Brevet FR2969764A1 — publié le 20120629

Appareil pour la mesure de l'intensité d'un champ électromagnétique La présente invention concerne un capteur pour la mesure de l'intensité de champs électromagnétiques (EM). A titre d'exemple, l'invention peut s'appliquer plus particulièrement à la mesure de champs EM dans un environnement d'essai ou à la mesure d'une fonction de transfert pour évaluer l'efficacité d'un blindage EM. Des champs EM ont été mesurés dans tous types d'applications. A titre d'exemple, dans certains lieux, des champs EM doivent être mesurés 1 o pour déterminer si ceux-ci peuvent présenter un risque pour les personnes. Un problème est que les systèmes de télécommunications modernes utilisent des techniques de modulation numérique avec d'importantes différences entre les niveaux crête et moyen, cela étant connu sous le nom de facteur de crête. 15 D'une part, celui-ci ne peut pas être facilement mesuré au moyen de systèmes classiques qui sont limités en gamme et en vitesse. Ceux qui sont basés sur des détecteurs à diodes sont limités en gamme dynamique tandis que ceux qui sont basés sur des thermocouples sont limités en vitesse. En conséquence, ils ne sont pas capables de mesurer des niveaux 20 crêtes. II convient de noter que l'utilisation d'une série de diodes pour augmenter la gamme dynamique est d'utilité limitée. Par ailleurs, les systèmes évolués, tels que les Lasers à Émission de Surface à Cavité Verticale, qui convertissent un signal électrique pour moduler un signal optique par l'intermédiaire d'une interface de fibre optique, 25 ou des récepteurs superhétérodynes, sont très coûteux. En outre, le récepteur superhétérodyne nécessite également une source radiofréquence (RF) qui est sensible aux erreurs de mesure lors de la mesure de champs. Cherchant à fournir un dispositif à large bande de fréquences et à gamme de puissance étendue afin d'avertir les personnes des dangers des champs électriques, le brevet US 6 727 859 B1 décrit l'utilisation d'un circuit de mesure de puissance tel que ceux qui sont couplés à un Indicateur d'Intensité de Signal Reçu (RSSI) dans les stations de base et des téléphones mobiles modernes. Ces circuits intégrés, appelés circuits RSSI dans la présente demande, utilisent une cascade de diodes et d'amplificateurs de manière à obtenir une réponse logarithmique. Ils sont généralement utilisés pour commander la sortie de l'amplificateur de 1 o puissance d'un téléphone mobile. Ils sont très rapides et capables de détecter le niveau crête d'un signal modulé numérique. Pour de nombreuses raisons, l'utilisation d'un dispositif d'avertissement à base de circuit RSSI à large bande tel que celui décrit 15 dans US 6 727 859 B1, en tant que capteur d'intensité de champ EM, ne semble a priori pas judicieux, un tel dispositif ne permettant pas la mesure du champ avec une précision élevée. Une première raison en est qu'un circuit RSSI à large bande n'est pas adapté à une utilisation dans un capteur d'intensité du champ car il 20 présente un niveau de bruit trop élevé pour une intensité de champ d'amplitude extrêmement faible, cela conduisant donc à un capteur dépourvu de sensibilité. Une autre raison est que le dispositif d'avertissement des dangers des champs électriques conformément au brevet US 6 727 859 B1 ne 25 comprend qu'un système d'antenne unidirectionnelle. II n'est donc sensible que dans une seule direction. Cela le rend peu approprié à une utilisation en tant que capteur de mesure d'intensité, sauf si la direction du champ à mesurer est connue avec précision, ce qui est rarement le cas. 30 La présente invention a pour but de fournir un capteur d'intensité de champ EM peu coûteux ayant une sensibilité élevée quelle que soit la direction du champ, en combinant une antenne à une cascade de cellules amplificatrices. De manière très générale, l'invention propose un appareil permettant de mesurer l'intensité d'un champ électromagnétique. L'appareil comprend une pluralité d'antennes agencées de manière à ce que le champ soit reçu de toutes les directions, chaque antenne délivrant en sortie un signal RF. L'appareil comprend également une pluralité de modules de transformation, chacun desdits modules étant alimenté avec le signal RF 1 o délivré par l'une des antennes, chacun desdits modules transformant l'impédance d'entrée de manière à délivrer en sortie un autre signal RF. L'appareil comprend également une pluralité de modules de conversion, chacun desdits modules étant alimenté avec le signal RF délivré par l'un des modules de transformation, chacun desdits modules convertissant le signal 15 RF qu'il reçoit en entrée en un courant continu qu'il délivre en sortie, ledit courant continu variant sensiblement selon une fonction logarithmique dudit signal