WO2020030696A1 - Circuit de collecte d'énergie radiofréquence et dispositif de communication intégrant un tel circuit de collecte radiofréquence - Google Patents

Circuit de collecte d'énergie radiofréquence et dispositif de communication intégrant un tel circuit de collecte radiofréquence Download PDF

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Jan Mennekens
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of electrical energy collection circuits, and more particularly relates to a radiofrequency energy collection circuit making it possible to collect radiofrequency energy at low reception levels.
  • FIG. 1 schematically represents a known example of a circuit 10 for collecting radio frequency energy.
  • the circuit 10 for collecting radiofrequency energy firstly comprises an antenna 11 adapted to receive radiofrequency energy.
  • the radiofrequency energy collection circuit 10 also includes a converter adapted to convert the received radiofrequency energy into a direct electrical voltage, known as an “RF / DC converter” 13.
  • the RF / DC converter 13 is a rectifier multiplier circuit of voltage consisting of one or more diodes and one or more capacitors connected together, for example in the form of a Greinacher circuit.
  • the circuit 10 for collecting radiofrequency energy also includes an impedance matching circuit 12, between the antenna 11 and the RF / DC converter 13, aiming to adapt the respective impedances of said antenna 11 and said RF converter / CD 13.
  • the assembly constituted by the antenna 11, the circuit 12 for impedance matching and the RF / DC converter 13 is also known under the name of “rectifying antenna” in the scientific literature (or “rectenna” for “rectifying antenna ”in Anglo-Saxon literature).
  • the radio frequency energy collection circuit 10 also includes an interface circuit 14 which provides the interface between the RF / DC converter 13 and a capacity 15 for storing electrical energy. It is then from the storage capacity that other equipment (sensor, microprocessor, wireless communication circuit, etc.) is supplied with electrical energy. Conventionally, the interface circuit 14 aims to maximize the electrical power supplied to the storage capacity 15. To this end, the interface circuit 14 includes a circuit for monitoring the maximum power point, called the “MPPT circuit” 140 (“Maximum Power Point Tracking”). In known manner, an MPPT 140 circuit dynamically modifies the load at the output of the RF / DC converter 13 in order to maximize the electrical power at the output of said MPPT 140 circuit. Most often, the MPPT 140 circuit is also followed by a circuit DC voltage booster, known as a “DC / DC boost converter” 141, which aims to increase the maximum voltage value at the terminals of the storage capacity.
  • a circuit DC voltage booster known as a “DC / DC boost converter” 141
  • a circuit 10 for collecting radio frequency energy as illustrated in FIG. 1 exhibits good performance when the radio frequency energy received by the antenna 1 1 is not too low, greater than -17 dBm.
  • the interface circuit 14 makes it possible to maximize the electric power supplied to the storage capacity 15, and therefore to charge the latter efficiently and quickly.
  • radiofrequency energy collection circuit 10 is not suitable in the case where the radiofrequency energy received by the antenna 11 is lower.
  • a received radio frequency energy level below -20 dBm will generally be insufficient to supply the MPPT 140 circuit alone, which has many active components that must be supplied with electrical energy in order to function. Since the electrical energy supplied by the RF / DC converter 13 is insufficient to operate the MPPT circuit 140, and more generally the interface circuit 14, it is therefore not possible to charge the storage capacity 15.
  • the minimum level of electrical energy received making it possible to charge the capacity 15 storage device determines the maximum range of said wireless power supply system.
  • a reception level of -17 dBm corresponds, for a radiofrequency energy transmitter which transmits at 33 dBm (2 Watts), to a maximum range of 10 meters.
  • the object of the present invention is to remedy all or part of the limitations of the solutions of the prior art, in particular those set out above, by proposing a solution which makes it possible to collect radio frequency energy at reception levels lower than those of the prior art.
  • the invention relates to a radiofrequency energy collection circuit, comprising an antenna adapted to receive radiofrequency energy, a converter adapted to convert the radiofrequency energy received into a direct electrical voltage , called “RF / DC converter”, an electrical energy storage capacity and an interface circuit arranged between an output port of said RF / DC converter and said electrical energy storage capacity.
  • Said interface circuit is a passive electrical circuit comprising a resistive load placed in series between the output port of the RF / DC converter and the electrical energy storage capacity, so that the RF / DC converter charges the storage capacity electrical energy through said resistive load, said resistive load being of static value equal to or greater than 400 kilo-ohms.
  • the interface circuit according to the invention is a passive electrical circuit, c is to say made up only of passive components. Therefore, it is possible to charge the storage capacity even with low levels of received radio frequency energy.
  • the interface circuit according to the invention comprises, and is preferably constituted by, a resistive load arranged in series between the output port of the RF / DC converter and the electrical energy storage capacity.
  • this resistive load is of high value, that is to say greater than 400 kilo-ohms (400 kQ).
  • the value of this resistive load is static, that is to say that it cannot be modified and is therefore the same whatever the level of radiofrequency energy received.
  • Such a high value resistive load, in series between the RF / DC converter and the storage capacity introduces losses by Joule effect which are all the more important as the value of said resistive load is high.
  • the inventors have found that the presence of such a resistive load makes it possible to improve the sensitivity of the radio frequency energy collection circuit, so that the storage capacity can be charged even with low levels of radio frequency energy. received.
  • the higher the value of this resistive load the more theoretically the sensitivity of the radiofrequency energy collection circuit.
  • the value of this resistive load can be greater than 1 mega ohms (1 MW), or even greater than 3 or 6 MW.
  • the prior art radiofrequency energy collection circuit 10 makes it possible to load the storage capacity 15 more quickly.
  • the radiofrequency energy collection circuit according to the invention therefore does not allow charging as fast as that of the prior art, but nevertheless makes it possible to charge the storage capacity at received radiofrequency energy levels for which no charge is possible with the radio frequency energy collection circuit according to the prior art.
