Guide pour mesurer les champs des antennes téléphoniques

Il est possible de mesurer l’intensité du champ électromagnétique d’une ou de plusieurs stations de base radio mobiles. Pour les sites dotés d’une seule station de base radio, les mesures peuvent être effectuées à l’aide d’un appareil de mesure à bande large ou étroite convenablement calibré. Pour les sites multi-stations (ou en présence d’autres sources de radiofréquences), l’utilisation d’un appareil de mesure de la densité de puissance totale à large bande est appropriée. Il y a une différence entre les instruments de mesure à large bande et à bande étroite, les deux méthodes de mesure des champs de radiofréquence (RF). Comment choisir un compteur RF à faible coût, ainsi qu’un exemple d’un tel compteur avec un excellent rapport qualité/prix.

Le compteur RF à large bande PCE-EM 29

Le compteur en question est à large bande et possède une sonde de champ électrique isotrope, c’est-à-dire capable de mesurer sur chacun des trois axes ensemble ou séparément, pour faciliter l’identification des sources. L’instrument mesure le champ électrique en volts par mètre (V/m, ou pour des champs plus petits, mV/m), puis utilise cette mesure pour calculer et afficher la densité de puissance en watts par mètre carré (W/m2), utile pour évaluer la densité de puissance totale pour les sites avec des sources de radiofréquences multiples.

Il est à rappeler que les sources de radiofréquences dans la région des micro-ondes, dans laquelle se trouvent les stations de base radio et les téléphones mobiles, le champ électrique et le champ magnétique sont proportionnels, de sorte que pour la mesure de leur intensité, il suffit de se référer au seul champ électrique. Au contraire, pour les sources de basse fréquence (lignes électriques, lignes électriques domestiques, etc.), les champs électriques et magnétiques sont découplés, ils doivent donc être mesurés séparément avec un autre instrument.

À la maison, dans le jardin de sa propre maison et à l’école, il est nécessaire de limiter les fréquences radio exigée par la loi pour l’intensité du champ électrique (dans les endroits où l’on est stationné au moins 4 heures/jour) et de 100 mW/m2 pour la densité de puissance. En revanche, à l’air libre, où les gens ne sont pas censés rester longtemps, la limite prévue aujourd’hui 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 sont 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 tels que les LPD) à plus de 100 kW ou 50 dBW ou plus (par exemple, dans le cas des radars, des émetteurs TV VLF, etc.)

Un téléphone portable commun, en revanche, a une puissance rayonnée de l’ordre de 1 à 2 W et une station de base de l’ordre de 1 à 100 W. La puissance totale émise par tous les opérateurs d’une zone donnée augmente généralement du GSM (900 MHz) au DCS (1800 MHz) et à l’UMTS (2100 MHz). Le quatrième réseau, appelé ETACS, un système analogique exploité uniquement par TIM, a été définitivement démantelé il y a plus de dix ans, et il est probable que d’ici dix ans, le seul réseau qui fonctionnera sera l’UMTS (et les plus récents), les deux autres réseaux GSM et DCS étant progressivement supprimés.

Introduction aux champs des stations de base radio

Les stations de base de téléphonie mobile sont des sources électromagnétiques de radiofréquences fonctionnant dans la région des micro-ondes qui rayonnent de l’énergie dans l’espace par le biais d’antennes installées sur des tours, des mâts ou des bâtiments. L’espace autour d’une antenne rayonnante peut être divisé essentiellement en deux régions, le champ proche et le champ lointain. Dans le champ proche, l’intensité du champ ne diminue pas régulièrement avec la distance de l’antenne mais oscille. La région de champ lointain commence à une distance “R” = 2 a2 / λ de l’antenne, où “λ” est la longueur d’onde et “a” est la plus grande taille d’antenne.