RF. Avantageusement, l'appareil peut en outre comprendre une pluralité de modules RMS pour mesurer la racine quadratique moyenne de la 20 puissance du signal RF, chaque module de conversion étant placé en parallèle avec un module RMS. Dans un mode de réalisation préféré, chaque module de conversion peut comprendre une cascade d'amplificateurs dont les sorties 25 peuvent être sommées les unes aux autres afin de générer une approximation linéaire par morceaux de la fonction logarithmique. A titre d'exemple, chaque module de conversion peut comprendre un circuit RSSI. Avantageusement, chaque module de transformation peut comprendre un transistor à effet de champ. Avantageusement, l'appareil peut comprendre une pluralité de modules de mesure, chacun desdits modules étant alimenté avec le courant continu délivré par l'un des modules de conversion. Avantageusement, chaque module de transformation peut convertir le signal RF qu'il reçoit en entrée, de manière à ce que l'appareil puisse fournir une mesure par rapport à une courbe représentant les niveaux de protection pour l'exposition à des champs électromagnétiques variant dans le temps. La courbe peut être l'inverse d'une courbe dite « ICNIRP » telle que celle publiée par la Commission Internationale sur la Protection contre les Rayonnements Non Ionisants (ICNIRP). Avantageusement, l'appareil peut comprendre un convertisseur analogique-à-numérique alimenté avec les courants continus délivrés par la pluralité de modules de conversion, ledit convertisseur délivrant un signal numérique à un module de journalisation. A titre d'exemple, le module de journalisation peut comprendre une mémoire ou une interface réseau. De manière avantageuse, l'appareil peut comprendre trois antennes agencées perpendiculairement. A titre d'exemple, les antennes peuvent comprendre des antennes monopoles ou des antennes plaques ou des antennes en noeud papillon. En plus d'être de faible coût, l'un des avantages d'un capteur de la présente invention selon l'un quelconque de ses aspects est qu'il possède une large bande de fréquences et une large gamme de puissance. D'autres avantages offerts par le capteur de la présente invention selon l'un quelconque de ses aspects est qu'il permet de mesurer facilement des champs variant rapidement dans les trois directions orthogonales (x, y et z). Cela est particulièrement commode pour la mesure de champs EM dans des environnements d'essai. Un capteur de la présente invention a pour autre avantage, selon l'un quelconque de ses aspects, qu'il est de petite taille et comporte une sortie DC (Direct Current ou Courant Continu). Par conséquent, le capteur peut être logé dans un boîtier, les brouillages dus aux câbles sortant du boîtier étant facilement filtrés. Cela est particulièrement commode pour évaluer l'efficacité d'un blindage du boîtier. Des exemples non limitatifs de l'invention sont décrits ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement des étages amplificateurs en cascade produisant une fonction logarithmique ayant une grande 1 o gamme dynamique ; - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de mode de réalisation d'un capteur d'intensité de champ comportant un amplificateur à transistor à effet de champ à haute impédance conformément à l'invention ; 15 - la figure 3 illustre schématiquement un autre exemple de mode de réalisation d'un capteur d'effet biologique conformément à l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement les niveaux de référence pour l'exposition à des champs électriques variant dans le temps 20 publiés par l'ICNIRP. Sur les figures, des symboles de référence identiques désignent des éléments identiques. 25 Le concept de mise en cascade a été appliqué à des circuits RSSI de postes radio mobiles pour lesquels la puissance émise est commandée de manière à correspondre au niveau nécessaire pour économiser la batterie. Comme cela a déjà été mentionné plus haut, ces circuits RSSI 30 peuvent sembler inappropriés à une utilisation dans un capteur d'intensité de champ en raison du fait qu'ils présentent un niveau de bruit trop élevé pour une intensité de champ d'amplitude extrêmement faible. Cependant, la Demanderesse a eu la possibilité d'effectuer des mesures montrant que les champs ont des amplitudes moyennes dans le cas de la mesure de champs variant rapidement ou de la mesure de fonctions de transfert. Ainsi, de manière inattendue, l'utilisation de circuits RSSI dans un capteur d'intensité de champ peut être adaptée à ces cas. La figure 1 illustre un exemple de série de n détecteurs désignés D1 à Dn. Ceux-ci sont connectés à une cascade de n-1 cellules amplificatrices à large bande désignées Al à An_1, toutes les cellules ayant un gain fixe, par exemple de 8 décibels. La