ISO/TR 10305:1992
(Main)Road vehicles — Generation of standard EM field for calibration of power density meters from 20 kHz to 1 000 MHz
Road vehicles — Generation of standard EM field for calibration of power density meters from 20 kHz to 1 000 MHz
Applies to power density meters used (by the Department of Defense) in measuring high intensity (hazard level) RF fields. The techniques described are based on: parallel plate and parallel wire transmission lines, transverse electromagnetic mode transmission cells, various directive antennas and open ended waveguide. Major emphasis is on the TEM cells.
Véhicules routiers — Génération de champs électromagnétiques pour l'étalonnage des champmètres entre 20 kHz et 1 000 MHz
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL
IS0
REPORT TR 10305
First edition
1992-1 l-01
Road vehicles - Generation of standard
EM fields for calibration of power density
meters from 20 kHz to 1000 MHz
V6hicules routiers - G&+r-ation de champs 6lectromagrWiques pour
Mtalonnage des champm&res entre 20 kHz et 1 000 MHz
Reference number
ISO/TR 10305:1992(E)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 10305: 1992(E)
Foreword
IS0 (the International Organization for Standardization) is a worldwide
federation of national standards bodies (IS0 member bodies). The work
of preparing International Standards is normally carried out through IS0
technical committees. Each member body interested in a subject for
which a technical committee has been established has the right to be re-
presented on that committee. International organizations, governmental
and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. IS0
collaborates closely with the International Electrotechnical Commission
(IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The main task of technical committees is to prepare International Stan-
dards, but in exceptional circumstances a technical committee may pro-
pose the publication of a Technical Report of one of the following types:
- type 1, when the required support cannot be obtained for the publica-
tion of an International Standard, despite repeated efforts;
- type 2, when the subject is still under technical development or where
for any other reason there is the future but not immediate possibility
of an agreement on an International Standard;
- type 3, when a technical committee has collected data of a different
kind from that which is normally published as an International Standard
(“state of the art” J for example).
Technical Reports of types 1 and 2 are subject to review within three years
of publication, to decide whether they can be transformed into Interna-
tional Standards. Technical Reports of type 3 do not necessarily have to
be reviewed until the data they provide are considered to be no longer
valid or useful.
ISO/TR 10305, which is a Technical Report of type 3, was prepared by
Technical Committee ISO/TC 22, Road vehicles, Sub-Committee SC 3,
Electrical and electronic equipment.
This Technical Report is solely of an informative nature, setting out the
state of the art for calibration of power density meters.
0 IS0 1992
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or utilized in any form or
by any means, electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without per-
mission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case Postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
ii
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TECHNICAL REPORT
ISO/TR 10305:1992(E)
Road vehicles - Generation of standard EM fields for
calibration of power density meters from 20 kHz to
1000 MHz
1 Scope
This Technical Report describes techniques of calibrating power density meters in measuring high intensity (hazard
level) RF fields in the frequency range 20 kHz to 1 000 MHz. It applies to road vehicles.
2 Techniques
The recommended techniques are those given in the document NBSIR 75-804, Generation of standard EM fields
for calibration of power density meters 20 kHz to 1 000 MHz (Edition January 1975 amended), which is reproduced
as an annex.
NOTE 1 For the purposes of international standardization, the author of this document has made corrections to figures 5, 8
and 12
3 Revision of Technical Report
It has been agreed with the National Institute of Standards and Technology that Technical Committee lSO/TC 22
will be consulted in the event of any revision or amendment of document of NBSIR 75-804.
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This page intentionally left blank
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NBSIR 75804 d
GENERATION OF STANDARD EM FIELDS FOR
CALIBRATION OF POWER DENSITY METERS
20 ktlz to 1000 MHZ
M.L. Crawford
Electromagnetic Division
institute for Basic Standards
National Bureau of Standards
Boulder, Co 80302
January 1975
,
Final Report
Prepared for
Calibration Coordination Group
Army/Navy/Air Force
U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE, Frederick B. Dent, Secretary
NATIONAL BUREAU OF STANDARDS Rchard W Roberts DIrector
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This page intentionally left blank
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CONTENTS
Page
Introduction----------------------------------------- 1
1 l
2 Techniques for Generating Standard Test Fields------- 3
l
2.1 Parallel Plate Transmission Lines--------------- 3
2.2 Parallel Wire Transmission Line----------------- 5
2.3 TEM Transmission Cells--.--.---------------- ------ 6
2.4 Directive Antennas---------.--------------------- 7
3 . Description, Design, and Evaluation of TEM Cells
(Recommended Technique for Calibrating Power Density
Meters from 20 kHz to 500 MHz)----------------------- 11
3.1 Mapping the Fields Inside the Cells------------- 13
Measurement Procedure-------------------------------- 15
.
4
5 . Error Analysis for Standardization of the Field Inside
the Cells---------------------------------------------- 18
6 . Intercomparison of Parallel Plate Line, TEN Cells,
OEG, and Standard Gain Horns------------------------- 19
Summary and Conclusions------------------------------ 23
7 .
References------------------------------------------- 25
iii
---------------------- Page: 7 ----------------------
LIST OF FIGURES
Page
Figure 1. Typical parallel plate line per MIL-STD-462---- 26
Figure 2. Block diagram of parallel-wire field apparatus- 27
Figure 3. TEM cells and associated equipment for calibra-
tion of radiation hazard meters---------------- 28
Figure 4. Block diagram of system for testing radiation
hazard meters using directive antennas--------- 29
Figure 5. Short backfire antenna with radiation patterns- 30
Figure 6.
Four element dipole array antenna-------------- 31
Figure 7. Radiation hazard probe mounted in front of
open-ended waveguide (OEG) antenna------------- 32
Figure 8, Design for rectangular TEM transmission cell--- 33
Figure 9. Cross sectional view of rectangular trans-
mission line----------------------------------- 34
Figure 10.
Time domain reflectometer trace of distributed
impedance of empty cell------------------------ 35
Figure 11. Port input VSWR of empty cell, b x W =
25 cm x 42 cm---------------------------------- 36
Figure 12. Relative electric field distribution inside
cell. Cross sectional cut thru upper half at
center of cell---------------------------------- 37
Figure 13.
Block diagram of TEM cell measurement system
for RF power density meter testing and.calibra-
J-ion (1 bfHz t- 500 ~l~z)------------------------ 38
Figure 14. Block diagram of TEM cell measurement system
for RF power density meter testing and calibra-
tion (20 kHz to 1 MHz)------------------------ 39
Figure 15.
Polyfoam tower supporting probe in front of
standard gain horn on NBS extrapolation range-- 40
iv
---------------------- Page: 8 ----------------------
GENERATION OF STANDARD EM FIELDS FOR
CALIBRATION OF POWER DENSITY METERS
20 kHz to 1000 MHz
This report describes techniques for cali-
brating power density meters used by the Department
of Defense in measuring high intensity (hazard level)
RF fields in the frequency range 20 kHz to ~000 Ml3z.
It reports on part of the work sponsored by the
Calibration Coordination Group (CCG), of the Depart-
ment of Defense covering the frequency range 20 kHz
to 20 GHz.
Several techniques were considered for pro-
ducing a standard field including parallel plate
and parallel wire transmission lines, transverse
electromagnetic mode (TEM) transmission cells,
various directive antennas and open ended waveguide
(OEG). The major emphasis in this report is on
the TEM cells, which are recommended for the fre-
Design and evalua-
quency range 20 kHz to 500 MHz.
tion details and an error analysis associated with
Power
the TEM cell measurement system are given.
density levels can be established in the cells from
2 2
with uncertainties less
a few VW/ cm to 100 m!V/cm
than t 1 dB.
Limited information is also given describing the
use of OEG, the recommended technique for the frequency
range 500 MHz to 2.6 GHz, and giving the results of
intercomparisions among parallel plate lines, TEM
OEG, and standard gain horns.
cells,
Key words: Hazard level fields; power density meter
TEnI transmission cells.
calibration; _
1 . Introduction
There is increasing concern among military and civilian
agencies about the effects of non- ionizing (RF) radiation on
potentially hazardous
equipment and personnel. For example,
electromagnetic (EM) radiation may occur near radar or radio
---------------------- Page: 9 ----------------------
antennas, or may be produced by electric appliances such as
microwave ovens.
There are several types of commercial meters
now being used to survey the strength of EFI radiation. This
report describes work performed under the sponsorship of DoD/CCG
to develop and evaluate instrumentation and standard techniques
for generating known RF fields in order to calibrate these
radiation meters.
The objective was to develop optimum procedures for cali-
brating power density meters used by the DOD for measuring
high-intensity (hazard level), free space RF fields over the
frequency range 20 kHz to 20 GHz. The required power density
2
or E field strengths
levels are approximately 1 to 100 mW/cm
of 60 to 600 V/m. The desired calibration accuracy is + 1 dB.
This report describes techniques for use below 1000 MHz, with
emphasis on the TEM (Transverse Electromagnetic Mode) cell
which is recommended for use over the 20 kHz to 500 MHz range.
The companion report will describe in more detail the techniques
which are recommended in the frequency range 500 MHz to 20 GHz.
A number of alternative techniques were evaluated and
and cost of duplicating the meas-
compared for ease, accuracy,
urement procedures. These techniques are described briefly in
(a) producing a uniform
section 2 of this report and include:
field between two parallel plate conductors or between two
parallel wire lines, (b) generating a uniform field inside
(c) producing a calculable
TEM transmission cells or waveguide,
field in front of directive antennas such as a standard gain
(OEG). The advantages and
horn or open-ended waveguide
limitations of the various approaches are given to justify
the choice of the recommended techniques (i.e., TEM cells
4, and 5 describe the TEN cell method
and OEG). Sections 3,
in considerable detail, since it is recommended over a large
Details
portion of the frequency range (20 kHz - 500 MHz).
for using OEG over the frequency range (500 MHz - 2.6 GHz)
2
---------------------- Page: 10 ----------------------
will be given by Bowman in a companion report and are not
repeated here. However 9 some of the background leading to
the selection of OEG is included, along with results of some
intercomparisions among parallel plate lines, TEN cells, OEG,
and standard gain horns.
