AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Florian GRANTE

L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris

et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services rĂ©partis, Architectures, MOdĂ©lisation, Validation, Administration des RĂ©seaux

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Florian GRANTE

AutorisĂ© Ă  prĂ©senter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, prĂ©parĂ© Ă  TĂ©lĂ©com SudParis en :

RĂ©seaux, Informations et Communications

« Récupération d’énergie électromagnétique pour alimenter des objets connectés à faible consommation »

le mardi 6 décembre 2022 à 10h00

Amphi 3
TĂ©lĂ©com SudParis 19 Place Marguerite Perey – 91120 PALAISEAU FRANCE

Membres du jury :

M. Nel SAMAMA, Professeur, TĂ©lĂ©com SudParis, FRANCE – Directeur de thèse
M. Aziz BENLARBI-DELAI, Professeur, Sorbonne UniversitĂ©, FRANCE – Rapporteur
M. Christian VOLLAIRE, Professeur des universitĂ©s, Ecole Centrale de Lyon, FRANCE – Rapporteur
M. Adel GHAZEL, Professeur, ESIGELEC, FRANCE – Examinateur
Mme Martine VILLEGAS, Professeure, ESIEE Paris, FRANCE – Examinatrice
Mme Elizabeth COLIN, Professeure associĂ©e, EFREI, FRANCE – Examinatrice
M. Bruno DAMIEN, IngĂ©nieur, e-peas, FRANCE – Examinateur
M. Ghalid Idir ABIB, MaĂ®tre de confĂ©rences, TĂ©lĂ©com SudParis, FRANCE – Examinateur


Résumé :

Alors que l’IoT explose, ce manuscrit retranscrit les travaux de thèse rĂ©alisĂ©s dans le but de poser un regard sur la faisabilitĂ© de substituer les piles, source d’alimentation des objets connectĂ©s par les ondes WiFi dans la bande ISM Ă  2.4 GHz. Cette substitution reprĂ©sente aujourd’hui un enjeu de dĂ©veloppement durable de l’IoT pour l’économie des ressources consommables que sont les piles. Alimenter l’intĂ©gralitĂ© de l’IoT avec des piles pourrait reprĂ©senter jusqu’à 60 millions de tonnes (0.02%) d’Ă©mission de gaz Ă  effet de serre chaque annĂ©e. Il convient de dĂ©finir les contraintes Ă©nergĂ©tiques du système qui serait uniquement alimentĂ© par la rĂ©cupĂ©ration des ondes WiFi environnantes. Des mesures de consommation Ă©lectrique d’un objet connectĂ© mesurant la tempĂ©rature, la pression et l’humiditĂ© et transmettant ces donnĂ©es via du Bluetooth Low Energy (BLE) sont rĂ©alisĂ©es et sont de l’ordre de 200 µJ. La seconde contrainte du système est la provenance de cette Ă©nergie, i.e. la puissance des ondes WiFi. Un protocole de mesure nous permet d’établir la puissance moyenne d’émission d’un routeur WiFi Ă  partir d’un dĂ©bit du rĂ©seau du routeur. Nous pourrons ainsi juger rapidement si un milieu est favorable ou non Ă  ce type d’installation par simple mesure du dĂ©bit. Nous avons ensuite mis en place le dĂ©veloppement d’une rectenna (rectifying antenna) afin de convertir les ondes RF WiFi en tension continue DC, i.e. une source d’énergie utilisable par l’objet connectĂ©. Au regard des campagnes de mesures que nous avons pu rĂ©aliser sur la puissance des signaux WiFi environnants, nous estimons que le système devra fonctionner avec des signaux de puissance de l’ordre de -20 dBm. Nous prenons donc le pari de concevoir une rectenna reposant sur un schĂ©ma très simple de redresseur mono alternance utilisant qu’une seule diode Schottky. L’état de l’art nous conforte dans l’idĂ©e qu’un schĂ©ma plus complexe entrainerait une chute de l’efficacitĂ© par la faiblesse du signal. Ce convertisseur, simulĂ© et optimisĂ© via le logiciel Keysight ADS, permet alors de mesurer des tensions DC allant jusqu’à 150 mV avec un signal incident RF d’une puissance de -20 dBm dans la bande ISM. Cependant, 1.8 V Ă  3.3 V sont nĂ©cessaires pour ce type de système. Nous avons alors recours Ă  un Ă©lĂ©vateur de tension capable de fournir cette tension Ă  partir d’une tension incidente de 20 mV. NĂ©anmoins, un problème d’adaptation d’impĂ©dance avec notre convertisseur entraine une chute de tension trop importante. De plus, l’énergie rĂ©cupĂ©rĂ©e en sortie du convertisseur Ă©tant trop faible pour initier instantanĂ©ment l’élĂ©vation de tension, un stockage d’énergie intermĂ©diaire est nĂ©cessaire. Nous mettons alors en place un circuit appropriĂ© pour la rĂ©cupĂ©ration d’énergie RF qui repose sur un super condensateur entourĂ© d’interrupteurs. Nous pouvons tantĂ´t isoler le super condensateur avec le convertisseur pour stocker l’énergie Ă  une tension optimale, tantĂ´t isoler ce super condensateur chargĂ© Ă  la bonne tension avec l’élĂ©vateur de tension. Il agit alors dans le second cas comme une source d’énergie et permet donc la conversion. Un banc de test rĂ©alisĂ© avec des interrupteurs alimentĂ©s en externe montre le fonctionnement d’une telle architecture. Notre objet connectĂ© est en mesure de transmettre ses donnĂ©es au moins une fois par heure en Ă©tant situĂ© Ă  1 m de la borne WiFi ayant un trafic rĂ©seau de 25 Mbps. Cet ajout d’interrupteurs n’est pas sans crĂ©er de problème. Ils doivent ĂŞtre auto alimentĂ©s et capables de se dĂ©clencher sur une tension aussi faible qu’une centaine de millivolts. Nous Ă©tudions la conception de ces interrupteurs Ă  partir d’un comparateur de tension Ă  base de MOSFET. Au vu de la faible tension Ă  surveiller, une Ă©tude du fonctionnement «shubthreshold» des MOSFET est rĂ©alisĂ©e pour Ă©tablir une liste de paramètres permettant le fonctionnement du comparateur. Des futurs travaux concerneraient la possibilitĂ© de rĂ©aliser de tels interrupteurs, pour obtenir un système autonome.


