Road vehicles — Calibration of electromagnetic field strength measuring devices — Part 1: Devices for measurement of electromagnetic fields at frequencies > 0 Hz

ISO/TR 10305-1:2003 specifies techniques for calibrating field strength measuring devices used in automotive testing for the measurement of magnetic fields at frequencies greater than 0 Hz, for both EMC and human protection applications. It has been prepared by German experts using devices including capacitor or coil arrangements, TEM cells and antenna arrangements in absorber-lined chambers. In the automotive field, these field strength measuring devices are used for measurements specified in the various parts of ISO 11451 and ISO 11452.

Véhicules routiers — Étalonnage des appareils de mesure de l'intensité d'un champ électromagnétique — Partie 1: Appareils pour le mesurage des champs électromagnétiques de fréquence supérieure à 0 Hz

L l'ISO/TR 10305-1:2003 spécifie des techniques d'étalonnage des appareils de mesure d'intensité de champ utilisés par l'industrie automobile lors des essais concernant le mesurage des champs électromagnétiques de fréquence supérieure à 0 Hz, pour des applications de CEM et de protection humaine. Elle a été préparée par des experts allemands qui ont utilisé des dispositifs tels que des montages avec condensateur ou bobine, des cellules TEM ou des montages avec antenne dans des chambres anéchoïques. Dans le domaine de l'automobile, ces appareils de mesure d'intensité de champ sont utilisés lors des mesurages spécifiés dans les différentes parties de l'ISO 11451 et de l'ISO 11452.

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Published
Publication Date
09-Feb-2003
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
10-Feb-2003
Completion Date
10-Feb-2003
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Technical report
ISO/TR 10305-1:2003 - Road vehicles -- Calibration of electromagnetic field strength measuring devices
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Technical report
ISO/TR 10305-1:2003 - Véhicules routiers -- Étalonnage des appareils de mesure de l'intensité d'un champ électromagnétique
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 10305-1
First edition
2003-02-15
Road vehicles — Calibration of
electromagnetic field strength measuring
devices —
Part 1:
Devices for measurement of
electromagnetic fields at frequencies
>>>> 0 Hz
Véhicules routiers — Étalonnage des appareils de mesure de l'intensité
d'un champ électromagnétique —
Partie 1: Appareils pour le mesurage des champs électromagnétiques
de fréquence supérieure à 0 Hz
Reference number
ISO/TR 10305-1:2003(E)
ISO 2003
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 10305-1:2003(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2003 — All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 10305-1:2003(E)
Contents Page

Foreword............................................................................................................................................................ iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Scope...................................................................................................................................................... 1

2 Terms and definitions........................................................................................................................... 1

3 Layout and properties of field strength measuring devices ............................................................ 2

3.1 Layout and functional principles......................................................................................................... 2

3.2 Properties............................................................................................................................................... 3

3.3 Response characteristics..................................................................................................................... 4

4 General requirements for calibration procedures ............................................................................. 4

5 Calibration procedures......................................................................................................................... 6

5.1 Plate capacitor arrangement................................................................................................................ 6

5.2 Coil arrangements............................................................................................................................... 10

5.3 TEM cells.............................................................................................................................................. 14

5.4 GTEM cells........................................................................................................................................... 17

5.5 Antennas in absorber-lined shielded enclosures............................................................................ 19

6 Test and calibration reports............................................................................................................... 24

Annex A (informative) Physical considerations on coils and antennas ..................................................... 26

Annex B (informative) Example description of calibration procedure........................................................ 34

Bibliography ..................................................................................................................................................... 35

© ISO 2003 — All rights reserved iii
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

In exceptional circumstances, 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”, for example), it may decide by a

simple majority vote of its participating members to publish a Technical Report. A Technical Report is entirely

informative in nature and does not have to be reviewed until the data it provides are considered to be no

longer valid or useful.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

ISO/TR 10305-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 22, Road vehicles, Subcommittee SC 3,

Electrical and electronic equipment.

This first edition of ISO/TR 10305-1, together with that of ISO/TR 10305-2, cancels and replaces the first

edition of ISO/TR 10305, which has been technically revised.

ISO/TR 10305 consists of the following parts, under the general title Road vehicles — Calibration of

electromagnetic field strength measuring devices:

 Part 1: Devices for measurement of electromagnetic fields at frequencies > 0 Hz

 Part 2: IEEE standard for calibration of electromagnetic field sensors and probes, excluding antennas,

from 9 kHz to 40 GHz
iv © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
Introduction

The necessity for EMC (electromagnetic compatibility) testing of road vehicles and their components has led

to the publication of a number of standardized test procedures. The need, too, for a standardized method for

the calibration of field strength measuring devices was seen by the responsible ISO subcommittee. As no

such International Standard was at the time available from either ISO or IEC, ISO/TR 10305 was published in

1992, based on the amended 1975 edition of the US National Bureau of Standards (now the National Institute

of Standards and Technology, NIST) report, NBSIR 75-804.

That document having been considered incomplete, two new calibration methods were independently

developed by DIN, the German Institute for Standardization, and by IEEE, the US Institute of Electrical and

Electronics Engineers. It was decided to publish the methods as the two parts of a Technical Report replacing

ISO/TR 10305:1992. Part 1 is an English translation of part 26 of DIN VDE 0847 and part 2 is the adoption,

unchanged, of IEEE std 1309-1996. Each of the two parts should be considered as independent of the other,

no effort having been made to combine them.

The user of either method is kindly requested to report on the experience to ISO/TC 22/SC 3.

