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

3. Appareils de mesure

3.1 Types d'appareils de mesure

Un appareil type de mesure de densité de puissance ou de champ RF comporte une sonde, des conducteurs et un dispositif de mesure. La sonde sert à détecter le champ. Il peut s'agir d'une antenne traditionnelle ou d'un autre type de détecteur. Le rendement et les applications de l'appareil de mesure, dans son ensemble, sont largement tributaires de la conception et des caractéristiques de la sonde. Les conducteurs transmettent le signal détecté au dispositif de mesure. Pour réduire le couplage des conducteurs avec le champ avoisinant et ainsi réduire au minimum les perturbations, les conducteurs sont des fils à haute résistance. Le dispositif de mesure sert essentiellement à traiter et à afficher les données d'intensité de champ captées.

L'appareil de mesure RF peut être à large bande ou à bande étroite. Un appareil à large bande réagit uniformément à une vaste gamme de fréquences et ne nécessite aucun réglage d'accord. Un appareil à bande étroite peut lui aussi fonctionner sur une vaste gamme de fréquences; cependant, la largeur de bande à tout moment est limitée, et l'appareil doit être accordé sur la fréquence recherchée. Les appareils à large bande et à bande étroite ont leurs avantages et inconvénients propres, selon l'environnement spectral et la nature de mesures projetées.

3.1.1 Mesureurs de champs électriques et magnétiques

Les mesureurs de champs électriques et magnétiques sont des appareils à bande étroite. Ils se composent d'une antenne, de câbles acheminant le signal provenant de l'antenne et d'un appareil de conditionnement et de lecture des signaux. Les mesureurs de champ font appel à différents types d'antennes  : antennes linéaires, p. ex. des antennes unipolaires, dipôles, antennes cadres, antennes log-périodiques en spirale biconiques ou coniques, antennes cornets ou réflecteurs paraboliques. On peut déterminer les paramètres appropriés du champ en mesurant la tension ou la puissance à la fréquence sélectionnée et aux bornes de l'antenne. On peut calculer l'intensité du champ électrique (ou magnétique) à partir de données sur le gain d'antenne ou le facteur d'antenne et sur les pertes dans les câbles de raccordement.

3.1.2 Analyseurs de spectre

Les analyseurs de spectre sont essentiellement des récepteurs accordables dont la largeur de bande de réception peut être réglée sur une large gamme de fréquences. Ils servent à mesurer la puissance aux bornes de l'antenne, à la fréquence ou aux fréquences sélectionnées. S'ils sont utilisés de pair avec une antenne sélective à bande étroite, ils s'apparentent, en principe, à un mesureur de champ. Par contre, les analyseurs de spectre peuvent également être connectés à des antennes relativement courtes pour produire une réponse large dans une gamme de fréquences donnée. Dans ce cas, les analyseurs affichent le spectre des signaux ambiants, ce qui permet d'établir les fréquences présentes et leur apport relatif à la densité de puissance globale.

3.1.3 Mesureurs de densité de puissance

Les mesureurs de densité de puissance sont généralement des appareils isotropes à large bande. Il existe cependant, entre ces appareils, des différences de conception de la façon dont ils détectent et traitent les données de champs. Les appareils décrits dans les sections suivantes ont essentiellement les mêmes composants de base, soit une sonde, un câble de raccordement et une unité de conditionnement et d'affichage. Ils sont limités aux modèles actuellement disponibles, qui sont assez précis, en champ proche comme en champ lointain.

Les mesures effectuées au moyen d'un mesureur de densité de puissance peuvent produire des résultats erronés quand les câbles de raccordement sont alignés par mégarde avec le champ électrique. En effet, les conducteurs à haute résistance qui acheminent les signaux forment une antenne plus efficace aux basses fréquences (p. ex. les fréquences de la bande de radiodiffusion) que les courts dipôles de la sonde.

3.1.3.1 Redresseurs à diodes

Les éléments d'antennes (dipôles courts ou antennes cadres) et diodes multiples sont agencés selon une configuration convenable, pour faire la somme des trois composantes spatiales du champ, indépendamment de la polarisation et de l'angle d'incidence. Il faut réunir trois éléments dans un agencement orthogonal pour obtenir un appareil isotrope qui peut être utilisé selon n'importe quelle orientation par rapport au champ. Les dipôles réagissent au champ électrique et les antennes cadres, au champ magnétique. Pour assurer une réponse uniforme dans la gamme de fréquences voulue, la taille du dipôle ou de l'antenne cadre doit être faible par rapport à la longueur d'onde de la plus grande fréquence à mesurer.