Pour les distances de plus de 20 mètres, aux fréquences de fonctionnement des installations de téléphonie cellulaire, qui émettent actuellement dans la bande de fréquences 700-2600 MHz – la condition de champ lointain (et donc de front d’onde) est largement remplie. En outre, la relation (dans le vide ou avec une très bonne approximation dans l’atmosphère) est valable : E = 377 x H, où E et H sont, respectivement, les modules de champ électrique et de champ magnétique, de sorte qu’en pratique il suffit de mesurer le champ électrique seul, alors que la densité de puissance radiante investissant l’unité de surface est S = E2 / 377 W/m2 (par exemple, si E = 6 V/m, S = 0,1 W/m2).

Le parcours du champ électrique à différentes distances d’une station radio de base

Veuillez noter la différence entre la tendance du champ proche et du champ lointain. L’alimentation électrique des connecteurs d’antenne d’une station de base de radio mobile est généralement de l’ordre de 1 à 100 W, et des antennes très directionnelles et orientées vers le bas sont utilisées. Les antennes dédiées à la radiodiffusion, en revanche, ont généralement une directivité moindre, ou sont complètement omnidirectionnelles et généralement non orientées vers le bas, et l’alimentation des connecteurs d’antenne est souvent de l’ordre de 1 à 2 kW ou plus.

Comment décider quels sont les points les plus délicats, c’est-à-dire ceux où il est important d’aller pour mesurer le champ électromagnétique ? Avant de mesurer les champs, il sera important d’avoir une carte de la zone qui vous intéresse, où sont indiqués les points où le champ en question pourrait être plus élevé.

Dans les mesures des champs électromagnétiques de radiofréquence, les “points chauds”, c’est-à-dire ayant des valeurs beaucoup plus élevées que les zones environnantes, sont assez courants et sont généralement causés par le fait que ces champs sont réfléchis, réfractés ou ré-émis par des objets métalliques ou des matériaux de construction. En outre, les champs combinés à partir de sources multiples peuvent “s’additionner” dans certains domaines et “s’effacer” dans d’autres. C’est pourquoi, tant pour les mesures en intérieur qu’en extérieur, le champ électrique doit être mesuré en différents points pas trop éloignés les uns des autres.

En pratique, dans le monde réel, le résultat de la mesure de l’intensité du champ électrique autour d’une station de base peut fluctuer de deux ordres de grandeur (c’est-à-dire 20 dB) ou plus, selon la position où la mesure a lieu, par exemple, en raison des atténuations causées par les obstacles qui peuvent être présents. Mais cela est principalement dû à l’interaction de trois propriétés physiques fondamentales des ondes électromagnétiques ou, si vous préférez, des ondes en général comme la réflexion, l’absorption et l’interférence.

En outre, l’intensité des ondes radio provenant des stations de base des téléphones mobiles varie en fonction des conditions de communication, et il est possible que l’intensité maximale du champ électromagnétique ne puisse pas être mesurée avec des mesures prises sur une courte période de temps. Par conséquent, la norme internationale utilise une méthode pour estimer l’intensité maximale du champ électromagnétique en mesurant l’intensité d’un signal de commande transmis avec une force constante quelles que soient les conditions de communication. Cependant, les informations nécessaires pour mesurer le signal de commande et estimer l’intensité maximale du champ ne sont connues que de l’exploitant de l’installation.

En pratique, une évaluation du respect des limites légales peut également être tentée par une mesure relativement simple avec une petite sonde de champ électrique isotrope triaxiale (en pratique, un radiomètre normal) et une combinaison d’une antenne directive et d’un analyseur de spectre. Grâce à ces appareils de mesure, il est possible d’évaluer la fluctuation temporelle et spatiale pendant la mesure de l’intensité du champ électrique autour de la station de base, et par conséquent les moyennes temporelles et spatiales relatives sur l’arc canonique de 24 heures.

Comment mesurer la distance ?