In the event of IEC publishing a general calibration procedure as an International Standard, ISO/TR 10305

could be withdrawn, as there is no anticipated need for special calibration methods for use in the automotive

industry.
© ISO 2003 — All rights reserved v
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 10305-1:2003(E)
Road vehicles — Calibration of electromagnetic field strength
measuring devices —
Part 1:
Devices for measurement of electromagnetic fields at
frequencies > 0 Hz
1 Scope

This part of ISO/TR 10305 specifies techniques for calibrating field strength measuring devices used in

automotive testing for the measurement of electromagnetic fields at frequencies greater than 0 Hz, for both

EMC and human protection applications. It has been prepared by German experts using devices including

capacitor or coil arrangements, TEM cells and antenna arrangements in absorber-lined chambers. In the

automotive field, these field strength measuring devices are used for measurements specified in the various

parts of ISO 11451 and ISO 11452.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
field strength measuring device

complete system, consisting of a field probe, data transmission system and display or control device

2.2
field probe

entire transducer unit (i.e. with antennas, detectors, filters, etc.), which converts the field strength into an

electrical or optical signal
2.3
field sensor

part of the field probe that receives the field and transfers it for further evaluation

2.4
anisotropy

dependence of the indicated value of a field strength measuring device on the direction of incidence and the

polarization of the field, the anisotropy factor being the ratio between the maximum and minimum values of

the indicated field strength
2.5
linearity

measure of deviation from a first order polynomial of two variables such as the indication of a field strength

measuring device and the field quantity being measured
© ISO 2003 — All rights reserved 1
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
2.6
calibration field

linearly polarized electrical or magnetic field with a known field strength, or travelling wave field with known

energy flow per unit area, having a sufficiently homogeneous volume for the exposition of the field strength

measuring device
NOTE The following vectorial field quantities are used:
 electric field strength, E, in volts per metre;
 magnetic field strength, H, in amperes per metre;
 magnetic flux density, B, in tesla;
 power flux density, S, or energy flow per unit area in watts per square metre.
2.7
reference system

orthogonal system of coordinates with one of its axes oriented along the field vector of interest for the

particular calibration test
2.8
preferred axis

axis of a field probe determined either by the axis of symmetry (main axis) of the sensor or by the direction of

the feed line

NOTE If its position is not obvious, it is determined, marked and documented by the calibration laboratory.

3 Layout and properties of field strength measuring devices
3.1 Layout and functional principles

The field strength measuring devices used for checking measured values against limits for the purpose of

EMC or the protection of humans comprise the following:

 field sensor, for example, electrically short dipole (loaded or unloaded), loop antenna, horn antenna,

capacitor arrangement;

 transducer for converting the field quantity into a current or voltage, for example, diode, thermocouple,

bolometer or opto-modulator;

 data transmission line, for example, resistive cable, fibre optic cable, co-axial cable, wave guide;

 display unit.

Field sensor and transducer are usually combined in the field probe. Some field strength measuring systems

allow the field sensor to be either connected to the data transmission line or directly to the display unit. Some

designs incorporate both field sensor and display unit in one compact set-up.

The characteristics of field strength measuring devices for protection of humans and for EMC applications are

usually broadband and not selective, for example, field strength measuring devices in the telecommunications

field. Depending on the field quantities E, H, B or S, different field sensor/transducer combinations are applied.

See Figure 1.
2 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
3.2 Properties
3.2.1 General

The influence of all components of the field strength measuring device on the measurement result shall be

known and shall be described in the technical documentation, to allow the conditions for calibration to be

determined.
3.2.2 Field probes with diode-detectors

This type of field probe uses electrically short dipoles (< λ/4 of the highest measurable frequency) or small

coils, dimensioned and frequency-corrected according to the measuring bandwidth, to which the diodes are

connected directly or via frequency correction elements. The diode output is filtered, amplified and displayed

as field strength value.
Advantages:
 high sensitivity (best suitable for low field strengths);
 high overload capacity;
 simple technology in probe manufacturing;
 short response time;
 good zero stability.
Disadvantages:

 linearity problems (i.e. small signals result in a voltage proportional to the square of the field strength

while large signals are directly proportional to the field strength);
 simultaneous signals or pulsed fields may cause incorrect measuring results;
 results are not necessarily r.m.s. values for distinct types of signals;

 sensitive to light and infrared radiation (photo effect), and temperature changes (diffusion potential),

which may result in zero-shifts and changes of sensitivity.
3.2.3 Field probes with thermocouple detectors

These field probes contain thin-film thermocouples which function as field sensors (i.e. electrically short

dipoles) and also as absorbers for the RF energy. The DC-current supplied by the thermocouples is

proportional to the squared field strength. In the ultra-high frequency range, the power flux density is also

measured with ultra-high frequency power meters in combination with horn antennas, the coaxial power meter

heads also being based on the thermocouple principle (disc-shaped 50 Ω terminating resistor with vapour

deposited temperature detectors).
Advantages:
 large bandwidth;

 measuring signal is proportional to the square of the electric field strength and thus suited for direct

measurement of the power flux density in the far field;

 true r.m.s. measurement for random signal types, especially when simultaneous signals or pulsed fields

are present;

 relatively immune to ambient temperature changes, as the second connection of the thermocouple is

located outside the field and acts as a reference compensating any changes of the ambient temperature.

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ISO/TR 10305-1:2003(E)

Disadvantage: very low overload capacity, peak values of pulsed signals need to be carefully monitored.

3.2.4 Field probes with bolometer-detectors

The measurement principle is based on a bolometer element, usually a thermistor, heated by an RF current,

its resistance change being evaluated in a bridge. Field probes of this type are exclusively used for power flux

density measurements. The thermistor is located in either a wave guide or a coaxial thermistor head

connected to, for example, a horn antenna as a field sensor.

Advantage: high overload capacity, since the resulting change of the resistance of the thermistor leads to a

mismatch of the measuring head and thus to a limitation of the absorbed power.