These measurements were made at
overlapping frequencies to strengthen the credibility of the
particular approach and provide verification for the accuracy
statements included in the error analysis portion of this
report. These results are contained in section 4 and indi-
cate excellent agreement,
well within the prescribed accuracy
limits (k 1 dB) attributable to these particular measurement
techniques.
.
2 Techniques for Generating Standard Test Fields
2.1 Parallel Plate Transmission Lines
This technique has been in use for some time for EM pulse
studies and for susceptibility testing of electronic equipment.
Various authors have presented the technique in detail [1,2],
hence only a brief description will be given here. Essentially,
the test field is established between the conducting planes of
a parallel-strip transmission line (figure 1) which is termi-
nated with its characteristic impedance and driven by a high
Static
power RF source through an impedance matching network.
field analysis given in reference [1] shows the TEM mode of
a parallel plate line can simulate a free-space plane electro-
magnetic wave over a substantial portion of its interior
region.
The impedance of the line, neglecting fringing, is
given approximately by
.
Z = 377 f ohms.
0
---------------------- Page: 11 ----------------------
where h and w are as shown in figure 1.
The electric field
is given as
v
= -
E
h volts/meter.
(2)
V
For the line shown,
field strengths in excess of 200 V/m can
be obtained using 100 watt generators.
This system can be used at frequencies up to a few
hundred MHz with a fair degree of accuracy if the test item,
or hazard probe,
is small (< h/Sxw/S) .
However, as the fre-
quency increases and h approaches X/4, the line radiates
strongly from the open sides.
This creates interference
which may interact with the measurement itself, be hazardous
to an operator,
or interfere with other experiments being
conducted within transmission range.
Also higher order modes
will exist whenever the plate separation exceeds X/4.
These
modes distort the test field configuration and limit the
accuracy in determining the known field.
The main disadvan-
tages are then the size limitations imposed by the upper
.
useful test frequency and the lack of shielding to prevent
radiation. The system must also be carefully impedance
matched and the dimensions of the device being tested should
not exceed (h/Sxw/S). Otherwise large standing waves can
exist within the test region and the electric field will be
significantly different between the test item and the plates
than indicated by field calculations based upon the RF voltage
measured between the plates.
Construction costs are minimal
for building a line capable of testing probes up to approxi-
mately 10 cm size, at frequencies up to 100 MHz.
Parts plus
labor should not exceed $2,000~$3,000.
A parallel plate line was constructed at NBS and used at
15 MHz to calibrate a dipole transfer standard probe for
intercomparing with similar calibrations using a TEM trans-
mission cell.
The results of this* comparison are contained
4
---------------------- Page: 12 ----------------------
in section 6.
Errors associated with the parallel plate
transmission line technique are similar to those described
in evaluating the TEM transmission cell and are believed to
be within the desired calibration accuracy of ? 1 dB.
2.2 Parallel Wire Transmission Line
This technique is very similar to the parallel plate
line except it utilizes electrically balanced wires in place
of electrically balanced or unbalanced plates.
Since typi-
cal power density meter probes are small, the spacing between
conductors of a parallel wire transmission line can be kept
small thus making this technique appear feasible for generating
a standard test field [3].
The field midway between the con-
ductors is approximately uniform if the wire diameter is sig-
nificantly less than the spacing between conductors and is
given by
E g *$ II&i
(3)
V
where II1 is the current in the conductors, and d is the half
distance separating the two conductors of the transmission
line. The characteristic impedance of open two-wire line in
air is given as:
1 2d
Z
120 cosh-
(4)
0 a
where d is a defined above and a is the conductor diameter.
The line current IR
is determined by terminating the line
in its characteristic impedance (approximately 600 ohms),
accurately measuring the resistance R of the termination,
the power P dissipated in R, and using the relation
IIJ =, m.
(51
A block diagram of the line and associated equipment is shown
in figure 2.
The thermopile is used to compare the heating
effect of the RF power in the terminating resistor to an equiva-
lent dc power which is measured with the dc voltmeter.
5
---------------------- Page: 13 ----------------------
This technique suffers from essentially the same dis-
advantages as the parallel plate line with the added dis-
thus no effort was made
advantage of less field uniformity;
to further develop it for calibrating power density meters.
2.3 TEM Transmission Cells
~_
~ ~
This technique utilizes a transverse electromagnetic
(TEM) transmission cell that operates as a 5OQ impedance-
uniform TEM field
matched system (figure 3). A calculable,
is established inside the cell at the test frequency of
interest by coupling RF energy through the cell from a trans-
mitter connected at the cell input port. A 5OQ (reflectionless)
This tech-
termination is connected at the cell’s output port.
nique operates essentially the same as a parallel plate line
except it has the major advantage of not radiating energy
the EM field is contained
into the surrounding space, i .e.,
inside the cell. It is extremely broadband in frequency,
being limited only by the waveguide multimode frequency asso-
The cells are inexpensive to
ciated with the cell size.
construct, approximately $3,000 per cell and the use of ex-
chambers or shielded enclosures are unneces-
pensive anecho ic
The cells can be used to establish known field strength
sary.
levels from below 1 V/meter to 600 V/meter with uncertainties
This technique proved to be the optimum
less than + 1.0 dB.
procedure for establishing standard fields for calibrating
at frequencies below about 500 MHz.
power density meters
contained in sections 3 through
(Details of this technique are
above about 500 MHz, the small physical
. At frequencies
5 >
size of the cells (required to prevent multimoding) provides
too small a test region for use with typical commercially
and alternative techniques of producing
available units,
known fields are required. . .
6
---------------------- Page: 14 ----------------------
2.4 Directive Antennas
At frequencies above a few hundred megahertz, the most
feasible technique for generating an accurately known cw
calibrating field proved to be by radiation from a directive
antenna l
The probe is mounted on a positioner and aligned in
front of the source antenna.
Measurements are made by ad-
justing the input power to the source antenna until the desired
power density meter reading is obtained.
The standard test
field level, Pd, is then calculated from the following equation:
2
E
P (watts/m2)
(6)
d
377
47rr2
where P = net power into the source antenna,
n
G = source antenna power gain,
P
NZC = near-zone correction factor, which is a function
of r,
r = separation distance between the source antenna
and the probe under test, and
E = standard test field in V/m.
Corrections can be made for the multipath within the chamber by
recording the power density meter reading, Pindic,
as a
function of r while holding the input power of the source
antenna constant. The COrreCtiOn faCtOr IXtiO, Pd/Pindic(dB),
is then computed as a function of r and averaged to give its
corrected value l
Four alternative source antennas were considered: a) cali-
brated single or multifeed backfire antennas, b) a 4-element
dipole array with calculable gain, c) pyramidal standard gain
horns,
and d) calibrated “short horns” or open-ended waveguides .
Short backfire antennas, shown in figure 5, were considered
(> 15 dB) , thus
because of their relatively high gain [4] ,
requiring less source power. Two short backfire antennas
patterned after figure 5 were constructed at NBS to operate
7
---------------------- Page: 15 ----------------------
centered at approximately 500 MHz and 1 .O GHz, respectively.
Their gain characteristics were determined as a function of
frequency variations about their particular design frequency
and found to be quite dependent upon the length and spacing
of the feed dipole elements. This type of antenna has con-
siderable potential as a gain standard in the VHF-UHF range
but will require additional effort to completely characterize
it. The required measurement separation distance between the
antenna and a hazard meter to be calibrated (based upon a
given multiple of a2/A where a is the diameter of the back
reflector) is large for this antenna, thus nullifying part
of the advantage achieved by the higher gain.*
At present,
the backfire antenna is useful only as a transfer standard
because its on-axis gain cannot be calculated directly.
The four element dipole array over a ground plane (figure
6) on the other hand has considerable gain and can also be
Work is presently underway
characterized mathematically [ 51 .
at NBS to carefully evaluate this antenna between the fre-
quencies 500 MHz to 2000 MHz for potential use in establishing
This antenna, however, also has
calculable standard fields.
a large aperture, its gain is quite frequency dependent, and
it is awkward to use because of the weight and size. Both
this antenna and the backfire antenna are more suitable for
generating fields over larger test areas than are required for
hazard probes.
*To establish intense EM fields over a small region for cali-
brating EM hazard meters with a minimum of required oscillator
power, the main consideration is the aperture size of the
radiator. It is easy to show (and is shown in the companion
report by R.R. Bowman) that for the usual antenna designs and
for a separation distance of a given multiple of a2/X, where
a is the larger aperture dimension of the radiator, the field
intensity is a maximum for a. given input power when the
aperture area is minimum.
8
---------------------- Page: 16 ----------------------
Well characterized (on axis gain calibration < 0.3 dB)
pyramidal standard gain horns are commercially available at
frequencies above a few hundred megahertz.
However 9 they also
have the disadvantage of being large and cumbersome at fre-
quencies below about 2.6 GHz, and lend themselves to generating
fields over larger test areas than required by hazard probes.
Their size and subsequent large a2/h measurement distance re-
quired to minimize the near-field correction error make indoor
measurements difficult if not impossible. Standard fields were
generated at 500, 750, and 1000 MHz using standard gain horns
on a large outdoor extrapolation range for comparison with
the TEM cells and OEG radiators. Results of these measurements
are contained in section 6. For routine hazard probe calibra-
tions, however, at frequencies below 2.6 GHz, use of standard
gain horns is not considered practical.
The OEG (figure 7) is significantly smaller than any of
the other three types of antennas considered, and was selected
as the preferred option for calibrating small probes over the
500 MHz to 2.6 GHz frequency range. There are several reasons
for this: (1) the small aperture area means less oscillator
(2) the front-to-back pattern ratio is
power is required;
satisfactory despite the low directivity of OEG; (3) the
entire frequency range from 2.6 GHz to below 500 MHz is
covered by commercially available rectangular waveguides with
precisely scaled dimensions, permitting gain measurements for
one frequency band to provide the basis for calibrations
(4) along the radiation axis,
throughout this frequency range;
at least, the backscatter from fields incident on OEG is quite
small ; (5) while the reflection coefficient of OEG is fairly
large, it is small enough (< 2.1 VSWR) to be connected directly
to many commercial traveling-wave-tube (TWT) amplifiers or
oscillator without causing damage to the oscillator;* (6) the
*We recommend using isolators in the circuit to protect the
oscillator against possible accidental damage, even though
the antenna does have a relatively low VSWR.
