LD-01 — Lignes directrices relatives à la mesure des champs de radioélectriques de la gamme de fréquences de 3 KHz à 300 GHz

1. Introduction

1.1 Contexte

L'utilisation et les applications des appareils électriques ont augmenté de façon constante au cours des dernières décennies, ce qui a donné lieu à une augmentation correspondante des champs électromagnétiques (EN), ou rayonnements non ionisants, dans l'environnement. L'inquiétude de la population au sujet de l'exposition aux champs électromagnétiques a incité de nombreux scientifiques et chercheurs à étudier les incidences et les risques éventuels de ces champs pour la santé des personnes.

Partout dans le monde, les dangers de l'exposition aux rayonnements électromagnétiques ionisants ont fait l'objet de nombreux travaux de recherche. Les pouvoirs publics sont également intervenus et ont publié des limites d'exposition et des consignes de sécurité relativement aux rayonnements non ionisants.

Santé Canada a publié le document, Limites d'exposition humaine aux champs de radiofréquences électromagnétiques dans la gamme de fréquences de 3 kHz à 300 GHz - Code de sécurité 6 (CS6), qui définit des limites d'exposition recommandées aux champs électromagnétiques des fréquences radioélectriques de la gamme de 3 kHz à 300 GHz^{Note 1}. Conformément aux dispositions du Code, Industrie Canada exige une évaluation des rayonnements non ionisants dans le cadre du processus d'examen environnemental associé à toutes les demandes de licence visant la prestation de services de télécommunications. Le Ministère a mis au point des logiciels de prédiction des niveaux d'énergie radioélectriques (RF) près des emplacements d'émetteurs, mais des mesures sur le terrain peuvent être nécessaires dans certains cas pour établir le niveau réel des champs radioélectriques.

1.2 Portée

1.2.1 Objet

Le présent document expose les principes et les données de base pour la mesure des champs électromagnétiques produits par les fréquences radioélectriques. Il décrit également des procédures de mesure recommandées pour différents types de services de télécommunications. Les techniques de mesure des rayonnements en champ proche et en champ lointain font appel à des appareils actuellement disponibles sur le marché. Toutefois, les procédures recommandées ne se prêtent pas à la mesure des champs électromagnétiques dans la région d'induction.

Le présent document s'adresse aux personnes qui travaillent dans le domaine des fréquences radioélectriques et qui ont une connaissance de base théorique et pratique des champs électromagnétiques.

Il faut noter que les procédures recommandées ne conviennent pas aux mesures dans la bande des fréquences au-dessous de 1 kHz.

1.2.2 Mesures

Les procédures exposées dans le présent document peuvent servir à ce qui suit : 

1. Mesure des champs EN rayonnants;
2. Mesure des champs EN de fuite et des champs EN rerayonnés;
3. Mesure des champs EN induits dans le corps.

1.2.3 Sources de rayonnements

Aux fins du présent document, les sources de rayonnement sont les différents types d'émetteurs radioélectriques exploités par les services de télécommunications. Ces émetteurs peuvent présenter des caractéristiques spectrales et spatiales très différentes, selon la nature et les exigences du type de service qu'ils assurent. Les procédures recommandées tiennent compte des caractéristiques et des besoins de chaque type de service et des caractéristiques des émetteurs et des diagrammes de rayonnements.

2. Paramètres de mesure

2.1 Gamme de fréquences

2.1.1 De 3 kHz à 300 MHz

Les services assurés dans cette gamme de fréquences sont notamment les suivants : navigation maritime, radionavigation et radiocommunications aéronautiques, radiodiffusion AM analogique, radiodiffusion en ondes courtes, service fixe et service mobile terrestre, radiodiffusion (FM) et télédiffusion VHF et radioamateur.

Dans cette gamme de fréquences, les procédures et techniques de mesure varient selon la fréquence et la nature du service. En règle générale, dans les services dont la fréquence de fonctionnement est au-dessous de 300 MHz, il peut être nécessaire de mesurer les champs électriques (E) et les champs magnétiques (H). En outre, dans le cas de certaines émissions à grande puissance, par exemple le service de radiodiffusion AM, il faut parfois mesurer le courant induit et le courant de contact.