Disadvantage: sensitive to changes of the ambient temperature, which may cause a zero-shift of the bridge

unless a complicated balancing circuit with an additional thermistor is used.
3.3 Response characteristics
3.3.1 Field probes with isotropic response characteristics

The orthogonal arrangement of three field-sensor/detector-combinations results ideally in a field probe with

isotropic response characteristics.

This simplifies the use of the probe, as it does not require adjustment in the field. A disadvantage is that the

test engineer may not notice a failure of one or even two sensor elements.
3.3.2 Field probes with directional characteristics

Field probes with only one field-sensor/detector combination require an orientation of the sensor which leads

to a maximum reading at the measuring device. Advantageous, however, is the clear recognition of

polarization and direction of incidence of the field. This equally applies to combinations of a power meter with

power measuring head and a matched horn antenna (in the case of circular polarization, additional correction

is necessary) used for power flux density measurements in the far field.
4 General requirements for calibration procedures

Calibrations made in accordance with this part of ISO/TR 10305 shall result in correct field strength measuring

results which may be used if requested for documentation in a quality assurance system. For this procedure,

only those calibration procedures may be applied where the set field strength can be unambiguously traced

back in a suitable way to the national standards. This may be achieved by two different methods: the

generation of a calculable field (standard field or standard antenna method) of traceably measured values, or

by setting the field strength via a traceably calibrated transfer sensor.

The total uncertainty of the calibration results from the uncertainty of the established field and the contribution

of the device under test (DUT). In Clause 5, only the uncertainty of the established field is described.

Since the measurement values indicated on usual field strength measuring devices may be influenced by the

chosen set-up and by handling details, the calibration procedure shall simulate the expected applications as

closely as possible and shall show whether the requirements for the measuring device can be fulfilled, for

example, through
 exposition of sensor or complete equipment,

 determination of the frequency response with frequency step sizes small enough to allow the detection of

resonances,
4 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO/TR 10305-1:2003(E)

 determination of the anisotropy (of respective sensors) through measurements with at least three different

orthogonal field polarizations, one axis being in the preferred axis of the sensor (the rotation should take

place around the centre of the field sensor),
 investigation of the linearity,

 investigation of the performance during, respectively, multiple frequency reception and modulation,

 recognition of E-field sensitivity of magnetic field sensors,

 monitoring of the function by means of a 360° rotation of the sensor under the analytical angle of 54° in

order to recognize a failure of any sensor element, and
 consideration of the response time.

The cost of calibration may be reduced by suitable calibration intervals and — if possible — simplified

calibration procedures, for example, in the case of
 limited frequency or dynamic range,
 known specified field structure,
 special equipment (i.e. “leakage tester”), or

 re-calibration, where the requirements for the determination of anisotropy may be reduced.

Figure 1 — Typical applications
© ISO 2003 — All rights reserved 5
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
5 Calibration procedures
5.1 Plate capacitor arrangement
5.1.1 General

For the generation of electrical field strengths for calibration purposes in the frequency range between 0 Hz

and about 50 MHz, plate capacitor arrangements may be used, where the shape and distance of the plates

are dictated by the requirements of the field homogeneity and the size of the field strength measuring device

or field sensor under calibration. If very high field strengths are used in the low frequency range (e.g. 50 Hz),

the edges of the plates shall be rounded to avoid corona discharges. The electrodes of the capacitors should

be fed symmetrically to ground. A plate capacitor generates an electric field. The accompanying magnetic field

may be disregarded.
5.1.2 Applicability and limits of procedure
5.1.2.1 General

Applicability and limits of the calibration procedure depend on the following factors, which are interdependent:

 the size of the capacitor plates vs. their distance;

 the existence of standing waves on the capacitor plates, if their dimensions are close to the wavelength

used;
 the interaction of the DUT with the capacitor plates.

These factors determine the upper frequency limit of the procedure and useable test volume with

homogeneous field distribution and influence the total uncertainty of the procedure.

5.1.2.2 Field inhomogeneities caused by stray capacitances

If the size of the electrodes of the capacitor in relation to their distance is too small, the field distribution in the

capacitor is disturbed by stray capacitances, i.e. the true field strength, E , in the region of the DUT is

actual

always below the value, E , calculated from the voltage at the capacitor, U , and the distance of the plates, d:

0 0
E = (1)

The relation E /E vs. the plate size, a (which is the diameter of a circular plate or the length or width

actual 0

dimension of a rectangular plate), and the plate distance d, is given in 5.1.5.2.3. It results that for a

homogeneous field distribution inside the capacitor:
> 2 (2)
is to be chosen.
5.1.2.3 Restrictions for frequency range caused by standing waves

The relation between the inhomogeneity of the field caused by standing waves on the plates and the

maximum permitted plate dimensions is given in 5.1.5.2.1. It is assumed that the voltage along a capacitor

plate follows a cosine function from the feeding point. If an inhomogeneity of, for example, 5 % is permitted,

the maximum size, a , of a capacitor plate shall be
max
cos2πλaa/ = 0,95; = 0,05λ (3)
max
6 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO/TR 10305-1:2003(E)

At a frequency of 50 MHz, this leads to a = 0,3 m, i.e. only field probes with sizes below 30 mm may be

max
calibrated.
5.1.2.4 Usable volume

The volume V that may be occupied by the DUT is situated in the geometrical centre between the plates, if

the capacitor dimensions follow the requirements of 5.1.2.1 and 5.1.2.2.
Its maximum permitted size can be calculated from
Vh= ;hu (4)
5.1.2.5 Maximum generated field strength

The maximum field strength which may be generated with a capacitor arrangement is restricted only by the

breakdown voltage of air and the material which supports the capacitor plates. It is possible to generate very

high electric field strengths with low generator power.
5.1.3 Calibration set-up

Figure 2 shows the basic capacitor arrangement for the calibration of field strength measuring devices.

