Compact RF Wireless Power Transmission System for Battery-Free Geolocation Tags - LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Compact RF Wireless Power Transmission System for Battery-Free Geolocation Tags

Système Compact de Télé-alimentation par Ondes RF pour des Etiquettes Géolocalisables et Autonomes en énergie

Résumé

The significant growth of electronic systems in an increasingly connected world has led to a constant need for energy to enable continuous operation without frequent interruptions for battery recharging and replacement. Moreover, Internet of Things (IoT) objects embed more functionalities that require increased power consumption. As a result, energy autonomy has become a major concern for many electronic systems. The limitation of the life span can be addressed through alternative power supply approaches that do not rely on conventional batteries, leading to the emergence of battery-free devices. Additionally, the emergence of modern technologies and sectors for IoT objects, such as textiles, medical applications, Industry 4.0, transportation, and retail and transport) calls for the miniaturization and conformability of these systems to effectively be integrated and operate in various and complex environments. Therefore, the use and development of unconventional materials! , such as flexible, organic, and bio-degradable materials, are often favored to facilitate the integration of electronic devices. This thesis is part of a CIFRE collaboration between the LAAS-CNRS and UWINLOC company. UWINLOC has developed a geolocation solution dedicated to asset tracking and identification in an industrial area, such as a storage warehouse. This solution enables better production flow management and an optimized inventory of objects. The developed solution distinguishes itself from other tracking solutions, thanks to the battery-free operation of the geolocation tag and achieving a high localization accuracy of around a few centimeters thanks to the Ultra-Wide Band technology (UWB). The geolocation tag is remotely powered thanks to the wireless power transmission (WPT) technique via a dedicated RF power transmitter. The company aims to reduce the size of its geolocation tag and target other sectors such as retail and healthcare by developing a flexible, robust, and low-cost version of the tag. To address scientific and industrial challenges, the thesis focuses on a compact RF wire! less power transmission system for battery-free geolocation tags. The purpose of this thesis is, on one hand, the miniaturization and the optimal integration of the antennas dedicated to RF energy harvesting and on the other hand, the optimization of RF-to-DC conversion efficiency. Thus, a study of the state of the art on battery-free devices, RF energy harvesting or WPT techniques, different antenna types, and rectifier circuits (for RF-to-DC converter). A part of this thesis was dedicated to laboratory-based research activities on RF energy harvesting and wireless sensor networks. Therefore, we have studied and designed an RF energy harvesting circuit commonly known as a rectenna (combination of an antenna and a rectifier circuit), optimized for operation in the 868 MHz ISM frequency band at low power densities level. The proposed rectenna meets the requirements for compactness as it is considered electrically small. It offers good power conversion efficiency at low power! levels and does not require an expensive and complex manufacturing process The prototype was then used to supply Wireless Sensor Nodes (WSN) dedicated for Structural Health Monitoring (SHM) applications. The WSN must measure the physical parameters of the concrete structure (temperature, humidity, and resistivity) and transmit the data using LoRaWAN or Bluetooth Low Energy (BLE) communication technologies. The compactness and energy consumption of the WSN were considered to facilitate the integration and ensure long-range operation. This work enabled us to implement a proof of concept and demonstrate the feasibility of harvesting energy and transmitting data from the WSN embedded in harsh environments such as into a concrete cavity. In addition, other activities focused on the design of antennas and rectennas working at several frequencies (dedicated to BLE and Wi-Fi applications), to maximize the harvested power, and prototyped on flexible materials such as polyimide (Kap! ton) to target applications requiring device conformability. The second part of the work addresses the main topic of this thesis related to UWINLOC company, focusing on the development of a battery-free geolocation tag. Through the European project SMARTEES, the objective was to acquire crucial