Comportement du champ électromagnétique autour d'une source 

👉 Structure du Champ électromagnétique généré par une source

Toute source électromagnétique, comme une antenne, génère à la fois un champ électrique E, exprimé en V/m, et un champ magnétique H, exprimé en A/m.  Ces deux champs forment ensemble le champ électromagnétique.

Celui-ci peut être décrit aussi comme la superposition de trois contributions (voir la slide) :

• Une contribution dominante, qui pour une source électrique comme une antenne-relais est un champ électrique,

• Une contribution complémentaire, qui pour une source électrique comme une antenne-relais est un champ magnétique,

• Une contribution qui se propage et qui contient elle-même un champ électrique et un champ magnétique couplés. Cette contribution n'existe que si la source électromagnétique est oscillante.

Les trois contributions existent autour de la source, mais avec une importance relative qui dépend de la distance à la source. La contribution dominante et la contribution complémentaire décroissent très vite, comme l'inverse du cube et l'inverse du carré de la distance, quand on s'écarte de la source. La contribution qui se propage a une amplitude près de la source plus faible que celles des deux autres.  Et son amplitude décroît lentement, comme l'inverse de la distance. 

Il arrive donc un moment, assez loin de la source, où la seule contribution mesurable en pratique est la contribution qui se propage. Cette contribution, assez loin de la source, est une onde. Elle est d'abord sphérique, avec des fronts d'onde sur des sphères centrées sur l'antenne. Elle peut ensuite, plus loin, être localement assimilée à une onde plane.

Le champ électromagnétique est donc très complexe à décrire quand on est tout proche de la source. 

Loin de la source, c'est beaucoup plus simple ! Le champ une onde plane, caractérisée par son amplitude maximale et par sa fréquence (ou de façon équivalente par sa longueur d'onde). 

👉 Découpage de l'espace autour d'une source de champ électromagnétique oscillante en trois zones

On a l'habitude de définir trois zones autour d'une antenne. Dans chaque zone, le champ électromagnétique à un comportement différent.

• Très proche de l'antenne, on a la zone de champ proche réactif :

• Dans cette zone, le champ électrique E (contribution dominante) et le champ magnétique H (contribution complémentaire) ne sont pas liés par des relations simples. Connaître E ne permet pas de calculer H,

• Les deux champs E et H restent « liés » à la source. Ils ne se propagent pas. Ils s’atténuent très vite avec la distance.

• Les objets métalliques proches (corps, câbles, boîtier…) dans cette zone peuvent fortement perturber et amplifier localement le champ électromagnétique. Ils interagissent avec l’antenne par couplage électrique / magnétique et peuvent dans certains cas se transformer en antennes parasites.

• Un peu plus loin de l'antenne, on a la zone de champ proche radiatif.

• Là, le champ électromagnétique commence à se comporter globalement comme une onde, mais le front d’onde n’est pas encore homogène (l'onde n'est pas plane mais sphérique),

• Des interférences locales entre les différents éléments rayonnants de l’antenne créent des variations spatiales rapides du champ. Cela pose un problème pour la représentativité des mesures.

• Encore plus loin, on a la zone de champ lointain.

• Les amplitudes de la contribution dominante et de la contribution complémentaire dont on a parlé sont devenues extrêmement faibles et non mesurables. il ne reste dans cette zone que la contribution qui se propage,

• Le champ électrique E et le champ magnétique H de ce champ oscillent en phase, en passant au même moment par leur maxima ou leur minima,

• Le ratio de leurs amplitudes reste constant à tous moments : E / H = constante = 377 ohms.

• Les deux champs E et H sont perpendiculaires l'un à l'autre et sont aussi perpendiculaires à la direction de propagation. On a affaire à une onde plane.

