- Le nombre d’appareils de communication sans fil augmente constamment au point qu’il pourrait dépasser 24 milliards d’ici 2030.
- Dans le même temps, les capacités de ces appareils ne cessent d’évoluer, mais les méthodes utilisées pour les alimenter restent conventionnelles.
- Actuellement, les appareils électroniques sans fil doivent soit être rechargés régulièrement en y connectant un chargeur ou en les plaçant sur un socle de charge sans contact, ou leurs batteries doivent être remplacées ou rechargées lorsqu’elles sont usées.
- Ce qui peut s’avérer fastidieux et coûteux pour les applications comportant un grand nombre d’appareils qui peuvent être d’accès incommode ou difficile à localiser .
- Rohde & Schwarz explique pourquoi les techniques de transfert d’énergie sans fil par radiofréquence (RF) constituent une solution prometteuse pour recharger les appareils électroniques de faible consommation.
Bien que les signaux radiofréquences (RF) sont traditionnellement utilisés pour la transmission de données, ils peuvent également transférer de l’énergie par voie aérienne. Un système de conversion d’énergie spécifique peut convertir les signaux RF en un courant électrique continu (CC) pour alimenter des circuits électroniques.
L’alimentation sans fil par RF est particulièrement pertinente pour les applications qui impliquent un grand nombre d’appareils sans fil de faible consommation d’énergie tels que les capteurs domotiques, les étiquettes électroniques, les appareils IoT de faible puissance…
Grâce au transfert d’énergie sans fil par RF, ces appareils peuvent être alimentés en cours d’utilisation et en mouvement, sans nécessiter d’intervention manuelle. Cette technologie réduit considérablement le besoin de maintenance, améliorant l’efficacité et réduisant les coûts.
Transfert d’énergie sans fil par radiofréquence (RF)
Un appareil peut être alimenté par des signaux RF par l’intermédiaire d’un dispositif combinant une antenne et un redresseur. L’antenne capte le signal RF et le redresseur convertit le signal RF en un courant continu (DC). Cette énergie peut alors être utilisée pour alimenter directement l’appareil ou être stockée dans une batterie ou un supercondensateur en vue d’une utilisation ultérieure.
Un redresseur se compose généralement de diodes suivies d’un filtre passe-bas (LPF) reposant sur un condensateur. Un redresseur est un circuit non linéaire. Sa puissance de sortie DC dépend donc de manière non linéaire de la puissance d’entrée RF. La puissance DC de sortie dépend non seulement de l’intensité du signal RF d’entrée, mais aussi de sa forme d’onde. Par exemple, les signaux ayant un rapport puissance de crête/puissance moyenne (PAPR) élevé produisent une puissance DC de sortie plus élevée pour une puissance RF incidente moyenne donnée par rapport aux signaux à enveloppe constante. En effet, les crêtes d’un signal à PAPR élevé sont plus susceptibles de dépasser la tension d’activation de la diode, par rapport à un signal à enveloppe constante ayant la même puissance moyenne mais une puissance de crête plus faible.
Norme de l’AirFuel Alliance
L’AirFuel Alliance a développé une norme qui définit les modes opératoires entre l’émetteur et le récepteur RF. Cette norme vise à assurer l’interopérabilité entre les appareils de différents fournisseurs, favorisant ainsi le développement de produits utilisant la technologie de transfert d’énergie RF.
AirFuel Alliance est une coalition mondiale d’entreprises qui élabore des normes pour le champ proche (résonance magnétique) et le champ lointain (utilisation de l’alimentation sans fil par radiofréquence). La norme AirFuel Resonant, pour les appareils utilisant la résonance magnétique, a déjà été adoptée par des produits commerciaux. En janvier 2023, la spécification de base du système AirFuel RF a été publiée, et les tests d’interopérabilité et de conformité AirFuel RF sont actuellement en préparation. Pour qu’un appareil soit certifié par la norme AirFuel Alliance RF, il doit satisfaire à ces tests.
En tant que membre actif de l’AirFuel Alliance, Rohde & Schwarz participe au développement de la norme AirFuel RF. L’entreprise allemande s’appuie sur son expertise en tant que fournisseur d’instruments de test et de mesure pour contribuer au développement de normes industrielles qui permettront de déployer des solutions d’alimentation sans fil.
Ambient IoT du 3GPP
Le 3GPP est une organisation mondiale qui produit et publie les spécifications techniques pour les réseaux mobiles. Prenant en compte les exigences des nouvelles applications IoT, telles que les appareils sans batterie, le 3GPP a introduit une nouvelle catégorie de technologie appelée Ambient IoT.
Le nombre de connexions et la densité des appareils dans un réseau Ambient IoT peuvent être plus élevés que pour les existantes technologies IoT définies par le 3GPP. Dans le même temps, la complexité, la capacité de stockage d’énergie, la consommation d’énergie et la couverture réseau des appareils Ambient IoT sont plus faibles que pour les existantes technologies LPWA (low power wide area) spécifiées par le 3GPP. Les faibles besoins en énergie des dispositifs Ambient IoT font des signaux RF une source potentielle d’énergie.
Projet Wireless Power Tester
Le projet WPT (Wireless Power Tester) de Rohde & Schwarz est consacré au développement d’une solution de test pour les émetteurs et les récepteurs de puissance sans fil. Le projet se concentre sur le test de l’efficacité des récepteurs de puissance sans fil selon différents états de la batterie. Il s’attache également à mesurer l’efficacité de la conversion RF-DC pour différentes formes d’ondes RF.
Le projet effectue en outre les tests de conformité définis par la norme RF de l’AirFuel Alliance. Depuis 2022, Rohde & Schwarz participe à la conférence et à l’exposition annuelles de l’IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE), un événement mondial pour la recherche sur l’alimentation sans fil. En mai 2024, Rohde & Schwarz a présenté plusieurs tests de conformité de l’AirFuel Alliance lors de la WPTCE à Kyoto, au Japon.
Des experts de Rohde & Schwarz ont effectué une présentation relative au transfert d’énergie sans fil par RF lors du congrès Wireless en 2023. Dans un article, ils expliquent expérimentalement l’effet de la forme d’onde du signal d’émission sur la quantité de courant continu récoltée par un récepteur de collecte d’énergie. Ils utilisent notamment un générateur de signaux de Rohde & Schwarz qui transfère des signaux RF pour alimenter un récepteur sans batterie de Powercast. Le générateur de signaux a permis de transmettre différentes formes d’ondes, montrant que les signaux de transmission avec un rapport puissance de crête/puissance moyenne élevé, par exemple un signal de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) de la 5G, peuvent fournir une puissance DC plus élevée au récepteur par rapport à un signal sinusoïdal à enveloppe constante avec la même puissance d’émission moyenne. En outre, les spécialistes de Rohde & Schwarz ont examiné les efforts de normalisation déployés par l’AirFuel Alliance pour lancer la technologie d’alimentation sans fil par RF sur le marché en garantissant l’interopérabilité des différents systèmes d’alimentation sans fil. Cet article fournit également un aperçu d’une étude 3GPP sur l’Ambient IoT en tant que cas d’utilisation de la technologie de transfert d’énergie sans fil par RF.