série de détecteurs est utilisée pour convertir un signal RF-in en bande de base. Les sorties des cellules sont sommées les unes aux autres pour générer une approximation linéaire par morceaux d'une fonction logarithmique DC-out=L(RF-in) ayant une grande gamme dynamique. La sortie est une tension continue dont l'amplitude est une mesure de l'amplitude de tension RF-in, comme illustré sur la figure 1. Plusieurs circuits intégrés de ce détecteur logarithmique sont disponibles sur le marché à un coût relativement bas en raison du fait qu'ils sont très répandus dans les téléphones mobiles. Des gammes de fréquences de plusieurs centaines de kilohertz (kHz) à plusieurs gigahertz (GHz) sont également disponibles. La gamme dynamique est en théorie illimitée mais en raison de la diaphonie, elle augmente aux hautes fréquences, par exemple au-delà de 3 GHz, mais on estime que 90 décibels (dB) peuvent raisonnablement être atteints. Récemment, un circuit intégré à détecteur en cascade comparable est devenu disponible pour la mesure de la moyenne quadratique, ou une mesure de la densité d'énergie, ce détecteur étant désigné ci-après module RMS. Conformément à une spécificité avantageuse de la présente invention, un tel module RMS peut être appliqué en parallèle au détecteur logarithmique de niveau crête afin que des grandeurs de niveaux crête et RMS puissent toutes être mesurées (racine quadratique moyenne). L'utilisation d'un amplificateur logarithmique pour la détection des niveaux crêtes et d'un amplificateur logarithmique semblable mais électroniquement différent pour la détection du niveau RMS, ces détections étant réalisées simultanément dans toutes les directions, permet de mesurer le niveau crête, le niveau RMS et le facteur de crête. Un appareil conforme à la présente invention peut en outre comprendre des moyens permettant de calculer la moyenne de la sortie 1 o continue du détecteur de niveau crête. En calculant la moyenne de la sortie continue du détecteur de niveau crête, on mesure également le niveau moyen du signal RF. Le temps de réponse de ces circuits détecteurs est extrêmement court et un champ variant rapidement qui varie en un temps de l'ordre de 100 picosecondes pourra être détecté. Par conséquent, les 15 niveaux crêtes des signaux numériques modernes peuvent facilement être mesurés. Par conséquent, un appareil conforme à la présente invention peut fonctionner dans de larges gammes de fréquences et est donc également capable de mesurer des signaux impulsionnels tels que ceux utilisés dans 20 des applications à ultralarge bande ou à microondes de forte puissance, et est également capable d'effectuer des mesures de brouillage électromagnétique (EMI, ElectroMagnetic Interference). L'antenne est à large bande. Un dipôle de base est à large bande, mais présente une impédance de sortie très élevée. Cette caractéristique 25 peut être avantageusement exploitée dans deux modes de réalisation différents de la présente invention. Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, un capteur d'intensité de champ à très large bande mais néanmoins à grande gamme dynamique comprend un Transistor à Effet de Champ (FET, Field Effect Transistor) à haute impédance d'entrée, le 30 FET étant utilisé en tant que transformateur d'impédance. Dans un autre mode de réalisation illustré sur la figure 3, un capteur d'effet biologique utilise l'impédance de sortie élevée pour la correction ICNIRP. La figure 2 illustre schématiquement un exemple de mode de réalisation d'un capteur d'intensité de champ de l'invention. II est à noter que les circuits RSSI disponibles sur le marché, qui n'ont pas été développés pour être utilisés dans un capteur, ne comprennent pas d'antenne. Le capteur comprend un système d'antenne tridirectionnel comprenant 3 antennes désignées 21, 22 et 23 respectivement agencées 1 o perpendiculairement par rapport à un axe X, à un axe Y et à un axe Z. Les antennes 21, 22 et 23 sont des antennes à large bande. Elles peuvent être soit des monopoles courts, soit des plaques soit même des noeuds papillon inversés. Le capteur peut également comprendre trois FET désignés 24, 25 et 26 respectivement connectés aux sorties des antennes 21, 22 et 23. Les 15 FET 24, 25 et 26 sont utilisés en tant que transformateurs d'impédance. Le capteur comprend également trois détecteurs logarithmiques désignés 27, 28 et 29 respectivement connectés aux sorties des FET 24, 25 et 26. Les détecteurs logarithmiques 27, 28 et 29 sont capables d'effectuer une mesure de niveau crête. Comme décrit ci-après, les détecteurs logarithmiques 27, 20 28, 29 peuvent être placés en parallèle avec des amplificateurs logarithmiques permettant la détection du niveau RMS, cela n'étant pas illustré sur la figure. Les mesures des niveaux