  • resistive load arranged in series between the output port of the RF / DC converter and the storage capacity resides in the fact that it makes it possible to protect the radio frequency energy collection circuit against a possible overcurrent (“overcurrent »In the Anglo-Saxon literature), since the high value of this resistive load will limit the maximum intensity of the current flowing in the radiofrequency energy collection circuit.
  • this resistive load makes it possible both to improve the sensitivity of the radiofrequency energy collection circuit and to limit the maximum intensity of the current flowing in it.
  • the radio frequency energy collection circuit may also include one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination.
  • the electrical energy storage capacity comprises a super-capacitor.
  • the RF / DC converter is a Greinacher circuit.
  • the invention relates to a communication device, comprising:
  • an electrical voltage control circuit configured to evaluate a criterion of sufficient electrical voltage and, when the criterion of sufficient electrical voltage is verified, to supply electrical power to the communication circuit from the electrical energy storage capacity .
  • the communication device may also include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the electrical voltage control circuit includes a DC voltage booster circuit, called a "DC / DC boost converter”.
  • the communication circuit includes a control module and a wireless communication module adapted to transmit messages in the form of radio frequency signals.
  • the wireless communication module is configured to transmit each message as a sequence of ultra-wideband radio pulses.
  • control module is configured for, when it is supplied with electrical energy:
  • Such arrangements make it possible to reduce the probability of collision between messages sent by different communication devices, in particular for communication devices encouraged to transmit simultaneously, such as communication devices which pass together through a gantry equipped with a radio transmitter.
  • radiofrequency energy In such a case, the radiofrequency energy transmitter rapidly charges the said communication devices, which tends to group the transmissions of the first messages over time by these communication devices, so that the probability of collision between the first messages is potentially high.
  • the random transmission delay is selected to randomly spread the emissions of the second messages over time, thereby reducing the probability of collision between the second messages.
  • FIG. 2 a schematic representation of an exemplary embodiment of a radioelectric energy collection circuit according to the invention
  • FIG. 3 a schematic representation of an exemplary embodiment of an RF / DC converter
  • FIG. 4 a schematic representation of an exemplary embodiment of a communication device comprising a radio frequency energy collection circuit according to the invention
  • Figure 5 a schematic representation of an alternative embodiment of the communication device of Figure 4.
  • FIG. 2 schematically represents an exemplary embodiment of a circuit 20 for collecting radio frequency energy according to the invention.
  • the circuit 20 for collecting radiofrequency energy firstly comprises an antenna 21 adapted to receive radiofrequency energy in a predetermined frequency band, for example in a frequency band centered on 867 megahertz (MHz) or 915 MHz.
  • a predetermined frequency band for example in a frequency band centered on 867 megahertz (MHz) or 915 MHz.
  • MHz 867 megahertz
  • 915 MHz 915 MHz.
  • the radiofrequency energy collection circuit 20 also includes a converter adapted to convert the radiofrequency energy received by the antenna 21 into a direct electrical voltage, called “RF / DC converter” 23. More particularly, the radiofrequency energy is received on an input port 230 of the RF / DC converter 23, in the form of an alternating electrical voltage. The DC voltage obtained by converting radio frequency energy is supplied to an output port 231 of the RF / DC converter.
  • the radio frequency energy collection circuit 20 also includes an impedance matching circuit 22, between the antenna 21 and the input port 230 of said RF / DC converter 23, aimed at adapting the respective impedances of said antenna 21 and said RF / DC converter 23 in the predetermined frequency band.
  • the impedance matching circuit 22 is outside the scope of the present invention, and the design of such an impedance matching circuit 22 is considered to be within the reach of ordinary skill. art.
  • the radio frequency energy collection circuit 20 also includes an interface circuit 24 which provides the interface between the output port 231 of the RF / DC converter 23 and a capacity 25 for storing electrical energy. It is then from the storage capacity that other equipment (sensor, microprocessor, wireless communication circuit, etc.) is supplied with electrical energy.
  • the storage capacity is for example formed by one or more capacitors, or by one or more super- capacitors, etc.
  • the value of the storage capacity is for example between 10 microfarads (pF) and 220 pF.
  • the interface circuit 24 is a passive electrical circuit.
  • passive electrical circuit it is meant that said interface circuit 24 only comprises passive components (coil, capacitor or resistor).
  • the interface circuit 24 includes at least one resistive load 240 arranged in series between the output port 231 of the RF / DC converter 23 and the capacity 25 for storing electrical energy, so that the RF / DC converter 23 charges the storage capacity 25 through the resistive load 240.
  • the resistive load 240 has a first terminal and a second terminal. The first terminal of the resistive load 240 is connected to the output port 231 of the RF / DC converter 23 and the second terminal of the resistive load 240 is connected to a first electrode of the storage capacity 25.
  • the storage capacity 25 for electrical energy also includes a second electrode which is connected to the electrical ground.
  • resistive load is meant a single resistance (discrete component) between the first terminal and the second terminal, or the equivalent resistance of a group of resistors (discrete components) in series with one another and / or in parallel between them the first terminal and the second terminal.
  • the resistive load 240 is constituted by a single resistance.
  • the resistive load 240 is also of high value, that is to say equal to or greater than 400 kQ.
  • the value of the resistive load 240 is static, that is to say that it cannot be controlled or modified over time, and is therefore entirely determined and fixed by the choice of the discrete component (s) (resistors) forming said resistive load 240.
  • the absence of active components that must be supplied in order to function (and therefore the absence of an MPPT circuit) between the RF / DC converter 23 and the storage capacity 25, coupled with the high value of the resistive load 240 in series between the RF / DC converter 23 and the storage capacity 25 makes it possible to improve the sensitivity of the circuit 20 for collecting radio frequency energy with respect to the circuit 10 for collecting radio frequency energy of the prior art described with reference to FIG. 1 .
  • the sensitivity of the radio frequency energy collection circuit 20 increases with the value of the resistive load 240.
