Thèse de Amine Rami DJOUADI

“Antennes et métamatériaux textiles pour la récupération de l’énergie électromagnétique ambiante”

Soutenance le 28 mars 2022 à 10h30
Amphithéâtre de l’IEMN – Laboratoire central – Villeneuve d’Ascq

Jury :

Tân-Phu VUONG, Professeur, IMEP LAHC, Université Grenoble Alpes, Rapporteur
Hélène ROUSSEL, Professeur, GeePs, Sorbonne Université, Rapporteur
Hervé AUBERT, Professeur, LAAS, INP Toulouse, Examinateur
Divitha SEETHARAMDOO, Directeur, Chargée de recherche, Université Gustave Eiffel, Examinateur
Eric LHEURETTE, Professeur, IEMN, Université de Lille, Directeur de thèse
Ludovic BURGNIES, Directeur, IEMN, Université du Littoral-Côte d’Opale, Co-encadrant
Cédric COCHRANE, Directeur, GEMTEX, ENSAIT, Invité

Résumé

Ce travail de thèse vise à réaliser des structures à base des métamatériaux et de métasurfaces sur des substrats flexibles (Kapton et textile) pour la récupération d’énergie électromagnétique indépendante de la polarisation de l’onde incidente. Des antennes à anneaux fendus (SRRs) et des métasurfaces à dipôles croisés ont été étudiées par la simulation et expérimentalement pour un fonctionnement dans la bande de fréquence ISM-2.4 GHz. Une antenne dipôle rectiligne à SRRs de forme carrée sur substrat Kapton ainsi que des antennes dipôles en forme de S à SRRs circulaires fabriquées sur textile par broderie ont été étudiées. Les antennes ont été conçues en ciblant deux objectifs basés sur la résonance des SRRs : la réduction de la taille de l’antenne et un fonctionnement multifréquence. Pour les antennes en forme de S, les pertes de connexion ont été réduites en utilisant un dipôle en fil de cuivre fixé par broderie sur le textile, alors que les SRRs ont été brodés en utilisant deux fils conducteurs différents. Sur la base de simulations numériques, une bonne adaptation d’impédance d’entrée de l’antenne et un fonctionnement à deux fréquences ont été obtenus en analysant les résonances du dipôle et des SRRs ainsi que leur couplage.
Ces résultats ont été confirmés expérimentalement avec deux résonances mesurées à 2,5 GHz et 4,3 GHz pour l’antenne à SRRs carrés sur Kapton et 1,8 et 2,2 GHz pour l’antenne à SRRs circulaires sur textile avec un coefficient de réflexion S11 supérieur à -20 dB et -31 dB, respectivement. Une métasurface qui représente un récupérateur d’énergie électromagnétique basé sur des dipôles symétriques croisés intégrant des circuits de redressement (diodes Schottky) et de filtrage (circuits LC parallèle) pour la rectification RF/DC, est aussi présentée. Une métasurface de 4×4 dipôles croisés sur un substrat de Kapton flexible a été conçue pour fonctionner dans la bande ISM-2.4 GHz. Au niveau de chaque dipôle croisé, une diode de redressement est intégrée dans chacune des branches ainsi qu’un circuit LC parallèle accordé à la fréquence de fonctionnement de 2.45 GHz. Ce circuit de filtrage permet d’isoler chaque cellule élémentaire de la métasurface en RF et de collecter l’ensemble des signaux DC collectés par chaque cellule. La métasurface présente un rendement maximum de conversion RF/DC de l’ordre de 40% en simulation et un rendement de conversion de 22% a été mesuré pour une métasurface chargée par une résistance de 400 Ohms et pour une puissance incidente de 10 dBm. La tension DC collectée s’élève alors à plus de 4 V et diminue à environ 1 V lorsque la métasurface est chargée par une résistance de 50 Ohms.

Abstract

This thesis work aims to produce structures based on metamaterials and metasurfaces fabricated on flexible substrates (Kapton and textile) for electromagnetic energy harvesting invariant with the incident wave polarization. Split Ring Resonators (SRRs) and metasurfaces with crossed dipoles have been studied by simulation and in experiments for an ISM-2.4 GHz frequency band operation. A straight dipole antenna with square-shaped SRRs on Kapton substrate and S-shaped dipole antennas with circular-shaped SRRs manufactured on textile by embroidery have been studied. The antennas have been designed with two objectives by means of the SRRs resonance: a size reduction of the antenna and a multifrequency operation. For the S-shaped antennas, connection losses have been decreased by using a copper wire dipole fixed by embroidery on the textile, whereas the SRRs have been embroidered by using two different conductive yarns. Based on numerical simulations, a good impedance matching of the antenna and a double frequency operation have been obtained by analyzing the dipole and SRRs resonances and their coupling.

These results have been experimentally validated with two resonances measured at 2.5 GHz and 4.3 GHz for the antenna with square-shaped SRR on Kapton and 1.8 and 2.2 GHz for the antenna with circular-shaped SRR on textile with a reflection coefficient S11 greater than -20 dB and -31 dB, respectively. A metasurface, which is an electromagnetic energy harvester based on symmetric crossed dipoles integrating a rectifier circuit (Schottky diodes) and a filter (parallel LC circuits) for RF / DC conversion, is also shown. A 4×4 cross resonators array has been designed on flexible Kapton substrate in order to operate in the ISM-2.4 GHz band. In each crossed dipole, a rectifier diode is integrated in each of the arms as well as a parallel LC filter tuned to 2.45 GHz. The LC filter makes it possible to isolate each elementary cell of the metasurface in RF and to take benefit of the DC signals collected by each unit cell. A maximum conversion efficiency of around 40% has been predicted by simulation, and 22% has been measured for a metasurface loaded by a resistance of 400 Ohms and for an incident power of 10 dBm. Then, a DC voltage of 4 V has been measured when the metasurface is loaded by a 400 Ohms impedance and this value is decreased down to 1 V when the metasurface is loaded by a 50 Ohms impedance.