En règle générale, les diodes Schottky présentent un certain effet photovoltaïque. Les diodes hybrides à connexion portante présentent un effet photovoltaïque beaucoup plus important et peuvent produire des résultats erronés quand elles sont frappées par la lumière du jour ou par un fort éclairage incandescent. Il faut donc prévoir une encapsulation optiquement opaque pour éliminer cet effet.

Les appareils à diodes sont non linéaires en ce qui a trait à l'intensité de champ. À des niveaux faibles, la tension redressée est proportionnelle au carré de E (ou de H). À des niveaux élevés, la tension redressée devient directement proportionnelle à E (ou à H). En raison de ce changement de caractéristique, la plage de fonctionnement de la diode doit être limitée à des niveaux faibles, pour donner une indication vraie de |E|² ou de |H|². Quand les diodes sont utilisées à des niveaux plus élevés, il faut modifier la tension de sortie de chacun des composants (généralement en les mettant au carré) avant d'en faire la sommation. Quand ils sont utilisés pour la mesure de champs pulsés, les appareils à diodes deviennent des dispositifs de détection de crête, plutôt que des valeurs moyennes; par conséquent, les erreurs de mesure peuvent être importantes dans les champs où le rapport entre valeur de crête et valeur moyenne est élevé.

Quand un appareil à diodes est adapté à un fonctionnement en large bande, sa gamme supérieure de fréquences se situe actuellement au-dessus de 12 GHz. La limite de fréquence inférieure est au-dessous de 400 kHz. Les caractéristiques de claquage peuvent être de l'ordre de centaines de mW/cm².

Selon leur conception, les détecteurs à diodes peuvent être sensibles à la température. Les variations à la sortie dues à la température ambiante sont généralement inférieures à 0,05 dB par °C. Les appareils à diodes peuvent aussi être sensibles à la modulation si la région quadratique est dépassée, ce qui entraîne des erreurs selon le type de modulation.

3.1.3.2 Antenne active

Il est difficile de fabriquer des sondes de champs E et H à large bande précises, qui couvrent la région des grandes longueurs d'onde (1 000 m) en faisant appel aux moyens traditionnels exposés ci-dessus. Pour obtenir une réponse en fréquence uniforme et une sensibilité suffisante dans une sonde à dipôle, l'impédance de charge combinée du détecteur et du conducteur haute impédance élevée doit être supérieure à l'impédance de l'antenne (source). Une solution possible est de connecter un amplificateur tampon RF à impédance élevée, qui sert de charge, directement à une antenne unipolaire ou à une antenne cadre. Il s'agit d'une solution pratique pour les fréquences comprises entre 10 kHz et plusieurs centaines de MHz. Les sondes de champs magnétiques et électriques offertes sur le marché, qui utilisent des composants électroniques actifs, fonctionnent à des fréquences aussi basses que 60 Hz.

Un autre problème associé aux sondes sans composants électroniques actifs est l'isolation des conducteurs porteurs de signaux de l'ensemble antenne-détecteur. Ce problème peut devenir aigu à une fréquence inférieure à environ 100 MHz, et surtout en dessous de 10 MHz. Cette situation est attribuable au fait que les conducteurs types à haute résistance porteurs de signaux servent de filtres passe-bas et qu'ils ont de plus en plus de difficulté à séparer le signal basse fréquence détecté du champ RF à mesurer, à mesure que les deux fréquences se rapprochent. Cela produit une sensibilité excessive et des diagrammes de rayonnement médiocres dans les sondes passives.

Enfin, à des fréquences supérieures d'environ 300 MHz, en présence de conditions de rayonnements « en espace libre » ou uniformes, le détecteur et le boîtier de métal de l'appareil de contrôle peuvent être exposés à des niveaux RF comparables, et la diffusion provoquée par le boîtier du détecteur (sonde) peut entraîner d'importantes erreurs.

Les sondes électroniques actives éliminent entièrement la nécessité d'utiliser ces conducteurs, puisque le boîtier de métal renfermant les composants électroniques actifs comprend l'unité d'affichage (ou de lecture). On peut prévoir une liaison de données à fibres optiques pour une lecture à distance.

3.1.3.3 Détecteurs de courant de déplacement

En plus des antennes unipolaires et des dipôles courts, on peut utiliser un type de condensateur à plaques parallèles, nommé détecteur de courant de déplacement, pour mesurer les champs électriques normalement à sa surface ou à n'importe quelle grande surface conductrice. Les appareils conçus essentiellement pour mesurer les champs associés aux terminaux d'affichage vidéo s'inspirent du principe du détecteur de courant de déplacement.

Les détecteurs de courant de déplacement sont généralement utilisés à des fréquences des gammes LF et VLF, p. ex. de 0 Hz (c.c.) à quelques centaines de kHz ; ils peuvent cependant être utilisés efficacement à des fréquences pouvant atteindre plusieurs centaines de MHz.

