Quels instruments pour mesurer les champs de radiofréquences ?

Les champs électromagnétiques ne peuvent être ni vus ni entendus, mais il existe un moyen de les détecter et de les mesurer. Comme pour de nombreux phénomènes naturels, les champs électromagnétiques peuvent être mesurés directement. Pour sentir les odeurs dans l’air, un nez suffit ; pour “sentir” les champs électromagnétiques, vous devez utiliser un “nez” spécial, c’est-à-dire une sonde, reliée à un appareil de mesure qui vous permet d'”établir” la valeur du champ électromagnétique à l’endroit où vous voulez le mesurer.

La sonde est, en gros, une antenne de réception et sert à “capturer” le champ électromagnétique ; l’appareil de mesure est l’instrument qui, après avoir traité le signal reçu de la sonde, fournit la valeur du champ. Evidemment, comme les fréquences des champs électromagnétiques de radiofréquence (et en particulier dans les micro-ondes) sont élevées, pour mesurer ces champs, il faudra choisir l’instrument et surtout la sonde la plus adaptée, en fonction de la fréquence du champ à mesurer.

Un compteur RF professionnel.

En particulier, les fréquences de champ émises par les stations de base de radio mobile (et donc aussi les téléphones mobiles) vont de 800 MHz à 2,6 GHz pour les générations jusqu’à 4G et 4,5G, mais pour la 5G, elles iront aussi dans les bandes de 3,7 GHz et 26 GHz. Le Wi-Fi domestique et les hotspots publics, en revanche, utilisent des fréquences dans les bandes de 2,4 et 5 GHz. Les diffuseurs de radio et de télévision travaillent sur des fréquences allant de 500 kHz à 750 MHz, tandis que les autres services radio vont jusqu’à 900 MHz. Par conséquent, dans un cas distinct de 5G, il faut un appareil de mesure capable de mesurer dans la gamme de 700 MHz à 3,5 GHz.

Dans toutes ces gammes de fréquences, les longueurs d’onde des champs électromagnétiques et la taille de l’antenne sont relativement courtes, les positions de mesure sont généralement situées dans la région du champ lointain et, en général, seules des mesures du champ électrique (E) sont nécessaires. Dans la région de champ lointain, le champ magnétique (H) et le champ électrique (E) sont corrélés par une constante, c’est-à-dire qu’il existe une relation fixe entre eux. Dans ce cas, seule la mesure de la composante |E² permet de se rapprocher de la densité de puissance. Toutefois, à des fréquences inférieures à 300 MHz, le champ magnétique (H) doit également être mesuré.

Tous les signaux de radiofréquence (RF) ont une orientation dans l’espace. Ils peuvent être polarisés verticalement ou horizontalement, ou encore circulairement. L’orientation de l’antenne du compteur par rapport au signal affectera grandement la capacité du compteur à “voir” le signal. Si l’antenne est correctement alignée, elle verra mieux le signal. Sinon, la lecture sera plus faible. Lorsqu’il y a plusieurs signaux (avec des orientations différentes), il est difficile de définir l’orientation “correcte” de l’antenne.

Polarisation horizontale ou verticale d’un signal RF (à gauche) et comparaison des différentes unités de mesure utilisées pour les radiofréquences (à droite).

Pour mesurer les niveaux généralement faibles du rayonnement RF de fond, une petite unité, comme le V/m, peut être utilisée. Pour mesurer la quantité relativement importante de rayonnement sortant d’un four à micro-ondes, vous pouvez utiliser une unité plus grande, telle que mW/cm2. L’image ci-dessus montre la taille relative de certaines unités par rapport à 1 V/m. Notez que A/m est une unité beaucoup plus grande, presque 400 fois la taille d’un V/m. A/m est donc plus adapté pour mesurer les rayonnements très forts.

Les limites actuellement en vigueur pour les champs électriques, magnétiques et électromagnétiques générés par des sources fixes fonctionnant à haute fréquence (100 kHz-300 GHz) – y compris, par exemple, les installations de téléphonie mobile ou de radiodiffusion ou de télévision – sont fixées par le décret du Président du Conseil des ministres du 8 juillet 2003 (publié au Journal officiel n° 199 du 28/08/2003). Elle fixe, dans cet ordre, des limites d’exposition, des valeurs d’attention et des objectifs de qualité. Les valeurs de référence (limite d’exposition ou valeur d’attention) dépendent de l’utilisation prévue du site, tandis que les limites d’exposition varient également selon le type de système d’émission (téléphones mobiles, radio, TV, liaisons radio, etc.).