9
---------------------- Page: 17 ----------------------
gain and the near-field corrections for OEG are smooth and
almost linear functions of frequency; (7) the relatively
small size of the OEG simplifies its mounting, alignment,
and hand1 ing .
Complete, high-accuracy measurements of the gain of OEG
(using WR430), were made for this project. Further, asser-
t ions (2) 9 (4) , (5) 9 and (6) above, which are not obvious,
Details of these tests,
have been experimentally established.
along with formulas and graphs for the gain and for approximate
near-zone corrections for waveguide sizes WR1500, WR975,
WR650, and WR430 will be given by Bowman. His report will also
present an error analysis and give the measurement proce-
dure for using OEG and standard gain horn radiators to establish
standard test fields and hence are not repeated here.
The relatively low directivity of OEG causes a strong illumi-
nation of the surrounding test chamber which then produces a
relatively large amount of backscatter in the test chamber.
However, calculations indicate that this effect will be more
than compensated by the fact that the probe under test can be
brought much closer to low-directivity radiators than to high-
This was verified by moving the probe
directivity radiators.
and observing the response perturba-
along the radiation axis
Despite the
tions due to multipath interference (MPI).
small dimensions of our test chamber (about 3.5 by 3.5 by
5 meters) and the fact that our radiation absorbing material
the NPI perturbat ions were
is less than the best available,
0.2 dB for all frequencies when using the OEG
less than +
radiators l These measurements were made for an EM hazard
meter that had a response pattern that was essentially iso-
unless a probe is being calibrated that
tropic. Therefore)
does not have its maximum response pattern directed toward
these MPI perturbations should represent the
the radiator,
maximum that would be observed on any high quality indoor
range with equal or larger dimensions than 3.5 m by 3.5 m by
5 m long.
10
---------------------- Page: 18 ----------------------
3 l Description, Design and Evaluation of the TEM Cells
(Recommended techniques for calibrating power density meters
from 20 kHz to 500 MHz.)
The cells (figure 8) consist of a section of “rectangular
coaxial" transmission line tapered at each end to adapt to
The line and tapered transitions
standard coaxial connectors.
have a nominal characteristic impedance of 50 ohms (real) along
their length to insure minimum voltage standing wave ratios
The electromagnetic (EM) field is developed inside
(VSWR).
the cell when RF energy is coupled to the line from a trans-
A matched 50 ohm
mitter connected at the cell input port.
The fields in-
termination is connected to the output port.
side the cell were monitored using special electric and magnetic
field probes designed and constructed by-NBS [6].
Experience with the cells show that at frequencies for
which only the principal wave (TEM mode) propagates through
the cell, a reasonably uniform electric field can be generated.
The major design considerations are to:
1 0 maximize usable test cross sectional area,
2 . maximize upper useful frequency limit,
3 . minimize cell impedance mismatch or voltage standing
wave ratio,
4 l maximize uniformity of EM field inside the cell.
The cells were designed using experimental modeling* and
for the characteristic impedance of
the approximate equation
shielded strip line [7]
94.15
cv
(OHMS).
Z (7)
C’
0
f
w/b
'l-tJb + 0.0885
1
*Work is in progress jointly at NBS and the University of
Colorado to develop the mathematical formulation to provide
a more exact theoretical description of the TEM cell.
11
---------------------- Page: 19 ----------------------
is the relative dielectric constant of the
In eq. (7) 9 Er
is the fringing capacitance
medium between the conductors, Ctf
in pf/cm, and w, b, and t are as shown in figure 9.
The problem of converting the shielded strip line into
line is primarily one of determining
a "rectangular coaxial"
experimentally the value of CTf. This was done using a time
domain reflectometer (TDR) to evaluate a small scale model of
the cells. Cff was found to be approximately equal to 0.053
Dimensions for b were determined from the design
pf/cm.
criterion that no more than l/3* of the dimension, b/Z, be
exceeded by the radiation hazard probe or meter to meet
Once b and Cff are
design considerations 1, 3, and 4.
determined and an available metal thickness t selected, w can
be calculated from (7), assuming approximately 51 ohms, for
the line characteristic impedance. (Fifty-one ohms was chosen
to allow for some impedance loading effect when inserting the
meter inside the cell.) Table 1 gives the dimensions for
constructing the cells with specified upper frequency limits.
The TDR was then used to make refinements by trimming w until
the proper characteristic impedance was obtained.
Table 1. TEM Cell Dimensions
Plate
Separa-
Upper
Useful tion
t
C
W t
Frequency b
f
cm pf/cm
cm cm
ww
108.15 .157 .053
100 90
36.05 .157 .053
300 30
,157 .053
18 21.63
500
The impedance
*The one third factor is considered a maximum.
loading effect from inserting the meter should not exceed a
few ohms if a reasonable VSWR and EM field perturbation is
to be maintained.
12
---------------------- Page: 20 ----------------------
Figure 10 gives a typical TDR trace of the distributed
impedance along the length of a cell and figure 11 shows
the VSWR as seen at the cell? input and output ports.
The cell distributed impedance as determined by the TDR is
given to a very good approximation by
z = /m l
(81
0
This condition exists since the cell is essentially lossless
at the frequencies of opera
...
RAPPORT
Iso
TECHNIQUE
TR 10305
Première édition
1992-1 I-OI
Véhicules routiers - Génération de
champs électromagnétiques pour
l’étalonnage des champmètres entre
20 kHz et 1000 MHz
Road vehicles - Genera tion of standard EM fields for calibration of po wer
density meters from 20 kHz to 1 000 MHz
Numéro de référence
ISO/TR 10305: 1992(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 10305:1992(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre intéressé par une
étude a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes
internationales, mais, exceptionnellement, un comité technique peut pro-
poser la publication d’un rapport technique de l’un des types suivants:
- type 1, lorsque, en dépit de maints efforts, l’accord requis ne peut être
réalisé en faveur de la publication d’une Norme internationale;
- type 2, lorsque le sujet en question est encore en cours de dévelop-
pement technique ou lorsque, pour toute autre raison, la possibilité
d’un accord pour la publication d’une Norme internationale peut être
envisagée pour l’avenir mais pas dans l’immédiat;
- type 3, lorsqu’un comité technique a réuni des données de nature dif-
férente de celles qui sont normalement publiées comme Normes
internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l’état
de la technique, par exemple).
Les rapports techniques des types 1 et 2 font l’objet d’un nouvel examen
trois ans au plus tard après leur publication afin de décider éventuellement
de leur transformation en Normes internationales. Les rapports techniques
du type 3 ne doivent pas nécessairement être révisés avant que les don-
nées fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L’ISO/rR 10305, rapport technique du type 3, a été élaboré par le comité
technique lSO/K 22, Véhicules routiers, sous-comité SC 3, Equipement
électrique et électronique.
Le présent Rapport technique, uniquement de caractère informatif, repré-
sente l’état de la technique dans le domaine de l’étalonnage des
champmètres.
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite
ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-l 211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
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RAPPORT TECHNIQUE ISOJTR 10305:1992( F)
Véhicules routiers - Génération de champs
électromagnétiques pour l’étalonnage des
champmètres entre 20 kHz et 1000 MHz
1 Domaine d’application
Le présent Rapport technique décrit des techniques pour étalonner des instruments de mesure de champs de
haute densité lors de mesurages de champs à haute fréquence à rayonnement de haute densité (haut risque) dans
la plage des fréquences comprises entre 20 kHz et 1 000 MHz. II s’applique au domaine des véhicules routiers
2 Techniques
Les techniques recommandées sont celles décrites dans le rapport NBSIR 75-804, Generation of standard EM
fields for calibration of power density meters 20 kHz to 1 000 MHz (Edition January 1975 amended), dont la tra-
duction en français est annexée.
NOTE 1 Aux fins de normalisation internationale, l’auteur du document a apporté des corrections aux figures 5, 8 et 12
(échelles de grandeur).
3 Révision du Rapport technique
II a été convenu avec le National Institute of Standards and Technology que le comité technique lSO/rC 22 sera
consulté dans l’éventualité d’une révision ou d’un amendement du document NBSIR 75-804.
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Page blanche
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NBSIR 75-804
GENERATION DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES
POUR L’ETALONNAGE DES CHAMPMETRES ENTRE
20 kHz ET 1000 MHz
M.L. Crawford
Electromagnetics Division
Institute for Basic Standards
National Bureau of Standards
Boulder, CO 80302
Janvier 1975
Rapport final
Préparé pour le
Calibration Coordination Group
Army/Navy/Air Force
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Page blanche
---------------------- Page: 6 ----------------------
- iii -
SOMMAIRE
1 Introduction . . . . . . . . .*.*e.****.****.*.*.*. 1
2 Techniques de génération des champs d’essai étalons . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Lignes de transmission a plaques parallèles bb.b.b.bbbb.
.
2.2 Ligne de transmission à fils parallèles l **.*******.
2.3 Cellules de transmission TEM .**.*.**.****.*****.*.
2.4 Antennes directives .********.**********.*.
Description, conception et évaluation des cellules TEM
3
(Techniques recommandées d’étalonnage des champmètres de
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20 kHz à 500 MHz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Représentation’ des champs à l’intérieur des cellules . . . . . . . . . . .
11
4 Mode opératoire de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
5 Analyse d’erreur de la normalisation du champ à l’intérieur
des cellules
*.*.************.***.****.*. 16
Comparaison entre lignes à plaques paralleles, cellules TEM,
6
guides d’ondes ouverts et cornets à gain normal bbboo~bbbb*. 17
7
Résumé et conclusions ****.*******.***.*.
20
Références bibliographiques bb.b.bbm.bbb~b.b.bb*b.b.