  • the value of the resistive load 240 can be, in preferred embodiments, equal to or greater than 1 MW, or even equal or greater than 3 or 6 MW, in order to increase the sensitivity of said radio frequency energy collection circuit 20. It should also be noted that the presence of such a resistive load 240 of high value makes it possible to simplify the design of the adaptation circuit 22.
  • the interface circuit 24 is constituted by the resistive load 240, that is to say that it does not comprise any other component than said resistive load 240 between the converter RF / DC 23 and the capacity 25 for storing electrical energy.
  • the interface circuit 24 comprising other passive components, for example for carrying out passive filtering.
  • the RF / DC converter 23 is for example a voltage multiplier rectifier circuit constituted by one or more diodes and one or more capacitors connected together.
  • FIG. 3 schematically represents a nonlimiting example of an embodiment of the RF / DC converter 23, in which said RF / DC converter 23 is a Greinacher circuit.
  • a Greinacher circuit comprises at least two stages, each stage comprising a capacitor and a diode, preferably a Schottky diode.
  • the Greinacher circuit comprises four stages E1, E2, E3 and E4, which in theory makes it possible to obtain a DC voltage on the output port 231 of up to four times the amplitude of the alternating voltage received on the input port 230.
  • the number of stages is chosen as a function of the electrical voltage desired at the terminals of the storage capacity 25 in order to be able to supply other equipment, taking into account the presence of the resistive load 240 between the RF / DC converter 23 and the storage capacity.
  • the high value resistive load 240 makes it possible to improve the sensitivity of the radio frequency energy collection circuit 20 of the fact that the intensity of the current flowing in the rectifier antenna (antenna 21, adaptation circuit 22 and RF / DC converter 23) is low due to the high value of said resistive load 240, which makes it possible to limit losses of voltage induced by the parasitic resistances (series resistances) of the diodes of the RF / DC converter 23.
  • the efficiency of the RF / DC converter 23 is improved by reducing the intensity of the current.
  • this makes it possible to increase the number of stages of said RF / DC converter 23 without excessively increasing said voltage losses.
  • the electrical energy stored in the storage capacity is then used to power other equipment.
  • each of said receiving devices can also be a radiofrequency energy transmitter used to remotely supply the device 50 Communication.
  • FIG. 4 schematically represents an exemplary embodiment of a communication device 50.
  • the communication device 50 comprises, in addition to a circuit 20 for collecting radio frequency energy in accordance with the invention:
  • control circuit 30 is configured to ensure that the electrical voltage supplied to the communication circuit 40 is sufficient to allow said communication circuit 40 to operate correctly and therefore to transmit at least one message. Therefore, the control circuit 30 is configured to evaluate a criterion of sufficient electrical voltage and, when the criterion of sufficient electrical voltage is verified, to supply electrical power to the communication circuit 40 from the storage capacity 25 of electrical energy.
  • the control circuit 30 includes a charge evaluation module 31 which checks whether the charge of the storage capacity 25 is sufficient, for example by comparing the electrical voltage across said storage capacity 25 with a value predetermined threshold.
  • a charge evaluation module 31 which checks whether the charge of the storage capacity 25 is sufficient, for example by comparing the electrical voltage across said storage capacity 25 with a value predetermined threshold.
  • any type of load assessment module 31 known to those skilled in the art can be implemented, and the choice of a particular type of load assessment module is only a variant. of implementation of the invention.
  • a switch 32 which was previously in the open state, is controlled by the load evaluation module 31 in the closed state.
  • the electrical voltage control circuit 30 comprises a DC voltage booster circuit, known as a "DC / DC boost converter” 33, which is then supplied by the storage capacity 25. The criterion of sufficient electrical voltage is then completely verified only when the raised electrical voltage supplied by the DC / DC boost converter 33 has reached an electrical voltage sufficient to supply the communication circuit 40. When this is the case, the raised electrical voltage is supplied to the communication circuit 40 which can then be activated to, in particular, send a message.
  • FIG. 5 diagrammatically represents an exemplary embodiment in which the electrical voltage control circuit 30 is devoid of a DC / DC boost converter 33.
  • the circuit 40 of communication comprises a control module 41 and a wireless communication module 42.
  • the wireless communication module 42 is for example in the form of a radiofrequency circuit comprising equipment (antenna, amplifier, local oscillator, mixer, analog filter, etc.) suitable for transmitting messages in the form of radiofrequency signals, considered to be known to those skilled in the art.
  • the wireless communication module 42 is configured to transmit each message in the form of an ultra-wideband radio pulse sequence.
  • ultra-wide band (“Ultra Wide Band” or UWB in the English literature)
  • the message, transmitted in the form of a radiofrequency signal presents at an instant an instantaneous frequency spectrum of width (at -10 dB relative to the maximum power of said instantaneous frequency spectrum) greater than 500 MHz.
  • these messages are transmitted in a frequency band centered on 4 gigahertz (GHz) and / or centered on 7.25 GHz.
  • GHz gigahertz
  • 7.25 GHz 7.25 GHz
  • the control module 41 comprises for example one or more processors and storage means (magnetic hard disk, electronic memory, optical disk, etc.) in which a computer program product is stored, in the form of a set of program code instructions to be executed to control the operation of the wireless communication module 42.
  • the control module 41 includes one or more programmable logic circuits (FPGA, PLD, etc.), and / or one or more specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. ., adapted to control the operation of the wireless communication module 42.
  • control module 41 includes a set of means configured in software (specific computer program product) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, discrete electronic components, etc.) to control the module. 42 wireless communication.
  • control module 41 is configured to, when it is supplied with electrical energy: - send a first message via the wireless communication module 42,
  • the random transmission delay is for example randomly selected from a predetermined range of possible delays, delimited by a minimum delay value which can be positive or zero and a maximum delay value which can be greater than the duration of one or more multiple messages.