Notez que, pour les sources de radiofréquences, dans la plupart des cas, le champ électrique et le champ magnétique sont proportionnels. Pour mesurer leur intensité, il suffit donc de se référer au seul champ électrique (le “fameux” 6 V/m pour les lieux où vous restez plus de 4 heures). Ce n’est que dans certaines situations spécifiques – par exemple à proximité d’installations radio, ou en tout cas à proximité de sources fonctionnant à des fréquences inférieures à 300 MHz – qu’il est nécessaire de mesurer séparément le champ électrique et le champ magnétique (exprimés en μT, c’est-à-dire en microtesla).

Dans la pratique, à la maison, dans le jardin de sa propre maison et à l’école, la limite des fréquences radio prévue par la loi est de 6 V/m pour l’intensité du champ électrique et de 100 mW/m2 pour la densité de puissance. En revanche, à l’extérieur, où les gens ne sont pas censés rester longtemps, la limite actuellement exigée par la loi varie entre 20 et 60 V/m, selon la fréquence de la source. Les mesures de l’exposition aux champs de radiofréquences doivent désormais être effectuées sur la base d’une moyenne de 24 heures, et non plus de 6 minutes.

La puissance rayonnée par une source de radiofréquences est souvent exprimée en décibels au-dessus des niveaux de puissance de référence de 1 mW (dBm) ou 1 W (dBW). Selon le type de service et la source, la gamme de puissance typique rayonnée par les antennes d’émission va de moins de 1 W ou 0 dBW (par exemple, les émetteurs portables) à plus de 100 kW ou 50 dBW ou plus (par exemple, les radars, les émetteurs VLF, etc.). Une station de base de téléphone mobile, en revanche, peut avoir une puissance rayonnée de l’ordre de 1-100 W ; un téléphone mobile commun, enfin, de l’ordre de 1-2 W.

Instruments de mesure à large bande et à bande étroite

Les instruments de mesure du champ électromagnétique sont essentiellement de deux types : à large bande, utilisés pour connaître la valeur du champ électromagnétique total ; à bande étroite, utilisés pour capter le champ électromagnétique produit par une source unique. Par conséquent, les mesures du champ électromagnétique peuvent être effectuées de différentes manières, et lors du choix de l’équipement de mesure, il est essentiel d’avoir une idée claire de ce que vous voulez savoir de la mesure du champ.

Les compteurs à large bande mesurent le rayonnement total car ils prennent en compte tout ce qu’ils entendent dans une large bande du spectre électromagnétique. Ainsi, si dans une certaine zone il y a un émetteur radio émettant à 95 MHz et une station de base émettant dans la bande des micro-ondes, un compteur à large bande donnera une valeur de champ qui “contient” celle des deux sources. Un compteur à bande étroite, en revanche, n’isole qu’une seule des sources et ne mesure que l’intensité de cette source.

Exemple de compteurs à bande large et à bande étroite

Ainsi, un compteur à large bande permet de vérifier que la valeur globale du champ électromagnétique sur une large gamme de fréquences ne dépasse pas certaines valeurs, car si elle était trop élevée, elle ne serait pas bonne pour la santé. Un compteur à bande étroite, en revanche, qui se concentre sur une seule source et l’isole des autres, permet de vérifier qu’aucune source n’est trop puissante et respecte donc la limite fixée pour elle par la législation en vigueur.

La classification d’un signal comme “bande étroite” ou “bande large” (à ne pas confondre avec la bande de l’instrument) est déterminée par le spectre de fréquences occupé par le signal examiné, par rapport à la largeur de bande de résolution (RBW) de l’instrument utilisé pour la mesure. Si le spectre du signal est entièrement contenu dans la largeur de bande du filtre FI (fréquence intermédiaire), il est défini comme un signal à bande étroite ; s’il dépasse la largeur de bande du filtre, le signal est considéré comme à large bande.

Exemple de signal à large bande (à gauche) et de signal à bande étroite (à droite).

