Résultats des mesures expérimentales

4.4. CIRCUIT DOUBLEUR DE TENSION À FILTRES HYBRIDES 83 – Les autres pertes dans le circuit

Cette étude à été faite pour une fréquence d’entrée de 2.45 GHz et avec une charge de 6 kW, qui correspond à la charge optimale en termes de rendement pour cette structure. Les données sont exprimées en pourcentage par rapport à la puissance d’entrée Pin.

FIGURE4.35 – Bilan des pertes de la rectenna de la Figure 4.26

Le rendement atteint 45% pour une puissance incidente de -5 dBm. Les pertes par désadaptation au niveau du port d’excitation atteignent leur valeur minimale d’environ 8% autour du point Pin=-15 dBm, qui est la puissance pour laquelle le circuit à été optimisé. Les pertes les plus importantes se situent au niveau des diodes. Elles sont maximales autour de -20 dBm, après quoi ces pertes diminuent avec le niveau de puissance d’entrée, jusqu’à atteindre un minimum d’environ 10% vers +5 dBm. Pour des niveaux de puissance supérieures à +5 dBm, les pertes dans les diodes commencent à augmenter, sous l’effet des pertes Joule provoquées par la résistance série de la diode.

Les autres sources de pertes dans la rectenna représentent entre 3.5 et 6% de la puissance d’entrée. Ces pertes proviennent de sources multiples, dont on peut citer les pertes dans le substrat du circuit, des pertes par conduction dans les tronçons de lignes, des pertes dans les composants passifs (inductances, capacités) ainsi que des pertes par couplage et rayonnement. Ces pertes sont faibles par rapport aux pertes dans les diodes et aux pertes par désadaptation et sont difficilement quantifiable individuellement.

Les pertes dans le substrat pourraient être réduites en choisissant une substrat « faibles pertes » en hautes fréquences, tels que le Arlon 25N ou le Rogers RO4000. Ces substrats sont toutefois nettement plus onéreux que le FR4 et les gains en rendement seraient très limités.

4.4.4 Résultats des mesures expérimentales

FIGURE4.36 – Configuration du dispositif expérimental utilisé pour le test individuel de redresseurs RF-DC en conduit

– en conduit – en rayonné

Les tests en conduit ont pour objectif de tester avec précision les performances des circuits conçus. La figure 6.2 montre le dispositif expérimental utilisé pour des tests en conduit. Un générateur de signaux RF est utilisé pour contrôler avec précision la quantité de puissance injectée dans le circuit. Un boitier de résistances variables est connecté en sortie pour modifier la charge de sortie. Un voltmètre ou un oscilloscope sert à mesurer ou à visualiser la tension continue de sortie.

L’avantage des tests en conduit réside dans le fait que l’on peut contrôler précisément les conditions de tests et faire des comparaisons cohérentes avec les résultats de simulations.

Il est également possible de réaliser des essais en rayonné. Dans ce cas de figure, les circuits de rectifica- tion sont associés à une antenne dont les caractéristiques sont connues et le système est placé à une certaine distance d’une source de rayonnement. Ce type de test est moins précis car plusieurs facteurs d’incertitudes peuvent intervenir :

– désalignement des antennes d’émission et réception – réflexions multiples (murs, sol, plafond)

– absorption dû aux obstacles

– incertitude sur les niveaux réels de puissances émises et captées

Pour limiter au maximum le risque d’erreurs, les essais en rayonné se font dans la mesure du possible en chambres anechoïques. En raison des dimensions limitées des chambres anechoïques, les essais en rayonné sur grandes distances (> 5 mètres) sont faits à l’extérieur, en espace libre. La configuration du dispositif expérimental utilisé lors des tests en rayonné est présentée sur la Figure 4.37.

Un générateur RF alimente l’antenne d’émission. En réception, l’antenne capte l’onde RF et la rectenna la convertit en tension continue, appliquée à la charge. Un mesureur de champ électrique est utilisé pour vérifier le niveau de champ (en V/m) au niveau de l’antenne de réception.

4.4. CIRCUIT DOUBLEUR DE TENSION À FILTRES HYBRIDES 85

FIGURE4.37 – Configuration du dispositif expérimental utilisé pour le test en rayonné de redresseurs RF-DC 4.4.4.2 Comparaison expérimentale des structures

La Figure 4.38 présente des photographies de circuits fabriqués sur un substrat FR4 d’épaisseur 1.6 mm. A gauche, quelques prototypes réalisés suite aux comparaisons faites entre différentes structures de rectennas (section 4.2). Ces structures ont été caractérisées suivant le protocole expérimental en conduit présenté précédemment. Les résultats de mesure de la tension de sortie en fonction de la puissance incidente sont donnés sur la Figure 4.39.

Les topologies shunt et le doubleur ont des niveaux de tensions similaires pour des faibles puissances inférieurs à 10 dBm. Le doubleur fournit un niveau de tension supérieure pour des puissances supérieures à 10 dBm. Le doubleur de tension à deux étages fournit la tension la plus élevée : 500 mV à -5 dBm et atteint presque 10 V à 100 mW de puissance incidente. Son rendement de conversion est toutefois le moins élevée de tous (10 % à -15 dBm et environ 30 % à 10 dBm). La structure mono-diode série offre le meilleur compromis entre niveau de tension DC et rendement de conversion, comme prédit par les simulations (300 mV et 20 % à -15 dBm, 2 V et 40 % à 0 dBm).

FIGURE4.38 – Photographies de prototypes fabriqués. A gauche, structures à base de composants CMS ; A droite, circuit doubleur de tension avec filtres hybrides : 50W(en haut) et 10W(en bas) [Marianet al., 2011b]

FIGURE4.39 – Résultats expérimentaux du niveau de tension de sortie des différentes topologies de rectennas

Pour les doubleurs de tension avec impédance d’antenne optimisée, ils ont été fabriqués sur le même type de substrat FR4. Les filtres d’entrée et de sortie sont en technologie hybride CMS et micro-ruban. Les capacités en particulier sont réalisées avec des stubs radiaux micro-ruban.

Les résultats des tests de ces deux topologies de circuits (Figure 4.40) confirment bien les conclusions des simulations réalisées. Les performances en termes de rendement de conversion RF-DC et surtout en termes de niveau de tension DC se retrouvent considérablement améliorées. En effet, nous avons cette fois ci un niveau de tension mesurée d’environ 520 mV à 2.45 GHz et pour une puissance d’entrée de -15 dBm, par rapport à 260 mV en configuration 50W.

FIGURE 4.40 – Comparaison du niveau de tension de sortie du circuit doubleur de tension 50 Wet 10 W [Marianet al., 2011b]

4.5. EFFET DES DISPERSIONS SUR LES COMPOSANTS 87