2.1.2 De 300 MHz à 300 GHz

Les services assurés dans cette gamme de fréquences sont notamment les suivants : télédiffusion UHF et radiodiffusion sonore et télévisuelle numérique, réseaux hertziens, services mobiles terrestres/SCP et systèmes à satellites. Dans cette gamme de fréquences, la longueur d'onde des champs électromagnétiques et les dimensions de l'antenne sont relativement faibles, les mesures sont normalement faites dans les régions de champ lointain et, en règle générale, seul le champ électrique (E) doit être mesuré. Dans le champ lointain, le facteur de rapport entre le champ magnétique (H) et le champ électrique (E) est une constante et on peut obtenir la valeur approximative de la densité de puissance en ne mesurant que la composante | E |².

2.2 Paramètres des sources

Les sources de rayonnements radioélectriques électromagnétiques diffusent de l'énergie dans l'espace au moyen d'antennes installées sur des tours et des immeubles. Ces sources présentent des caractéristiques très différentes; il faut donc choisir judicieusement les appareils de mesure pour déterminer les dangers. Le lecteur trouvera ci-après un aperçu des caractéristiques pertinentes de ces sources.

2.2.1 Modulation

Les ondes électromagnétiques émises peuvent se présenter sous différentes formes. La forme la plus élémentaire est une onde entretenue (CW) ou une porteuse non modulée, dans laquelle l'onde oscille à une fréquence unique. Ces porteuses peuvent être modulées par un autre signal ou message. Quand l'onde entretenue est modulée par des impulsions, ou en faisant varier son amplitude, sa fréquence ou sa phase, on dit alors que cette onde est modulée par impulsions, modulée en amplitude, modulée en fréquence ou modulée en phase, respectivement.

2.2.2 Régions de champ proche et de champ lointain

L'espace autour d'une antenne rayonnante peut être divisé en deux régions : le champ proche et le champ lointain. Pour une antenne dont la dimension maximale hors-tout est petite par rapport à la longueur d'onde, la région de champ proche est une région d'induction, et les champs électrique et magnétique emmagasinent de l'énergie tout en produisant peu de rayonnement. L'énergie ainsi stockée est transférée périodiquement entre l'antenne et la région de champ proche. Cette région d'induction s'étend de l'antenne à une distance R.

où « λ » est la longueur d'onde.

Il n'existe pas de formule générale permettant d'estimer l'intensité de champ en région de champ proche pour les petites antennes. On ne peut faire des calculs exacts que pour les sources bien définies, par exemple les dipôles et les antennes unipolaires.

Dans le cas des antennes dont les dimensions sont grandes par rapport à la longueur d'onde, la région de champ proche comprend la région d'induction qui s'étend sur la distance obtenue en (2.1), et qui est suivie d'une région de rayonnement. Dans la région de rayonnement proche, l'intensité du champ ne diminue pas nécessairement de façon constante à mesure qu'on s'éloigne de l'antenne, étant donné qu'elle peut présenter un caractère oscillatoire.

Le critère couramment utilisé pour définir la distance de la source où commence le champ lointain est celui où la phase des champs à partir de tous les points sur l'antenne a un écart d'au plus λ/16. La distance à partir de l'antenne qui satisfait à ce critère est calculée comme suit :

où « a » correspond à la plus grande dimension de l'antenne.

Dans le cas d'une antenne paraboloïdale à section circulaire, on peut estimer R d'une façon réaliste, qui correspond assez bien aux résultats expérimentaux, grâce à la formule suivante :

où « a » correspond au diamètre de l'antenne.

Dans le champ de rayonnement proche, l'intensité du champ électrique (E) et l'intensité du champ magnétique (H) sont en corrélation, selon la formule suivante  : 

La densité de puissance est calculée comme suit  : 

où « η » correspond à l'impédance intrinsèque.