crête et RMS peuvent alors toutes deux être réalisées simultanément. L'électronique des détecteurs de niveaux crête et RMS peut avantageusement être mise en boîtier sous la 25 forme d'un module unique. Le capteur comprend également une pluralité d'afficheurs analogiques 30a, 30b et 30c respectivement connectés aux sorties des trois détecteurs logarithmiques 27, 28 et 29. Les détecteurs logarithmiques 27, 28 et 29 sont des éléments essentiels qui sont utilisés dans de nombreux systèmes de 30 télécommunications mobiles. Du fait de cette utilisation répandue, le coût d'un capteur complet de l'invention, y compris les antennes 21, 22 et 23, peut être très faible. Cela permet d'effectuer des mesures de cartographie de champ EM pour tous types d'applications. De plus, le niveau de sortie est un courant continu et toute interférence RF couplée dans l'interférence peut être éliminée par filtrage de manière simple, ce qui a pour résultat que ces capteurs constituent une solution de très peu coûteuse pour les mesures d'intensité de champ. Par conséquent, la présente invention peut être mise en oeuvre sous la forme d'un capteur de champ électrique et/ou magnétique tridirectionnel permettant de mesurer des champs variant rapidement dans 1 o un environnement d'essai. La présente invention peut également être mise en oeuvre sous la forme d'un petit capteur tridirectionnel permettant de mesurer une fonction de transfert et d'évaluer l'efficacité d'un blindage ou de coupler des champs à travers des fenêtres ou des portes ou des panneaux de traversée. La présente invention peut également être mise en oeuvre sous 15 la forme d'un petit capteur tridirectionnel de faible coût pour mesurer la répartition du champ à l'intérieur d'une cavité. La figure 3 illustre schématiquement un exemple de mode de réalisation d'un capteur d'effet biologique conforme à l'invention. Le capteur 20 comprend un système d'antennes tridirectionnel comportant trois antennes désignées 31, 32 et 33 respectivement agencées perpendiculairement par rapport à un axe X, à un axe Y et à un axe Z. Les antennes 31, 32 et 33 sont des antennes à large bande. Elles peuvent être soit des monopoles courts, soit des plaques soit même des noeuds papillon inversés. Le capteur peut 25 également comprendre trois convertisseurs ICNIRP désignés 34, 35 et 36, respectivement connectés aux sorties des antennes 31, 32 et 33. Les convertisseurs ICNIRP 34, 35 et 36 forment un réseau de bio-compensation passif permettant de compenser une courbe C de l'ICNIRP illustrée sur la figure 4. Les niveaux de protection vis-à-vis d'une exposition à des champs 30 électriques, magnétiques et électromagnétiques variant dans le temps sont publiés par l'ICNIRP, comme illustré sur la figure 4. La courbe C représentée sur la figure 4 peut être intégrée au réseau de bio-compensation passif après que ladite courbe a été inversée, de manière à ce que la sortie du capteur fournisse une valeur par rapport à la courbe C. En effet, les niveaux ICNIRP dépendent de la fréquence mais le capteur ne sait pas quelle fréquence il mesure : le capteur convertit tout niveau RF en un niveau continu correspondant. A titre d'exemple, le niveau ICNIRP peut être de 100 volts par mètre (V/m) dans une certaine gamme de fréquences, tandis qu'il peut être de 27 V/m dans une autre gamme. La présente invention propose de faire en sorte que le réseau de bio-compensation corrige le niveau RF en fonction de la fréquence. Cela a pour effet que lorsqu'un signal RF de 50 V/m est mesuré dans la partie de l'ICNIRP dans laquelle la limite est de 100 V/m, la mesure est alors de 50 °/O (en fait, -6 dB). Si un signal RF de 50 V/m est mesuré dans la gamme dans laquelle la courbe ICNIRP donne 27 V/m, la mesure est alors de +5,4 dB (c'est-à-dire 20 log (50/27)). Le capteur comprend également trois détecteurs logarithmiques désignés 37, 38 et 39 respectivement connectés aux sorties des convertisseurs ICNIRP 34, 35 et 36. Les détecteurs logarithmiques 37, 38 et 39 sont capables d'effectuer une mesure du niveau crête. Comme décrit ci-après, les détecteurs logarithmiques 37, 38, 39 peuvent être placés en parallèle avec des amplificateurs logarithmiques permettant une détection de niveau RMS, cela n'étant pas représenté sur la figure. Des mesures de niveaux crête et RMS peuvent alors être réalisées simultanément. L'électronique des détecteurs de niveaux crête et RMS peut avantageusement être mise en boîtier sous la forme d'un module unique. Le capteur comprend également un convertisseur analogique-à-numérique (ADC) indiqué en 40 connecté aux sorties des trois détecteurs logarithmiques désignés 37, 38, et 39. Le capteur peut également comprendre une mémoire de journalisation multivoie désignée 41, permettant de stocker