Key
1 signal generator
2 broadband amplifier
3 balun

4 circuit for changing potentials and impedances of the capacitor plates to ground

5 DUT
6 capacitor plate
7a symmetric voltmeter

7b voltage measurement with voltmeters with input and output symmetrical to ground

8 control unit
Figure 2 — Block diagram of the calibration configuration

The capacitor plates should be arranged vertically and in the centre of the measuring chamber to minimize

environmental influences. In the vicinity of the capacitor, field disturbances caused by objects shall be avoided.

If these requirements are fulfilled, the circuit (4 in Figure 2) for the change of potential and impedances is

redundant. In the RF range, short cables with low inductance shall be used between balun and capacitor

plates (band lead instead of a wire, input at the centre of the plate edges). If the symmetric voltage

measurement according to Figure 2 is not feasible, because most RF voltmeters have asymmetric input and

output terminals, the use of two voltmeters as shown additionally in Figure 2 is necessary; their measured

© ISO 2003 — All rights reserved 7
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ISO/TR 10305-1:2003(E)

values have to be added. This variant of voltage measurement clearly shows unsymmetries of the calibration

set-up by indicating different voltages. If the voltages to be measured exceed the measuring range of the

voltmeters, voltage dividers may be used.
5.1.4 Calibration
5.1.4.1 Insertion of the DUT into the capacitor arrangement

The DUT shall be positioned in the centre of the test volume using supporting material with a permittivity, ε ,

approaching 1. The cable to the DUT shall be oriented perpendicularly to the electric field.

5.1.4.2 Measurement of the field strength

The relation between E and E may be determined for a given arrangement by a reference measurement,

actual 0

thus allowing the calibration of the field strength via the voltage measurement. Another possibility is the

determination of the generated field strength with a transfer sensor.
5.1.5 Uncertainty considerations
5.1.5.1 General

The relative standard deviation s′ of the field is composed of the following (uncorrelated) portions:

22 2
ss′′=+s′+s′ (5)
EU d M
where
s is the relative standard deviation of the voltage measurement;

s is the relative standard deviation of the measurement of the distance of the plates;

s is the contribution of averaging the inhomogeneous electric field across the test volume to the

relative standard deviation.

For a 95 % degree of confidence, twice the value of s′ has to be inserted, representing the uncertainty of the

calibration field.
5.1.5.2 Discussion of different contributions
5.1.5.2.1 Voltage measurement

The relative uncertainty of the RF voltmeter (typically 5 % for a 95 % degree of confidence or k = 2,

i.e. s = 2,5 % ) increases with increasing frequency and is the main portion of the total uncertainty. For higher

frequencies, the potential inhomogeneous voltage distribution on the capacitor plates caused by standing

waves shall additionally be taken into account, i.e. the voltage measurement becomes dependent on the

position.

Figure 3 shows the distribution of the standing waves vs. the relation of plate dimensions and wavelength.

8 © ISO 2003 — All rights reserved
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO/TR 10305-1:2003(E)
Key
U = 0,9 U
a 0
U = 0,8 U
a 0
U = 0,7 U
a 0
s feeding point

a) Equipotential lines on the capacitor plate with input at the edge of the plate

Key
calculated
measured

b) Voltage distribution along the centreline of the plate, calculated with Equation (3) and measured

Figure 3 — Distribution of standing waves on the capacitor plates U /U =f(a/λ), where U

a 0 a
is the actual voltage on the capacitor plate
© ISO 2003 — All rights reserved 9
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ISO/TR 10305-1:2003(E)
5.1.5.2.2 Measurement of the plate separation

The separation of the plates in a mechanically rigid apparatus can be determined with high accuracy (e.g.

about s′ = 0,5 %). The contribution of this measurement to the total uncertainty may usually be disregarded.

5.1.5.2.3 Inhomogeneity of the field strength

As the field strength inside the calibration volume of the plate capacitor is not homogeneous, the inserted field

measuring device indicates an average value of the field. The resulting uncertainty has to be estimated;

typical relative standard deviations s′ are, for example, s′ = 2,5 % ... 5 %. The relation of the field strengths

H H

E /E versus the relation of plate dimension a to plate separation d is shown in Figure 4.

actual 0
Key
calculated
measured
Figure 4 — E /E versus a/d
actual 0
5.2 Coil arrangements
5.2.1 General
Well defined magnetic fields up to approx. 50 MHz can be produced by means of

a) single-layer cylindrical coils (wound densely or, preferably, with wire gauge spacing),

b) one circular turn, and
c) two circular turns in Helmholtz configuration.

For b) and c), a shielded cable (with an interruption of the shield) may be used. This type is especially suitable

for RF and for a direct connection to a generator with an asymmetric output.

The resulting magnetic field strength depends on the number of turns and on the geometric dimensions of the

coil and is exactly proportional to the coil current. If the coil layout is sufficiently detailed and the coil current

10 © ISO 2003 — All rights reserved
---------------------- Page: 15 ----------------------
ISO/TR 10305-1:2003(E)
determined with low uncertainty, the strength of the axi
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 10305-1
Première édition
2003-02-15
Véhicules routiers — Étalonnage des
appareils de mesure de l'intensité d'un
champ électromagnétique —
Partie 1:
Appareils pour le mesurage des champs
électromagnétiques de fréquence
supérieure à 0 Hz
Road vehicles — Calibration of electromagnetic field strength
measuring devices —
Part 1: Devices for measurement of electromagnetic fields at
frequencies > 0 Hz
Numéro de référence
ISO/TR 10305-1:2003(F)
ISO 2003
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 10305-1:2003(F)
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ISO/TR 10305-1:2003(F)
Sommaire Page

Avant-propos..................................................................................................................................................... iv

Introduction ........................................................................................................................................................ v