  • any known method for selecting random values can be implemented, and the choice of a particular method only constitutes an implementation variant of the invention.
  • the method for selecting random values chosen must make it possible to ensure that, at the same given instant, the probability that two different communication devices 50 simultaneously select the same random transmission delay is low.

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Abstract

La présente invention concerne un circuit (20) de collecte d'énergie radiofréquence comportant une antenne (21) adaptée à recevoir de l'énergie radiofréquence, un convertisseur adapté à convertir l'énergie radiofréquence reçue en une tension électrique continue, dit « convertisseur RF / DC (23) », une capacité (25) de stockage d'énergie électrique et un circuit (24) d'interface agencé entre un port de sortie dudit convertisseur RF / DC (23) et ladite capacité (25) de stockage d'énergie électrique. Le circuit (24) d'interface est un circuit électrique passif comportant une charge résistive placée en série entre le port de sortie du convertisseur RF / DC (23) et la capacité (25) de stockage d'énergie électrique, ladite charge résistive étant de valeur statique égale ou supérieure à 400 kilo-ohms. L'invention concerne également un dispositif de communication intégrant un tel circuit de collecte d'énergie radiofréquence.

Description

Circuit de collecte d’énergie radiofréquence et dispositif de communication intégrant un tel circuit de collecte radiofréquence
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine des circuits électriques de collecte d’énergie, et concerne plus particulièrement un circuit de collecte d’énergie radiofréquence permettant de collecter de l’énergie radiofréquence à des niveaux de réception faibles.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La figure 1 représente schématiquement un exemple connu de circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence.
Tel qu’illustré par la figure 1 , le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence selon l’art antérieur comporte tout d’abord une antenne 11 adaptée à recevoir de l’énergie radiofréquence.
Le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un convertisseur adapté à convertir l’énergie radiofréquence reçue en une tension électrique continue, dit « convertisseur RF / DC » 13. Généralement, le convertisseur RF / DC 13 est un circuit redresseur multiplieur de tension constitué par une ou plusieurs diodes et un ou plusieurs condensateurs reliés entre eux, par exemple sous la forme d’un circuit de Greinacher.
Le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un circuit 12 d’adaptation d’impédance, entre l’antenne 1 1 et le convertisseur RF / DC 13, visant à adapter les impédances respectives de ladite antenne 11 et dudit convertisseur RF / DC 13.
L’ensemble constitué par l’antenne 11 , le circuit 12 d’adaptation d’impédance et le convertisseur RF / DC 13 est également connu sous le nom d’« antenne redresseuse » dans la littérature scientifique (ou « rectenna » pour « rectifying antenna » dans la littérature anglo-saxonne).
Le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un circuit 14 d’interface qui réalise l’interface entre le convertisseur RF / DC 13 et une capacité 15 de stockage d’énergie électrique. C’est ensuite à partir de la capacité 15 de stockage que d’autres équipements (capteur, microprocesseur, circuit de communication sans fil, etc.) sont alimentés en énergie électrique. De manière conventionnelle, le circuit 14 d’interface vise à maximiser la puissance électrique fournie à la capacité 15 de stockage. A cet effet, le circuit 14 d’interface comporte un circuit de suivi du point maximal de puissance, dit « circuit MPPT » 140 (« Maximum Power Point Tracking »). De manière connue, un circuit MPPT 140 modifie de manière dynamique la charge en sortie du convertisseur RF / DC 13 afin de maximiser la puissance électrique en sortie dudit circuit MPPT 140. Le plus souvent, le circuit MPPT 140 est également suivi d’un circuit élévateur de tension continue, dit « convertisseur DC / DC boost » 141 , qui vise à augmenter la valeur de tension maximale aux bornes de la capacité 15 de stockage.
Un circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence tel qu’illustré par la figure 1 présente de bonnes performances lorsque l’énergie radiofréquence reçue par l’antenne 1 1 n’est pas trop faible, supérieure à -17 dBm. Pour de tels niveaux d’énergie radiofréquence reçue, le circuit 14 d’interface permet en effet de maximiser la puissance électrique fournie à la capacité 15 de stockage, et donc de charger celle-ci de manière efficace et rapide.
Toutefois, un tel circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence n’est pas adapté dans le cas où l’énergie radiofréquence reçue par l’antenne 1 1 est plus faible. Par exemple, un niveau d’énergie radiofréquence reçue inférieur à -20 dBm sera généralement insuffisant pour alimenter à lui seul le circuit MPPT 140, qui comporte de nombreux composants actifs qui doivent être alimentés en énergie électrique pour pouvoir fonctionner. L’énergie électrique fournie par le convertisseur RF / DC 13 étant insuffisante pour faire fonctionner le circuit MPPT 140, et plus généralement le circuit 14 d’interface, il n’est alors pas possible de charger la capacité 15 de stockage.
Par exemple, dans un système d’alimentation électrique sans fil dans lequel le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence est alimenté à distance par un émetteur d’énergie radiofréquence, alors le niveau minimal d’énergie électrique reçue permettant de charger la capacité 15 de stockage détermine la portée maximale dudit système d’alimentation électrique sans fil. Un niveau de réception de -17 dBm correspond, pour un émetteur d’énergie radiofréquence qui émet à 33 dBm (2 Watts), à une portée maximale de 10 mètres. Or il est souhaité, pour certaines applications, pouvoir atteindre une portée maximale supérieure à 20 ou 30 mètres, ce qui n’est pas possible avec un circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence tel qu’illustré par la figure 1.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des limitations des solutions de l’art antérieur, notamment celles exposées ci-avant, en proposant une solution qui permette de collecter de l’énergie radiofréquence à des niveaux de réception inférieurs à ceux de l’art antérieur.