En pratique, un compteur à large bande répond de manière uniforme sur une large gamme de fréquences et ne nécessite aucun réglage. Même un appareil de mesure à bande étroite peut fonctionner sur une large gamme de fréquences, mais la largeur de bande de réception est réduite et l’appareil doit être réglé sur la fréquence qui vous intéresse. Les appareils à bande étroite et à large bande ont leurs avantages et leurs inconvénients en fonction de l’environnement spectral et du type de mesures que vous comptez effectuer.

Guide de sélection des instruments de mesure des champs RF

Les détecteurs de champs électromagnétiques – des instruments utilisés pour indiquer l’intensité globale d’une variété de champs électromagnétiques – sont maintenant disponibles avec une large gamme de sensibilités, de réponses en fréquence et de caractéristiques. Pour une utilisation à la maison ou au bureau ou dans des environnements ouverts, de simples compteurs à large bande suffisent souvent pour une première détection. Pour mesurer les fréquences radio les plus courantes, vous aurez essentiellement besoin d’un compteur à large bande pour les champs RF et micro-ondes.

Le compteur RF à large bande doit mesurer le gradient de tension (en mV/m) ou la densité de puissance (en W/m2) des champs de radiofréquences. En outre, il doit pouvoir mesurer la puissance radiofréquence pulsée produite par les téléphones mobiles et les stations de base, les téléphones DECT sans fil et les réseaux sans fil, ainsi que la puissance continue de sources RF moins complexes telles que les émetteurs de radio et de télévision. Des exemples économiques de ces compteurs peuvent être facilement trouvés sur Internet.

Par exemple, l’un des électrosmomètres RF les plus répandus – et, surtout, avec le meilleur rapport qualité/prix – est le PCE-EM 29, produit par la société PCE. Il s’agit d’un appareil à large bande, coûtant environ 200 euros, capable de mesurer les champs électromagnétiques de radiofréquence dans la gamme 50 MHz-3,5 GHz, grâce à son capteur de champ électrique isotrope (qui permet des mesures sur trois axes simultanément ou un à la fois).

Le compteur PCE-EM 29 en action sur un téléphone portable

Le PCE-EM29 est donc idéal pour disposer d’un instrument de mesure peu coûteux : l’intensité du champ des ondes électromagnétiques à haute fréquence (RF) ; la densité de la puissance rayonnée par les antennes des stations de base des téléphones mobiles ; les applications de communication sans fil (CW, TDMA, GSM, DECT) ; le signal Wi-Fi (routeur, LAN sans fil et points d’accès) ; l’espionnage des caméras et les bogues sans fil ; le niveau de sécurité des rayonnements émis par les téléphones mobiles et les téléphones sans fil ; les fuites éventuelles des fours à micro-ondes ; la sécurité personnelle de l’environnement dans lequel vous vivez en ce qui concerne les champs électromagnétiques.

En règle générale, un compteur pour mesurer les RF pourrait avoir une gamme de fréquences de 50 MHz à 3 GHz ou légèrement plus. Les RF mètres (ou micro-ondes, c’est-à-dire ceux qui mesurent plus spécifiquement les fréquences à partir de 500 MHz environ, qui sont les plus intéressants pour la téléphonie mobile) mesurent généralement la gamme de tension en volts par mètre (V/m, ou pour des gammes plus petites, mV/m), bien qu’ils utilisent souvent cette mesure pour calculer et afficher la densité de puissance en watts par mètre carré (W/m2), si souhaité.

Une mesure de champ près d’une antenne de téléphone portable.

En ce qui concerne, en particulier, les mesures sur les routeurs Wi-Fi, puisque les derniers modèles de ces appareils fonctionnent non seulement dans la bande des 2,4 GHz, mais aussi dans la bande des 5 GHz – qui est hors de portée de nombreux électrosmomètres RF courants (comme, par exemple, la bande des 2,4 GHz). PCE-EM 29) – il convient d’utiliser un radiomètre à bande plus large, tel que le Cornet ED78S, qui fonctionne dans la gamme de fréquences de 100 MHz à 8 GHz, ou le Cornet ED88T Plus, légèrement plus cher, qui, contrairement au modèle précédent, est un excellent radiomètre, en plus des RF, également (comme TriField) des champs électriques et magnétiques à basse fréquence, mais dans la gamme 50 Hz-10 kHz (idéal pour mesurer l'”électricité sale”) et indique en outre la fréquence d’exposition (bien que seulement dans la gamme de fréquences 100 MHz-2,7 GHz).

Le cornet peut également indiquer la fréquence d’exposition.