knowledge with regard to the development of the flexible geolocation tag. Thus, it was decided that the studies carried out, were to be concentrated solely on the energy harvesting technology of the tag. Several prototypes of antennas, rectifiers, and rectennas were designed on a selected flexible substrate, a PET-based polymer material. Prior characterization of the dielectric properties of the substrate was necessary to ensure reliable simulation and measurement results. The obtained results were satisfactory, and we were able to ensure the functionality of the geolocation tag associated with a prototyped PET-based rectenna, comparable to the current version of the tag on a rigid substrate. The challenge of miniaturizing the antennas of th! e tag was addressed through miniaturization techniques without significant degradation of the radiation efficiency. On one hand, the choice of a rigid substrate with interesting dielectric properties (lower loss tangent) allowed to slightly sacrifice of antenna performances for a reduction of the overall size. On the other hand, the use of advanced manufacturing techniques on flexible materials enabled the design of larger antennas while maintaining better efficiency and allowing them to be folded to half or one-third of their initial flat size. The comparison of experimental results between the two proposed solutions helped us identify their limitations and conclude on the most suitable solution for antenna miniaturization. In the frame of developing low-cost flexible tags, further work was performed through the MADRAS project. This project aims to develop innovative and advanced materials for flexible electronics. In this thesis, we addressed the design of the two antenna! s of the tag on several types of materials, considering the requirements related to size, robustness, and targeted performance. Several experiments were conducted, leading to a definitive full version of the flexible and compact geolocation tag with satisfactory results.
L’expansion considérable des systèmes électroniques dans un monde de plus en plus connecté a entrainé un besoin permanent d’énergie pour un fonctionnement en continu, sans nécessiter d’interruptions fréquentes pour la recharge ou le remplacement de batterie. De plus, les objets connectés intègrent davantage de fonctionnalités qui nécessitent une consommation d’énergie croissante. Ainsi, l’autonomie en énergie est devenue un enjeu majeur pour de nombreux systèmes électroniques. Cette limitation de la durée de fonctionnement peut être résolue grâce à des approches alternatives d’alimentation qui ne dépendent pas des batteries conventionnelles. Ce qui pousse au développement des dispositifs sans batterie. Par ailleurs, l’émergence de nouvelles technologies et de nouveaux secteurs d’activité pour les objets connectés tels que le textile, le médical, l’industrie 4.0, le transport et les chaînes de distribution, incite à la miniaturisation et à l’adaptabilité géométrique de ces systèmes afin de pouvoir s’intégrer et fonctionner efficacement dans des environnements variés et complexes. Ainsi, l’usage et le développement de matériaux non conventionnelles tels que les matériaux flexibles, organiques et biodégradables sont souvent privilégiés pour faciliter l’intégration des dispositifs électroniques. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration CIFRE entre le LAAS-CNRS et la société UWINLOC. Grâce à son expertise, la société a développé une solution de géolocalisation dédiée à l’identification et à la traçabilité des actifs au sein d’une zone industrielle de type entrepôt de stockage. Cette solution permet une meilleure gestion des flux de production et une optimisation de l’inventaire des objets. Elle se distingue des autres solutions de traçabilité, par le fonctionnement de son étiquette géolocalisable sans batterie, et par sa précision de localisation atteignant de l’ordre du centimètre grâce à la technologie Ultra-Wide Band (UWB). L’alimentation de l’étiquette géolocalisable est assurée par la technique de télé-alimentation via les ondes électromagnétiques ou de collecte d’énergie radiofréquence (RF) au travers d’une source émettrice dédiée. La société vise à réduire la taille de ses étiquett! es géolocalisables et à cibler d’autres secteurs d’activités tels que le commerce de détail, la santé en produisant une version d’étiquette flexible, robuste et bas coût. Pour relever les défis scientifiques et industriels, la thèse porte sur un système compact de télé-alimentation par ondes RF pour des étiquettes géolocalisables et autonomes en énergie. L’objectif de la thèse est d’une part, de miniaturiser et d’intégrer de manière optimale les antennes