A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention concerne un circuit de collecte d’énergie radiofréquence, comportant une antenne adaptée à recevoir de l’énergie radiofréquence, un convertisseur adapté à convertir l’énergie radiofréquence reçue en une tension électrique continue, dit « convertisseur RF / DC », une capacité de stockage d’énergie électrique et un circuit d’interface agencé entre un port de sortie dudit convertisseur RF / DC et ladite capacité de stockage d’énergie électrique. Ledit circuit d’interface est un circuit électrique passif comportant une charge résistive placée en série entre le port de sortie du convertisseur RF / DC et la capacité de stockage d’énergie électrique, de sorte que le convertisseur RF / DC charge la capacité de stockage d’énergie électrique à travers ladite charge résistive, ladite charge résistive étant de valeur statique égale ou supérieure à 400 kilo-ohms.
Ainsi, contrairement au circuit 14 d’interface selon l’art antérieur présenté ci-dessus, comportant un circuit MPPT 140 qui comporte de nombreux composants actifs devant être alimentés, le circuit d’interface selon l’invention est un circuit électrique passif, c'est-à-dire constitué uniquement de composants passifs. Par conséquent, il est possible de charger la capacité de stockage même avec des niveaux faibles d’énergie radiofréquence reçue.
En particulier, le circuit d’interface selon l’invention comporte, et est de préférence constitué par, une charge résistive agencée en série entre le port de sortie du convertisseur RF / DC et la capacité stockage d’énergie électrique. En outre, cette charge résistive est de valeur élevée, c'est-à-dire supérieure à 400 kilo-ohms (400 kQ). La valeur de cette charge résistive est statique, c’est à dire qu’elle ne peut pas être modifiée et est donc la même quel que soit le niveau d’énergie radiofréquence reçue. Une telle charge résistive de valeur élevée, en série entre le convertisseur RF / DC et la capacité de stockage, introduit des pertes par effet Joule qui sont d’autant plus importantes que la valeur de ladite charge résistive est élevée. De telles pertes par effet Joule seraient à principe à éviter puisque l’énergie électrique consommée par cette charge résistive n’est pas transmise à la capacité de stockage. Toutefois, les inventeurs ont constaté que la présence d’une telle charge résistive permettait d’améliorer la sensibilité du circuit de collecte d’énergie radiofréquence, de sorte que la capacité 15 de stockage peut être chargée même avec des niveaux faibles d’énergie radiofréquence reçue. Plus la valeur de cette charge résistive est élevée, et plus la sensibilité du circuit de collecte d’énergie radiofréquence est théoriquement élevée. Dans des modes préférés de réalisation, la valeur de cette charge résistive peut être supérieure à 1 méga ohms (1 MW), voire supérieure à 3 ou 6 MW.
Il va toutefois de soi que, par rapport à l’art antérieur, la puissance électrique transmise à la capacité de stockage n’est pas maximisée.
Par exemple, avec un niveau d’énergie radiofréquence reçue supérieur à -17dBm, le circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence de l’art antérieur permet de charger plus rapidement la capacité 15 de stockage. Le circuit de collecte d’énergie radiofréquence selon l’invention ne permet donc pas d’avoir une charge aussi rapide que celui de l’art antérieur, mais permet cependant de charger la capacité de stockage à des niveaux d’énergie radiofréquence reçue pour lesquels aucune charge n’est possible avec le circuit de collecte d’énergie radiofréquence selon l’art antérieur.
Un autre avantage de la charge résistive agencée en série entre le port de sortie du convertisseur RF / DC et la capacité de stockage réside dans le fait qu’elle permet de protéger le circuit de collecte d’énergie radiofréquence contre une éventuelle surintensité (« overcurrent » dans la littérature anglo- saxonne), puisque la valeur élevée de cette charge résistive va limiter l’intensité maximale du courant circulant dans le circuit de collecte d’énergie radiofréquence. Ainsi, cette charge résistive permet à la fois d’améliorer la sensibilité du circuit de collecte d’énergie radiofréquence et de limiter l’intensité maximale du courant circulant dans celui-ci.
Dans des modes particuliers de réalisation, le circuit de collecte d’énergie radiofréquence peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de réalisation, la capacité de stockage d’énergie électrique comporte un super-condensateur.
Dans des modes particuliers de réalisation, le convertisseur RF / DC est un circuit de Greinacher.
Selon un second aspect, l’invention concerne un dispositif de communication, comportant :
- un circuit de communication,
- un circuit de collecte d’énergie radiofréquence selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention,
- un circuit de contrôle de tension électrique, configuré pour évaluer un critère de tension électrique suffisante et, lorsque le critère de tension électrique suffisante est vérifié, pour alimenter en énergie électrique le circuit de communication à partir de la capacité de stockage d’énergie électrique.
Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif de communication peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de réalisation, le circuit de contrôle de tension électrique comporte un circuit élévateur de tension continue, dit « convertisseur DC / DC boost ».
Dans des modes particuliers de réalisation, le circuit de communication comporte un module de contrôle et un module de communication sans fil adapté à émettre des messages sous la forme de signaux radiofréquences.
Dans des modes particuliers de réalisation, le module de communication sans fil est configuré pour émettre chaque message sous la forme d’une séquence d’impulsions radio à bande ultra-large.
Dans des modes particuliers de réalisation, le module de contrôle est configuré pour, lorsqu’il est alimenté en énergie électrique :
- émettre un premier message par l’intermédiaire du module de communication sans fil,
- sélectionner un retard aléatoire d’émission et émettre un second message, par l’intermédiaire du module de communication sans fil, après expiration du retard aléatoire d’émission sélectionné.
De telles dispositions permettent de réduire la probabilité de collision entre messages émis par des dispositifs de communication différents, en particulier pour des dispositifs de communication incités à émettre simultanément, tels que des dispositifs de communication qui passent ensemble par un portique équipé d’un émetteur d’énergie radiofréquence. Dans un tel cas, l’émetteur d’énergie radiofréquence charge rapidement lesdits dispositifs de communication, ce qui tend à regrouper dans le temps les émissions des premiers messages par ces dispositifs de communication, de sorte que la probabilité de collision entre les premiers messages est potentiellement élevée. Le retard aléatoire d’émission est sélectionné pour étaler aléatoirement dans le temps les émissions des seconds messages, permettant de réduire la probabilité de collision entre les seconds messages.
PRÉSENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures qui représentent :
- Figure 1 : déjà décrite, une représentation schématique d’un circuit de collecte d’énergie radiofréquence selon l’art antérieur,
- Figure 2 : une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un circuit de collecte d’énergie radioélectrique selon l’invention,
- Figure 3 : une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un convertisseur RF / DC,
- Figure 4 : une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un dispositif de communication comportant un circuit de collecte d’énergie radiofréquence selon l’invention,
- Figure 5 : une représentation schématique d’une variante de réalisation du dispositif de communication de la figure 4.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l’échelle, sauf mention contraire.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
La figure 2 représente schématiquement un exemple de réalisation d’un circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence selon l’invention.
Tel qu’illustré par la figure 2, le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence comporte tout d’abord une antenne 21 adaptée à recevoir de l’énergie radiofréquence dans une bande de fréquences prédéterminée, par exemple dans une bande de fréquences centrée sur 867 mégahertz (MHz) ou sur 915 MHz. Rien n’exclut cependant de considérer des bandes de fréquences centrées sur d’autres fréquences.
Le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un convertisseur adapté à convertir l’énergie radiofréquence reçue par l’antenne 21 en une tension électrique continue, dit « convertisseur RF / DC » 23. Plus particulièrement, l’énergie radiofréquence est reçue sur un port 230 d’entrée du convertisseur RF / DC 23, sous la forme d’une tension électrique alternative. La tension électrique continue obtenue par conversion de l’énergie radiofréquence est fournie sur un port 231 de sortie du convertisseur RF / DC.
Le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un circuit 22 d’adaptation d’impédance, entre l’antenne 21 et le port 230 d’entrée dudit convertisseur RF / DC 23, visant à adapter les impédances respectives de ladite antenne 21 et dudit convertisseur RF / DC 23 dans la bande de fréquences prédéterminée. De manière générale, le circuit 22 d’adaptation d’impédance sort du cadre de la présente invention, et la conception d’un tel circuit 22 d’adaptation d’impédance est considérée comme étant à la portée de l’homme de l’art.
Le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence comporte également un circuit 24 d’interface qui réalise l’interface entre le port 231 de sortie du convertisseur RF / DC 23 et une capacité 25 de stockage d’énergie électrique. C’est ensuite à partir de la capacité 25 de stockage que d’autres équipements (capteur, microprocesseur, circuit de communication sans fil, etc.) sont alimentés en énergie électrique. La capacité 25 de stockage est par exemple formée par un ou plusieurs condensateurs, ou par un ou plusieurs super- condensateurs, etc. La valeur de la capacité 25 de stockage est par exemple comprise entre 10 microfarads (pF) et 220 pF.
Selon l’invention, le circuit 24 d’interface est un circuit électrique passif. Par « circuit électrique passif », on entend que ledit circuit 24 d’interface ne comporte que des composants passifs (bobine, condensateur ou résistance). Le circuit 24 d’interface comporte au moins une charge résistive 240 agencée en série entre le port 231 de sortie du convertisseur RF / DC 23 et la capacité 25 de stockage d’énergie électrique, de sorte que le convertisseur RF / DC 23 charge la capacité 25 de stockage à travers la charge résistive 240. La charge résistive 240 comporte une première borne et une seconde borne. La première borne de la charge résistive 240 est reliée au port 231 de sortie du convertisseur RF / DC 23 et la seconde borne de la charge résistive 240 est reliée à une première électrode de la capacité 25 de stockage. La capacité 25 stockage d’énergie électrique comporte également une seconde électrode qui reliée à la masse électrique.
Par « charge résistive », on entend une résistance (composant discret) unique entre la première borne et la seconde borne, ou la résistance équivalente d’un groupe de résistances (composants discrets) en série entre elles et/ou en parallèle entre elles entre la première borne et la seconde borne. De préférence, et tel qu’illustré par la figure 2, la charge résistive 240 est constituée par une résistance unique. La charge résistive 240 est en outre de valeur élevée, c'est-à-dire égale ou supérieure à 400 kQ.
La valeur de la charge résistive 240 est statique, c’est à dire qu’elle ne peut pas être contrôlée ou modifiée au cours du temps, et est par conséquent entièrement déterminée et figée par le choix du ou des composants discrets (résistances) formant ladite charge résistive 240.
L’absence de composants actifs devant être alimentés pour pouvoir fonctionner (et donc l’absence de circuit MPPT) entre le convertisseur RF / DC 23 et la capacité 25 de stockage, couplée à la valeur élevée de la charge résistive 240 en série entre le convertisseur RF / DC 23 et la capacité 25 de stockage, permet d’améliorer la sensibilité du circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence par rapport au circuit 10 de collecte d’énergie radiofréquence de l’art antérieur décrit en référence à la figure 1. En outre, la sensibilité du circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence augmente avec la valeur de la charge résistive 240. La valeur de la charge résistive 240 peut être, dans des modes préférés de réalisation, égale ou supérieure à 1 MW, voire égale ou supérieure à 3 ou 6 MW, afin d’augmenter la sensibilité dudit circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence. Il est également à noter que la présence d’une telle charge résistive 240 de valeur élevée permet de simplifier la conception du circuit 22 d’adaptation.
De préférence, et tel qu’illustré par la figure 2, le circuit 24 d’interface est constitué par la charge résistive 240, c'est-à-dire qu’il ne comporte aucun autre composant que ladite charge résistive 240 entre le convertisseur RF / DC 23 et la capacité 25 de stockage d’énergie électrique. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples, d’avoir un circuit 24 d’interface comportant d’autres composants passifs, par exemple pour réaliser un filtrage passif.