1 Domaine d'application.......................................................................................................................... 1

2 Termes et définitions ............................................................................................................................ 1

3 Disposition et propriétés des appareils de mesure d'intensité de champ...................................... 2

3.1 Disposition et principes de fonctionnement...................................................................................... 2

3.2 Propriétés............................................................................................................................................... 3

3.3 Caractéristiques de la réponse............................................................................................................ 4

4 Exigences générales pour les méthodes d'étalonnage .................................................................... 5

5 Méthodes d'étalonnage........................................................................................................................ 6

5.1 Montages avec condensateur à lames ............................................................................................... 6

5.2 Montages avec bobine........................................................................................................................ 11

5.3 Cellules TEM........................................................................................................................................ 15

5.4 Cellules GTEM..................................................................................................................................... 18

5.5 Antennes dans des chambres anéchoïques blindées .................................................................... 20

6 Comptes rendus d'essai et d'étalonnage ......................................................................................... 25

Annexe A (informative) Considérations physiques sur les bobines et les antennes................................ 27

Annexe B (informative) Exemple de description d'une méthode d'étalonnage ......................................... 35

Bibliographie .................................................................................................................................................... 36

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ISO/TR 10305-1:2003(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'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

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

Exceptionnellement, lorsqu'un comité technique a réuni des données de nature différente de celles qui sont

normalement publiées comme Normes internationales (ceci pouvant comprendre des informations sur l'état

de la technique par exemple), il peut décider, à la majorité simple de ses membres, de publier un Rapport

technique. Les Rapports techniques sont de nature purement informative et ne doivent pas nécessairement

être révisés avant que les données fournies ne soient plus jugées valables ou utiles.

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.

L'ISO/TR 10305-1 a été élaboré par le comité technique ISO/TC 22, Véhicules routiers, sous-comité SC 3,

Équipement électrique et électronique.

Cette première édition de l’ISO/TR 10305-1, avec celle de l’ISO/TR 10305-2, annule et remplace la première

édition de l’ISO/TR 10305, qui a fait l'objet d'une révision technique.

L'ISO/TR 10305 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Véhicules routiers —

Étalonnage des appareils de mesure de l'intensité d'un champ électromagnétique:

 Partie 1: Appareils pour le mesurage des champs électromagnétiques de fréquence supérieure à 0 Hz

 Partie 2: Méthode normalisée de l’IEEE pour l’étalonnage des capteurs et des sondes de champ

électromagnétique, à l’exclusion des antennes, entre 9 kHz et 40 GHz
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ISO/TR 10305-1:2003(F)
Introduction

La nécessité d'essais CEM (compatibilité électromagnétique) sur les véhicules routiers et leurs composants a

conduit à la publication d'un certain nombre de modes opératoires normalisés d’essais. De plus, la nécessité

d'une méthode normalisée pour l'étalonnage des appareils de mesure d'intensité de champ a été constatée

au sein du sous-comité de l'ISO responsable. L'ISO et la CEI ne disposant d'aucune norme sur ce sujet,

l’ISO/TR 10305 a été publié en 1992 en prenant pour base l’édition amendée de 1975 du rapport

NBSIR 75-804 du National Bureau of Standards des États-Unis (aujourd’hui le National Institute of Standards

and Technology, NIST).

Ce document ayant été considéré incomplet, deux nouvelles méthodes d'étalonnage ont été élaborées de

façon indépendante par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, aux États-Unis) et par le DIN

(Deutsches Institut für Normung, l’institut allemand de normalisation). Il a été décidé de publier conjointement

ces méthodes sous la forme de deux parties d'un rapport technique remplaçant la première édition de

l'ISO/TR 10305:1992. La partie 1 est la traduction en français de la DIN VDE 0847, partie 26. La partie 2 est

la traduction en français de l’IEEE std 1039-1996. Il convient de considérer ces deux parties comme

indépendantes, aucune tentative n’ayant été réalisée pour les combiner.

L’utilisateur de l’une ou l’autre méthode est prié d’envoyer ses commentaires éventuels à l’ISO/TC 22/SC 3.

Si la CEI publie une méthode générale d'étalonnage sous la forme d'une Norme internationale, il se peut que

l’ISO/TR 10305 soit retiré, pourvu qu'on ne prévoie pas la nécessité de méthodes spéciales d'étalonnage pour

l'industrie automobile.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 10305-1:2003(F)
Véhicules routiers — Étalonnage des appareils de mesure de
l'intensité d'un champ électromagnétique —
Partie 1:
Appareils pour le mesurage des champs électromagnétiques de
fréquence supérieure à 0 Hz
1 Domaine d'application

La présente partie de l'ISO/TR 10305 spécifie des techniques d'étalonnage des appareils de mesure

d'intensité de champ utilisés par l’industrie automobile lors des essais concernant le mesurage des champs

électromagnétiques de fréquence supérieure à 0 Hz, pour des applications de CEM et de protection humaine.

Elle a été préparée par des experts allemands qui ont utilisé des dispositifs tels que des montages avec

condensateur ou bobine, des cellules TEM ou des montages avec antenne dans des chambres anéchoïques.

Dans le domaine de l’automobile, ces appareils de mesure d’intensité de champ sont utilisés lors des

mesurages spécifiés dans les différentes parties de l’ISO 11451 et de l’ISO 11452.

2 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.