Cette lecture de fréquence affichée par l’ED88T Plus permet d’identifier la source de l’électrosmog à courte distance. Il indique la fréquence prédominante du champ RF en MHz. Par exemple, si le relevé indique une fréquence proche de 2,4 GHz, cela indique la présence d’un routeur Wi-Fi ou d’un four à micro-ondes. Si elle est plus proche de 900 MHz, la source pourrait être une tour téléphonique, un téléphone portable ou un compteur intelligent. Et le taux d’échantillonnage rapide des impulsions (10 000/sec.) permet de capturer les impulsions courtes du compteur intelligent.

Les compteurs RF (et micro-ondes) sont généralement isotropes, c’est-à-dire qu’ils sont dotés d’un capteur triaxial qui donne une lecture efficace du champ sans avoir à changer l’orientation du compteur, ce qui facilite grandement la mesure. Notez que de nombreux compteurs RF ont un capteur interne (antenne) qui ne doit pas être recouvert par la main. Par conséquent, tenez le compteur par le bord inférieur, si possible, ou placez-le sur un support en bois. De plus, n’utilisez jamais de compteurs pour les champs de basse fréquence (ELF, 50 ou 60 Hz) pour mesurer les radiofréquences ou les micro-ondes.

Pour sa particularité, un troisième modèle de RF mètre, l’Acoustimètre AM-10, plus cher, dont la force est sa simplicité, ainsi qu’une large réponse en fréquence comparable à celle du Cornet : de 200 MHz à 8 GHz. Il dispose d’un écran LCD qui affiche simultanément le niveau de pointe du champ électrique (en V/m) et le niveau d’exposition moyen en μW/m2. Afficher uniquement le niveau de champ électrique de pointe peut créer beaucoup de confusion, mais la beauté de ce radiomètre réside dans sa fonction audio : dès que vous effectuez un relevé, vous pouvez l’écouter dans le haut-parleur (ou le casque) sous la forme d’un son différent selon le type de source (GSM, DECT, 3G ou 4G, Wi,-Fi, etc.), puis vous pouvez voir le niveau de rayonnement sur l’écran.

Acoustimètre utilisé pour mesurer le champ d’un lecteur de livres électroniques Kindle.

Mais en plus d’être équipé d’une échelle à leds pour un affichage immédiat du niveau mesuré (de 20 mV/m à 6 V/m), il possède également une excellente sensibilité directionnelle pour un compteur, qui ne peut être définie directionnelle au sens strict. Alors que de nombreux appareils de mesure des radiofréquences ne vous indiquent que le niveau de radiation des radiofréquences, avec cet appareil, vous pouvez, dans certaines circonstances, savoir d’où il provient. En inclinant le compteur à différents angles, vous pouvez trouver des sources RF dans votre environnement, une tour téléphonique cachée ou un routeur WiFi distant dont vous n’auriez jamais imaginé qu’il capterait un signal (si vous effectuez le test dans une zone où des radiations RF de différentes sources sont présentes, il est toutefois peu probable que vous obteniez des relevés directionnels précis).

Notez que, quel que soit l’outil que vous décidez d’utiliser, votre compteur peut fournir des résultats différents de ceux obtenus avec les modèles d’autres marques. En fait, lorsqu’il n’y avait que des signaux analogiques – et pas beaucoup – il était relativement facile de mesurer ces signaux. Aujourd’hui, à l’ère du numérique et des micro-ondes, il existe de nombreux signaux numériques de différents types, et il est beaucoup plus difficile de trouver une méthode de mesure définitive. Les compteurs des différents fabricants peuvent calculer le champ de façon légèrement différente. De plus, les compteurs peuvent avoir différentes gammes de fréquences, différents types de capteurs, et donner des résultats différents à différentes fréquences.

Des outils plus sophistiqués sont donc nécessaires pour des enquêtes plus précises. Des compteurs avec une gamme de fréquences plus élevée peuvent être nécessaires pour mesurer des champs électromagnétiques moins courants, mais ce n’est pas le cas ici (sauf pour les fréquences supérieures à 5G, qui ne sont pas encore couvertes par la plupart des compteurs RF commerciaux à bas prix). D’autres instruments plus sophistiqués, tels que les analyseurs de spectre et les antennes directionnelles actives, sont utiles si la source d’un champ électromagnétique doit être localisée, ou si une sensibilité plus élevée est nécessaire ou, enfin, si le signal à mesurer est discontinu (par exemple, il a une modulation d’impulsion avec une faible fréquence de répétition des impulsions).