22
---------------------- Page: 7 ----------------------
- iv -
LISTE DES FIGURES
Exemple type de ligne a plaques parallèles selon la norme MIL-STD-462 . . . . 23
Figure 1 -
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figure 2 - Schéma fonctionnel d’un champmètre a fils parallèles
Figure 3 - Cellules TEM et équipement associé pour l’etalonnage des appareils de
mesure des risques de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figure 4 - Schéma fonctionnel d’un système d’essai des appareils de mesure des
risques de rayonnement a antennes directionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figure 5 - Antenne rétrodirec tive courte et diagramme du rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Figure 6 - Antenne dipole a quatre élements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure 7 - Sonde d’évaluation du risque de rayonnement montée en avant d’une
antenne à guide d’onde ouvert (OEG) . . .b.b.b.b.b.b. 29
Figure 8 - Schéma de construction d’une cellule TEM rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure 9 - Coupe transversale d’une ligne de transmission rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1
Figure 10 - Courbe reflectométrique dans le temps de l’impédance repartie d’une
32
cellule vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b.b.b.b.
Figure 11 - Rapport d’onde stationnaire (ROS) a l’entrée de la cellule vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 12 - Répartition relative du champ électrique à l’intérieur de la cellule - Vue
34
en coupe de la moitié supérieure de la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure 13 - Schéma fonctionnel d’un système a cellule TEM pour le contrôle et
35
l’étalonnage des champmètres HF entre 1 MHz et 500 MHZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure 14 - Schéma fonctionnel d’un système a cellule TEM pour le contrôle et
l’étalonnage des champmetres HF entre 20 kHz et 1 MHz . .b.b. 36
Figure 15 - Tour en mousse polymérique supportant la sonde en face d’un cornet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b.b. 37
a gain normalisé sur la plage d’extrapolation NBS
---------------------- Page: 8 ----------------------
- l-
GENERATION DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES D'ETALONNAGE DES CHAMPMETRES
ENTRE 20 kHzet1000 MHz
Le présent rapport décrit des techniques d'étalonnage des champmètres
utilisés par le Ministère de la Défense pour mesurer les champs à haute
fréquence et haute intensité (à haut niveau de risque) couvrant la plage
de 20 kHz à 1000 MHz. Il rend compte d'une partie des travaux
subventionnés par le CCG (Calibration Corodination Group) du Mini.stère de
la Défense, couvrant la plage des fréquences situées entre 20 kHz et 20
Ghzo
Diverses techniques sont utilisées pour produire ces champs étalons :
lignes de transmission à plaques parallèles ou à fils parallPles,
cellules de transmission à mode électromagnétique transverse (TEM),
antennes directives diverses et guides d'ondes ouverts (OEG). Le present
rapport insiste plus particulièrement sur les cellules TEM dont
l'utilisation est recommandée pour les fréquences compc.ises ent.re 20 kHz
et 500 MHz. Il donne le détail de leur conception et de lew c'iva.luat.ioll
ainsi qu'une analyse des erreurs découlant de ce syst$me de mesurage. ‘~A+S
niveaux de densité de puissance pouvant être établis dans des ccll~~les
vont de quelques milliwatts par centimètre carré à 100 mW/cmz avec des
incertitudes ne dépassant pas 2 1dB.
Il décrit également brièvement l'emploi des guides d'ondes, les .
techniques recommandées dans les hyperfréquences (500 !Wz à 2,6 GHz) et
donne le résultat de comparaisons effectuées entre? 1 ignes à plaques
parallèles, cellules TEM, guides d’ondes et cornets à gain normal.
Mots clés : Champs à haut risque -
étalonnage des champmètres - cellulrbs
de transmission TEM.
1 INTRODUCTION
Les autorités civiles et militaires s'inquiètent de plus en plus de
l'effet des rayonnements non ionisants (HF) sur les personnes et sur les
équipements. Ainsi les antennes radar ou radio peuvent-elles engendrer
des rayonnements électromagnétiques potentiellement danger-eux, de m6rrw que
certains appareils electriques comme les fours à mic.ro-ondes.
---------------------- Page: 9 ----------------------
-2-
ormais dis ibles dans le comme rce pour
Plusieurs appareils sont dés
Pan
ayonnement s é lectromagnétiq
mesurer l'intensité de ces r
Le présent rapport décrit lès travaux entrepris sous l'égide du CCG du
Ministère de la Défense pour mettre au point puis-évaluer, des
instruments et des techniques normalisées capables d'engendrer des champs
à haute fréquence connus permettant d'étalonner les appareils mesureurs.
L'objectif que s'était fixé le groupe était de mettre au point des
procédures optimales d'étalonnage des champmètres utilisés par le
Ministère de la Défense pour mesurer les champs HF à rayonnement direct
de haute intensité (haut risque) dans la plage des fréquences comprises
entre 20 kHz et 20 GHz. Les niveaux de densité de puissance considérés
étaient d'environ 1 à 100 mW/cm2, soit des champs électriques de 600 V/m.
La précision désirée d'étalonnage était de ,+ 1 dB.
Le prgsent rapport décrit des techniques utilisables en dessous de 1000
MHz, et insiste plus particulièrement sur la cellule TEM (à mode
électromagnétique transverse) qui est d'emploi recommandé entre 20 kHz et
500 MHz. Un deuxième rapport décrira plus en détail les techniques
recommandées pour les fréquences comprises entre 500 MHz et 20 GHz.
Un certain nombre de techniques équivalentes ont été évaluées et
comparées du point de vue de la facilité d'emploi de la précision et du
coût de reproductibilité. Elles font l'objet d'une brève description dans
la deuxième partie du présent rapport. Elles concernent :
a) la génération d'un champ uni fo rme entre deux con ducteurs à plaques
.
parallèles ou entre deux ne s de transmissi parallèles,
11g
b) la génération d'un ch uniforme dans une cellule de transmission TEM
amp
ou un guide d 'onde
Féné ration d'un champ calculabl e en avant des tennes directives
4 la g
cornets à gain n ormal ou g uide d*ond es 0
du t rt.
YPe
Le choix des techniques recommandées (c'est à dire les cellules TEM et
les guides d'ondes), est jusfitié par l'exposé des avantages et
inconvénients des diverses solutions.
Les chapitres 3, 4 et 5 décrivent la méthode de la cellule TEM avec
beaucoup de détails car c'est la méthode recommandée sur une large bande
- 500 MHz). Les conseils d'utilisation
de la plage des fréquences (20kHz
des guides d'ondes sur la plage 500 MHz - 2,6 GHz figureront dans un
second rapport établi par M. BOWMAN et on n'y reviendra pas ici en
détail sauf pour ce qui est des raisons guidant le choix des guides
d‘ondes et des résultats de certaines comparaisons entre lignes à plaques
cellules TEM, guides d'ondes et cornets à gain normal. Les
parallèles,
mesurages ont été faits sur des fréquences se recoupant pour renforcer la
crédibilité de la méthode recommandée et permettre la vérification des
données de précision incluses dans la partie de la norme traitant de
l'analyse des erreurs.
---------------------- Page: 10 ----------------------
-3-
Ces résultats figurent au chapitre 4 et montrent une cohérence
remarquable dans les limites prescrites de précision (t 1dB) imputables
aux techniques particulières utilisées.
* 2 TECHNIQUES DE GENERATION DES CHAMPS D'ESSAI ETALONS
2.1 Lignes de transmission à plaques parallèles
Cette technique est utilisée depuis quelque temps dans les études
d*impulsions électromagnétiques et de contrôle de la susceptibilité des
équipements électroniques. Divers auteurs ont présenté cette technique en
détail [1,2]. Nous n'en donnerons donc ici qu'une brève description.
Cette technique consiste essentiellement à établir un champ d'essai entre
les surfaces conductrices d'une ligne de transmission à ruban (ligne
triplaque) (figure 1) fermée à sa sortie par l'impédance caractéristique
et alimentée à l'entrée par une source puissante à haute fréquence
branchée sur un réseau d'impédance adaptée. L'analyse des champs
statiques donnée en référence Cl] montre que le mode TEM d'une ligne à
plaques parallèles peut simuler une onde électromagnétique plane en champ
libre sur une bonne partie de sa région intérieure.
L'impédance de la ligne peut, si l'on néglige la dispersion magnétique,
s'exprimer sous la forme :
Z = 377;ohms
(1)
0
où h et w ont les valeurs indiquées à la figure 1.
Le champ 6lectrique est donné par l'équation :
L
volts/mètre
E
(2)
v ii
Avec la ligne considkée,
on peut obtenir des champs électriques
supérieurs à 200 V/m avec des générateurs de 100 watt.
Ce système peut fonctionner à des fréquences pouvant aller jusqu'à
quelques centaines de MHz avec un degré satisfaisant de précision si le
dispositif essayé ou la sonde est de petite taille (< h/5xw/5). Lorsque
la fréquence augmente et que h tend vers X/4, la ligne émet cependant de
forts rayonnements à ses extrémités ouvertes.
Ce phénomène créé des perturbations qui peuvent gêner le mesurage, être
dangereuses pour l'opérateur ou perturber d'autres expériences en cours
sur la même plage de transmission.
---------------------- Page: 11 ----------------------
-4-
Des modes d'ordre supérieur s'observent également dès que l'écartement
des plaques dépasse x/4.
Ces modes déforment la configuration du champ d'essai et limitent la
précision de la détermination du champ connu. Les -principaux
inconvénients de la méthode sont la restriction dimensionnelle qu'impose
la fréquence d'essai utile supérieure et l'absence de blindage contre les
rayonnements.
Il faut également adapter avec soin les impédances et veiller à ce que
les dimensions du dispositif essayé ne dépassent pas (h/5 xw/5). Si tel
n'est pas le cas, on peut engendrer de grandes ondes stationnaires dans
la région d'essai ce qui donne un champ électrique entre le dispositif
essayé et les plaques sensiblement différent de celui qu'indiquent les
calculs basés sur la tension HF mesurée entre les plaques. Les coûts de
fabrication d'une ligne capable de tester des sondes de taille n'excédant
pas 10 cm sont minimum quand les fréquences ne dépassent pas 100 MHz.
Pièces et main d'oeuvre ne dépassent pas un coût de 2000 à 3000 dollars.