2.1
appareils de mesure d'intensité de champ

système complet comprenant une sonde de champ, un système de transmission de données et un dispositif

d'affichage ou de commande
2.2
sonde de champ

ensemble du transducteur (c'est-à-dire avec antennes, détecteurs, filtres, etc.) qui convertit l'intensité de

champ en signal électrique ou optique
2.3
capteur de champ
partie de la sonde de champ qui reçoit le champ et le transfère pour évaluation
2.4
anisotropie

dépendance de la valeur indiquée par un appareil de mesure d'intensité de champ à la direction de l'incidence

et à la polarisation du champ, le facteur d'anisotropie étant le rapport entre la valeur maximale et la valeur

minimale de l'intensité de champ indiquée
2.5
linéarité

mesure de l'écart par rapport à un polynôme du premier degré de deux variables comme l'indication d'un

appareil de mesure d'intensité de champ et la grandeur du champ qui est mesurée
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2.6
champ d'étalonnage

champ électrique ou magnétique à polarisation linéaire d'intensité de champ connue, ou champ d'ondes

progressives de flux énergétique par unité d'aire connu, possédant un volume suffisamment homogène pour

l'exposition de l'appareil de mesure d'intensité de champ
NOTE On utilise les grandeurs de champ vectoriel suivantes:
 l'intensité du champ électrique, E, en volts par mètre;
 l'intensité du champ magnétique, H, en ampères par mètre;
 l'induction magnétique, B, en teslas;

 la densité surfacique de puissance, S, ou le flux énergétique par unité d'aire, en watts par mètre carré.

2.7
système de référence

système orthogonal de coordonnées dont l'un des axes est orienté selon le vecteur de champ considéré pour

l'essai d'étalonnage effectué
2.8
axe préférentiel

axe d'une sonde de champ déterminé soit par l'axe de symétrie (axe principal) du capteur, soit par la direction

de la ligne d'alimentation

NOTE Si sa position n'est pas évidente, elle est déterminée, repérée et documentée par le laboratoire d'étalonnage.

3 Disposition et propriétés des appareils de mesure d'intensité de champ
3.1 Disposition et principes de fonctionnement

Les appareils de mesure d'intensité de champ utilisés pour vérifier les valeurs mesurées par rapport aux

limites, dans des applications de CEM ou de protection humaine, comprennent les suivants:

 un capteur de champ, par exemple un dipôle électriquement court (chargé ou non), une antenne-cadre,

une antenne-cornet, un montage de condensateurs;

 un transducteur pour convertir la grandeur étudiée du champ en courant ou en tension, par exemple une

diode, un thermocouple, un bolomètre ou un modulateur optoélectronique;

 une ligne de transmission de données, par exemple un câble résistant, un câble à fibre optique, un câble

coaxial, un guide d'ondes;
 un dispositif d'affichage.

Le capteur de champ et le transducteur sont généralement combinés dans la sonde de champ. Certains

systèmes de mesure d'intensité de champ permettent de connecter le capteur de champ soit à la ligne de

transmission de données, soit directement au dispositif d'affichage. Certains modèles intègrent le capteur de

champ et le dispositif d'affichage en un même montage peu encombrant.

Les appareils de mesure d'intensité de champ pour les applications de CEM et de protection humaine sont

généralement à large bande de fréquences et non sélectifs, comme par exemple les appareils de mesure

d'intensité de champ du domaine des télécommunications. En fonction des grandeurs du champ E, H, B ou S,

on utilise des combinaisons différentes de capteurs de champ et transducteurs.
Voir Figure 1.
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3.2 Propriétés
3.2.1 Généralités

L'influence de tous les composants de l'appareil de mesure d'intensité de champ sur le mesurage doit être

connue et elle doit être décrite dans la documentation technique afin de permettre de déterminer les

conditions de l'étalonnage.
3.2.2 Sondes de champ avec détecteurs à diode

Ce type de sonde de champ utilise des dipôles électriquement courts (< λ/4 de la plus haute fréquence

mesurable) ou de petites bobines, dimensionnées et corrigées en fréquence en fonction de la largeur de

bande de mesure, auxquels les diodes sont connectées directement ou par l'intermédiaire d'éléments de

correction en fréquence. La sortie de la diode est filtrée, amplifiée et affichée comme valeur d'intensité du

champ.
Avantages:
 haute sensibilité (très adaptée aux faibles intensités de champ);
 haute capacité de surcharge;
 simplicité de la technologie de fabrication de la sonde;
 temps de réponse court;
 bonne stabilité du zéro.
Inconvénients:

 problème de linéarité (du fait que les petits signaux donnent une tension proportionnelle au carré de

l'intensité de champ alors que les signaux de grande amplitude sont directement proportionnels à

l'intensité de champ);

 des signaux simultanés ou des champs impulsionnels peuvent entraîner un résultat incorrect des

mesurages;

 les résultats ne sont pas nécessairement des valeurs quadratiques moyennes pour des types distincts de

signaux;

 sensibilité à la lumière et au rayonnement infrarouge (effet photoélectrique) ainsi qu'aux variations de

température (potentiel de diffusion), ce qui peut provoquer des décalages du zéro et des variations de la

sensibilité.
3.2.3 Sondes de champ avec détecteurs à thermocouple

Ces sondes de champ contiennent des thermocouples à couche mince qui fonctionnent comme des capteurs

de champ (c'est à dire comme des dipôles électriquement courts) et aussi comme des absorbeurs de l'énergie

radiofréquence (RF). Le courant continu fourni par les thermocouples est proportionnel au carré de l'intensité

du champ. Dans la gamme des ultra-hautes fréquences, la densité surfacique de puissance est également

mesurée avec des wattmètres UHF combinés à des antennes-cornets, les têtes du wattmètre de la ligne

coaxiale étant également basées sur le principe du thermocouple (résistance de bouclage de 50 Ω en forme

de disque avec détecteurs de température déposés par évaporation).
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Avantages:
 grande largeur de bande;

 le signal de mesure est proportionnel au carré de l'intensité du champ électrique et, par conséquent, bien

adapté au mesurage direct de la densité surfacique de puissance dans le champ lointain;

 mesure efficace vraie pour les types de signaux aléatoires, en particulier en présence de signaux

simultanés ou de champs impulsionnels;

 relative insensibilité aux variations de la température ambiante du fait que la seconde connexion du

thermocouple est située en dehors du champ et agit comme une référence qui compense les variations

de la température ambiante.