La valeur de « η » peut varier en fonction de la distance dans la région de champ proche. Dans la région de champ lointain, le champ a essentiellement le caractère d'une onde plane, c.-à-d. que le vecteur de champ électrique est perpendiculaire au vecteur de champ magnétique, et tous deux sont transversaux par rapport à la direction de la propagation. Le rapport entre l'intensité du champ électrique et l'intensité du champ magnétique est constant en tout point; en espace libre, il est égal à :

La section 4.2 donne une description détaillée du champ d'induction et des régions de champs de rayonnement proche et lointain.

2.2.3 Niveaux de puissance et densité de puissance

La puissance rayonnée est souvent exprimée en décibels par rapport à un niveau de puissance de référence de 1 mW (dBm) ou de 1 W  (dBW). Selon la nature du service et la source, la puissance type rayonnée par les antennes émettrices varie de moins de 1 W ou de 0 dBW (par exemple dans le cas des émetteurs portatifs) à plus de 100 kW ou de 50 dBW (pour les radars et les émetteurs VLF). Pour des raisons de sécurité et d'efficacité, il est important d'avoir de l'information sur la puissance rayonnée avant d'effectuer les mesures.

Dans le cas des antennes à réflecteur, par exemple les antennes paraboliques, on peut estimer prudemment la densité de puissance maximale (dans le faisceau de l'antenne) de la région de rayonnement proche grâce à la formule suivante :

où « P_a » correspond à la puissance d'alimentation de l'antenne et « A », à la surface d'ouverture équivalente de l'antenne.

Dans la région de champ lointain, la densité de puissance sur l'axe de l'antenne peut être calculée grâce à l'équation suivante  : 

où « r » correspond à la distance par rapport à l'antenne et « G », au gain de directivité de l'antenne.

Le gain de directivité d'une antenne dans une direction donnée est égal à 4π fois le rapport de l'intensité de rayonnement dans cette direction à la puissance totale rayonnée par l'antenne.

Le gain de l'antenne est lié aux dimensions de l'antenne, conformément à l'équation suivante  : 

où « A_e » correspond à la surface équivalente de l'antenne (A_e = pA, où « A » correspond à la surface équivalente de l'antenne et « p », au rendement de l'antenne) et « λ », à la longueur d'onde. Il convient de noter que la surface équivalente de certaines antennes, par exemple les antennes réseau rectilignes, doit se calculer autrement, puisque l'aire de la surface de l'antenne peut être difficile à déterminer.

L'intensité du champ électrique (valeur efficace), en propagation en espace libre, à une distance « r » d'une source ayant une puissance apparente rayonnée « P_e » (puissance de sortie moyenne de la source multipliée par le gain d'antenne), sur l'axe de l'antenne, est égale à :

L'intensité du champ électrique « E » est exprimée en volts par mètre (V/m).

2.2.4 Diagramme de rayonnement

Les ondes électromagnétiques sont rayonnées dans l'espace à l'aide d'antennes. Le diagramme de rayonnement d'une antenne détermine la répartition de l'énergie rayonnée dans l'espace. Un diagramme pris dans le plan qui contient le vecteur de champ électrique porte le nom de diagramme de plan E. Un diagramme pris dans un plan perpendiculaire au plan E porte le nom de diagramme de plan H. Le diagramme de directivité d'une antenne indique la quantité d'énergie qu'elle concentre dans une direction, plutôt que de rayonner dans d'autres directions.

En champ proche, le diagramme de rayonnement d'une antenne change en fonction de la distance par rapport à la source, tandis qu'en champ lointain, aucun changement important n'intervient en fonction de la distance.