NBS a construit une ligne à plaques parallèles pour étalonner à 15 MHz
une sonde de transfert étalon à dipôles permettant de comparer des
étalonnages similaires effectués à l'aide d'une cellule de transmission
TEM. Les résultats de cette comparaison figurent au chapitre 6.
Les erreurs associées à la technique de la ligne de transmission à
plaques parallèles sont similaires à celles de la cellule de transmission
semble t-il, dans les limites désirées de précision
TEM et sont,
d'étalonnage (2 IdB).
2.2 Ligne de transmission à fils parallèles
Cette technique est très semblable à celle de la ligne à plaques
parallèles sauf qu'elle remplace des plaques avec ou sans équilibrage
électrique par des fils équilibrés. Les sondes des champmètres étant par
essence petites, on peut respecter un écartement minimal entre les
conducteurs de la ligne à fils parallèles, ce qui permet d'utiliser cette
technique pour engendrer un champ d'essai étalon [3]. Le champ situé à
mi-chemin entre les conducteurs est uniforme si le diamètre des fils est
notablement plus petit que l'écartement des conducteurs et il s'exprime
sous la forme :
E P-3121
(3)
V rd a
I I
où 1,
est le courant dans les conducteurs,
d est la moitié de la distance s6parant les deux conducteurs de la
ligne de transmission.
---------------------- Page: 12 ----------------------
L'impédance caractéristique d'une ligne à deux fils ouverte dans l'air
est donnée par l'équation :
= 120 cash-l'a
(4)
zO . '
où d est défini ci-dessus
et a est le diamètre des conducteurs.
On détermine le courant de ligne 1 en fermant la' ligne par son impédance
caractéristique (environ 600 ohms) après avoir mesuré avec précision la
résistance R de la connexion de sortie et la dissipation de puissance P
en R, grâce à l'équation :
Un schéma fonctionnel de la ligne et des équipements associés est donné à
La thermopile compare l'échauffement de la résistance de
la figure 2.
raccordement 1 sous l'effet de la puissance HF par rapport à la puissance
équivalente en courant continu mesurée par le voltmètre à courant
continu.
Cette technique présente fondamentalement les mêmes inconvénients que
celle de la ligne à plaques parallèles auxquels vient s'ajouter une moins
bonne uniformité de champ. Il n'a donc pas été jugé nécessaire de pousser
davantage son étude pour l'étalonnage des champmètres.
2.3 Cellules de transmission TEM
Cette technique recourt à une cellule de transmission à mode
électromagnétique transverse (TEM) fonctionnant comme un système à
impédance adaptée de 50a (figure 3). On établit à l'intérieur de la
cellule, un champ TEM calculable uniforme à la fréquence d'essai à
étudier en alimentant la cellule en énergie HF à l'aide d'un transmetteur
raccordé à la porte d'entrée de la cellule.
A cette même porte, est raccordée une connexion de sortie 5Oa (sans
réflexion). Le principe de cette technique est à peu près le même que
celui de la ligne à plaques parallèles à cela près qu'il n'y pas
rayonnement d'énergie vers l'espace environnant (ce qui est un avantage
majeur), puisque le champ électromagnétique reste enfermé dans la
cellule. La bande des fréquences est extrêmement large puisqu'elle n'est
limitée que par la fréquence multimode du guide d'ondes associée à la
taille de la cellule. Les cellules ne sont pas chères à construire
(environ 3000 dollars l'une) et il n'est pas nécessaire de prévoir des
chambres anéchoïques ou des enceintes blindées coûteuses. Les cellules
permettent de définir des champs électriques connus de niveau compris
entre moins de 1 V/m et 600 V/m, avec des incertitudes inférieures à
f 1,0 dB.
---------------------- Page: 13 ----------------------
-6-
Cette technique s'est avérée optimale pour l'établissement des champs
d'étalonnage des champmètres aux fréquences inférieures à 500 MHz. (Le
détail de cette technique est décrit aux chapitres 3 à 5).
Aux fréquences supérieures à 500 MHz la petite taille des cellules
(nécessaire pour éviter le multimodage) donne une région d'essai trop
les dispositifs disponibles dans le
petite pour être utilisable avec
commerce. Il faut donc trouver un autre moyen d'établir les champs.
2.4 Antennes directives
Aux fréquences supérieures à quelques centaines de mégahertz, la technique
la plus pratique de génération d'un champ d'étalonnage en régime continu
connu avec précision est le rayonnement d'une antenne directive. La sonde
est montée sur un positionneur et alignée en face de l'antenne de source.
d'entrée sur l'antenne
Les mesurages sont faits en ajustant la puissance
de source jusqu'à ce qu'on obtienne sur le champmètre la valeur de
densité de puissance désirée. On calcule ensuite le niveau de champ
d'essai étalon,
Pd, à l’aide de l’équation suivante :
2
Ic Pd = ‘w (watts/m2)
(6)
377
Où Pn
- puissance nette alimentant l’antenne de source,
G
- gain de l’antenne de source
P
NZC = facteur de correction de champ proche, fonction de r,
r - distance séparant l’antenne de source de la sonde essayée, et
E = champ d’essai étalon en V/m.
On peut effectuer une correction de transmission multivoie dans la
chambre en enregistrant la valeur de densité de puissance relevée par le
champmètre,
Pindic, en fonction de r tout en gardant constante la
On calcule ensuite le rapport
puissance d’entrée de l’antenne de source.
(
des facteurs de correction Pd/Pindic
dB), en fonction de r et on
en fait la moyenne pour obtenir la valeur corrigée.
Quatre types d’antennes de source différents ont été etudiés :
imentation unique ou
a) les antennes rétrodirectives étalonnées à a1
multiple ;
b) les réseaux d’antennes à 4 éléments à gain calculable ;
c) les cornets pyramidaux à gain normal, et
d) les cornets courts étalonnés ou guides d’ondes ouverts.
Les antennes rétrodirectives courtes représentées à la figure 5, ont été
de leur gain relativement élevé [4]
prises en considération à cause
(3 15 dB) et donc leur moins grande demande d'énergie.
---------------------- Page: 14 ----------------------
- 7 -
Deux antennes de ce type (cf. figure 5) ont été construites par NBS pour
fonctionner sur une fréquence centrale comprise entre 500 MHz et 1,0 GHz.
Leurs caractéristiques de gain ont été déterminées en fonction des
variations autour de leur fréquence théorique propre et l’on a trouvé
qu’elles dépendaient très largement de la longueuret de l’écartement des
éléments du dipôle d’alimentation.
Ce type d’antenne a un potentiel considérable comme étalon de gain dans
la plage VHF-UHF mais il faut encore creuser davantage pour les
La séparation requise pour les mesures entre
caractériser complètement.
l’antenne et l’appareil mesureur du risque (qui doit être un multiple de
où a est le diamètre du rétro réflecteur) est toutefois, assez
a2/x,
grande pour ce genre d’antenne, ce qui annule une partie de l’avantage
que lui confère son gain élevé*. Actuellement l’antenne rétrodirective
n’est utile que comme étalon de transfert car il n’est pas possible de
calculer directement son gain axial.
Les réseaux linéaires d’antennes à quatre éléments (dipôles) sur surface
plane (figure 6) présentent également un gain considérable qui peut se
caractériser de façon mathématique [SI.
Des travaux sont en cours au NBS pour évaluer soigneusement ces réseaux
sur la plage des fréquences comprises entre 500 MHz et 2000 MHz de façon
à voir si l’on peut les utiliser pour établir des champs étalons
calculables. Ce type d’antenne a cependant aussi une grande ouverture,
son gain dépend beaucoup de la fréquence et il est d’emploi malcommode en
raison de son poids et de ses dimensions.
Les antennes rétrodirectives comme les réseaux linéaires d’antennes
conviennent mieux pour engendrer des champs électriques sur des surfaces
d’essai, plus grandes que ne l’exigent les sondes de mesure des risques.
Des cornets pyramidaux à gain normal bien caractérisés (étalonnage du
gain axial < 0,3 dB) sont disponibles dans le commerce pour les
fréquences supérieures à quelques centaines de mégahertz.
* Pour établir des champs électromagnétiques intenses dans une petite
région afin d’étalonner des appareils mesureurs avec un minimum de
puissance d’oscillateur, le facteur le plus important à prendre en
considération est la dimension d’ouverture du radiateur. Il est facile de
démontrer (et ce sera fait dans l’autre rapport établi par M. R.R BOWMAN)
qu’avec les modèles courants d’antennes et pour un écartement donné
multiple de a2/k, où a est la plus grande ouverture du radiateur,
l’intensité de champ est maximale pour une puissance absorbée donnée
lorsque l’ouverture est minimale.
---------------------- Page: 15 ----------------------
-a-
Ils ont aussi l’inconvénient d’être volumineux et encombrants aux
fréquences inférieures à 2,6 GHz environ et d’engendrer des champs
électriques plus grands que ne l’exigent les sondes étudiées. Leurs
dimensions et par suite la distance de mesure requise a’/X pour minimiser
l’erreur de correction de champ proche rendent le% mesurages d’intérieur
difficiles, voire impossibles.
Des champs étalons ont pu 6tre engendrés à 500, 750 et 1000 MHz à l’aide
de cornets à gain normal dont la plage d’extrapolation à l’extérieur
était importante par rapport à celle des cellules TEM et aux guides
d’ondes ouverts.
t des sondes à des fréquences inférieures à 2,6
Pour l’étalonnage couran
GHz, ces cornets à gain norma 1 ne sont pas d’usage pratique.