Cependant, en utilisant uniquement le compteur à large bande PCE-EM 29, équipé d’une sonde isotrope triaxiale, il est nécessaire de se contenter sur les mesurer du champ total produit par les différentes stations de base radio (et/ou toute autre source RF) à proximité du point de mesure (mesurant ainsi leur “champ proche”) ou plus loin (mesurant leur “champ lointain”). Les mesures doivent être effectuées avec l’instrument à environ un mètre et demi du sol et loin des téléphones portables (qui doivent rester éteints ou en “mode avion”) et des objets métalliques (minimum 30 cm pour les micro-ondes) ou potentiellement réfléchissants (tels que les murs, les parois, etc.).

Mesure à l’aide d’un support de champ RF avec un compteur RF à large bande

Notez que le champ électrique augmente avec la hauteur au-dessus du sol, et est plus élevé aux étages supérieurs des bâtiments (il peut y avoir une différence d’un facteur 2 dans l’intensité du champ détecté entre les étages inférieurs et supérieurs). Il peut, donc, être exploité pour la surveillance de la pollution urbaine par radiofréquences, en effectuant des mesures ponctuelles ou continues, non seulement au niveau de la rue et aux étages inférieurs, mais aussi dans les greniers et les penthouses, dans les appartements où un balcon ou une terrasse est disponible, et dans les sites élevés où il y a une vue directe sur les stations de base (donc pas d’effet de blindage).

La tendance avec la hauteur dans les plans du champ RF des tours de radio-TV et de téléphonie mobile

Si les émissions d’une source radio sont très variables dans le temps, il est préférable d’effectuer les mesures dans des conditions d’émission maximales. Par exemple, dans le cas des stations de base radio pour la téléphonie mobile, il peut être utile de disposer d’informations sur l’intensité du champ électrique pendant la période de la journée où le trafic est maximal et, par conséquent, des mesures doivent être effectuées pendant cette période correspondant à l’émission maximale, ainsi que, bien sûr, le choix des jours de la semaine.

La durée de la mesure doit être suffisante pour caractériser la variation temporelle du signal détecté. Dans certains cas, la norme de protection définit une durée de mesure égale à 6 minutes, bien qu’en Italie, le nouveau règlement prévoie une durée de 24 heures. Si le niveau du signal est constant dans le temps – par exemple pour les émetteurs FM – la période de mesure peut être considérablement réduite (par exemple, moins d’une minute, compte tenu du temps nécessaire pour stabiliser l’instrument).

L’émission d’une station de base de téléphone mobile (1,49 V/m)

Les mesures sont effectuées en lisant sur l’écran de l’instrument la valeur actuelle et, éventuellement, également la valeur de crête (ou maximale) et la valeur moyenne (moyenne) sur une certaine période (que l’on peut choisir, dans certaines limites, dans certains compteurs). Normalement, les mesures sont effectuées en éloignant la sonde du corps, sans que d’autres objets soient présents à quelques mètres du corps de la personne qui effectue la mesure. Le corps de cette dernière ne doit pas se trouver sur le trajet du signal mesuré, ni naturellement devant ni derrière la sonde. Pour des mesures précises, il sera utile de fixer le compteur sur un support non conducteur.

Par conséquent, le bras de la personne qui prend la mesure doit être tendu sur le côté pour tenir le compteur ou sa sonde, qui doit de préférence être dirigée vers la source du signal. Dans les cas où un trépied est utilisé, celui-ci doit être non métallique pour éviter tout effet perturbateur : un trépied en bois (de forme similaire à celui utilisé pour les photos) est excellent. Sinon, la résonance d’un tel dispositif peut se rapprocher des fréquences concernées et la perturbation parasitaire peut détruire considérablement le champ électrique local.

