Contribution à l'étude et à la conception d'un système de transfert et de récupération d'énergie électromagnétique à 5.8 GHZ

The work presented in this thesis is a contribution to the design of a Wireless Power Transfer system (WPT) as a reliable source to supply “Wireless Sensor Network” (WSN). The beamforming concept is used to efficiently transfer the energy wirelessly by focusing the radiation pattern toward each sensor forming the WSN. In the first part of this work, the design and the implementation of a fully integrated active phase shifter, in a BiCMOS SiGe:C 0,25 µm technology, for beamforming was presented. This phase shifter is based on an original architecture using an Injection-Locked Oscillator (ILO) associated with an in-phase/quadrature (IQ) modulator.The circuit was manufactured and the measurement results show a continuously controlled 360° phase shiftrange. Applied to each element of the antenna array, this phase shifter covers the entire beam-scanning range of the radiation pattern. In the second part, the design and implementation of an RF energy harvester system at 5.8 GHz is presented. After detailing the design methodology of the rectifier circuit in microstrip technology, the prototype was manufactured, measured and validated. Finally, the "rectenna" was combined to a commercial power management circuit to supply a resistive load emulating the behaviour of a sensor. The complete WPT system was tested experimentally in the laboratory and excellent performances are demonstrated.Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s’inscrit dans le cadre de la réalisation d’un système de transfert et de récupération d’énergie électromagnétique (EM) pour l’approvisionnement en énergie d’un Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSF). Ce système repose sur le principe de la formation de faisceaux appelée « Beamforming » afin de pointer le faisceau de l’onde EM dans la direction du nœud capteur à recharger. Dans la première partie de ce travail, la conception et l’implémentation d’un déphaseur actif à la fréquence de 5,8 GHz, totalement intégré en technologie BiCMOS SiGe:C 0,25 µm, pour la formation de faisceaux ont été présentées. Ce déphaseur est basé principalement sur l’association originale d'un Oscillateur Contrôlé en Tension (OCT) verrouillé par injection et d’un modulateur IQ. Le circuit a été fabriqué et les mesures montrent un contrôle continu du déphasage de 360°. Associé à une antenne élémentaire, ce déphaseur permet de couvrir la totalité de l’angle de dépointage du diagramme de rayonnement lorsque ces circuits seront intégrés dans un réseau antennaire. Dans la deuxième partie, la conception et la réalisation d’un système de récupération d’énergie EM à la fréquence de 5,8 GHz ont été exposées. Après avoir détaillé la méthodologie de conception du circuit redresseur en technologie micro-ruban, le prototype a été fabriqué, mesuré et validé. La dernière étape a consisté en la mise en application d’un système de Transmission d’Energie Sans Fil (TESF). Le circuit « rectenna » a ainsi été associé à un module de gestion d’énergie du commerce afin d’alimenter une charge résistive modélisant le comportement d’un capteur. Le système global a été caractérisé expérimentalement au laboratoire et les mesures ont démontré des résultats prometteurs