Les guides d’ondes ouverts (figure 7) sont de taille bien ‘plus petite que
les trois autres types d’antennes considérés et ont donc été choisis
comme option préférentielle pour l’étalonnage des petites sondes sur la
plage des fréquences comprises entre 500 MHz et 2,6 GHz. Il y a plusieurs
raisons à ce choix :
1) leur faible ouverture implique une moindre puissance d'oscillateur
;
2) le rapport des diagrammes avant/arrière est satisfaisant en dépit de
la faible directivité du guide d’ondes ouvert ;
3) la plage entière des fréquences allant de 2,6 GHz à moins de 500 MHz
est couverte par les guides d’ondes rectangulaires disponibles dans le
commerce à dimensions définies avec précision à l’échelle, ce qui
permet de se servir des mesurages de gain sur une seule bande de
fréquences comme base des étalonnages sur la totalité de la plage ;
4) dans l’axe du ra yonnemen t au moins la rétro diffusion des champs
incidents sur le guide d *ondes ouvert est très faible ;
5) bien que le coefficient de réflexion du guide d'ondes ouvert soit
assez grand, il est assez petit (ROS < 2,l) pour pouvoir être rapporté
directement à celui de nombreux amplificateurs ou oscillateurs du
commerce à ondes progressives sans causer de dommage à
l*oscillateur* ;
6) le gain et les corrections de champ proche des guides d'onde ouverts
si linéaires de la fréquence ;
sont des fonctions linéaires ou qua
7) la taille relativement faible du guide d'ondes ouvert simplifie son
montage, son alignement et sa manipulation.
* Nous recommandons l'utilisation d*isolateurs dans le circuit pour
protéger l'oscillateur contre les accidents éventuels, même si l'antenne
a un VSWR assez faible.
---------------------- Page: 16 ----------------------
-9.
Dans le cadre de la présente étude des mesurages complets de haute
précision ont été faits sur le gain des guides d’ondes ouverts (à l’aide
de WR 430). C’est ainsi qu’ont pu être établies les relations (2), (4),
(5) et (6) ci-dessus qui ne sont pas évidentes. Le détail de ces essais,
ainsi que les formules et graphiques du gain et des corrections de zone
WR 1500, WR 975, WR 650 et
proche approximatives pour les guides d’ondes
WR 430, seront donnés par M. BOWMAN.
Le rapport de celui-ci comprendra aussi une analyse d’erreur et indiquera
comment on utilise les guides d’ondes ouverts et les radiateurs à cornets
gain normal pour engendrer des champs d’essai étalons. Tous ces poin ne
sont donc pas repris ici.
La directivité relativement faible des guides d’ondes ouverts engendre un
fort éclairement de la chambre d’essai environnante et une rétro
diffusion importante à l’intérieur de celle-ci.
Les calculs indiquent cependant, que cet effet est plus que compensé par
le fait que la sonde essayée peut être placée bien plus près des
que des radiateurs à forte directivité.
radiateurs à faible directivité,
Ce fait a été vérifié par déplacement de la sonde dans l’axe de
rayonnement et observation des perturbations de la réponse dues aux
perturbations multi-voies (MPI).
En dépit des faibles dimensions de notre chambre d’essai, environ 3,5 X
et du fait que notre matéria
...
RAPPORT
Iso
TECHNIQUE
TR 10305
Première édition
1992-1 I-OI
Véhicules routiers - Génération de
champs électromagnétiques pour
l’étalonnage des champmètres entre
20 kHz et 1000 MHz
Road vehicles - Genera tion of standard EM fields for calibration of po wer
density meters from 20 kHz to 1 000 MHz
Numéro de référence
ISO/TR 10305: 1992(F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 10305:1992(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération
mondiale d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de
I’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de I’ISO. Chaque comité membre intéressé par une
étude a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernemen-
tales, en liaison avec I’ISO participent également aux travaux. L’ISO colla-
bore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI)
en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes
internationales, mais, exceptionnellement, un comité technique peut pro-
poser la publication d’un rapport technique de l’un des types suivants:
- type 1, lorsque, en dépit de maints efforts, l’accord requis ne peut être
réalisé en faveur de la publication d’une Norme internationale;
- type 2, lorsque le sujet en question est encore en cours de dévelop-
pement technique ou lorsque, pour toute autre raison, la possibilité
d’un accord pour la publication d’une Norme internationale peut être
envisagée pour l’avenir mais pas dans l’immédiat;
- type 3, lorsqu’un comité technique a réuni des données de nature dif-
férente de celles qui sont normalement publiées comme Normes
internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l’état
de la technique, par exemple).
Les rapports techniques des types 1 et 2 font l’objet d’un nouvel examen
trois ans au plus tard après leur publication afin de décider éventuellement
de leur transformation en Normes internationales. Les rapports techniques
du type 3 ne doivent pas nécessairement être révisés avant que les don-
nées fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.
L’ISO/rR 10305, rapport technique du type 3, a été élaboré par le comité
technique lSO/K 22, Véhicules routiers, sous-comité SC 3, Equipement
électrique et électronique.
Le présent Rapport technique, uniquement de caractère informatif, repré-
sente l’état de la technique dans le domaine de l’étalonnage des
champmètres.
0 ISO 1992
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite
ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case Postale 56 l CH-l 211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
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RAPPORT TECHNIQUE ISOJTR 10305:1992( F)
Véhicules routiers - Génération de champs
électromagnétiques pour l’étalonnage des
champmètres entre 20 kHz et 1000 MHz
1 Domaine d’application
Le présent Rapport technique décrit des techniques pour étalonner des instruments de mesure de champs de
haute densité lors de mesurages de champs à haute fréquence à rayonnement de haute densité (haut risque) dans
la plage des fréquences comprises entre 20 kHz et 1 000 MHz. II s’applique au domaine des véhicules routiers
2 Techniques
Les techniques recommandées sont celles décrites dans le rapport NBSIR 75-804, Generation of standard EM
fields for calibration of power density meters 20 kHz to 1 000 MHz (Edition January 1975 amended), dont la tra-
duction en français est annexée.
NOTE 1 Aux fins de normalisation internationale, l’auteur du document a apporté des corrections aux figures 5, 8 et 12
(échelles de grandeur).
3 Révision du Rapport technique
II a été convenu avec le National Institute of Standards and Technology que le comité technique lSO/rC 22 sera
consulté dans l’éventualité d’une révision ou d’un amendement du document NBSIR 75-804.
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Page blanche
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NBSIR 75-804
GENERATION DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES
POUR L’ETALONNAGE DES CHAMPMETRES ENTRE
20 kHz ET 1000 MHz
M.L. Crawford
Electromagnetics Division
Institute for Basic Standards
National Bureau of Standards
Boulder, CO 80302
Janvier 1975
Rapport final
Préparé pour le
Calibration Coordination Group
Army/Navy/Air Force
---------------------- Page: 5 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 6 ----------------------
- iii -
SOMMAIRE
1 Introduction . . . . . . . . .*.*e.****.****.*.*.*. 1
2 Techniques de génération des champs d’essai étalons . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Lignes de transmission a plaques parallèles bb.b.b.bbbb.
.
2.2 Ligne de transmission à fils parallèles l **.*******.
2.3 Cellules de transmission TEM .**.*.**.****.*****.*.
2.4 Antennes directives .********.**********.*.
Description, conception et évaluation des cellules TEM
3
(Techniques recommandées d’étalonnage des champmètres de
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20 kHz à 500 MHz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Représentation’ des champs à l’intérieur des cellules . . . . . . . . . . .
11
4 Mode opératoire de mesurage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
5 Analyse d’erreur de la normalisation du champ à l’intérieur
des cellules
*.*.************.***.****.*. 16
Comparaison entre lignes à plaques paralleles, cellules TEM,
6
guides d’ondes ouverts et cornets à gain normal bbboo~bbbb*. 17
7
Résumé et conclusions ****.*******.***.*.
20
Références bibliographiques bb.b.bbm.bbb~b.b.bb*b.b.
22
---------------------- Page: 7 ----------------------
- iv -
LISTE DES FIGURES
Exemple type de ligne a plaques parallèles selon la norme MIL-STD-462 . . . . 23
Figure 1 -
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figure 2 - Schéma fonctionnel d’un champmètre a fils parallèles
Figure 3 - Cellules TEM et équipement associé pour l’etalonnage des appareils de
mesure des risques de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figure 4 - Schéma fonctionnel d’un système d’essai des appareils de mesure des
risques de rayonnement a antennes directionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figure 5 - Antenne rétrodirec tive courte et diagramme du rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Figure 6 - Antenne dipole a quatre élements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure 7 - Sonde d’évaluation du risque de rayonnement montée en avant d’une
antenne à guide d’onde ouvert (OEG) . . .b.b.b.b.b.b. 29
Figure 8 - Schéma de construction d’une cellule TEM rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure 9 - Coupe transversale d’une ligne de transmission rectangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1
Figure 10 - Courbe reflectométrique dans le temps de l’impédance repartie d’une
32
cellule vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b.b.b.b.
Figure 11 - Rapport d’onde stationnaire (ROS) a l’entrée de la cellule vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 12 - Répartition relative du champ électrique à l’intérieur de la cellule - Vue
34
en coupe de la moitié supérieure de la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure 13 - Schéma fonctionnel d’un système a cellule TEM pour le contrôle et
35
l’étalonnage des champmètres HF entre 1 MHz et 500 MHZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure 14 - Schéma fonctionnel d’un système a cellule TEM pour le contrôle et
l’étalonnage des champmetres HF entre 20 kHz et 1 MHz . .b.b. 36
Figure 15 - Tour en mousse polymérique supportant la sonde en face d’un cornet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b.b. 37
a gain normalisé sur la plage d’extrapolation NBS
---------------------- Page: 8 ----------------------
- l-
GENERATION DE CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES D'ETALONNAGE DES CHAMPMETRES
ENTRE 20 kHzet1000 MHz
Le présent rapport décrit des techniques d'étalonnage des champmètres
utilisés par le Ministère de la Défense pour mesurer les champs à haute
fréquence et haute intensité (à haut niveau de risque) couvrant la plage
de 20 kHz à 1000 MHz. Il rend compte d'une partie des travaux
subventionnés par le CCG (Calibration Corodination Group) du Mini.stère de
la Défense, couvrant la plage des fréquences situées entre 20 kHz et 20
Ghzo
Diverses techniques sont utilisées pour produire ces champs étalons :
lignes de transmission à plaques parallèles ou à fils parallPles,
cellules de transmission à mode électromagnétique transverse (TEM),
antennes directives diverses et guides d'ondes ouverts (OEG). Le present
rapport insiste plus particulièrement sur les cellules TEM dont
l'utilisation est recommandée pour les fréquences compc.ises ent.re 20 kHz
et 500 MHz. Il donne le détail de leur conception et de lew c'iva.luat.ioll
ainsi qu'une analyse des erreurs découlant de ce syst$me de mesurage. ‘~A+S
niveaux de densité de puissance pouvant être établis dans des ccll~~les
vont de quelques milliwatts par centimètre carré à 100 mW/cmz avec des
incertitudes ne dépassant pas 2 1dB.
