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# Caractérisation de la récolte d'énergie RF à travers des matériaux pour des capteurs enfouis

Julie Sibille, Tristan Fougeroux, Pierre-Olivier Lucas de Peslouan, Alexandre

Douyère, Damien Gonfo, Denis Genon-Catalot, Jean-Pierre Chabriat

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Julie Sibille, Tristan Fougeroux, Pierre-Olivier Lucas de Peslouan, Alexandre Douyère, Damien Gonfo, et al.. Caractérisation de la récolte d'énergie RF à travers des matériaux pour des capteurs enfouis. 18 édition des Journées de Caractérisation Microondes et Matériaux, Mar 2025, Saint Etienne (FR), France. hal-05154459

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Submitted on 9 Jul 2025

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# Caractérisation de la récolte d'énergie RF à travers des matériaux pour des capteurs enfouis

Julie Sibille¹, Tristan Fougeroux², Pierre-Olivier Lucas de Peslouan¹, Alexandre Douyère¹, Damien Gonfo¹, Denis Genon-Catalot³ et Jean-Pierre Chabriat¹

¹Energy-LAB, Université de La Réunion

²HYMAG'IN, Saint-Martin-d'Hères, France

³LCIS, Université Grenoble-Alpes
julie.sibille@univ-reunion.fr

**Résumé**— Cet article présente un banc de mesure dédié à la caractérisation de la puissance récoltée par transfert d'énergie radiofréquence à travers des matériaux de construction, avec pour objectif de développer un réseau de capteurs autonomes enfouis dans les parois d'un bâtiment. Ces capteurs, destinés à surveiller l'état de santé des structures, sont alimentés par un réseau de rectennas intégré dans les parois et exploitant l'énergie RF. Nos travaux montrent qu'il existe une distance optimale entre le réseau de rectennas et le matériau, permettant de maximiser la puissance récoltée. Dans certains cas, cette puissance dépasse même celle mesurée en l'absence de matériau. Nous détaillons la conception et le fonctionnement du banc de mesure, ainsi que les résultats obtenus sur des parois en placoplâtre (BA13).

**Mots clés**— Récolte d'énergie radiofréquence, capteur autonome, rectenna, caractérisation des matériaux

## I- INTRODUCTION

La récolte d'énergie radiofréquence (RF) pour alimenter des capteurs autonomes est un domaine de recherche en pleine expansion, en raison de ses applications prometteuses dans des environnements contraints tels que les bâtiments intelligents, les infrastructures critiques ou les environnements industriels [1, 2, 3].

Dans le cadre de notre recherche, nous nous concentrons sur des capteurs enfouis dans les parois des bâtiments, une approche offrant deux avantages principaux : un besoin minimal de maintenance et la capacité des ondes RF à traverser les matériaux de construction, malgré les pertes qu'il convient de caractériser.

Dans une étude précédente [4], nous avons développé un premier banc de mesure pour caractériser la puissance récoltée par un réseau de rectennas en présence de matériaux de construction. Ce travail initial a permis de mettre en évidence l'influence des matériaux sur les performances de collecte énergétique et a démontré la faisabilité de cette approche pour alimenter des capteurs enfouis.

Dans cet article, nous étendons ces travaux en approfondissant l'analyse expérimentale sur de plus longues distances pour mieux comprendre l'impact de la nature et des propriétés des matériaux sur la puissance collectée. Pour cela, nous avons utilisé un banc de mesure modulaire et adaptable, conçu pour caractériser différentes configurations (fréquences, types et dimensions de matériaux). Initiallement dimensionné pour la fréquence de 2,45 GHz, en raison de la prévalence du Wi-Fi dans les bâtiments [5], ce

banc nous a permis d'obtenir de nouvelles données expérimentales significatives. Cette étude a aussi pour objectif de proposer des recommandations pour optimiser les systèmes de récupération d'énergie en situation réelle, en prenant en compte les contraintes des matériaux de construction.

Nous présentons ici les résultats obtenus avec une plaque de placoplâtre (BA13), en analysant l'influence de ce matériau sur les performances énergétiques du réseau de rectennas. Ces résultats ouvrent des perspectives pour optimiser la conception de réseaux de capteurs autonomes intégrés dans des environnements bâtis.

## II- CONFIGURATION DU BANC DE MESURE

### 1- Le réseau de rectenna

L'antenne utilisée dans la conception de la rectenna est de type patch micro-ruban, gravée sur un substrat standard en époxy FR4 d'épaisseur 1,6mm (Fig.1).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIG. 1. Photo de l'antenne réalisée</figcaption></figure>

Elle présente un coefficient de réflexion de -12 dB à 2,44 GHz (Fig.2), avec un gain simulé maximal de 4,4 dBi.
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIG. 2. Coefficient de réflexion (S11) mesuré de l'antenne constituant le réseau de rectenna</figcaption></figure>

Ses dimensions sont répertoriées dans la table 1.