3.1.3.4 Détecteurs optoélectroniques (photoniques)

Ce type de détecteur de champs électromagnétiques fait appel à un détecteur passif non métallique (modulateur électro-optique) ayant une réponse à très grande largeur de bande (de 0 Hz (c.c.) à 20 GHz), qui convertit les données d'intensité de champ électromagnétique en modulation instantanée d'un faisceau laser. L'énergie laser est transmise par fibres optiques à un modulateur.

Le modulateur module en amplitude le faisceau laser, de façon proportionnelle à l'amplitude instantanée du champ électromagnétique RF auquel le modulateur est exposé. Du modulateur, le faisceau laser modulé en amplitude est alors transmis à un photodétecteur qui convertit le faisceau optique modulé en un signal électrique qui représente l'amplitude instantanée de l'intensité du champ RF. Ce signal est ensuite détecté, traité et affiché.

Le système ci-dessus a été utilisé avec des dipôles de faible longueur électrique, qui servent de détecteur de champ électrique, de même que sans antenne (le modulateur électro-optique lui-même servant alors de détecteur de champ électrique). En outre, on peut connecter des antennes traditionnelles à un modulateur électro-optique commercial à l'aide d'un conducteur court, pour fournir une liaison RF passive non métallique avec l'antenne.

3.1.3.5 Thermocouples

Les éléments de détection sont des thermocouples à couche mince. Des parties de la couche assurent les fonctions de l'antenne. Certaines sondes basse fréquence utilisent également des antennes cadres terminées par des détecteurs thermocouples. La sortie c.c. du thermocouple est proportionnelle au carré de l'intensité du champ électrique. La principale limite des moniteurs de rayonnement à thermocouples est la caractéristique de claquage qui, en termes de valeurs moyennes, est typiquement trois fois la valeur maximale de l'échelle. Les modèles plus récents d'appareils à thermocouples ont des caractéristiques de claquage qui sont de 15 à 20 fois la valeur maximale de l'échelle. Des couches minces résistives offrent une très grande largeur de bande.

3.1.4 Réponse pondérée en fréquence

Au Canada, les limites de sécurité applicables à l'intensité de champ et à la densité de puissance dépendent de la fréquence. Les modèles de sonde qui font appel à des éléments diodes-dipôles séparément ou de pair avec des éléments à thermocouples peuvent être conçus de sorte que leurs caractéristiques de sensibilité par rapport à la fréquence soient à l'inverse de la norme. On peut ainsi faire la sommation et la pondération des signaux de fréquences multiples conformément à la norme de sécurité reposant sur les fréquences. Dans ces appareils, la lecture est exprimée en pourcentage de la norme. Les sondes peuvent être adaptées à une norme particulière de l'ANSI (American National Standards Institute) ou du Canada.

Les sondes à réponse pondérée en fréquence ne couvrent parfois qu'une partie de la gamme de fréquences de la norme de sécurité. On peut utiliser des sondes supplémentaires qui se complètent et élargissent la plage de mesure. Quand on utilise des sondes complémentaires, celles-ci doivent offrir un bon rejet des signaux hors bande.

3.1.5 Sondes mixtes de champs électriques et magnétiques

Les appareils décrits dans les sections 3.1.3.1 à 3.1.3.5 font appel à des sondes distinctes pour mesurer les composantes des champs électrique et magnétique. Dans la région de champ proche d'une source RF, les valeurs relatives des champs électrique et magnétique varient considérablement l'une par rapport à l'autre, selon la distance de la source.

En outre, dans les cas types, les champs peuvent varier rapidement dans le temps. Pour mesurer l'intensité des champs électrique et magnétique qui varient dans le temps et dans l'espace, il faut installer une sonde de champ électrique, puis une sonde de champ magnétique exactement au même point. Cependant, étant donné que le champ à l'étude peut changer pendant la durée limitée qui s'écoule entre l'exécution de mesures successives, il en résulte une incertitude de mesure.

On peut réaliser un système de sondes isotropes à large bande pour mesurer simultanément les champs électrique et magnétique à l'aide d'un jeu de trois dipôles mutuellement orthogonaux et d'un jeu de trois antennes cadres mutuellement orthogonales qui sont physiquement installées dans un volume très faible (par rapport à la plus petite longueur d'onde). Ces composants sont décrits à la section 3.1.3.1. Étant donné que la longueur des dipôles ou le diamètre des antennes cadres sont faibles pour obtenir une réponse de fréquence uniforme, les champs électriques captés par les antennes cadres seront négligeables. Par conséquent, le couplage mutuel entre les différents composants de sonde est réduit au minimum grâce à l'utilisation d'antennes de faible longueur électrique. Des détecteurs faisant appel à des thermocouples ou à des diodes quadratiques sont utilisés pour fournir un signal aux circuits électroniques qui effectuent la sommation, la conversion ou le traitement des données.