Il décrit également brièvement l'emploi des guides d'ondes, les .
techniques recommandées dans les hyperfréquences (500 !Wz à 2,6 GHz) et
donne le résultat de comparaisons effectuées entre? 1 ignes à plaques
parallèles, cellules TEM, guides d’ondes et cornets à gain normal.
Mots clés : Champs à haut risque -
étalonnage des champmètres - cellulrbs
de transmission TEM.
1 INTRODUCTION
Les autorités civiles et militaires s'inquiètent de plus en plus de
l'effet des rayonnements non ionisants (HF) sur les personnes et sur les
équipements. Ainsi les antennes radar ou radio peuvent-elles engendrer
des rayonnements électromagnétiques potentiellement danger-eux, de m6rrw que
certains appareils electriques comme les fours à mic.ro-ondes.
---------------------- Page: 9 ----------------------
-2-
ormais dis ibles dans le comme rce pour
Plusieurs appareils sont dés
Pan
ayonnement s é lectromagnétiq
mesurer l'intensité de ces r
Le présent rapport décrit lès travaux entrepris sous l'égide du CCG du
Ministère de la Défense pour mettre au point puis-évaluer, des
instruments et des techniques normalisées capables d'engendrer des champs
à haute fréquence connus permettant d'étalonner les appareils mesureurs.
L'objectif que s'était fixé le groupe était de mettre au point des
procédures optimales d'étalonnage des champmètres utilisés par le
Ministère de la Défense pour mesurer les champs HF à rayonnement direct
de haute intensité (haut risque) dans la plage des fréquences comprises
entre 20 kHz et 20 GHz. Les niveaux de densité de puissance considérés
étaient d'environ 1 à 100 mW/cm2, soit des champs électriques de 600 V/m.
La précision désirée d'étalonnage était de ,+ 1 dB.
Le prgsent rapport décrit des techniques utilisables en dessous de 1000
MHz, et insiste plus particulièrement sur la cellule TEM (à mode
électromagnétique transverse) qui est d'emploi recommandé entre 20 kHz et
500 MHz. Un deuxième rapport décrira plus en détail les techniques
recommandées pour les fréquences comprises entre 500 MHz et 20 GHz.
Un certain nombre de techniques équivalentes ont été évaluées et
comparées du point de vue de la facilité d'emploi de la précision et du
coût de reproductibilité. Elles font l'objet d'une brève description dans
la deuxième partie du présent rapport. Elles concernent :
a) la génération d'un champ uni fo rme entre deux con ducteurs à plaques
.
parallèles ou entre deux ne s de transmissi parallèles,
11g
b) la génération d'un ch uniforme dans une cellule de transmission TEM
amp
ou un guide d 'onde
Féné ration d'un champ calculabl e en avant des tennes directives
4 la g
cornets à gain n ormal ou g uide d*ond es 0
du t rt.
YPe
Le choix des techniques recommandées (c'est à dire les cellules TEM et
les guides d'ondes), est jusfitié par l'exposé des avantages et
inconvénients des diverses solutions.
Les chapitres 3, 4 et 5 décrivent la méthode de la cellule TEM avec
beaucoup de détails car c'est la méthode recommandée sur une large bande
- 500 MHz). Les conseils d'utilisation
de la plage des fréquences (20kHz
des guides d'ondes sur la plage 500 MHz - 2,6 GHz figureront dans un
second rapport établi par M. BOWMAN et on n'y reviendra pas ici en
détail sauf pour ce qui est des raisons guidant le choix des guides
d‘ondes et des résultats de certaines comparaisons entre lignes à plaques
cellules TEM, guides d'ondes et cornets à gain normal. Les
parallèles,
mesurages ont été faits sur des fréquences se recoupant pour renforcer la
crédibilité de la méthode recommandée et permettre la vérification des
données de précision incluses dans la partie de la norme traitant de
l'analyse des erreurs.
---------------------- Page: 10 ----------------------
-3-
Ces résultats figurent au chapitre 4 et montrent une cohérence
remarquable dans les limites prescrites de précision (t 1dB) imputables
aux techniques particulières utilisées.
* 2 TECHNIQUES DE GENERATION DES CHAMPS D'ESSAI ETALONS
2.1 Lignes de transmission à plaques parallèles
Cette technique est utilisée depuis quelque temps dans les études
d*impulsions électromagnétiques et de contrôle de la susceptibilité des
équipements électroniques. Divers auteurs ont présenté cette technique en
détail [1,2]. Nous n'en donnerons donc ici qu'une brève description.
Cette technique consiste essentiellement à établir un champ d'essai entre
les surfaces conductrices d'une ligne de transmission à ruban (ligne
triplaque) (figure 1) fermée à sa sortie par l'impédance caractéristique
et alimentée à l'entrée par une source puissante à haute fréquence
branchée sur un réseau d'impédance adaptée. L'analyse des champs
statiques donnée en référence Cl] montre que le mode TEM d'une ligne à
plaques parallèles peut simuler une onde électromagnétique plane en champ
libre sur une bonne partie de sa région intérieure.
L'impédance de la ligne peut, si l'on néglige la dispersion magnétique,
s'exprimer sous la forme :
Z = 377;ohms
(1)
0
où h et w ont les valeurs indiquées à la figure 1.
Le champ 6lectrique est donné par l'équation :
L
volts/mètre
E
(2)
v ii
Avec la ligne considkée,
on peut obtenir des champs électriques
supérieurs à 200 V/m avec des générateurs de 100 watt.
Ce système peut fonctionner à des fréquences pouvant aller jusqu'à
quelques centaines de MHz avec un degré satisfaisant de précision si le
dispositif essayé ou la sonde est de petite taille (< h/5xw/5). Lorsque
la fréquence augmente et que h tend vers X/4, la ligne émet cependant de
forts rayonnements à ses extrémités ouvertes.
Ce phénomène créé des perturbations qui peuvent gêner le mesurage, être
dangereuses pour l'opérateur ou perturber d'autres expériences en cours
sur la même plage de transmission.
---------------------- Page: 11 ----------------------
-4-
Des modes d'ordre supérieur s'observent également dès que l'écartement
des plaques dépasse x/4.
Ces modes déforment la configuration du champ d'essai et limitent la
précision de la détermination du champ connu. Les -principaux
inconvénients de la méthode sont la restriction dimensionnelle qu'impose
la fréquence d'essai utile supérieure et l'absence de blindage contre les
rayonnements.
Il faut également adapter avec soin les impédances et veiller à ce que
les dimensions du dispositif essayé ne dépassent pas (h/5 xw/5). Si tel
n'est pas le cas, on peut engendrer de grandes ondes stationnaires dans
la région d'essai ce qui donne un champ électrique entre le dispositif
essayé et les plaques sensiblement différent de celui qu'indiquent les
calculs basés sur la tension HF mesurée entre les plaques. Les coûts de
fabrication d'une ligne capable de tester des sondes de taille n'excédant
pas 10 cm sont minimum quand les fréquences ne dépassent pas 100 MHz.
Pièces et main d'oeuvre ne dépassent pas un coût de 2000 à 3000 dollars.
NBS a construit une ligne à plaques parallèles pour étalonner à 15 MHz
une sonde de transfert étalon à dipôles permettant de comparer des
étalonnages similaires effectués à l'aide d'une cellule de transmission
TEM. Les résultats de cette comparaison figurent au chapitre 6.
Les erreurs associées à la technique de la ligne de transmission à
plaques parallèles sont similaires à celles de la cellule de transmission
semble t-il, dans les limites désirées de précision
TEM et sont,
d'étalonnage (2 IdB).
2.2 Ligne de transmission à fils parallèles
Cette technique est très semblable à celle de la ligne à plaques
parallèles sauf qu'elle remplace des plaques avec ou sans équilibrage
électrique par des fils équilibrés. Les sondes des champmètres étant par
essence petites, on peut respecter un écartement minimal entre les
conducteurs de la ligne à fils parallèles, ce qui permet d'utiliser cette
technique pour engendrer un champ d'essai étalon [3]. Le champ situé à
mi-chemin entre les conducteurs est uniforme si le diamètre des fils est
notablement plus petit que l'écartement des conducteurs et il s'exprime
sous la forme :
E P-3121
(3)
V rd a
I I
où 1,
est le courant dans les conducteurs,
d est la moitié de la distance s6parant les deux conducteurs de la
ligne de transmission.
---------------------- Page: 12 ----------------------
L'impédance caractéristique d'une ligne à deux fils ouverte dans l'air
est donnée par l'équation :
= 120 cash-l'a
(4)
zO . '
où d est défini ci-dessus
et a est le diamètre des conducteurs.
On détermine le courant de ligne 1 en fermant la' ligne par son impédance
caractéristique (environ 600 ohms) après avoir mesuré avec précision la
résistance R de la connexion de sortie et la dissipation de puissance P
en R, grâce à l'équation :
Un schéma fonctionnel de la ligne et des équipements associés est donné à
La thermopile compare l'échauffement de la résistance de
la figure 2.
raccordement 1 sous l'effet de la puissance HF par rapport à la puissance
équivalente en courant continu mesurée par le voltmètre à courant
continu.
Cette technique présente fondamentalement les mêmes inconvénients que
celle de la ligne à plaques parallèles auxquels vient s'ajouter une moins
bonne uniformité de champ. Il n'a donc pas été jugé nécessaire de pousser
davantage son étude pour l'étalonnage des champmètres.
2.3 Cellules de transmission TEM
Cette technique recourt à une cellule de transmission à mode
électromagnétique transverse (TEM) fonctionnant comme un système à
impédance adaptée de 50a (figure 3). On établit à l'intérieur de la
cellule, un champ TEM calculable uniforme à la fréquence d'essai à
étudier en alimentant la cellule en énergie HF à l'aide d'un transmetteur
raccordé à la porte d'entrée de la cellule.
