A. DJOUADI

Soutenance : 28 Mars 2022
Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes, Université de Lille, ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes.

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 at realizing structures based on metamaterials and metasurfaces on flexible substrates (Kapton and textile) for the recovery of electromagnetic energy independent of the polarization of the incident wave. Split ring antennas (SRRs) and crossed dipole metasurfaces have been studied by simulation and experimentally for operation in the ISM-2.4 GHz frequency band. A straight dipole antenna with square shaped SRRs on Kapton substrate as well as S-shaped dipole antennas with circular SRRs fabricated on textile by embroidery were studied. The antennas were designed with two objectives based on the resonance of the SRRs: reduction of the antenna size and multi-frequency operation. For the S-shaped antennas, the connection losses were reduced by using a copper wire dipole embroidered on the textile, while the SRRs were embroidered using two different conductive wires. Based on numerical simulations, a good input impedance matching of the antenna and a two-frequency operation were obtained by analyzing the resonances of the dipole and the SRRs and their coupling. These results were confirmed experimentally with two resonances measured at 2.5 GHz and 4.3 GHz for the square SRRs antenna on Kapton and 1.8 and 2.2 GHz for the circular SRRs antenna on textile with a reflection coefficient S11 greater than -20 dB and -31 dB, respectively. A metasurface representing an electromagnetic energy recuperator based on crossed symmetric dipoles integrating rectifying (Schottky diodes) and filtering (parallel LC circuits) circuits for RF/DC rectification is also presented. A metasurface of 4×4 crossed dipoles on a flexible Kapton substrate has been designed to operate in the ISM-2.4 GHz band. At each crossed dipole, a rectifier diode is integrated in each branch as well as a parallel LC circuit tuned to the operating frequency of 2.45 GHz. This filtering circuit allows to isolate each elementary cell of the metasurface in RF and to collect all the DC signals collected by each cell. The metasurface presents a maximum RF/DC conversion efficiency of about 40% in simulation and a conversion efficiency of 22% was measured for a metasurface loaded by a 400 Ohms resistor and for an incident power of 10 dBm. The collected DC voltage rises to more than 4 V and decreases to about 1 V when the metasurface is loaded by a 50 Ohm resistor.