4. Choix de la résistance de charge
II. Conception et caractérisation expérimentale de l’antenne Vivaldi
1. Conception de l’antenne Vivaldi
2. Caractérisation de l’antenne Vivaldi
2.1. Paramètres S
2.2. Diagramme de rayonnement
III. Etude expérimentale sur le système de conversion RF/DC
1. Introduction
2. Bilan de liaison
2.1. Pertes dans les câbles
3. Emission en polarisation horizontale (E-H)
3.1. Circuit de conversion avec un seul doubleur de tension
3.2. Circuit de conversion avec trois doubleurs de tension
3.3. Comparaison entre les deux circuits de conversion
4. Emission en polarisation verticale (E-V)
4.1. Circuit de conversion avec un seul doubleur de tension
5. Comparaison entre le plan d’émission vertical et horizontal
IV. Analyse CEM globale : Structure et circuit
1. Méthode de simulation
2. Validation et simulation du système de conversion RF/DC
3. Analyse CEM globale du Rectenna
3.1. Tension de sortie DC
3.2. Rendement en puissance
Conclusion
Référence bibliographique
Conclusion générale
Liste de publications