A cette même porte, est raccordée une connexion de sortie 5Oa (sans
réflexion). Le principe de cette technique est à peu près le même que
celui de la ligne à plaques parallèles à cela près qu'il n'y pas
rayonnement d'énergie vers l'espace environnant (ce qui est un avantage
majeur), puisque le champ électromagnétique reste enfermé dans la
cellule. La bande des fréquences est extrêmement large puisqu'elle n'est
limitée que par la fréquence multimode du guide d'ondes associée à la
taille de la cellule. Les cellules ne sont pas chères à construire
(environ 3000 dollars l'une) et il n'est pas nécessaire de prévoir des
chambres anéchoïques ou des enceintes blindées coûteuses. Les cellules
permettent de définir des champs électriques connus de niveau compris
entre moins de 1 V/m et 600 V/m, avec des incertitudes inférieures à
f 1,0 dB.
---------------------- Page: 13 ----------------------
-6-
Cette technique s'est avérée optimale pour l'établissement des champs
d'étalonnage des champmètres aux fréquences inférieures à 500 MHz. (Le
détail de cette technique est décrit aux chapitres 3 à 5).
Aux fréquences supérieures à 500 MHz la petite taille des cellules
(nécessaire pour éviter le multimodage) donne une région d'essai trop
les dispositifs disponibles dans le
petite pour être utilisable avec
commerce. Il faut donc trouver un autre moyen d'établir les champs.
2.4 Antennes directives
Aux fréquences supérieures à quelques centaines de mégahertz, la technique
la plus pratique de génération d'un champ d'étalonnage en régime continu
connu avec précision est le rayonnement d'une antenne directive. La sonde
est montée sur un positionneur et alignée en face de l'antenne de source.
d'entrée sur l'antenne
Les mesurages sont faits en ajustant la puissance
de source jusqu'à ce qu'on obtienne sur le champmètre la valeur de
densité de puissance désirée. On calcule ensuite le niveau de champ
d'essai étalon,
Pd, à l’aide de l’équation suivante :
2
Ic Pd = ‘w (watts/m2)
(6)
377
Où Pn
- puissance nette alimentant l’antenne de source,
G
- gain de l’antenne de source
P
NZC = facteur de correction de champ proche, fonction de r,
r - distance séparant l’antenne de source de la sonde essayée, et
E = champ d’essai étalon en V/m.
On peut effectuer une correction de transmission multivoie dans la
chambre en enregistrant la valeur de densité de puissance relevée par le
champmètre,
Pindic, en fonction de r tout en gardant constante la
On calcule ensuite le rapport
puissance d’entrée de l’antenne de source.
(
des facteurs de correction Pd/Pindic
dB), en fonction de r et on
en fait la moyenne pour obtenir la valeur corrigée.
Quatre types d’antennes de source différents ont été etudiés :
imentation unique ou
a) les antennes rétrodirectives étalonnées à a1
multiple ;
b) les réseaux d’antennes à 4 éléments à gain calculable ;
c) les cornets pyramidaux à gain normal, et
d) les cornets courts étalonnés ou guides d’ondes ouverts.
Les antennes rétrodirectives courtes représentées à la figure 5, ont été
de leur gain relativement élevé [4]
prises en considération à cause
(3 15 dB) et donc leur moins grande demande d'énergie.
---------------------- Page: 14 ----------------------
- 7 -
Deux antennes de ce type (cf. figure 5) ont été construites par NBS pour
fonctionner sur une fréquence centrale comprise entre 500 MHz et 1,0 GHz.
Leurs caractéristiques de gain ont été déterminées en fonction des
variations autour de leur fréquence théorique propre et l’on a trouvé
qu’elles dépendaient très largement de la longueuret de l’écartement des
éléments du dipôle d’alimentation.
Ce type d’antenne a un potentiel considérable comme étalon de gain dans
la plage VHF-UHF mais il faut encore creuser davantage pour les
La séparation requise pour les mesures entre
caractériser complètement.
l’antenne et l’appareil mesureur du risque (qui doit être un multiple de
où a est le diamètre du rétro réflecteur) est toutefois, assez
a2/x,
grande pour ce genre d’antenne, ce qui annule une partie de l’avantage
que lui confère son gain élevé*. Actuellement l’antenne rétrodirective
n’est utile que comme étalon de transfert car il n’est pas possible de
calculer directement son gain axial.
Les réseaux linéaires d’antennes à quatre éléments (dipôles) sur surface
plane (figure 6) présentent également un gain considérable qui peut se
caractériser de façon mathématique [SI.
Des travaux sont en cours au NBS pour évaluer soigneusement ces réseaux
sur la plage des fréquences comprises entre 500 MHz et 2000 MHz de façon
à voir si l’on peut les utiliser pour établir des champs étalons
calculables. Ce type d’antenne a cependant aussi une grande ouverture,
son gain dépend beaucoup de la fréquence et il est d’emploi malcommode en
raison de son poids et de ses dimensions.
Les antennes rétrodirectives comme les réseaux linéaires d’antennes
conviennent mieux pour engendrer des champs électriques sur des surfaces
d’essai, plus grandes que ne l’exigent les sondes de mesure des risques.
Des cornets pyramidaux à gain normal bien caractérisés (étalonnage du
gain axial < 0,3 dB) sont disponibles dans le commerce pour les
fréquences supérieures à quelques centaines de mégahertz.
* Pour établir des champs électromagnétiques intenses dans une petite
région afin d’étalonner des appareils mesureurs avec un minimum de
puissance d’oscillateur, le facteur le plus important à prendre en
considération est la dimension d’ouverture du radiateur. Il est facile de
démontrer (et ce sera fait dans l’autre rapport établi par M. R.R BOWMAN)
qu’avec les modèles courants d’antennes et pour un écartement donné
multiple de a2/k, où a est la plus grande ouverture du radiateur,
l’intensité de champ est maximale pour une puissance absorbée donnée
lorsque l’ouverture est minimale.
---------------------- Page: 15 ----------------------
-a-
Ils ont aussi l’inconvénient d’être volumineux et encombrants aux
fréquences inférieures à 2,6 GHz environ et d’engendrer des champs
électriques plus grands que ne l’exigent les sondes étudiées. Leurs
dimensions et par suite la distance de mesure requise a’/X pour minimiser
l’erreur de correction de champ proche rendent le% mesurages d’intérieur
difficiles, voire impossibles.
Des champs étalons ont pu 6tre engendrés à 500, 750 et 1000 MHz à l’aide
de cornets à gain normal dont la plage d’extrapolation à l’extérieur
était importante par rapport à celle des cellules TEM et aux guides
d’ondes ouverts.
t des sondes à des fréquences inférieures à 2,6
Pour l’étalonnage couran
GHz, ces cornets à gain norma 1 ne sont pas d’usage pratique.
Les guides d’ondes ouverts (figure 7) sont de taille bien ‘plus petite que
les trois autres types d’antennes considérés et ont donc été choisis
comme option préférentielle pour l’étalonnage des petites sondes sur la
plage des fréquences comprises entre 500 MHz et 2,6 GHz. Il y a plusieurs
raisons à ce choix :
1) leur faible ouverture implique une moindre puissance d'oscillateur
;
2) le rapport des diagrammes avant/arrière est satisfaisant en dépit de
la faible directivité du guide d’ondes ouvert ;
3) la plage entière des fréquences allant de 2,6 GHz à moins de 500 MHz
est couverte par les guides d’ondes rectangulaires disponibles dans le
commerce à dimensions définies avec précision à l’échelle, ce qui
permet de se servir des mesurages de gain sur une seule bande de
fréquences comme base des étalonnages sur la totalité de la plage ;
4) dans l’axe du ra yonnemen t au moins la rétro diffusion des champs
incidents sur le guide d *ondes ouvert est très faible ;
5) bien que le coefficient de réflexion du guide d'ondes ouvert soit
assez grand, il est assez petit (ROS < 2,l) pour pouvoir être rapporté
directement à celui de nombreux amplificateurs ou oscillateurs du
commerce à ondes progressives sans causer de dommage à
l*oscillateur* ;
6) le gain et les corrections de champ proche des guides d'onde ouverts
si linéaires de la fréquence ;
sont des fonctions linéaires ou qua
7) la taille relativement faible du guide d'ondes ouvert simplifie son
montage, son alignement et sa manipulation.
* Nous recommandons l'utilisation d*isolateurs dans le circuit pour
protéger l'oscillateur contre les accidents éventuels, même si l'antenne
a un VSWR assez faible.
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-9.
Dans le cadre de la présente étude des mesurages complets de haute
précision ont été faits sur le gain des guides d’ondes ouverts (à l’aide
de WR 430). C’est ainsi qu’ont pu être établies les relations (2), (4),
(5) et (6) ci-dessus qui ne sont pas évidentes. Le détail de ces essais,
ainsi que les formules et graphiques du gain et des corrections de zone
WR 1500, WR 975, WR 650 et
proche approximatives pour les guides d’ondes
WR 430, seront donnés par M. BOWMAN.
Le rapport de celui-ci comprendra aussi une analyse d’erreur et indiquera
comment on utilise les guides d’ondes ouverts et les radiateurs à cornets
gain normal pour engendrer des champs d’essai étalons. Tous ces poin ne
sont donc pas repris ici.
La directivité relativement faible des guides d’ondes ouverts engendre un
fort éclairement de la chambre d’essai environnante et une rétro
diffusion importante à l’intérieur de celle-ci.
Les calculs indiquent cependant, que cet effet est plus que compensé par
le fait que la sonde essayée peut être placée bien plus près des
que des radiateurs à forte directivité.
radiateurs à faible directivité,
Ce fait a été vérifié par déplacement de la sonde dans l’axe de
rayonnement et observation des perturbations de la réponse dues aux
perturbations multi-voies (MPI).
En dépit des faibles dimensions de notre chambre d’essai, environ 3,5 X
et du fait que notre matéria
...
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