Types de chambres CEM: SAC, FAR, OATS, GTEM, reverberation
Guide, environnements d'essai CEM
Choisir un laboratoire CEM, ou lire la section environnement d'essai d'un rapport, exige de comprendre ce que chaque type de chambre mesure et ne mesure pas. La CISPR 16-1-4 (2019) definit ce qu'est un site d'emissions conforme, l'IEC 61000-4-3 (2020) definit ce qu'est un montage d'immunite rayonnee conforme, et l'IEC 61000-4-21 (2011) ouvre une route parallele par la reverberation. Autour de ces textes de reference gravitent cinq environnements physiques, OATS (Open Area Test Site), SAC (Semi-Anechoic Chamber), FAR (Fully Anechoic Room), GTEM (cellule TEM gigahertz) et chambre reverberante, chacun avec ses regles de validation, sa fenetre frequentielle et ses angles morts. Cette page les cartographie, explique le fonctionnement de la validation de site (NSA, sVSWR), comment les distances de mesure 3 m et 10 m se concilient avec les limites, ce que les differents types d'absorbants apportent sur la bande, et les ecueils recurrents quand une chambre est mal selectionnee pour l'EUT ou le type d'essai.
L'OATS comme reference
Section intitulée « L'OATS comme reference »L'Open Area Test Site (OATS) est le site de reference historique pour les emissions rayonnees. La CISPR 16-1-4 le specifie comme un plan de masse conducteur (typiquement maille d'acier galvanise ou tole pleine) de grande surface, sans absorption au plafond et avec un ciel ouvert au-dessus du volume d'essai. L'antenne de reception balaie entre 1 m et 4 m de hauteur, l'EUT repose sur un plateau tournant sur le plan de masse, et la mesure integre le rayon direct et le rayon reflechi par le sol. La validation de site utilise la methode NSA (Normalised Site Attenuation) en dessous de 1 GHz, qui compare l'attenuation mesuree entre deux antennes a l'attenuation theorique d'un OATS, avec une tolerance de +/- 4 dB.
L'OATS donne la representation la plus proche de la facon dont l'EUT rayonnera dans un environnement reel, sans reflexions internes et sans limitation d'amplification. Deux limites structurelles expliquent pourquoi il est rarement utilise aujourd'hui en routine pour les emissions:
- Bruit ambiant. Un site exterieur baigne dans le bruit large bande et bande etroite du spectre radio moderne, avec emissions broadcast, cellulaires et Wi-Fi qui peuvent masquer les emissions de l'EUT de plusieurs dizaines de dB. La CISPR 16-1-4 exige un plancher de bruit au moins 6 dB en dessous de la limite a chaque frequence mesuree, condition qu'aucun site urbain ou peri-urbain ne tient de facon fiable.
- Meteo et disponibilite. La mesure en exterieur exige des conditions seches, peu de vent, pas de precipitation, pas d'extremes thermiques. En Europe ou en Amerique du Nord, la fenetre utilisable est une fraction de l'annee et est imprevisible pour la planification industrielle.
Dans la pratique contemporaine, l'OATS sert de reference contre laquelle on valide les chambres internes (SAC principalement), et pour un petit nombre de mesures qui l'exigent (gros EUT, pre-conformite militaire, calibration d'antennes de reference). La mesure d'emissions au quotidien se fait en interieur.
SAC, la chambre de travail pour les emissions
Section intitulée « SAC, la chambre de travail pour les emissions »La Semi-Anechoic Chamber (SAC) est le site d'emissions interieur standard pour la CISPR 32 (2015+A1:2019) et la FCC Part 15. Elle reproduit la geometrie reflective de l'OATS, plan de masse conducteur sous l'EUT, mais absorbe les reflexions des parois et du plafond avec des panneaux d'absorbants RF. L'antenne de reception balaie toujours en hauteur, l'EUT repose toujours sur un plateau tournant, et la mesure integre toujours rayon direct plus rayon reflechi par le sol. Les parois de la chambre forment une enceinte blindee (typiquement panneaux d'acier galvanise), qui supprime le bruit ambiant de 80 dB a 120 dB.
Validation de site d'une SAC
Section intitulée « Validation de site d'une SAC »La CISPR 16-1-4 reconnait la SAC comme alternative conforme a l'OATS sous reserve de deux validations:
- NSA (Normalised Site Attenuation) en dessous de 1 GHz. L'attenuation de site mesuree entre deux antennes avec balayage de hauteur 1 m a 4 m, en plusieurs positions sur le plateau tournant, doit correspondre a l'attenuation theorique d'un OATS a +/- 4 dB pres a chaque frequence. La NSA est verifiee en cinq positions du plateau (centre et quatre quadrants) pour un volume d'essai pleinement valide.
- sVSWR (site Voltage Standing Wave Ratio) au-dessus de 1 GHz. Une petite sonde deplacee le long de l'axe du volume d'essai voit une onde stationnaire residuelle qui quantifie les reflexions des absorbants imparfaits, du mat d'antenne ou du plateau. La CISPR 16-1-4 fixe le critere d'acceptation a 6 dB de rapport crete a crete dans le champ, en 16 positions de mesure.