3.1.6 Mesureurs de courant induit

Les mesureurs de courant induit affichent le niveau de courant induit circulant dans le corps vers le sol quand une personne est debout dans un champ électrique produit par un émetteur haute puissance. Ces courants peuvent donner une indication de l'énergie absorbée par le corps.

Les mesureurs de courant induit sont généralement des appareils sur lesquels on se tient debout, qui mesurent le courant induit produit par un champ électrique. La plaque-socle sur laquelle on se tient est de fait un réseau condensateur/résistance composé de deux plaques en acier inoxydable. Le mesureur indique le courant circulant dans la résistance connectée entre les plaques de condensateur. La plaque-socle est normalement petite pour réduire au minimum le captage de champs électriques produits par les côtés de la plaque-socle.

Il y a également des mesureurs de courant induit qui peuvent mesurer directement le courant induit au moyen de sondes fixées sur les bras et les jambes. La gamme de fréquences types des mesureurs commerciaux est de 10 kHz à 100 MHz.

3.1.7 Mesureurs de courant de contact

Les mesureurs de courant de contact affichent le niveau de courant circulant dans le corps suite à un contact avec un objet métallique « chaud » situé près d'un émetteur haute puissance.

Les mesureurs de courant de contact comprennent normalement une sonde de contact isolée en contact avec l'objet « chaud », une plaque-socle en acier inoxydable et des circuits internes. Le courant ainsi mesuré simule le courant induit équivalent dans une personne pieds nus qui tient l'objet métallique « chaud ». La gamme de fréquences types de ces mesureurs est de 3 kHz à 30 MHz.

3.2 Caractéristiques de rendement souhaitables

Certaines caractéristiques sont souhaitables dans un appareil de contrôle. On peut classer ces caractéristiques en deux catégories : les caractéristiques physiques et les caractéristiques de rendement électrique.

3.2.1 Caractéristiques physiques

3.2.1.1 Portabilité

L'appareil devrait être léger et petit pour pouvoir fonctionner de façon pratique dans des conditions contraignantes. Le poids doit être le plus faible possible, tout en respectant les règles de l'art. Les dimensions de l'appareil devraient permettre son utilisation à main (appareil portatif).

3.2.1.2 Durabilité

L'écran et les autres composants de l'appareil devraient être durables et pouvoir résister aux chocs et aux vibrations associés à leur transport et manutention dans des conditions difficiles. Un boîtier de rangement devrait être fourni.

3.2.1.3 Effets de la température, de l'humidité et de la pression

Les effets de la température, de l'humidité et de la pression atmosphérique sur la précision de l'appareil devraient être spécifiés. Il faut tenir compte de l'incidence de ces effets.

3.2.1.4 Affichage

La taille des données affichées doit être suffisante pour permettre leur lecture à bout de bras sans difficulté. Dans le cas des sondes à réponse pondérée en fréquence avec affichage analogique, la norme de sécurité pertinente devrait apparaître dans le tiers central de la pleine échelle de lecture du cadran. Si l'appareil est doté de plusieurs plages de sensibilité, l'échelle complète de la plage choisie doit être indiquée. Dans tous les cas, l'affichage analogique ou numérique doit indiquer clairement les unités utilisées.

3.2.1.5 Réglages

L'appareil doit comporter un nombre minimal de commandes. Les fonctions associées à ces commandes doivent être étiquetées clairement et les procédures d'utilisation doivent être relativement simples.

3.2.1.6 Simplicité

Il faut éviter les procédures d'utilisation compliquées. L'information figurant dans le manuel d'utilisation doit être suffisante pour effectuer des mesures exactes.

3.2.2 Caractéristiques de rendement électrique

3.2.2.1 Alimentation

L'appareil doit fonctionner à l'aide d'une batterie ou d'une pile. Celle-ci doit être facile à remplacer ou à recharger. Il faut prévoir un commutateur de test ou un autre moyen pour indiquer l'état de la batterie. L'appareil doit pouvoir fonctionner avec sa précision nominale pendant au moins huit heures avant qu'il ne soit nécessaire de remplacer ou de recharger la batterie.

3.2.2.2 Facteur de polarisation

Les antennes de sonde comportant plusieurs dipôles ou antennes cadres réagissent à toutes les composantes de polarisation du champ électromagnétique. Un dispositif comportant une antenne unique peut réagir à ce même champ si l'on fait tourner l'antenne sur son axe.