dédiées à la télé-alimentation, et d’autres part d’optimisation les performances radiofréquences du système. Pour cela, il a été nécessaire de se familiariser, voir en revue les types de dispositifs sans batterie, la technique de récupération d’énergie (RF), les typologies de circuit redresseur (pour la conversion d’un signal RF en courant continu). Une partie des travaux de recherche a été dédiée aux activités de recherche au sein du laboratoire sur les aspe! cts de télé-alimentation par ondes RF et sur les réseaux de capteurs sans fils. Nous avons donc étudié et conçu un circuit de récupération d’énergie RF communément appelé rectenna (association d’antenne et de redresseur), optimisé pour un fonctionnement dans la bande ISM 868 MHz à des faibles densités de puissance. Cette rectenna satisfait les exigences en termes de compacité car elle est considérée comme électriquement petite. Elle offre de bonnes performances en termes d’ efficacité de conversion à des faibles niveaux de puissance, et présente un coût de fabrication réduit grâce l’utilisation de substrats et composants du commerce. Elle a ensuite été utilisée pour l’alimentation des réseaux de capteurs sans fil dédiés au suivi de l’état de santé du béton (mesure des paramètres de température et d’humidité de la structure du béton) utilisant les technologies de communication LoRaWAN ou Bluetooth Low Energy (BLE). La compacité et la consommation en énergie des réseaux de capteurs ont été prises en compte afin de faciliter l’intégration et d’assurer un fonctionnement à longue portée. Nous avons pu valider, à travers de cette étude, la faisabilité de récupérer l’énergie et de faire fonctionner des nœuds de capteurs sans fils embarqués dans un environnement contraignant tel que le béton. La seconde partie des travaux est consacrée à la problématique de la thèse en rapport avec l’entreprise UWINLOC, autour de l’étiquette géolocalisable et autonome en énergie. A travers le projet Européen SMARTEES, nous avons d’abord acquis un large savoir-faire dans le processus de développement de l’étiquette sur un substrat flexible. En effet pour faciliter cette pré-étude, nous avons uniquement étudié l’étage de récupération d’énergie de l’étiquette. Plusieurs prototypes d’antenne, de redresseur et de rectenna ont été conçu sur un substrat flexible approprié de type PET à base de matériau polymère, pour le développement de l’étiquette géolocalisable. La caractérisation préalable des propriétés diélectriques du substrat a été nécessaire afin de garantir la fiabilité des résultats de simulation et de mesure. Les résultats ont été satisfaisants et nous avons pu garantir un fonctionnement de l’étiquette associé! e à la rectenna en PET, comparable à l’étiquette de UWINLOC sur un substrat rigide. La problématique de la miniaturisation des antennes de l’étiquette a été étudié à travers des techniques de miniaturisation sans dégrader significativement l’efficacité de rayonnement. D’une part, le choix d’un substrat rigide présentant des propriétés diélectriques intéressantes, nous a permis d’avoir un degré de liberté sur la conception des antennes plus petites en sacrifiant légèrement les performances. D’autre part, l’utilisation de techniques de fabrication avancées sur du substrat flexible a permis d’obtenir des antennes de dimensions plus importantes tout en maintenant une meilleure efficacité, pouvant ainsi être pliées jusqu’au demi ou au tiers de la taille normale à plat. La comparaison des résultats expérimentaux des deux solutions nous ont permis de cerner leurs limites et de conclure sur la solution la plus viable pour la miniaturisation. Dans la même perspective de développer des étiquettes flexibles à bas coût, d’autres travaux ont été possible grâce au projet MADRAS. Ce projet a pour objectif, le développement de matériaux innovants pour de l’électronique flexible. Dans cette thèse, nous avons aborder la conception des deux antennes de l’étiquette sur différents types de matériaux en tenant compte des différentes contraintes liées à la dimension, la robustesse et aux performances souhaitées. Plusieurs expérimentations ont été réalisées, ce qui nous a permis d’aboutir à une version finale de l’étiquette flexible et compacte avec des résultats satisfaisants .
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04424549 , version 1 (29-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04424549 , version 1

Citer

Alassane Sidibe. Compact RF Wireless Power Transmission System for Battery-Free Geolocation Tags. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. UPS Toulouse - Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04424549⟩
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