La validation est realisee a la mise en service de la chambre, repetee typiquement tous les trois ans et refaite apres toute modification (remplacement d'absorbants, changement d'antenne, modification du plateau). Le certificat de validation, conserve par le laboratoire, est ce qui permet a la chambre d'etre citee dans un rapport d'emissions conforme CISPR.
Distance d'essai et correction de limite
Section intitulée « Distance d'essai et correction de limite »Les limites de la CISPR 32 et de la FCC Part 15 sont enoncees a une distance de reference. Les limites CISPR Classe B sont a 10 m, les limites FCC Part 15 Classe B sont a 3 m sur la plupart des bandes. Quand le laboratoire mesure a une autre distance, la limite est corrigee en supposant une decroissance en inverse de la distance en champ lointain, ce qui donne -10,5 dB pour passer de 3 m a 10 m (20 log10(10/3)). La limite corrigee est celle qui figure au rapport.
| Distance d'essai | Taille typique de chambre | Correction par rapport a CISPR 10 m | Notes |
|---|---|---|---|
| 3 m | 7 m x 6 m x 6 m typique | +10,5 dB (ou limite mesuree a 3 m) | Defaut pour petits EUT grand public, defaut FCC Part 15 |
| 5 m | 9 m x 7 m x 7 m typique | +6 dB environ | Intermediaire, moins courant |
| 10 m | 19 m x 12 m x 9 m typique | Reference, pas de correction | Gold standard pour CISPR Classe B, gros EUT |
Une chambre 3 m qui n'accueille pas l'EUT dans son volume d'essai valide n'est pas utilisable en conformite, meme si l'EUT tient physiquement entre plateau et antenne. La validation definit le volume dans lequel NSA et sVSWR ont ete mesures, et au-dela de ce volume la chambre n'est pas un site CISPR.
Types d'absorbants dans une SAC
Section intitulée « Types d'absorbants dans une SAC »L'empilement d'absorbants determine la fenetre frequentielle de la chambre. Trois familles se combinent.
| Type d'absorbant | Plage de frequences | Perte de reflexion | Notes |
|---|---|---|---|
| Tuiles ferrite | 30 MHz a 200 MHz | 18 a 25 dB | Lourdes, cheres au metre carre, indispensables a basse frequence |
| Hybride (ferrite + mousse pyramidale) | 30 MHz a 18 GHz | 20 dB typique | Standard des chambres CISPR pleine bande |
| Mousse pyramidale seule | 200 MHz a 40 GHz | Superieure a 30 dB au-dessus de 1 GHz pour cones hauts | Utilisee en FAR et chambres haute frequence, la hauteur de cone fixe la frequence basse de coupure |
Une chambre d'emissions 30 MHz a 1 GHz exige au minimum des ferrites sur parois laterales et plafond. Une chambre CISPR complete 30 MHz a 18 GHz exige des panneaux hybrides (ferrite en bas, cone mousse au-dessus) sur cinq surfaces, le sol restant un plan de masse conducteur.
FAR, l'option au-dessus de 1 GHz
Section intitulée « FAR, l'option au-dessus de 1 GHz »La Fully Anechoic Room (FAR) prolonge la SAC en absorbant aussi le sol. Il n'y a plus de reflexion sol, le champ a l'EUT se rapproche d'une onde plane en espace libre, et l'antenne ne balaie plus en hauteur. La FAR est exigee ou fortement recommandee pour plusieurs types d'essais:
- Emissions rayonnees au-dessus de 1 GHz sous certains schemas d'essai RED et certaines annexes CISPR 32, ou la reflexion sol ajoute une incertitude qui depasse le budget.
- Tests de type approval radio qui exigent des conditions en espace libre, en particulier les RSE (Radiated Spurious Emissions) pour les bandes cellulaires de la famille EN 301 908.
- Mesures de diagramme d'antenne quand la FAR est utilisee comme environnement de caracterisation d'antenne.
La FAR est validee par sVSWR selon la CISPR 16-1-4, le modele NSA (qui suppose une reflexion sol) ne s'applique pas. Le critere d'acceptation reste 6 dB de sVSWR en 16 positions du volume d'essai.
Un benefice connexe de la FAR est sa convenance pour l'immunite rayonnee. Les montages d'immunite IEC 61000-4-3 se font typiquement en FAR ou en SAC avec sol temporairement equipe d'absorbants (tapis ou panneaux), parce que la calibration d'uniformite de champ suppose une onde plane unique a l'EUT et qu'une reflexion sol corrompt cette hypothese.
Cellule GTEM, l'alternative compacte de paillasse
Section intitulée « Cellule GTEM, l'alternative compacte de paillasse »La cellule GTEM (Gigahertz Transverse Electromagnetic) n'est pas une chambre au sens d'une piece. C'est une ligne de transmission conique, asymetrique, ou un septum central et une enceinte exterieure forment un guide coaxial qui supporte un mode TEM (Transverse Electromagnetic) de DC a environ 18 GHz. L'EUT est place dans la cellule, dans le volume entre septum et conducteur exterieur, et l'emission rayonnee se couple dans la ligne.