Le convertisseur RF / DC 23 est par exemple un circuit redresseur multiplieur de tension constitué par une ou plusieurs diodes et un ou plusieurs condensateurs reliés entre eux.
La figure 3 représente schématiquement un exemple non limitatif de réalisation du convertisseur RF / DC 23, dans lequel ledit convertisseur RF / DC 23 est un circuit de Greinacher. De manière connue de l’homme de l’art, un tel circuit de Greinacher comporte au moins deux étages, chaque étage comportant un condensateur et une diode, de préférence une diode de Schottky. Dans l’exemple non limitatif illustré par la figure 3, le circuit de Greinacher comporte quatre étages E1 , E2, E3 et E4, ce qui permet d’obtenir en théorie une tension continue sur le port 231 de sortie pouvant aller jusqu’à quatre fois l’amplitude de la tension alternative reçue sur le port 230 d’entrée. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples, de considérer un circuit de Greinacher comportant un nombre d’étages différent de quatre. Typiquement, le nombre d’étages est choisi en fonction de la tension électrique souhaitée aux bornes de la capacité 25 de stockage pour pouvoir alimenter d’autres équipements, en tenant compte de la présence de la charge résistive 240 entre le convertisseur RF / DC 23 et la capacité 25 de stockage.
En pratique, la charge résistive 240 de valeur élevée permet d’améliorer la sensibilité du circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence du fait que l’intensité du courant circulant dans l’antenne redresseuse (antenne 21 , circuit 22 d’adaptation et convertisseur RF / DC 23) est faible du fait de la valeur élevée de ladite charge résistive 240, ce qui permet de limiter les pertes de tension induites par les résistances parasites (résistances séries) des diodes du convertisseur RF / DC 23. Pour une même tension électrique alternative sur le port 230 d’entrée, plus l’intensité du courant est faible et plus la tension électrique continue sur le port 231 de sortie est élevée. En d’autres termes, l’efficacité du convertisseur RF / DC 23 est améliorée en réduisant l’intensité du courant. En outre, cela permet d’augmenter le nombre d’étages dudit convertisseur RF / DC 23 sans trop augmenter lesdites pertes de tension.
Tel qu’indiqué ci-dessus, l’énergie électrique stockée dans la capacité 25 de stockage est ensuite utilisée pour alimenter d’autres équipements.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence est mis en œuvre dans un dispositif 50 de communication, c'est-à-dire dans un équipement qui utilise l’énergie électrique stockée dans la capacité 25 de stockage pour émettre des messages à destination d’un ou de plusieurs dispositifs récepteurs, chacun desdits dispositifs récepteurs pouvant être en outre un émetteur d’énergie radiofréquence mis en œuvre pour alimenter à distance le dispositif 50 de communication.
La figure 4 représente schématiquement un exemple de réalisation d’un dispositif 50 de communication.
Tel qu’illustré par la figure 4, le dispositif 50 de communication comporte, en plus d’un circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence conforme à l’invention :
- un circuit 40 de communication,
- un circuit 30 de contrôle de tension électrique agencé entre le circuit 20 de collecte d’énergie radiofréquence et le circuit 40 de communication.
De manière générale, le circuit 30 de contrôle est configuré pour assurer que la tension électrique fournie au circuit 40 de communication est suffisante pour permettre audit circuit 40 de communication de fonctionner correctement et donc d’émettre au moins un message. Par conséquent, le circuit 30 de contrôle est configuré pour évaluer un critère de tension électrique suffisante et, lorsque le critère de tension électrique suffisante est vérifié, pour alimenter en énergie électrique le circuit 40 de communication à partir de la capacité 25 de stockage d’énergie électrique.
Dans l’exemple illustré par la figure 4, l’évaluation du critère de tension électrique suffisante s’effectue principalement en deux phases. Tout d’abord le circuit 30 de contrôle comporte un module 31 d’évaluation de charge qui vérifie si la charge de la capacité 25 de stockage est suffisante, par exemple en comparant la tension électrique aux bornes de ladite capacité 25 de stockage à une valeur seuil prédéterminée. De manière générale, tout type de module 31 d’évaluation de charge connu de l’homme de l’art peut être mis en oeuvre, et le choix d’un type particulier de module d’évaluation de charge ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Lorsque la charge est considérée comme suffisante, un commutateur 32, qui était auparavant à l’état ouvert, est commandé par le module 31 d’évaluation de charge à l’état fermé. Dans l’exemple illustré par la figure 4, le circuit 30 de contrôle de tension électrique comporte un circuit élévateur de tension continue, dit « convertisseur DC / DC boost » 33, qui est alors alimenté par la capacité 25 de stockage. Le critère de tension électrique suffisante n’est alors complètement vérifié que lorsque la tension électrique surélevée fournie par le convertisseur DC / DC boost 33 a atteint une tension électrique suffisante pour alimenter le circuit 40 de communication. Lorsque c’est le cas, la tension électrique surélevée est fournie au circuit 40 de communication qui peut alors être activé pour, notamment, émettre un message.
Il est à noter que la présence du convertisseur DC / DC 33 boost est nécessaire uniquement si la tension électrique fournie par la capacité 25 de stockage (et donc par le convertisseur RF / DC 23) est insuffisante pour alimenter directement le circuit 40 de communication.
Dans le cas contraire, la présence d’un convertisseur DC / DC boost 33 n’est pas nécessaire, et la figure 5 représente schématiquement un exemple de réalisation dans lequel le circuit 30 de contrôle de tension électrique est dépourvu de convertisseur DC / DC boost 33.
Dans les exemples illustrés par les figures 4 et 5, le circuit 40 de communication comporte un module 41 de contrôle et un module 42 de communication sans fil.
