Investigation of Ambient Radio-Frequency Energy Harvesting Circuits on Recyclable, Low-Cost and Eco-Friendly Substrates
Étude des circuits de récupération d'énergie radiofréquence ambiante sur des substrats recyclables, économes et écologiques
Résumé
The number of connected Internet of Thing (IoT) devices is increasing tremendously daily. IoT devices are involved in a wide spectrum of applications in sectors such as telecommunications, educational, healthcare, agricultural, financial, and industrial. Maximizing the use of IoT devices entails powering them autonomously. Among environmental sources (solar, mechanical, wind, Microbial fuel cells, etc) available for powering IoT devices, Radio Frequency Energy Harvesting (RFEH) is a practical if not convenient candidate. Besides the ecological issues are more and more pressing. The context of this work is to study the possibilities of designing RFEH systems on low-cost, eco-friendly, and recyclable substrates. These substrates include polymers and papers, usually not used in designing conventional RFEH circuits. The chosen materials for designing RFEH circuits are Polylactic acid polymer (PLA) and Cardboard paper. These substrates are environmentally friendly and cheap, and they are recyclable. This thesis has three main parts. The first part of this thesis is to study and characterize the selected substrates. Using fuse deposition modelling (FDM) as an additive manufacturing approach, PLA polymer is printed layer by layer. Using the Two Transmission Line (TTL) approach, the relative permittivity and loss tangents of the PLA and Cardboard substrates are determined. Cardboard paper substrates are selected from packaging wastes. The RF properties are fundamental in designing antennas and RF-DC rectifiers. Utilizing copper tapes to create conductive traces for transmission lines, antenna designs, and RF-DC rectifiers has further reduced costs and manufacturing burden. The second part of this work is to use the extracted RF properties to design antennas for capturing RF signals from the surrounding environment. The first antenna design is a Linearly Polarized (LP) microstrip patch antenna at 2.45 GHz. The second concept focuses on a Circularly Polarized (CP) patch to address the problems caused by polarization mismatch. Creating broadband antennas maximizes the antenna bandwidth. The design of the RF-DC rectifiers is the third section of this thesis. This part discusses the techniques of matching a rectifier to an antenna with a 50 Ω impedance. Additionally, discussed is the method for determining the rectifiers' ideal load to adapt them to a power management unit (PMU). This part also discusses the concept of optimal input impedance of rectifiers, and rectifiers are designed with input impedance value different from 50 Ω. The results are quite comparable to rectifiers designed on standard RF substrates on the one hand and polymers as in literature in another hand.
Le nombre d’appareils connectés à l’Internet des objets (IoT) augmente considérablement chaque jour. Les applications des appareils IoT sont présentes dans des secteurs tels que la télécommunication, l'éducation, la santé, l'agriculture, la finance et l'industrie. Maximiser l’utilisation des appareils IoT implique de les alimenter de manière autonome. Parmi les sources environnementales (solaires, mécaniques, éoliennes, piles à combustible microbiennes, etc.) disponibles pour alimenter les appareils IoT, la récupération d'énergie par radiofréquence (RFEH) est la meilleure candidate pour ce travail. Le contexte de ce travail est d'étudier les possibilités de conception de systèmes RFEH sur des substrats peu coûteux, écologiques et recyclables. Ces substrats comprennent des polymères et des papiers, pour la plupart non utilisés dans la conception de circuits RFEH. Le polymère d'acide polylactique (PLA) et le papier cartonné sont choisis pour la conception des circuits RFEH. Ces substrats sont respectueux de l’environnement, bon marché et leur recyclabilité a été prouvée dans les deux cas. Cette thèse comporte trois phases principales. Ces phases sont décrites ci-dessous. La première partie de cette thèse consiste à étudier et caractériser les substrats choisis. La modélisation par dépôt de fusible (FDM) est utilisée pour imprimer le polymère PLA couche par couche. Les tangentes de perte et la permittivité relative des substrats PLA et carton sont extraites à l'aide de la méthode à deux lignes de transmission (TTL). Ces propriétés sont fondamentales dans la conception d'antennes et de redresseurs RD-DC. Une minimisation supplémentaire des coûts a été réalisée en utilisant des bandes de cuivre pour créer les traces conductrices pour les lignes de transmission, la conception des antennes et des redresseurs RF-DC. La deuxième partie de ce travail consiste à utiliser les propriétés RF extraites dans la première phase pour concevoir les antennes permettant de capturer les signaux RF de l'environnement. La première conception d'antenne est une antenne patch micro ruban à polarisation linéaire (LP) à 2,45 GHz. Pour surmonter les défis liés à l'inadéquation de la polarisation, la deuxième conception se concentre sur le patch à polarisation circulaire (CP). L'optimisation de la bande passante se fait en concevant des antennes multiples et à large bande. La conception des redresseurs RF-DC constitue la troisième section de cette thèse. Cette phase aborde les techniques d'adaptation d'un redresseur à une antenne avec une impédance de 50 Ω. De plus, la méthode permettant de déterminer la charge idéale des redresseurs afin de les adapter à une Power Management Unit (PMU) est discutée. Cette phase aborde également le concept d'impédance d'entrée optimale des redresseurs, et les redresseurs sont conçus avec une impédance d'entrée différente de 50 Ω. Les résultats sont comparables à ceux des redresseurs conçus sur des substrats RF et des polymères standards de la littérature.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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