<table><caption>TABLEAU 1. Dimensions de l'antenne patch</caption><thead><tr><th>Élément</th><th>Grandeur</th><th>Dimension (mm)</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Patch</td><td>L<sub>patch</sub></td><td>29,5</td></tr><tr><td>l<sub>patch</sub></td><td>37,0</td></tr><tr><td rowspan="2">Fente</td><td>L<sub>fente</sub></td><td>6,9</td></tr><tr><td>l<sub>fente</sub></td><td>2,9</td></tr><tr><td rowspan="2">Ligne</td><td>L<sub>ligne</sub></td><td>20,0</td></tr><tr><td>l<sub>ligne</sub></td><td>2,9</td></tr></tbody></table>

Le circuit de redressement, utilisé pour la conversion de l'énergie RF en DC, est composé d'une diode Schottky (SMS7630), qui s'est avéré être efficace à faible puissance [6], ce qui la rend idéale pour les applications où l'énergie disponible est limitée.

Elle est connectée en série avec un circuit d'adaptation et un filtre DC, réalisé en technologie micro-ruban. L'efficacité de conversion maximale de ce redresseur est d'environ 45 % à 2,45 GHz, pour une puissance d'entrée de -1 dBm et une charge optimale de 2,5 kΩ [7].

En se positionnant à l'intérieur de la paroi étudiée, il est possible de s'affranchir des contraintes d'encombrement, à condition que l'élément de récolte d'énergie reste planaire. Ainsi, afin de maximiser la surface de collecte, un réseau de rectennas a été conçu au format A4 (210 × 297 mm) pour débuter.

En tenant compte des dimensions de l'antenne patch présentées précédemment et en respectant une distance minimale de $λ/2$ afin de limiter les effets de couplage mutuel [8], 10 rectennas peuvent être intégrées sur cette surface (Fig.3). Leur disposition a été pensée pour permettre une configuration flexible des connexions entre elles, soit en série, soit en parallèle ou soit de manière hybride. Cela offre la possibilité d'optimiser la tension ou le courant en fonction des besoins de l'application.

## 2- Méthode de mesure

Le banc de mesure comprend plusieurs éléments, organisés de manière à optimiser la collecte d'énergie RF. Afin de minimiser les interférences externes et garantir un environnement contrôlé, l'étude a été menée dans un espace anéchoïque. L'émetteur, composé d'un générateur haute fréquence NI PXIe-5652, est couplé à un amplificateur NI PXI-5691, permettant d'atteindre une puissance de trans-

mission de +30dBm sur une plage de fréquence comprise entre 100 MHz à 6 GHz. L'antenne émettrice (S11 = -12 dB, gain = 2 dBi à 2,45 GHz) est placée à 1 mètre du réseau de rectennas.

Pour alimenter le nœud d'un réseau de capteurs, il est nécessaire d'insérer dans la chaîne un convertisseur à pompe de charge et de stocker l'énergie accumulée, car les densités de puissance reçues à 1 mètre sont très faibles. De plus, la pompe de charge nécessite une tension minimale de fonctionnement de 350 mV (AEM30330 de chez e.peas [9]). Ainsi, afin de maximiser la tension de sortie sans altérer le rendement global, les 10 éléments du réseau de rectennas ont été connectés en série.

La distance entre l'antenne émettrice et le réseau de rectennas est fixe, tandis que le matériau à étudier (placoplâtre) est déplacé entre les deux, afin d'analyser son impact sur la collecte d'énergie. Ce processus est illustré à la Figure 4. Une charge variable, allant de 1kΩ à 1 MΩ, est placée en sortie du réseau de rectennas, servant de charge pour le système.

Enfin, un multimètre d'une résolution 6 1/2 digit (Keysight 34465A) est utilisé pour mesurer la tension en sortie du réseau de rectennas.

Cette configuration, présentée à la Figure 4, permet de tester et de caractériser de manière précise l'impact de différents matériaux sur la puissance récoltée, tout en offrant la flexibilité nécessaire pour ajuster les paramètres expérimentaux, comme la fréquence ou les dimensions des matériaux

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIG. 3. Réseau de 10 rectennas à 2.45GHz</figcaption></figure>
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>FIG. 4. Configuration du banc de mesure</figcaption></figure>

étudiés.

### III- RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX

Les premières mesures ont été effectuées à travers une plaque de placoplâtre hydrofuge de 13 mm d'épaisseur (BA13), afin d'obtenir la tension en fonction de la charge en sortie du réseau de rectennas (Fig. 5), pour différentes distances entre le réseau de rectennas et la plaque de placoplâtre. Les mesures ont été réalisées tous les 0.5 cm, en déplaçant progressivement la plaque. La première a été effectuée à 1,6 cm du réseau de rectennas en raison de la présence du bloc de connecteurs, utilisé pour configurer les connexions entre les rectennas (série, parallèle ou hybride).