En pratique, une fois l’instrument allumé et les fonctions pertinentes sélectionnées (unité de mesure, axe ou axes de mesure, etc.), son capteur, qui dans le cas du PCE-EM 29 est la tête ronde jaune, doit être dirigé vers le secteur à mesurer. En ajustant les différents axes en séquence avec le bouton approprié, vous pouvez localiser la direction de la source de rayonnement. Il est toutefois recommandé de mesurer les trois axes ensemble, en premier lieu pour déterminer s’il existe une source de rayonnement. Pendant la mesure, tenez l’instrument fermement immobile, en évitant les mouvements rapides, car ceux-ci faussent la valeur de la mesure.

Lorsque vous utilisez un instrument de mesure à large bande, il est possible de déterminer lentement un niveau d’exposition moyen en déplaçant la sonde d’abord horizontalement, puis verticalement. Une moyenne peut être estimée en observant la lecture de l’instrument pendant ce processus de balayage. Il est également souhaitable d’obtenir une lecture de portée maximale et, si l’instrument a une fonction de maintien des pics, cela peut être obtenu en observant la lecture des pics selon les instructions de l’instrument. Sinon, la lecture maximale peut être déterminée simplement en enregistrant le pic pendant le processus de balayage.

Si vous savez déjà avec certitude qu’il n’y a qu’une seule source dans le domaine qui vous intéresse, vous serez en mesure de réaliser un nombre relativement faible de mesures. Sinon, lorsque vous mesurez des champs provenant de plusieurs sources relativement éloignées et de localisation inconnue, il est nécessaire de balayer un volume d’espace dans la zone d’intérêt. En pratique, la zone doit être divisée en une grille d’un certain nombre de mètres carrés et des mesures doivent être prises à chaque intersection de la grille. Les valeurs obtenues peuvent ensuite être reportées sur une feuille de calcul Excel ou sur une carte afin d’avoir une idée immédiate du déroulement du terrain.

Mesure du champ d’une deuxième station de radio de base sur le toit (1,5 V/m)

Veuillez noter que les valeurs mesurées sur le terrain varient en fonction du trafic téléphonique et de données, et donc du temps, sur différentes échelles de temps. En outre, la température et l’humidité peuvent affecter la précision de la sonde de mesure. Assurez-vous qu’ils se trouvent dans la zone de fonctionnement de la sonde. Dans des conditions de température et d’humidité très basses ou très élevées, des facteurs de correction doivent être appliqués aux données de mesure. Enfin, des instruments de mesure non ou mal calibrés peuvent introduire des erreurs.

Juste pour vous donner une idée des valeurs que vous pourriez trouver : dans les petites et moyennes villes (environ 50.000 habitants), une valeur typique à l’intérieur de maisons assez éloignées des stations de base radio, est de l’ordre de 10 mV/m (ou 0,01 V/m), alors que lorsque vous établissez un “contact visuel” avec une station de base radio (à environ 250 mètres de celle-ci), vous pouvez aller jusqu’à environ 500 mV/m (ou 0,5 V/m), une valeur 50 fois plus élevée, et 1-2 V/m ou plus pour des distances plus courtes (de l’ordre de 100 m ou moins).

Estimation théorique, avec une simulation informatique, du champ électrique proche et lointain d’une station de base téléphonique

Dans les grandes villes en particulier, une contribution significative peut également provenir des stations de radio et de télévision, bien que relativement éloignées, ou des innombrables sources radio plus petites mais beaucoup plus proches utilisées par les différents services publics et privés.  Dans un reportage en novembre 2018, un contrôle surprise a été présenté à la gare Termini de Rome, où une valeur minimale de 6,25 V/m, une valeur maximale de 9,48 V/m et une moyenne de 7,09 V/m sur 6 minutes ont été constatées, mais des mesures indépendantes effectuées avec un instrument professionnel ont montré des valeurs allant jusqu’à 13 V/m près des répéteurs dans les couloirs. Le technicien explique également que la mesure sur 24 heures exigée par la nouvelle réglementation rend objectivement très problématique la réalisation d’une mesure avec une valeur officielle. En fait, cela fait obstacle à la possibilité d’un contrôle efficace.

 

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