👉 Comment fonctionne les Champmètres qui mesurent les radiofréquences 

Tous les champmètres RF grand public et professionnels que vous connaissez mesurent les ondes en intégrant dans leur chaîne de calcul : 

• Le fait que l'onde qu'ils mesurent est une onde plane (et pas sphérique),

• Le fait que connaître le champ électrique E permet de calculer le champ magnétique H et réciproquement grâce à la relation E / H = constante,

Ils sont donc conçus pour mesurer uniquement le champ électrique en V/m des ondes en zone de champ lointain. H dépendant de E dans cette zone, ils calculent ensuite la puissance électromagnétique de l'onde avec E mesuré et H calculé.

On comprend rapidement les limitations de ces champmètres quand ils sont utilisés en dehors de la zone de champ lointain  :

• Dans la zone de champ proche radiatif, qui est une zone d'interférences locales créées par les différents éléments radiatifs de l'antenne, la représentativité de la mesure peut être problématique. 

• Dans la zone de champ proche réactif, à proximité immédiate des antennes, là où les techniciens interviennent sur les toits terrasses, c'est encore pire. Les champmètres RF qui mesurent les ondes sont inopérants ! Ils mesurent en effet le champ électrique en lui prêtant des propriétés physiques qu'il n'a pas.  Le champ magnétique utilisé pour obtenir la puissance surfacique est lui aussi mal évalué, principalement pour deux raisons : 

  • • • D'abord parce que E mesuré est faux, le champ électrique n'étant pas celui d'une onde plane,

      • Ensuite parce que H est calculé en utilisant la relation qui relie E et H pour une onde. 

Les valeurs de champ électrique en V/m et celles de puissance surfacique en μW/m2 fournis par ces champmètres sont donc incorrectes et non représentatives de la réalité.

👉 Comment fonctionne les détecteurs / mesureurs / dosimètre qui mesurent le champ électromagnétique à proximité des antennes 

Les techniciens qui interviennent sur les antennes sont parfois équipés d'un appareil visant à garantir leur sécurité (ce n 'est pas une obligation en France). Ces champmètres spécialisés mesurent correctement le champ électromagnétique quelle que soit la distance aux antennes, en zone de champ proche réactif, en zone de champ proche radiatif et en zone de champ lointain.

Ils ne font aucune hypothèse sur les relations entre le champ électrique E et le champ magnétique H : E et H sont mesurés indépendamment en continu et comparés aux valeurs limites officiels :

• En champ proche, les mesures avec E et H sont correctes et décrivent bien le champ électromagnétique,

• En zone de champ lointain, donc quand le champ électromagnétique est devenu une onde, les mesures sont aussi correctes. Le champ magnétique de l'onde a juste été mesuré au lieu d'être calculé à partir du champ électrique. 

Un exemple de ces champmètres spécialisés est le Radman 2 du fabricant Narda. 

• Narda indique dans sa note technique que l'appareil est muni de capteurs de champ électrique et de capteurs de champ magnétique, optimisés bien sûr pour les fréquences de la téléphonie mobile et les autres sources de radiofréquences.

👉 Problématique des mesures avec un Champmètre RF collé ou à proximité de la source

Internet contient des centaines d'images et de vidéos montrant que telle ou telle source de radiofréquences génère des Expositions élevées. 

Et la preuve est apportée avec la valeur de l'Exposition, mesurée avec un champmètre RF placé contre la source ou à proximité immédiate.

Ces images et vidéos sont très démonstratives et jouent bien leur rôle d'alerte du public, ce qu'il faut encourager. Mais elles partagent toutes un biais important : la mesure est réalisée en champ proche réactif alors que le champmètre RF est fait pour des mesures en champ lointain.

Les valeurs d'exposition annoncées ne sont donc pas représentatives de la réalité. Elles montrent juste que le champmètre RF s'est couplé avec une source de champ électrique et de champ magnétique haute fréquence. 