2.2.5 Polarisation

La polarisation correspond à l'orientation d'un vecteur de champ électrique dans le plan orthogonal par rapport à la direction de la propagation. Si le vecteur de champ électrique est toujours orienté dans une direction donnée, l'onde est polarisée linéairement. Si le vecteur de champ électrique tourne autour de la direction de la propagation, en maintenant une grandeur constante, l'onde est polarisée circulairement. Si l'extrémité du vecteur de champ électrique décrit une ellipse, l'onde est polarisée elliptiquement. La rotation du vecteur de champ électrique se fait soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens contraire.

Il est difficile de prévoir l'orientation du champ électrique dans la région de champ proche, étant donné que l'antenne émettrice ne peut être considérée comme une source ponctuelle dans cette région. Dans la région de champ lointain, l'antenne devient une source ponctuelle, les composantes électrique et magnétique du champ deviennent orthogonales par rapport à la direction de la propagation, et leurs caractéristiques de polarisation ne varient pas avec la distance.

2.2.6 Source simple ou complexe

Il peut y avoir une ou plusieurs sources de champs électromagnétiques à l'emplacement où les mesures de contrôle sont effectuées. Une source unique peut avoir un fort contenu d'harmoniques pouvant produire des champs électromagnétiques à des fréquences multiples. En outre, plusieurs types de sources RF, par exemple les émetteurs de radiodiffusion AM ou FM, de télévision, de radiocommunications mobiles terrestres et de liaisons hertziennes, sont couramment installés dans un parc d'antennes ou sur une tour plurifonctionnelle et peuvent produire un environnement électromagnétique complexe. Dans ces situations, il est difficile d'estimer les niveaux maximaux de champ prévus. Il faut alors utiliser des appareils à large bande et à bande étroite pour caractériser parfaitement l'environnement électromagnétique.

2.3 Fuites de rayonnement

À de nombreux emplacements d'émission, des fuites de rayonnements imprévues peuvent émaner du matériel électronique (par exemple les amplificateurs de puissance), d'une fissure dans l'armoire ou la canalisation de blindage, d'un joint entre des câbles de transmission ou des sections d'un guide d'ondes. Ces fuites peuvent donner lieu à des points chauds localisés, où les champs électromagnétiques dépassent les limites d'exposition. La nature des champs de fuites s'apparente à celle du champ proche autour d'une antenne. Par conséquent, on peut trouver n'importe quel type de polarisation à proximité du lieu des fuites. Il n'existe aucune méthode fiable pour prévoir l'importance des fuites de rayonnements ou le type de champ produit (champ d'induction ou de rayonnement). En règle générale, on ne connaît pas la source de la fuite et on ne peut la détecter que par tâtonnements. Bien qu'il existe de nombreux types d'appareils pour effectuer les mesures sur le terrain, ceux qui ont des caractéristiques isotropes conviennent généralement mieux pour détecter les fuites de rayonnements.

2.4 Rayonnements secondaires

L'énergie électromagnétique RF produite par une antenne active induit des charges ou des courants électriques sur des objets conducteurs non mis à la terre ou mal mis à la terre, par exemple les porte-drapeaux métalliques, porte-enseignes, châssis de fenêtre, clôtures et murs de bâtiment métalliques. La quantité de courant induit dépend des caractéristiques physiques de l'objet (dimensions, forme, orientation par rapport à la source) et de la fréquence du champ incident. Ce courant produit ses propres champs électrique et magnétique tout près de l'objet. Les champs ainsi produits, qui sont généralement des champs d'induction, réagissent avec le champ incident et peuvent produire ce qu'on appelle des « points chauds » ou des champs E et/ou H renforcés près de la surface de l'objet. Étant donné qu'ils deviennent des antennes secondaires quand ils sont exposés aux champs RF ambiants, ces objets conducteurs sont parfois appelés des antennes secondaires passives ou parasites. Les champs renforcés sont généralement ramenés aux niveaux ambiants dans les zones voisines se trouvant à des distances très courtes par rapport à la source secondaire. La réduction de l'intensité des champs est généralement exponentielle, les niveaux d'intensité les plus élevés se trouvant sur la surface de l'objet servant d'antenne secondaire. Les champs renforcés sont hautement variables dans leur répartition spatiale sur cet objet et sont généralement difficiles à prévoir à l'aide de méthodes théoriques. La réalisation de mesures est la meilleure façon d'évaluer les points chauds.