le niveau continu dans une mémoire de journalisation. Dans un autre mode de réalisation, la mémoire de journalisation multivoie 41 peut être remplacée par une interface réseau permettant de transmettre des données à un ordinateur, cela permettant de transmettre le niveau continu via un réseau à un ordinateur central. En plus de fournir un capteur d'intensité de champ EM à large bande, rapide, triaxial, à gamme dynamique élevée et de faible coût, un autre avantage de la présente invention est qu'elle peut également être utilisée en tant que capteur d'effet biologique. Réalisé sous la forme d'un dispositif porté sur le corps et ayant la taille d'une clé USB, le capteur d'effet biologique obtenu peut alors être doté d'une courbe de correction intégrée au système 1 o d'antenne afin de mesurer des niveaux par rapport aux limites internationales. Lorsqu'il est doté d'une mémoire de journalisation numérique permettant de stocker des données ou lorsqu'il est connecté à un réseau, le capteur d'effet biologique obtenu peut effectuer périodiquement une mesure afin de permettre la création d'une carte d'exposition EM de l'environnement. 15 Réparti sur un réseau, par exemple à l'intérieur d'un hôpital ou au voisinage d'écoles primaires, un tel capteur d'effet biologique peut également surveiller l'intensité des champs. REVENDICATIONS1. Appareil pour la mesure de l'intensité d'un champ électromagnétique, l'appareil comprenant : - une pluralité d'antennes (21, 22, 23, 31, 32, 33) agencées de manière à ce que le champ soit reçu de toutes les directions, chaque antenne délivrant en sortie un signal RF ; - une pluralité de modules de transformation (24, 25, 26, 34, 35, 36), chacun desdits modules étant alimenté avec le signal RF délivré par l'une des antennes, chacun desdits modules transformant l'impédance d'entrée de manière à délivrer en sortie un autre signal RF (RF-in) ; - une pluralité de modules de conversion (27, 28, 29, 37, 38, 39), chacun desdits modules étant alimenté avec le signal RF (RF-in) délivré par l'un des modules de transformation, chacun desdits modules convertissant le signal RF qu'il reçoit en entrée en un courant continu (DC-out) qu'il délivre en sortie, ledit courant continu variant sensiblement selon une fonction logarithmique (L) dudit signal RF (RF-in). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de modules RMS destinés à mesurer la racine quadratique moyenne de la puissance du signal RF (RF-in), chaque module de conversion (27, 28, 29, 37, 38, 39) étant placé en parallèle avec un module RMS. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module de conversion (27, 28, 29, 37, 38, 39) comprend une cascade d'amplificateurs (A1,...,An_1) dont les sorties sont sommées les unes aux autres de manière à générer une approximation linéaire par morceaux de la fonction logarithmique (L). 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce chaque module de conversion (27, 28, 29, 37, 38, 39) comprend un circuit RSSI (Received Signal Strength Indication pour Indicateur d'Intensité du Signal Reçu). 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce chaque module de transformation (24, 25, 26) comporte un transistor à effet de champ. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une 1 o pluralité de modules de lecture (30a, 30b, 30c), chacun desdits modules étant alimenté avec le courant continu (DC-out) délivré par l'un des modules de conversion (27, 28, 29). 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce chaque module de 15 transformation (34, 35, 36) convertit le signal RF qu'il reçoit en entrée de manière à ce que l'appareil fournisse une mesure par rapport à une courbe (C) représentant les niveaux de protection pour une exposition à des champs électromagnétiques variant dans le temps. 20 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la courbe (C) est l'inverse de la courbe des niveaux de référence d'exposition à des champs électriques publiée par la Commission Internationale pour la Protection contre les Rayonnements Non-Ionisants. 25 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur analogique-à-numérique (40) alimenté avec les courants continus (DC-out) délivrés par la pluralité de modules de conversion (37, 38, 39), ledit convertisseur délivrant un signal numérique à un module de journalisation (41). 30 10.Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de journalisation (40) comporte une mémoire ou une interface réseau. 11.Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois 5 antennes (21, 22, 23, 31, 32, 33) agencées perpendiculairement. 12. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les antennes (21, 22, 23, 31, 32, 33) comprennent des antennes monopoles ou des antennes plaques ou des antennes noeuds papillon. 10