3.2.2.3 Écrans

L'appareil doit afficher un ou plusieurs des paramètres suivants : 

1. la densité de puissance moyenne d'ondes planes équivalente, exprimée en milliwatts par centimètre carré (mW/cm²);
2. l'intensité de champ électrique quadratique moyenne, exprimée en volts carrés par mètre carré (V²/m²);
3. l'intensité de champ magnétique quadratique moyenne, exprimée en ampères carrés par mètre carré (A²/m²).

Certains instruments affichent une densité de puissance d'ondes planes équivalente dérivée des intensités de champs (E et H) mesurées.

Les appareils à réponse pondérée en fréquence doivent indiquer les valeurs en pourcentage de la limite d'exposition, selon la norme de sécurité pertinente.

3.2.2.4 Gamme de fréquences

Le fabricant doit spécifier la gamme de fréquences de l'appareil. La gamme dynamique des sondes à réponse en fréquence uniforme doit aller d'au moins 10 dB en dessous de la valeur la plus faible à au moins 5 dB au-dessus de la valeur maximale de la norme de sécurité. Ces limites doivent également s'appliquer aux appareils à réponse pondérée en fréquence.

3.2.2.5 Couplage et réponse aux autres rayonnements

La sonde ne doit réagir qu'à la composante du champ à mesurer; ainsi, un dipôle doit réagir au champ électrique, et non au champ magnétique, et vice versa.

La précision spécifiée de l'appareil doit tenir compte des effets de variables telles que les rayonnements ionisants, la lumière artificielle et la lumière du jour.

3.2.2.6 Blindage

Le boîtier de l'appareil et des câbles d'antenne doit être conçu pour réduire ou éliminer le brouillage électromagnétique. Le blindage doit être efficace dans les situations où un couplage ou un « captage » maximal se produit pour les composants involontairement récepteurs.

3.2.2.7 Réponse hors bande

Les caractéristiques de réponse hors bande de l'appareil doivent être spécifiées par le fabricant pour aider l'utilisateur à choisir l'appareil adapté à l'application prévue.

3.2.2.8 Modulation

L'appareil devrait indiquer la valeur efficace des champs électromagnétiques. Cependant, il peut aussi être équipé d'un commutateur pour les modes CW (onde entretenue) et AM-CW (onde entretenue modulée en amplitude). De plus, l'appareil devrait pouvoir déterminer la moyenne de la plus petite enveloppe modulée par impulsions d'un champ à ondes non entretenues que le contrôleur prévoit de rencontrer.

3.2.2.9 Électricité statique

Des charges statiques sont souvent induites sur la sonde de l'appareil de contrôle. L'appareil ne devrait pas indiquer des niveaux inexacts dus à une réponse aux charges statiques. Les vents ou la sécheresse peuvent également influer sur la lecture de l'appareil de contrôle.

3.2.2.10 Sortie d'enregistrement

Il peut être souhaitable de munir l'appareil d'une sortie d'enregistrement. On peut ainsi mesurer des champs dangereux sans faire courir de risques à l'utilisateur de l'appareil. Cette sortie facilite en outre la détermination des moyennes spatiale et temporelle.

3.2.2.11 Temps de réponse

En règle générale, le temps de réponse s'entend de la durée nécessaire pour que l'appareil atteigne 90 % de sa valeur finale quand il est exposé à l'énergie RF en onde entretenue (fonction échelon). Le temps de réponse de l'appareil devrait être indiqué à l'utilisateur.

3.2.2.12 Fonctions spéciales

La liste ci-dessous énumère les options dont l'appareil peut être doté : 

1. Un circuit de maintien de la valeur de crête. Cette fonction est utile quand l'amplitude du champ change pendant la mesure.
2. Un commutateur d'alarme ou de test pour indiquer que le niveau pré-réglé a été dépassé. Il faut également prévoir un moyen d'avertir l'utilisateur quand le signal mesuré surcharge l'appareil.
3. Une fonction d'enregistrement des données qui permet de fournir les valeurs moyenne, maximale et minimale des composantes de champ mesurées. Cette fonction pourrait fournir une moyenne en temps réel des champs mesurés avec un temps d'établissement de moyenne précisé par l'utilisateur (c.-à-d. six minutes).

3.2.2.13 Stabilité

L'appareil doit pouvoir fonctionner de manière continue pour une durée de 10 à 30 minutes sans qu'il ne soit nécessaire de le ré-initialiser. On peut utiliser un circuit électronique de ré-initialisation automatique pour éliminer le blindage nécessaire de la sonde sensible contre les champs RF ambiants pendant le processus de réinitialisation. Cette fonction est souhaitable, surtout quand on effectue le contrôle RF en présence de tours de radiodiffusion ou d'autres tours importantes de radiocommunications. Dans ces environnements, il n'existe peut-être pas du tout d'emplacements sans RF. L'appareil ne doit pas être sensible aux variations thermiques dans la gamme des extrêmes de température normalement rencontrés. Le fabricant doit spécifier, pour chaque gamme, l'écart maximal du zéro.

