Metasurfaces for electromagnetic energy harvesting and wireless power transfer in the railway environment

L'intérêt pour l'alimentation en énergie électrique des différents composants de l'infrastructure ferroviaire est devenu un sujet de recherche intéressant avec le gain de popularité des systèmes ferroviaires. Pour développer un système ferroviaire intelligent, fiable, et autonome, notamment avec l'essor de différentes technologies telles que les dispositifs de l'Internet des objets et les nœuds de capteurs sans fil , l'alimentation électrique est nécessaire pour que les dispositifs soient mis en œuvre de manière fiable et autonome. Les technologies de collecte d'énergie et de transfert d'énergie sans fil peuvent être un élément clé pour l'alimentation de ces dispositifs, afin de construire un système suffisant et pratique. Il a été démontré qu'un niveau élevé d'énergie électromagnétique existe jusqu'à la région des micro-ondes à fort potentielL'objectif de ce travail est de développer de nouveaux concepts basés sur les métasurfaces, afin d'améliorer le potentiel et la performance de la récolte d'énergie EM et des technologies WPT qui peuvent être compatibles avec l'application dans l'environnement ferroviaire. Le principal défi consiste à concevoir un dispositif efficace et compact, en particulier pour les basses fréquences MHz, où les systèmes rectenna être insuffisants.Nous proposons tout d'abord un nouveau concept pour améliorer l'efficacité des systèmes conventionnels EM ou des systèmes de rectenna commercialisés sur étagère. Ce concept est basé sur la focalisation des ondes EM ambiantes dans une zone où elles peuvent être captées par un système de rectenna. La conception d'une métasurface de focalisation basée sur le profil hyperboloïde de la loi de phase généralisée est proposée : l'énergie électromagnétique ambiante incidente dans le champ lointain est concentrée en un point appelé point focal à une distance donnée de la conception de la métasurface. La métasurface est simulée et des validations expérimentales en champ proche et en champ lointain sont proposées. Des mesures ont été effectuées dans la chambre anéchoïque pour valider le concept en utilisant un système de rectenna commercialisé et la conception de la métasurface de focalisation à 900 MHz. Les résultats ont montré que, lors de la mise en œuvre du système rectenna à côté de la métasurface de focalisation, la puissance reçue est améliorée d'un facteur 5. Des essais sur le terrain ont ensuite été réalisés : le système a été mis en œuvre dans l'environnement ferroviaire en présence d'une station de base GSM-R. Les résultats ont montré que, lorsque la métasurface est mise en œuvre à côté du dispositif à antenne rectangulaire, une puissance reçue de -20 dBm est obtenue, ce qui peut être suffisant pour réveiller des dispositifs à faible puissance d'entrée tels que des capteurs sans fil, que le dispositif à antenne rectangulaire seul a donné de mauvais résultats avec une puissance reçue d'environ -40 dBm.Une solution alternative pour l'alimentation électrique sans fil dans le système ferroviaire est le WPT. l'un des principaux défis pour ces technologies dans ce cas peut être la ligne de vue avec des problèmes de mobilité : un meilleur suivi et un angle de détection plus large du dispositif alimenté sont nécessaires. Dans ce cas, la conception de métasurfaces rétrodirectives multi-angles basée sur différents concepts tels que la mise en cascade de diverses conceptions de super-cellules métamatérielles et la modulation d'impédance de surface est proposée. Ces conceptions peuvent être mises en œuvre à côté du dispositif alimenté , afin d'améliorer la localisation et le suivi du dispositif alimenté au-delà des limites communes de la ligne de signal atteignant des angles d'incidence obliques extrêmes. D'autres solutions pour l'amélioration de l'efficacité et la miniaturisation des systèmes de récolte d'énergie EM basés sur des métasurfaces absorbantes sont proposées aux basses fréquences micro-ondes.The interest for electric energy power supply to different components in the railway infrastructure, has become an interesting research topic with the gain of popularity for railway systems. To develop a smart, reliable, safe and autonomous railway system, specially with the rise of different technologies such as Internet of things (IoT) devices and wireless sensor nodes (WSN), electric power supply is needed for such that devices are implemented in a reliable and autonomous manner. Energy harvesting and wireless power transfer (WPT) technologies can be a key element for power supply to such devices, to build a sufficient and convenient system. A high level of EM energy has been shown to exist up to the microwave region and which can have a high potential for EM energy harvesting.The aim of this work is to develop novel concepts based on metasurfaces, to enhance the potential and performance of EM energy harvesting and WPT technologies which can be compatible for the application in the railway environment. The main challenge is to design an efficient and compact device specially at low MHz frequencies where conventional rectenna systems can be insufficient.We first propose a novel concept to enhance the efficiency of EM conventional or off-the-shelf commercialized rectenna systems. It is based on the focusing of the ambient EM waves in an area where it can be harvested by a rectenna system. The design of focusing metasurface based on the hyperboloidal profile of the generalized phase law is proposed: the incident ambient EM energy in the far-field, is concentrated at a point known as the focal point at a given distance from the metasurface design. The metasurface designed is simulated and experimental validations in both near field and far field are proposed. Measurements have been carried in the anechoic chamber to validate the concept using a commercialized rectenna system and the focusing metasurface design at 900 MHz. The results have shown that, when implementing the rectenna system along side the focusing metasurface, the received power is enhanced by a factor of 5. Field tests were then conducted: the system was then implemented in the railway environment in the presence of a GSM-R base station, where the results have shown that, when implementing the metasurface along side the rectenna device, -20 dBm of received power was achieved which can be sufficent to wake up low-input-power devices such as wireless sensors, whereas the rectenna device (commercial energy harvester) alone showed poor results of received power around -40 dBm.An alternative solution for wireless electric power supply in the railway system is WPT. However, one of the main challenges for such technologies in this case can be line of sight with mobilty issues: better tracking and wider detection angle of the fed device is required. In this case, the design of multi-angle retrodirective metasurfaces based on different concepts such as cascading of various metamaterial super-cell designs, and surface impedance modulation are proposed. These designs can be implemented along side the fed device (IoT or WSN), in order to enhance the localization and tracking of the fed device beyond the common line-of-signt limitations reaching extreme oblique incident angles. Other solutions for efficiency enhancement and miniaturization for EM energy harvesting systems based on absorbing metasurfaces are proposed at low microwave frequencies