Les analyseurs de spectre et leur utilisation

L’instrument habituellement utilisé par les professionnels pour mesurer à la fois la fréquence et l’intensité des champs électromagnétiques est l’analyseur de spectre. Cet instrument mesure une large gamme de fréquences petit à petit, en stockant et/ou en affichant les résultats pour chaque bande étroite de fréquences. Les analyseurs de spectre sont coûteux, comme le montrent rapidement les recherches sur Internet. Enfin, notez qu’un mesureur de champs électromagnétiques basse fréquence (50 ou 60 Hz, c’est-à-dire dans la bande ELF, Extremely Low Frequency) ne peut pas mesurer la fréquence des champs électromagnétiques de radiofréquence.

On peut donc essentiellement distinguer deux types de méthodes disponibles pour mesurer les champs électromagnétiques à haute fréquence. L’une d’elles est l’utilisation de capteurs de champ isotrope portables, qui permettent de mesurer de manière simple et non sélective l’intensité du champ électrique. L’autre, plus complexe, est la mesure sélective de fréquence en combinant une antenne directive avec un analyseur de spectre ou un récepteur d’essai. Le principal inconvénient des compteurs à large bande faciles à utiliser est la non-sélectivité de cette méthode, qui ne permet pas d’évaluer la source individuelle.

Analyseur de spectre avec antenne sélective et interfacé à un PC.

Les analyseurs de spectre sont essentiellement des récepteurs accordables à large bande dont la largeur de bande de réception peut être réglée sur une large gamme de fréquences. Ils sont utilisés pour mesurer la puissance à la borne de l’antenne – reliée à l’instrument par un câble coaxial – à la fréquence choisie. Ils peuvent être utilisés avec différents types d’antennes : antennes dipôles avec un gain d’environ 2, 15 dBi ; antennes à faible directivité (par exemple, antennes biconiques) ; antennes à forte directivité.

Par exemple, lorsqu’il est utilisé en combinaison avec une antenne sélective à bande étroite, l’analyseur de spectre devient conceptuellement similaire à ce qu’on appelle un “mesureur de champ”. Cependant, les analyseurs de spectre peuvent également être connectés à des antennes non directionnelles relativement courtes pour produire une réponse étendue sur une gamme de fréquences donnée. Dans ce cas, l’analyseur affichera le spectre des signaux environnementaux et permettra ainsi de déterminer les fréquences concernées et leur contribution relative à la densité de puissance globale mesurée avec l’instrument à large bande.

Exemple d’analyse spectrale pouvant être obtenue avec un analyseur de spectre, qui permet l’identification de sources individuelles. 

Si la direction du rayonnement incident est connue, la mesure peut être effectuée en dirigeant l’antenne directionnelle vers la source et en acquérant le spectre. Cette opération doit être répétée pour deux positions orthogonales dans l’orientation de l’antenne, correspondant à deux polarisations différentes. La gamme globale résultante sera obtenue à partir d’une somme des deux spectres acquis. S’il existe de nombreuses directions d’où provient le rayonnement incident en raison de la présence de nombreuses sources situées dans des positions différentes, il est nécessaire d’effectuer plusieurs mesures en orientant l’antenne directive vers les différentes sources, peut-être après une étude avec une antenne non directive.

Dans la figure suivante, par exemple, les pics que l’on peut voir en allant de gauche à droite – c’est-à-dire de fréquences plus basses à plus hautes – représentent respectivement la modulation de fréquence radio des stations de radio, des stations de télévision, des stations de base des téléphones portables des différentes entreprises, des liaisons radio de toutes les entreprises, de l’UMTS (utilisé par les smartphones) et du Wi-Fi. Les valeurs indiquées en haut sont celles mesurées dans une maison de Ciampino, dont les habitants sont exposés à ce champ 24 heures sur 24, donc si ensuite ils ont des réactions sur leur propre corps, c’est compréhensible. La partie inférieure montre plutôt les valeurs les plus “normales” et proches des valeurs de fond naturelles mesurées dans une autre habitation, mais située à Orvinio (municipalité de 387 habitants dans la province de Rieti), une zone de campagne qui, comme vous pouvez le voir, est presque exempte d’électrosmog.