3.2.2.14 Incertitude relative à la mesure

La précision des mesures d'intensité de champ peut être réduite par l'incertitude intrinsèque aux mesures et par l'incertitude liée aux instrument de mesure. (Voir réf. [13]). L'incertitude relative aux mesures peut être réduite en suivant les procédures de mesure appropriées, et l'incertitude liée aux instruments de mesure peut être réduite en effectuant correctement l'étalonnage des instruments et en les sélectionnant avec soin. Pour réduire l'incertitude liée aux instruments de mesure, des procédures additionnelles seront suivies, p. ex. prendre la mesure d'une seule fréquence. Pour accroître le niveau de confiance en la conformité aux normes de sécurité, la taille de l'échantillon des points de mesure (endroits) à un emplacement doit être augmentée pour donner une meilleure indication des valeurs d'intensité de champ à l'emplacement. Dans tous les cas, le rapport de contrôle devrait contenir les spécifications des instruments fournies par le fabricant. Les spécifications de l'appareil doivent également tenir compte de la capacité de l'appareil à réagir aux champs modulés en amplitude (AM), par exemple les signaux radar pulsés, et à la multiplicité des signaux qui pourraient frapper simultanément la sonde. L'affichage de l'appareil doit permettre une résolution de l'intensité de champ mesurée de moins de 5 % de la valeur maximale de l'échelle. (L'annexe 5 traite également de l'incertitude relative à la mesure).

3.3 Étalonnage

Il est recommandé d'étalonner les appareils utilisés pour mesurer différents champs RF pour assurer la sécurité du personnel et le respect des lignes directrices en matière de sécurité et pour permettre de comparer les résultats des mesures du danger présenté par les fréquences radioélectriques.

Les méthodes d'étalonnage actuelles reposent sur le principe selon lequel une intensité de champ connue peut être établie au moyen de mesures ou de calculs ou de ces deux méthodes à la fois. L'appareil à étalonner est placé dans ce champ standard et on compare le relevé de l'appareil à la valeur connue du champ. Il existe trois méthodes de base pour produire un champ d'étalonnage standard : la méthode du champ standard en espace libre, la méthode de l'onde guidée et la méthode de la cellule TEM. Le choix de la méthode dépend de la nature de la sonde à l'étude, de la gamme de fréquences, de la précision recherchée et du matériel dont on dispose pour l'étalonnage.

3.3.1 Méthodes

3.3.1.1 Méthode du champ standard en espace libre

L'objectif consiste à créer un champ d'étalonnage fiable et connu selon la méthode de propagation en espace libre. Dans la plupart des montages expérimentaux, on utilise un émetteur à hyperfréquences pour produire le champ de référence. La densité de puissance en un point donné est liée à la puissance fournie à l'antenne émettrice, au gain effectif de l'antenne et à la distance sur l'axe entre ce point et l'antenne.

Il faut noter que ce montage n'est valable que lorsque l'appareil à étalonner est suffisamment petit et assez éloigné de l'antenne émettrice pour que la quantité d'énergie re-réfléchie vers le système émetteur soit négligeable.

Il est recommandé que l'étalonnage soit effectué par du personnel compétent, dans un laboratoire doté de l'équipement approprié; dans le cas des mesures sur le terrain, l'étalonnage de l'appareil de mesure doit être vérifié sur place à l'aide d'une cellule TEM portative.

Les principales sources d'erreur de la méthode en espace libre sont le brouillage par trajets multiples, les réflexions provenant des composants qui font partie du montage expérimental et les incertitudes dans la détermination du gain d'antenne.

3.3.1.2 Guides d'ondes rectangulaires

Les guides d'ondes rectangulaires produisent des champs suffisamment uniformes pour que ces guides puissent servir pour fins d'étalonnage. Ces champs sont également prévisibles. La sonde à étalonner est insérée dans le guide d'ondes par un trou de la paroi latérale et est placée au centre du guide, là où le champ est quasi uniforme. Le trou d'accès doit rester le plus petit possible afin d'en réduire l'effet sur la répartition du champ. La densité de puissance équivalente au centre du guide d'ondes peut être déterminée en fonction du carré du champ électrique. Cette valeur est liée aux dimensions du guide d'ondes et à la puissance d'émission.

Les guides d'ondes rectangulaires sont beaucoup moins encombrants et nécessitent moins de puissance électromagnétique que les installations requises pour la méthode d'étalonnage du champ standard en espace libre. L' inconvénient est que la dimension longitudinale maximale du guide d'ondes doit être inférieure à la longueur d'onde à la fréquence maximale d'étalonnage pour éviter les modes d'ordre élevé, qui entraînent des répartitions de champ complexes. Par conséquent, cette méthode n'est généralement utile que pour les fréquences inférieures à 2,6 GHz.