Afin de préserver la lisibilité du graphique, seules trois courbes ont été représentées : la courbe correspondant à la tension maximale atteinte pour une distance de 19.6 cm, celle de la tension minimale atteinte à 2.6 cm, ainsi qu'une courbe de référence correspondant à la tension obtenue en l'absence de matériau. Toutes les autres mesures se situent entre ces deux limites.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>FIG. 5. Tension en sortie du réseau de rectennas en fonction de la charge</figcaption></figure>

À partir de la tension mesurée et de la charge, il est possible de déterminer la puissance collectée par le réseau avec l'équation $P = U^2/R$. Ces résultats sont présentés à la figure 6. Cette figure montre que la puissance collectée varie en fonction de la charge et que le maximum est atteint pour la même valeur, quelle que soit la distance entre le réseau de rectennas et le matériau.

Afin de faciliter la lisibilité des mesures, les valeurs de

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>FIG. 6. Puissance collectée par le réseau de rectennas en fonction de la charge</figcaption></figure>

puissance maximale collectée en fonction de la distance entre la plaque de placoplâtre et le réseau de rectennas sont représentées à la figure 7. Toutes les mesures présentées ont été moyennées sur 100 points.

De plus, pour mieux se repérer, la droite verte horizontale indique la puissance collectée par le réseau de rectennas sans obstacle interposé entre celui-ci et l'antenne d'émission, pour une distance de 1 mètre.

On observe un phénomène cyclique : environ tous les 6 cm, soit $\lambda/2$ dans le vide à 2,45 GHz, la puissance collectée à travers l'obstacle dépasse celle mesurée sans obstacle. Ce comportement, qui se répète à intervalles réguliers, met en évidence l'influence du placoplâtre sur la collecte d'énergie.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>FIG. 7. Puissance maximale collectée à charge optimale</figcaption></figure>

L'hypothèse avancée est que la plaque de placoplâtre agit comme une lentille diélectrique, modifiant la propagation des ondes électromagnétiques en fonction de l'indice de réfraction du matériau. Cette hypothèse s'appuie sur les travaux [10, 11, 12], qui montrent qu'une lentille diélectrique peut améliorer les performances de la rectenna, notamment en termes de gain, d'efficacité et de bande passante.

### IV- CONCLUSION

Cette étude met en évidence une amélioration des performances du système de récolte d'énergie radiofréquence à travers une paroi. Les résultats obtenus montrent que l'interaction avec des parois, comme le placoplâtre, peut accroître
la puissance collectée, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'optimisation de la récolte d'énergie dans le domaine du bâtiment.

Dans nos travaux futurs, nous continuerons cette étude en augmentant l'épaisseur du matériau pour mesurer son impact sur la collecte d'énergie. Nous envisageons également d'examiner l'effet d'autres matériaux, comme l'OSB, couramment utilisé dans les constructions. Par ailleurs, un autre réseau de rectennas, à 868 MHz est en cours de conception afin d'étudier l'impact de la fréquence sub-GHz sur la récolte d'énergie à travers une paroi.

Ces contributions permettront la conception de réseaux de capteurs autonomes plus performants et mieux intégrés dans des environnements tels que les murs, les sols et les toitures des bâtiments.

## RÉFÉRENCES

[1] C. Benkalfate, et al. "A new rf energy harvesting system based on two architectures to enhance the dc output voltage for wsn feeding" Sensors **22** 9 ISSN 1424-8220.

[2] H. Nishimoto, et al. "Prototype implementation of ambient rf energy harvesting wireless sensor networks" in "SENSORS, 2010 IEEE", (2010) pp. 1282–1287.

[3] G. Loubet, et al. "Réseau de capteurs sans fil et sans batterie télé-alimentés par transfert de puissance électronagnétique rayonnée destiné au suivi de l'état de santé structurelle des bétons armés" in "22ème Journées Nationales Microondes (JNM 2022)", Limoges, France (June 2022).

[4] J. Sibille, et al. "Wireless energy harvesting performance of 2.45 ghz rectennas array inside wall" in "2023 IEEE Radio and Antenna Days of the Indian Ocean (RADIO)", (2023) pp. 1–2.

[5] V. Kuhn "Capture opportuniste d'énergie micro-onde pour l'autonomie des objets communicants".

[6] A. Fumtchum, et al. "A Survey of RF Energy Harvesting Circuits" International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering **10** 7 (2021) pp. 99–106.

[7] A. Douyère, et al. "Etude du couplage et analyse des performances d'une rectenna PIFA à faibles niveaux de puissance" Assemblée Générale GDR Ondes (October 2017) poster.

[8] C. A. Balanis Antenna Theory: Analysis and Design 4th Edition, Wiley ISBN:978-1118642061 (2016).

[9] e-peas "Aem30330 datasheet" (2024) accessed: 2025-02-23.

[10] A.-H. Hobballah, et al. "A dielectric lens rectenna for wireless power transmission" 2021 51st European Microwave Conference (EuMC) pp. 672–675.

[11] M. Wagih, et al. "Phased array-free multi-directional 5.8 ghz wireless power transmission using a fresnel lens" 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (USNC-URSI) pp. 541–542.

[12] H. Wang, et al. "6G energy-efficient systems based on arrays combined with dielectric lenses" Electronics Letters.