Abstract : « Electromagnetic energy harvesting to power low power consumption connected objects »

While the IoT is exploding, this manuscript transcribes the PhD thesis work done in order to look at the feasibility of substituting batteries, power source of connected objects by WiFi waves in the ISM band at 2.4 GHz. This substitution represents today a challenge of sustainable development of the IoT for the saving of consumable resources that are batteries. Powering the entire IoT with batteries could represent up to 60 million tons (0.02%) of greenhouse gas emissions each year. The energy constraints of the system that would be powered solely by harvesting the surrounding WiFi waves need to be defined. Measurements of power consumption of a connected object measuring temperature, pressure and humidity and transmitting these data via Bluetooth Low Energy (BLE) are carried out and are of the order of 200 µJ. The second constraint of the system is the source of this energy, i.e. the power of WiFi signals. A measurement protocol allows us to establish the average transmission power of a WiFi router from a network traffic flow of the router. We can thus quickly judge if an environment is favorable or not to this type of installation by simply measuring the network traffic. We then set up the development of a rectenna (rectifying antenna) in order to convert the WiFi RF waves into DC voltage, i.e. a source of energy usable by the connected object. Considering the measurements we have been able to make on the power of the surrounding WiFi signals, we estimate that the system will have to work with power signals of the order of -20 dBm. We therefore take the bet to design a rectenna based on a very simple schematic of a single-wave rectifier using only one Schottky diode. The state of the art confirms us in the idea that a more complex schematic would lead to a drop in efficiency by the weakness of the signal. This converter, simulated and optimized via the Keysight ADS software, can then measure DC voltages up to 150 mV with an incident RF signal of -20 dBm in the ISM band. However, 1.8 V to 3.3 V are required for this type of system. We then resort to a voltage booster capable of providing this voltage from an incident voltage of 20 mV. Nevertheless, an impedance matching problem with our converter leads to a too important voltage drop. Moreover, the energy harvested at the output of the converter being too weak to initiate instantaneously the rise in voltage, an intermediate energy storage is necessary. We then set up an appropriate circuit for RF energy harvesting, based on a super capacitor surrounded by switches. We can either isolate the super capacitor with the converter to store the energy at an optimal voltage, or isolate this super capacitor charged to the right voltage with the voltage booster. In the second case, it acts as a source of energy and thus allows the up-conversion. A test bench is realized with externally powered switches to show how such an architecture works. Our connected object is able to transmit its data at least once per hour while being located at 1 m from the WiFi terminal with a network traffic of 25 Mbps. This addition of switches is not without problems. They must be self-powered and capable of triggering on a voltage as low as a hundred millivolts. We study the design of these switches based on a MOSFET voltage comparator. In view of the low voltage to be monitored, a study of the « shubthreshold » operation of MOSFETs is carried out to establish a list of parameters allowing the operation of the comparator. Future works would concern the possibility of realizing such switches, to obtain an autonomous system.