3.3.1.3 Étalonnage au moyen de cellules TEM

La cellule électromagnétique transverse, généralement appelée cellule TEM, sert à une autre méthode d'étalonnage par ondes guidées des sondes de champ électromagnétique. La cellule TEM de base est composée d'une section d'une ligne de transmission à deux conducteurs qui fonctionne en mode électromagnétique transverse, d'où son appellation. Le corps principal se compose d'un conducteur extérieur rectangulaire et d'un conducteur central plat situé à mi-chemin entre la paroi supérieure et la paroi inférieure. Les dimensions de la cellule TEM et ses extrémités effilées sont choisies pour produire une impédance caractéristique standard de 50 Ω sur toute la longueur de la cellule. Au centre de la zone d'étalonnage, à mi-chemin entre le conducteur central et la paroi supérieure ou inférieure de la cellule, le champ électrique est polarisé verticalement et est uniforme. L'impédance d'onde (E/H) sera proche de la valeur en espace libre de 377 Ω.

Les cellules TEM peuvent avoir différentes tailles pour s'adapter à des besoins particuliers et à des gammes de fréquences données. Toutefois, étant donné que la largeur doit être inférieure à une demi-longueur d'onde pour éviter les modes d'ordre élevé dans la cellule, la fréquence supérieure utile d'une cellule TEM est d'environ 500 MHz. Il faut examiner soigneusement plusieurs facteurs lors de la conception ou de l'utilisation d'une cellule TEM. La norme C95.3 de l'IEEE, intitulée lRecommended Practice for the Measurement of Potentially Hazardous Electromagnetic Fields, RF and Microwave, fournit des renseignements précieux et détaillés concernant les caractéristiques électriques, les ondes stationnaires, la séparation entre les plaques en fonction de la taille de la sonde à étalonner, etc.

3.3.1.4 Générateurs de champs magnétiques

Aux fréquences moins élevées, le champ magnétique axial (exprimé en A/m) au centre d'une antenne cadre circulaire en fil correspond simplement au courant (en ampères) divisé par le diamètre de l'antenne cadre (en mètres). Pour une bobine à spire simple fonctionnant en espace libre, une antenne cadre devient autorésonnante quand sa circonférence se rapproche de la longueur d'onde en espace libre. Pour les bobines multispires, la fréquence de résonance est moins élevée en raison de la capacité entre les spires. Quand on utilise une bobine dont la longueur totale du fil est inférieure à /10, l'impédance d'entrée est très faible, mais la valeur de l'intensité de champ peut se calculer facilement. Ce type de bobine est utile pour étalonner les sondes, jusqu'à une fréquence d'environ 30 MHz.

Il existe aussi un autre montage de bobines appelé bobines d'Helmholtz. Ce montage se compose de deux bobines plates placées sur le même axe, dans lesquelles le courant circule dans la même direction. Ce type de système de bobines produit un champ magnétique plus uniforme, dans un volume plus grand, qu'une bobine unique. Les bobines d'Helmholtz sont utiles jusqu'à environ 10 MHz. Cette limite de fréquence est dictée par les dimensions de la bobine, qui doivent être faibles par rapport à la longueur d'onde.

3.3.1.5 Méthode de la sonde étalon

Cette méthode est la plus simple et est peut-être la meilleure pour étalonner les appareils de contrôle des risques d'exposition aux rayonnements électromagnétiques aux fins des applications générales sur le terrain. L'objectif consiste à disposer d'une sonde stable et fiable, étalonnée avec précision (grâce à l'une des méthodes exposées ci-dessus), pour pouvoir s'en servir comme « étalon de transfert ». La sonde étalon sert à mesurer l'intensité de champ produite par un générateur de champ RF arbitraire, par exemple une antenne ou une cellule TEM, dans une région particulière dans l'espace (ou dans un système de guide d'ondes). Puis, on place une sonde non étalonnée au même endroit que la sonde étalon dans le champ, et on compare la lecture du mesureur de la sonde non étalonnée à la valeur connue et mesurée du champ, obtenue grâce à la sonde étalon. Le dispositif émetteur et générateur de champ utilisé dans ce processus doit produire un champ ayant la grandeur voulue et qui est constant dans le temps; le champ doit être uniforme dans la région où est placée la sonde non étalonnée. Il est facile d'obtenir, grâce à cette méthode, une précision de l'ordre de ± 2 à 3 dB. La commodité, la fiabilité et la simplicité sont les avantages de cette méthode. La différence dans les diagrammes de réception des deux sondes constitue une source possible d'erreur quand on utilise l'étalon de transfert pour étalonner une autre sonde. En outre, dans le champ proche d'une antenne, la taille du détecteur de la sonde est importante. Idéalement, les sondes étalon et non étalonnée doivent avoir des caractéristiques nominales identiques, et l'étalonnage doit se dérouler dans un champ relativement exempt de variations spatiales attribuables aux interactions de trajets multiples entre la sonde, l'antenne, la chambre anéchoïque et les autres composants générateurs de champ. Dans les cellules TEM ou les systèmes d'émission à plaques parallèles, le couplage capacitif entre la sonde et la plaque centrale et les parois de la cellule peut entraîner des erreurs d'étalonnage. La sonde étalon de transfert doit être stable, robuste et résister assez bien au claquage; elle doit avoir une plage dynamique importante, couvrir une vaste gamme de fréquences et avoir une réponse isotrope.