Inconvénient: très faible capacité de surcharge, les valeurs de crête des signaux impulsionnels doivent être

étroitement surveillées.
3.2.4 Sondes de champ avec détecteurs bolomètres

Le principe du mesurage est fondé sur un élément à bolomètre, généralement une thermistance, chauffé par

un courant RF, la variation de sa résistance étant évaluée dans un pont. Les sondes de champ de ce type

sont utilisées exclusivement pour les mesurages de la densité surfacique de puissance. La thermistance est

située soit dans un guide d'ondes, soit dans une tête de thermistance de ligne coaxiale reliée par exemple à

une antenne-cornet qui sert de capteur de champ.

Avantage: haute capacité de surcharge car la variation induite de la résistance de la thermistance conduit à

une désadaptation de la tête de mesure et, par conséquent, à une limitation de la puissance absorbée.

Inconvénient: sensibilité aux variations de la température ambiante qui peut conduire à un décalage du zéro

du pont si l'on n'utilise pas un circuit d'équilibrage élaboré avec une thermistance supplémentaire.

3.3 Caractéristiques de la réponse
3.3.1 Sondes de champ avec caractéristiques de réponse isotropes

La disposition orthogonale de trois combinaisons capteur de champ / détecteur aboutit idéalement à une

sonde de champ possédant des caractéristiques de réponse isotropes.

Ceci simplifie l'utilisation de la sonde puisqu'elle n'a pas besoin de réglage dans le champ. Le système

possède cependant un inconvénient, c'est que l'ingénieur d'essai peut ne pas remarquer la défaillance d'un,

voire de deux éléments du capteur.
3.3.2 Sondes de champ avec caractéristiques directionnelles

Les sondes de champ avec une seule combinaison capteur de champ /détecteur nécessitent une orientation

du capteur donnant une valeur maximale au niveau de l'appareil de mesure. Le point intéressant, cependant,

est l'identification claire de la polarisation et de la direction d'incidence du champ. Ceci s'applique également

aux combinaisons d'un wattmètre avec tête de mesure de la puissance et d'une antenne-cornet appariée (en

cas de polarisation circulaire, une correction supplémentaire est nécessaire) utilisées pour les mesures de

densité surfacique de puissance dans le champ lointain.
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ISO/TR 10305-1:2003(F)
4 Exigences générales pour les méthodes d'étalonnage

Les étalonnages conformes à la présente partie de l’ISO/TR 10305 doivent assurer des résultats corrects de

la mesure d'intensité de champ qui pourront être utilisés, en cas de nécessité, pour la documentation dans un

système d'assurance qualité. Seules peuvent donc être appliquées les méthodes d'étalonnage pour

lesquelles l'intensité de champ définie est traçable correctement et sans aucune ambiguïté par rapport aux

étalons nationaux. Ce résultat peut s'obtenir en utilisant deux méthodes différentes: en générant un champ

calculable (méthode du champ étalon ou méthode de l'antenne étalon) de valeurs mesurées de façon traçable

ou en ajustant l'intensité du champ au moyen d'un capteur de transfert étalonné de façon traçable.

L'incertitude totale sur l'étalonnage résulte de l'incertitude sur le champ établi et sur la contribution du

dispositif soumis à l’essai (DSE). Dans l'Article 5, seule l'incertitude sur le champ établi est décrite.

Comme les valeurs indiquées sur les appareils habituels de mesure de l'intensité de champ peuvent être

influencées par le montage choisi et par des détails de la manipulation, la méthode d'étalonnage doit simuler

aussi étroitement que possible les applications prévues et doit indiquer si les exigences pour l'appareil de

mesure concerné peuvent être satisfaites, par exemple
 par exposition du capteur ou de l'équipement complet,

 par détermination de la réponse en fréquence avec des échelons de fréquence suffisamment petits pour

permettre la détection de résonances,

 par détermination de l'anisotropie (des différents capteurs) au moyen de mesurages faits avec un

minimum de trois polarisations orthogonales différentes du champ, l'un des axes correspondant à l'axe

préférentiel du capteur (il convient que la rotation se fasse autour du centre du capteur de champ),

 par étude de la linéarité,

 par étude de la performance respectivement pendant la réception et la modulation de fréquence multiples,

 par identification de la sensibilité des capteurs de champ magnétique dans le champ E,

 par surveillance du fonctionnement en faisant effectuer au capteur une rotation de 360° sous l'angle

analytique de 54° afin d'identifier une défaillance d'un élément du capteur, et
 par prise en compte du temps de réponse.

Le coût de l'étalonnage peut être réduit si l'on adopte des intervalles d'étalonnage appropriés et, si possible,

des méthodes d'étalonnage simplifiées, par exemple
 dans le cas d'une gamme de fréquences ou d'une gamme dynamique limitées,
 dans le cas d'une structure de champ connue et spécifiée,
 pour un équipement spécial (par exemple un «tellurohmmètre»), et

 dans le cas d'un réétalonnage, les exigences concernant la détermination de l'anisotropie pouvant être

réduites.
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Figure 1 — Applications types
5 Méthodes d'étalonnage
5.1 Montages avec condensateur à lames
5.1.1 Généralités

Pour produire des intensités de champ électrique destinées à des opérations d'étalonnage dans la gamme de

fréquences comprise entre 0 Hz et 50 MHz environ, on peut utiliser des condensateurs à lames dans lesquels

la forme des plaques et leur distance sont imposées par les caractéristiques requises pour l'homogénéité du

champ et la taille de l'appareil de mesure d'intensité de champ ou du capteur de champ à étalonner. Si on

utilise des intensités de champ très élevées dans la gamme des basses fréquences (par exemple 50 Hz), les

bords des plaques doivent être arrondis pour éviter les décharges en couronne. Il convient que les électrodes

des condensateurs soient mises à la terre de façon symétrique. Un condensateur à lames génère un champ

électrique. Le champ magnétique qui l'accompagne peut être négligé.
5.1.2 Applicabilité et limites
5.1.2.1 Généralités

L'applicabilité et les limites de la méthode d'étalonnage dépendent des facteurs suivants qui sont

interdépendants:
 la taille des plaques du condensateur par rapport à leur distance;

 l'existence d'ondes stationnaires sur les plaques du condensateur, si leurs dimensions sont proches de la

longueur d'onde utilisée;
 l'interaction du DSE avec les condensateurs à lames.