2.5 Courant induit et courant de contact

Un champ RF induit un potentiel électrique alternatif dans les objets conducteurs mal ou non mis à la terre. Quand une personne touche un tel objet, un courant RF la traverse pour atteindre la terre. Ce type de courant porte le nom de courant de contact. Même si la personne ne touche pas un objet métallique, un courant RF peut être induit dans son corps par des champs RF et chercher à atteindre la terre. On parle alors de courant induit dans le corps. Ces courants RF peuvent être perceptibles à des niveaux plutôt faibles; par contre, des niveaux plus élevés peuvent produire des chocs ou des brûlures. L'édition de 1999 du Code de sécurité 6 fixe les limites d'exposition aux courants induits et de contact pour la gamme de fréquences de 3 kHz à 110 MHz dans le but de réduire les risques de choc ou de brûlure. Dans certaines conditions d'expositions, les courants induits et de contact doivent être évalués, étant donné qu'ils peuvent dépasser les limites même si les limites d'intensité de champ sont respectées. Ces conditions peuvent se produire même quand l'intensité de champ électrique atteint à peine 20 à 25 % de la limite d'exposition.

2.6 Débit d'absorption spécifique (DAS)

Le débit d'absorption spécifique (DAS) est le taux d'absorption d'énergie RF par unité de masse dans le corps. Le DAS est exprimé en termes de joules par seconde par kilogramme ou de watts par kilogramme (W/kg). Ce paramètre sert de principal indicateur de l'énergie RF absorbée par le corps aux fins de la quantification des effets biologiques de l'exposition et de définition des limites d'exposition de base. À des fréquences comprises entre 100 kHz et 10 GHz, les limites DAS sont prioritaires par rapport aux limites d'intensité de champ ou de densité de puissance et elles ne doivent pas être dépassées. Aux fins de l'évaluation de la conformité, le DAS devrait être établi dans les cas où il y a exposition à une distance de 0,2 mètre ou moins de la source. Dans les cas où la détermination du DAS n'est pas pratique, il faut effectuer des mesures de l'intensité de champ ou de la densité de puissance.

2.7 Erreurs de mesure

Les facteurs ci-dessous influent sur la précision de la mesure des champs électromagnétiques RF : 

1. Si la sonde est très proche d'une antenne active, un couplage peut se produire entre les antennes de la sonde et l'antenne active.
2. Le sol et les objets avoisinants, par exemple un mur métallique, peuvent provoquer une réflexion ou une diffusion partielle ou totale des ondes incidentes. Cette réflexion ou diffusion se conjugue avec l'énergie reçue directement de la source et crée du brouillage ou des effets de propagation par trajets multiples qui peuvent renforcer ou réduire l'intensité du champ au point de mesure.
3. Les champs peuvent avoir plusieurs fréquences en raison de la multiplicité des sources d'émission ou à cause d'une source unique à fort contenu d'harmoniques, ou pour ces deux raisons à la fois.
4. Certains types de modulation peuvent influer sur la fiabilité des résultats de mesure.
5. Les réponses parasites des sondes entrent parfois en ligne de compte. Par exemple, la sonde de champ H peut être sensible aux champs électriques, et vice versa.
6. La température ou l'humidité peuvent influencer l'exactitude des mesures effectuées avec la sonde. Il faut s'assurer que celles ci sont en-dedans de la plage utile de la sonde. Des facteurs de correction peuvent être considérés pour les résultats des mesures pour compenser aux conditions extrême d'humidité et de température.
7. Des erreurs peuvent se produire par des appareils de mesure non calibrés ou mal calibrés.

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Notes en bas de page

1. ^{Note 1} On peut retrouver le Code de sécurité 6 sur le site Web Santé Canda à : www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/radiation/radio_guide-lignes_direct-fra.php