3.3.2 Évaluation des appareils de contrôle

Il faut évaluer les appareils de contrôle afin de déterminer les incertitudes ou les erreurs qui peuvent se produire quand on les utilise pour effectuer des mesures sur le terrain. Cette évaluation permet en outre d'élaborer des procédures qui peuvent réduire au minimum les erreurs de mesure. La liste ci-dessous présente des paramètres qu'il convient d'examiner :

1. Étalonnage absolu. Il doit être effectué à des niveaux de champ produisant des indications égales ou supérieures à la lecture de l'appareil au milieu de l'échelle.
2. Linéarité de l'appareil. Pour établir la linéarité de l'appareil, il faut effectuer des mesures à des niveaux de champ produisant des indications de 25, 50, 75 et 100 % de la pleine échelle, sur chaque plage du dispositif de lecture.
3. Réponse en fréquence. La réponse en fréquence de l'appareil dans la bande visée doit être établie. La réponse doit être relativement uniforme sur la gamme de fréquences spécifiée (± 1 à 3 dB).
4. Réponse hors bande. La sensibilité de l'appareil dans son ensemble doit être évaluée pour les champs à des fréquences hors de la gamme de fréquences spécifiée de l'appareil.
5. Réponse en champ proche. La réponse au champ magnétique d'un appareil de mesure du champ électrique, et la réponse au champ électrique d'un appareil de mesure du champ magnétique, doivent être évaluées.
6. Polarisation. Il convient de noter toutes les variations de lecture quand on fait tourner la sonde sur l'axe de la poignée.
7. Champs captés par les conducteurs. Les variations de réponse quand on fait tourner la poignée de la sonde dans le plan E ou tous les champs parasites captés doivent être notés et quantifiés.
8. Réponse en température. Les changements de réponse de l'appareil à un champ donné dans la gamme de températures visée doivent être déterminés.
9. Réponse en tension d'alimentation. Pour les appareils de contrôle RF alimentés par batterie, la précision globale doit être testée pour ce qui est des écarts par rapport à la tension nominale d'une ou de plusieurs des batteries.
10. Dérive et bruit. La stabilité à court et à long terme de l'appareil doit être déterminée en ce qui a trait à la valeur maximale de l'échelle de chaque plage de mesures de l'appareil, en l'absence de champs électromagnétiques.

3.3.3 Précision des mesures réelles

Plusieurs méthodes d'étalonnage des appareils de mesure ont été présentées et les incertitudes liées à chacune de ces méthodes ont été estimées. Il est important de comprendre qu'on ne peut pas s'attendre à obtenir la même précision quand on utilise ces appareils pour des applications de mesures réelles, notamment pour les raisons suivantes :

• ces appareils sont généralement étalonnés dans des champs nominaux uniformes ou à onde plane. Dans la pratique, ces champs n'existent pas toujours et le détecteur peut ne pas réagir de la même façon aux champs non planaires (dont les gradients spatiaux sont importants);
• dans la plupart des méthodes d'étalonnage, seul le détecteur (sonde) est exposé au champ, tandis que dans la pratique, c'est tout le système, y compris l'unité d'affichage et le câble de connexion, qui baigne dans le champ. Les réponses parasites provenant d'autres parties de l'appareil, notamment le mesureur-afficheur (boîtier) et le câble, peuvent produire des erreurs importantes. L'incertitude globale présentée par les facteurs ci-dessus est difficile à évaluer et varie en fonction du type de mesureur et de la situation d'utilisation. Cependant, si on suit de bonnes procédures de mesure, on peut s'attendre, dans la pratique, à des précisions de ± 1 à 3 dB ; l'incertitude augmente en champ proche et à des fréquences supérieures (longueurs d'ondes plus courtes) ou dans les zones où se trouvent des objets réfléchissants importants.