Ces facteurs déterminent la limite supérieure de fréquence de la méthode, le volume d'essai utilisable avec

une répartition homogène de l'intensité du champ et ils affectent l'incertitude totale de la méthode.

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5.1.2.2 Défauts d'homogénéité du champ provoqués par des capacités parasites

Si la taille des électrodes du condensateur est trop petite par rapport à leur distance, la répartition de

l'intensité du champ dans le condensateur est perturbée par des capacités parasites. Ceci signifie que

l'intensité réelle du champ, E , dans la région du DSE est toujours inférieure à la valeur E calculée sur la

réel 0

base de la tension au niveau du condensateur, U , et de la distance des plaques, d:

E = (1)

La relation E /E en fonction de la taille, a, de la plaque (a est le diamètre d'une plaque circulaire ou bien la

réel 0

longueur ou la largeur d'une plaque rectangulaire) et de la distance, d, entre les plaques est représentée en

5.1.5.2.3. Il en résulte que, pour obtenir une répartition homogène de l'intensité du champ dans le

condensateur, il faut choisir
> 2 (2)

5.1.2.3 Restrictions concernant la gamme de fréquences dues aux ondes stationnaires

La relation entre le défaut d'homogénéité du champ provoqué par des ondes stationnaires sur les plaques et

les dimensions maximales autorisées des plaques est représentée en 5.1.5.2.1. On admet que la tension le

long d'une plaque de condensateur suit une fonction cosinus à partir du point d'alimentation. Si un défaut

d'homogénéité de 5 % par exemple est autorisé, la taille maximale, a , d'une plaque de condensateur doit

max
être de
cos2πλaa/ = 0,95; = 0,05λ (3)
max

À une fréquence de 50 MHz, ceci conduit à a = 0,3 m, c'est-à-dire que seules des sondes de champ de

max
taille inférieure à 30 mm peuvent y être étalonnées.
5.1.2.4 Volume utilisable

Le volume V qui peut être occupé par le DSE est situé au centre géométrique, entre les plaques, si les

dimensions du condensateur respectent les exigences données en 5.1.2.1 et en 5.1.2.2.

La taille maximale autorisée du DSE peut être calculée d'après l'équation
Vh= ;hu (4)
5.1.2.5 Intensité maximale du champ généré

L'intensité maximale du champ qui peut être généré avec un montage de condensateurs n'est limitée que par

la tension de claquage de l'air et le matériau qui supporte les plaques du condensateur. Il est possible de

générer des intensités de champ électrique très élevées avec une faible puissance du générateur.

5.1.3 Configuration du montage d'étalonnage

La Figure 2 représente le montage de base avec condensateur pour l'étalonnage des appareils de mesure

d'intensité de champ.
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ISO/TR 10305-1:2003(F)
Légende
1 générateur de signaux
2 amplificateur à large bande
3 symétriseur

4 circuit de changement des potentiels et impédances des plaques du condensateur à la terre

5 DSE
6 plaque du condensateur
7a voltmètre symétrique

7b mesurage de la tension avec entrée et sortie symétrique des voltmètres à la terre

8 unité de commande
Figure 2 — Schéma fonctionnel du montage d'étalonnage

Il convient que les plaques du condensateur soient disposées verticalement et au centre de la chambre de

mesure afin de réduire autant que possible les influences de l'environnement. Au voisinage du condensateur,

les perturbations du champ dues à des objets doivent être évitées. Si ces exigences sont satisfaites, le circuit

de changement du potentiel et des impédances (Figure 2, repère 4) est redondant. Dans la gamme RF, il faut

utiliser des câbles courts à faible inductance entre le symétriseur et les plaques du condensateur (un

conducteur en bande au lieu d'un fil, entrée au centre du bord des plaques). Si le mesurage de tension

symétrique représentée à la Figure 2 n'est pas réalisable du fait que la plupart des voltmètres RF ont des

bornes d'entrée et de sortie asymétriques, l'emploi de deux voltmètres, comme représenté en complément à

la Figure 2, est nécessaire; leurs valeurs mesurées doivent être additionnées. Cette variante du mesurage de

la tension montre clairement les dissymétries du montage d'étalonnage en indiquant des tensions différentes.

Si les tensions à mesurer dépassent la plage de mesure des voltmètres, il est possible d'utiliser des diviseurs

de tension.
5.1.4 Méthode d'étalonnage
5.1.4.1 Introduction du DSE dans le montage avec condensateur

Le DSE doit être positionné au centre du volume d'essai en utilisant un matériau de support possédant une

permittivité, ε , proche de 1. Le câble raccordé au DSE doit être orienté perpendiculairement au champ

électrique.
5.1.4.2 Mesurage de l'intensité de champ

La relation entre E et E peut être déterminée pour un montage donné par un mesurage de référence,

réel 0

permettant ainsi l'étalonnage de l'intensité de champ via le mesurage de la tension. Une autre possibilité

consiste à déterminer l'intensité du champ généré avec un capteur de transfert.
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