S'il fallait prendre une analogie très simplifiée pour expliquer ce qui se passe, on pourrait assimiler la source de RF à une prise électrique sous tension et le champmètre RF à un détecteur de tension sans contact. Cet appareil se couple avec la prise électrique et bipe d'autant plus fort qu'il est proche de la source. En champ proche réactif, le champmètre RF à le même comportement. Il montre qu'il y a bien un champ, mais ne donne pas de mesure exploitable parce qu'il interprète mal la physique du champ.

Il faut toujours avoir en tête cette limitation propre aux champmètres RF : ils ne sont pas faits pour être collés aux sources.

Un champmètre RF classique est calibré pour mesurer des ondes planes, pas pour des couplages locaux en zone de champ réactif.

👉 Calcul des limites des zones de champ proche réactif, de champ proche radiatif et de champ lointain d'une antenne-relais 

Les limites des différentes zones dépendent de la dimension de l'antenne et de la longueur d'onde de l'onde. Elles sont calculées en utilisant des formules conventionnelles (voir ci-dessous).

Pour les sources simples, comme les antennes Wifi ou celles des bases de téléphone DECT, la dimension à prendre en compte est la longueur physique de l'antenne.

Pour les antennes-relais à faisceau fixe, qui comportent plusieurs éléments radiatifs placés sous un même radôme, la dimension à prendre en compte n'est pas la longueur du radôme. Ce n'est pas non plus la longueur d'un élément radiatif. 

Il faut pour la fréquence considérée calculer la longueur électromagnétique de l'antenne. Cette longueur, plus courte que la longueur physique du radôme, fait intervenir les angles d'ouverture à - 3 dB de l'antenne par bandes de fréquences dans le plan vertical, qui sont fournis par le fabricant de l'antenne. 

• À titre d'approximation, on peut utiliser la relation D ≈ 50,8 λ / θ, où D est la longueur électromagnétique de l'antenne et θ est l'angle d'ouverture complet exprimé en degrés. La longueur du radôme sert alors de contrôle, car la dimension électromagnétique estimée doit rester compatible avec la taille physique de l'antenne.

  • Exemple n°1 : antenne avec un angle d'ouverture à - 3 dB de 7° dans le plan vertical pour la fréquence 2100 MHz. La longueur d'onde λ est de 0,14 m. La formule donne une longueur électromagnétique d'environ 1 m. La fin du champ proche réactif est alors situé à environ 1,8 m de l'antenne et le début du champ lointain à environ 15 m. 

  • Exemple n°2 : antenne avec un angle d'ouverture à - 3 dB de 9° dans le plan vertical pour la fréquence 700 MHz. La longueur d'onde λ est de 0,43 m.  La formule donne une longueur électromagnétique d'environ 2,4 m. La fin du champ proche réactif est alors situé à environ 3,4 m de l'antenne et le début du champ lointain à environ 26 m. 

Pour une antenne 5G Massive MIMO à faisceau orientable, il est préférable d'utiliser une dimension géométrique représentative de la surface rayonnante, par exemple la diagonale formée par la hauteur et la largeur du radôme, pour évaluer les limites du champ proche réactif et le début du champ lointain. Cette approche tient compte du fait que l'antenne forme son faisceau dans les deux plans, vertical et horizontal.

• Exemple n°3 : antenne 5G 3500 MHz massive MIMO Ericsson AIR 6449 - 42, de dimensions 0,778 m par 0,403 m. La longueur d'onde λ est de 0,086 m. La diagonale physique du radôme est d'environ 0,88 m. En appliquant un coefficient de correction de 0,90, la dimension électromagnétique utilisée est d'environ 0,79 m. La fin du champ proche réactif est alors située à environ 1,5 m de l'antenne et le début du champ lointain à environ 14,5 m.

Un calculateur en ligne est disponible sur le site. Il fournit automatiquement les différentes limites pour les antennes-relais à faisceau fixe, les antennes-relais à faisceau orientable et les antennes paraboliques (faisceaux hertziens, antennes satellites) : cliquez ici.

Les trois contributions qui forment le champ électromagnétique 

Modélisation du champ électromagnétique en champ proche réactif et radiatif