Topologies de circuits

Les convertisseurs RF-DC sont généralement basés sur des diodes ou des transistors. La plupart des rectennas utilisent des diodes Schottky, mais les transistors de type MOSFET sont de plus en plus souvent utilisés. Les circuits de redressement des microondes ont des topologies très différentes, en fonction de la position et du nombre de diodes HF.

2.4.1.1 La topologie série

La plus simple et la plus répandue des topologies est celle à diode unique montée en série, comme dans la Figure 2.19. Il s’agit d’un redresseur simple alternance. Pendant l’alternance négative du signal d’entrée, la diodeD1est bloquée et le filtre d’entrée est chargé en énergie. Pendant l’alternance négative, la diodeD1

devient passante et l’énergie passe de la source et du filtre d’entrée vers le filtre de sortie, qui empêchent les harmoniques haute fréquence d’arriver au niveau de la charge.

Une Rectenna a généralement un bon rendement sur une gamme restreinte de fréquence ou bien un rendement médiocre sur une large bande fréquentielle. Les émetteurs sont souvent centrés sur une bande de fréquence particulière, il est donc souhaitable d’optimiser le rendement du récepteur correspondant à

cette fréquence donnée. Pour ce faire, un filtre d’entrée est inséré entre l’antenne réceptrice et le circuit de rectification. Les éléments du filtre ainsi que les éléments du circuit de rectification réalisent une bonne adaptation autour de la fréquence considérée et une désadaptation en dehors de cette bande. Ce comportement est équivalent à un filtre passe bande.

FIGURE2.19 – Topologie de la rectenna mono-diode série

2.4.1.2 La topologie shunt

Dans la topologie shunt (Figure 2.20) la diode est branchée en parallèle entre les deux filtres d’entrée et de sortie, avec l’anode ou la cathode connectée à la masse. La diode est donc directement polarisée par la tension DC qu’elle génère. Pendant l’alternance négative, la diodeD1est passante et le filtre d’entrée est chargé. Pendant l’alternance positive, la diodeD1se bloque et l’énergie est transférée depuis la source et le filtre d’entrée vers le filtre de sortie, qui joue le même rôle que dans le cas de la structure mono diode montée en série.

FIGURE2.20 – Topologie de la rectenna mono diode shunt

2.4.1.3 Le doubleur de tension

La topologie doubleur de tension (Figure 2.21) peut être vue comme une superposition de la structure série et de la structure shunt décrites précédemment. Pendant l’alternance négative, la diodeD1 conduit et

2.4. TOPOLOGIES DE RECTENNAS FAIBLE PUISSANCE 31 charge le filtre de sortie. Pendant l’alternance positive, l’énergie provenant de l’antenne et l’énergie stockée dans le filtre d’entrée est transférée à travers la diodeD2, qui devient passante, vers le filtre de sortie et la charge. Le doubleur de tension a l’avantage d’atteindre des tensions de sortie DC plus importantes, presque le double de celles atteignables par des structures mono diode. En revanche, l’efficacité de conversion RF-DC est généralement plus faible que celle des structures mono diode. En connectant en cascade plusieurs fois la même topologie, des multiplicateurs de tension peuvent être obtenus, comme dans la Figure 2.22. La tension de sortie d’un multiplieur de tension à N étages s’estime par [Karthaus, 2003] :

Vout ≈2·N·V1−diode (2.30)

FIGURE2.21 – Doubleur de tension

FIGURE2.22 – Multiplieur de tension à 4 étages

2.4.1.4 La structure en pont

Le pont de diodes, souvent utilisé dans le redressement de signaux basse fréquence, peut également être utilisé dans la conversion RF-DC (Figure 2.23). Le principe du redressement double alternance consiste en

FIGURE2.23 – Rectenna basée sur la topologie en pont

l’entière restitution au niveau de la charge de l’onde incidente, comparé à la topologie simple alternance où la charge est déconnectée de la source pendant la moitié de la période.

Pendant l’alternance positive, les diodesD1etD4sont passantes tandis queD2 etD3 sont bloquées. La tension aux bornes du filtre de sortie est la même qu’au niveau de l’entrée. Pendant l’alternance négative, les diodesD2etD3sont passantes etD1etD4sont bloquées. La direction du courant est donc la même que dans le cas précédent. Le même constat est valable pour la tension de sortie du montage en pont, qui reste positive.

La structure en pont offre des meilleures tenues en puissance. Étant donné que deux diodes en série sont conductrices simultanément, la puissance critique est réduite en réduisant la chute de tension aux bornes de chaque diode. En revanche, comme le signal doit toujours franchir deux tensions de seuil, le rendement est médiocre dans le cas des faibles puissances incidentes. C’est pour cette raison que cette structure n’est pas la plus adaptée pour des faibles niveaux de puissance.

2.4.1.5 Rectennas à base de transistors MOSFET

La conversion RF-DC est effectuée en utilisant des transistors MOSFET pour lesquels la commande est constituée par le signal rectifié lui même. Plusieurs topologies existent. Le circuit de la Figure 2.24 est conçu pour alimenter un capteur semi-actif. La batterie présente dans le système sert à pré-polariser les deux transistors NMOS afin d’augmenter la sensibilité de la structure. Cette topologie affiche 11% de rendement de conversion RF-DC pour une puissance d’entrée de -6 dBm, ce qui correspond à 250 µW de puissance incidente à 950 MHz [Umedaet al., 2006].

Des redresseurs double alternance à base de MOSFET ont également été proposés. Le circuit de la Figure 2.25 fonctionne sur le même principe que le pont redresseur avec un retour de courant à travers les diodes Schottky. Cette structure offre une bonne efficacité mais uniquement pour des niveaux de puissance supérieurs à 1 mW. Ceci se justifie par le fait que la sensibilité est dégradée par la présence de pertes supplémentaires dans les diodes [Lamet al., 2006].

Les doubleurs et multiplieurs de tension ont également leurs équivalents en utilisant des transistors MOS- FET. La structure de la Figure 2.26 est un multiplieur de tension à plusieurs étages, qui peut être facilement configuré en fonction du niveau de tension nécessaire, pour une application spécifique. Les résultats expéri- mentaux on montré des caractéristiques excellentes en détection à 900 MHz. L’utilisation d’une telle structure est moins pratique lorsqu’on recherche à fournir de l’énergie à un circuit, en raison de son faible rendement de conversion [Yaoet al., 2009].