Le module 42 de communication sans fil se présente par exemple sous la forme d’un circuit radiofréquence comportant des équipements (antenne, amplificateur, oscillateur local, mélangeur, filtre analogique, etc.) adaptés à émettre des messages sous la forme de signaux radiofréquences, considérés comme connus de l’homme de l’art.
Par exemple, le module 42 de communication sans fil est configuré pour émettre chaque message sous la forme d’une séquence d’impulsions radio à bande ultra-large. Par « bande ultra-large » (« Ultra Wide Band » ou UWB dans la littérature anglo-saxonne), on entend que le message, émis sous la forme d’un signal radiofréquence, présente à un instant donné un spectre fréquentiel instantané de largeur (à -10 dB par rapport à la puissance maximale dudit spectre fréquentiel instantané) supérieure à 500 MHz. Par exemple, ces messages sont émis dans une bande de fréquences centrée sur 4 gigahertz (GHz) et/ou centrée sur 7.25 GHz. Rien n’exclut cependant de considérer des bandes de fréquences centrées sur d’autres fréquences.
Le module 41 de contrôle comporte par exemple un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour contrôler le fonctionnement du module 42 de communication sans fil. Alternativement ou en complément, le module 41 de contrôle comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à contrôler le fonctionnement du module 42 de communication sans fil.
En d’autres termes, le module 41 de contrôle comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (produit programme d’ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, composants électroniques discrets, etc.) pour contrôler le module 42 de communication sans fil.
Dans des modes préférés de réalisation, le module 41 de contrôle est configuré pour, lorsqu’il est alimenté en énergie électrique : - émettre un premier message par l’intermédiaire du module 42 de communication sans fil,
- sélectionner un retard aléatoire d’émission et émettre un second message, par l’intermédiaire du module 42 de communication sans fil, après expiration du retard aléatoire d’émission sélectionné.
De telles dispositions permettent de réduire la probabilité de collision pour certains messages. Le retard aléatoire d’émission est par exemple sélectionné de manière aléatoire dans une plage prédéterminée de retards possibles, délimitée par une valeur minimale de retard pouvant être positive ou nulle et une valeur maximale de retard qui peut être supérieure à la durée d’un ou de plusieurs messages. De manière générale, toute méthode connue de sélection de valeurs aléatoires peut être mise en oeuvre, et le choix d’une méthode particulière ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. La méthode de sélection de valeurs aléatoires retenue doit permettre d’assurer que, à un même instant donné, la probabilité que deux dispositifs 50 de communication différents sélectionnent simultanément le même retard aléatoire d’émission est faible. Une fois le retard aléatoire d’émission sélectionné, le module 41 de contrôle et le module 42 de communication sans fil attendent avant d’émettre le second message, pendant toute la durée dudit retard aléatoire d’émission sélectionné. Ce n’est qu’à l’expiration dudit retard aléatoire d’émission sélectionné que le second message est émis par le module 42 de communication sans fil.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence comportant une antenne
(21 ) adaptée à recevoir de l’énergie radiofréquence, un convertisseur adapté à convertir l’énergie radiofréquence reçue en une tension électrique continue, dit « convertisseur RF / DC » (23), une capacité (25) de stockage d’énergie électrique et un circuit (24) d’interface agencé entre un port (231 ) de sortie dudit convertisseur RF / DC (23) et ladite capacité (25) de stockage d’énergie électrique, ledit circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence étant caractérisé en ce que le circuit (24) d’interface est un circuit électrique passif comportant une charge résistive (240) placée en série entre le port (231 ) de sortie du convertisseur RF / DC (23) et la capacité (25) de stockage d’énergie électrique, de sorte que le convertisseur RF / DC (23) charge la capacité (25) de stockage d’énergie électrique à travers ladite charge résistive, ladite charge résistive étant de valeur statique égale ou supérieure à 400 kilo-ohms.
2 - Circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence selon la revendication 1 , dans lequel la charge résistive (240) est de valeur égale ou supérieure à 1 méga-ohms.
3 - Circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence selon la revendication 2, dans lequel la charge résistive (240) est de valeur égale ou supérieure à 3 méga-ohms.
4 - Circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la capacité (25) de stockage d’énergie électrique comporte un super-condensateur.
5 - Circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le convertisseur RF / DC (23) est un circuit de Greinacher.
6 - Dispositif (50) de communication, comportant un circuit (40) de communication, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un circuit (20) de collecte d’énergie radiofréquence selon l’une quelconque des revendications 1 à 5,
- un circuit (30) de contrôle de tension électrique, configuré pour évaluer un critère de tension électrique suffisante et, lorsque le critère de tension électrique suffisante est vérifié, pour alimenter en énergie électrique le circuit (40) de communication à partir de la capacité (25) de stockage d’énergie électrique.
7 - Dispositif (50) de communication selon la revendication 6, dans lequel le circuit (30) de contrôle de tension électrique comporte un circuit élévateur de tension continue, dit « convertisseur DC / DC boost » (33).
8 - Dispositif (50) de communication selon l’une quelconque des revendications 6 à 7, dans lequel le circuit (40) de communication comporte un module (41 ) de contrôle et un module (42) de communication sans fil adapté à émettre des messages sous la forme de signaux radiofréquences.
9 - Dispositif (50) de communication selon la revendication 8, dans lequel le module (42) de communication sans fil est configuré pour émettre chaque message sous la forme d’une séquence d’impulsions radio à bande ultra- large.
10 - Dispositif (50) de communication selon l’une quelconque des revendications 8 à 9, dans lequel le module (41 ) de contrôle est configuré pour, lorsqu’il est alimenté en énergie électrique :
- émettre un premier message par l’intermédiaire du module (42) de communication sans fil,
- sélectionner un retard aléatoire d’émission et émettre un second message, par l’intermédiaire du module (42) de communication sans fil, après expiration du retard aléatoire d’émission sélectionné.
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