Comment un EUT est caracterise en GTEM
Section intitulée « Comment un EUT est caracterise en GTEM »Le champ TEM dans la cellule est polarise lineairement, dans une direction a la position de l'EUT. Pour obtenir des emissions equivalentes a une mesure OATS (ou l'antenne balaie deux polarisations et l'EUT tourne), l'EUT est mesure dans trois orientations orthogonales. Un algorithme (Wilson, Crawford, derive du debut des annees 1990) combine les trois mesures en une puissance totale rayonnee, puis convertit cette puissance en intensite de champ equivalente OATS a une distance de reference.
Les annexes informatives de la CISPR 32 (Annexe E ou similaire selon la revision) decrivent la correlation GTEM vers OATS. Deux reserves structurelles limitent son usage en environnement de conformite final:
- L'algorithme de conversion suppose un petit EUT qui rayonne essentiellement comme un dipole unique. Pour un EUT a multiples centres d'emission (cables longs, bus d'horloge distribues), la correlation se degrade.
- Le site de reference CISPR reste l'OATS ou son equivalent SAC. Un resultat GTEM n'est generalement pas accepte par un organisme notifie ou par la FCC comme rapport final autonome. Il est accepte pour la pre-conformite, le criblage en famille de produits, et l'iteration de conception.
La cellule GTEM reste l'outil de paillasse cout-efficace pour un montage interne de pre-conformite, avec un capex d'un ordre de grandeur inferieur a une SAC et une empreinte de quelques metres cubes. Pour la methodologie generale de pre-conformite, voir cellule TEM et champ proche en pre-conformite.
Chambre reverberante, l'option immunite
Section intitulée « Chambre reverberante, l'option immunite »La chambre reverberante a brassage de modes est un paradigme entierement different. La chambre est une enceinte metallique blindee, surdimensionnee par rapport a la longueur d'onde, dans laquelle un brasseur mecanique rotatif (ou un tuner pas a pas) brise les conditions aux limites et genere de nombreux modes electromagnetiques qui se combinent en un champ statistiquement uniforme sur la rotation du brasseur.
Cadre IEC 61000-4-21
Section intitulée « Cadre IEC 61000-4-21 »L'IEC 61000-4-21 (2011) normalise l'usage des chambres reverberantes pour l'immunite rayonnee. La chambre est validee en mesurant la distribution statistique du champ sur une rotation complete du brasseur en plusieurs positions du volume EUT, et en verifiant que:
- le champ est independant de l'orientation de la sonde (isotropie),
- le champ suit la distribution statistique attendue (Rayleigh pour l'amplitude),
- l'uniformite de champ sur le volume d'essai est dans la tolerance de la norme.
La frequence utilisable la plus basse (LUF, Lowest Usable Frequency) de la chambre est fixee par son volume: il faut que suffisamment de modes se recouvrent a la frequence d'essai pour que l'hypothese statistique tienne. Une chambre commerciale typique a une LUF de 200 MHz a 400 MHz, avec utilisabilite pleine au-dessus de 1 GHz.
Quand la reverberation a du sens
Section intitulée « Quand la reverberation a du sens »| Cas d'essai | Chambre anechoique | Chambre reverberante |
|---|---|---|
| Immunite directionnelle (orientation d'antenne) | Direct, polarisation controlee | Pas directement possible, statistique |
| Champ eleve (200 V/m et plus) | Exige un amplificateur de forte puissance | Meme champ avec 10 a 20 dB de puissance d'ampli en moins |
| Gros EUT a multiples cables | Difficile, le routage de cable affecte le champ | Naturel, le champ est statistique |
| Plage de frequences | 30 MHz a 18 GHz typique | LUF (200, 400 MHz) a 40 GHz |
| Temps par point de frequence | Dizaines de secondes | Rotation de brasseur, plusieurs minutes possibles |
| Acceptation pour l'IEC 61000-4-3 | Environnement de reference | Alternative selon IEC 61000-4-21 |
Les chambres reverberantes conviennent particulierement a l'automobile (immunite de faisceaux de cables a champ eleve), a l'aeronautique (immunite rayonnee HIRF DO-160 RTCA), et a tout cas ou l'EUT ou son cablage domine la reponse du systeme et ou une incidence unique en onde plane manque le couplage pire cas.
Lire l'environnement d'essai dans un rapport CEM
Section intitulée « Lire l'environnement d'essai dans un rapport CEM »Un rapport d'emissions conforme CISPR cite le site d'essai, son statut de validation, et la distance de mesure. Les informations a chercher, au-dela du trace limite contre mesure:
- Type et identifiant de site: "SAC, 3 m, volume EUT 1,5 m de diametre x 1,5 m de hauteur" ou equivalent.
- Methode de validation et date: "NSA selon CISPR 16-1-4 clause 8, validee 2024-03, prochaine echeance 2027-03; sVSWR selon clause 9, validee 2024-03". Une validation expiree invalide le rapport.
- Distance d'essai et correction de limite: "Mesure a 3 m, limite CISPR 32 Classe B a 3 m, correction -10,5 dB appliquee a partir de la limite de reference 10 m".
- Placement de l'EUT dans le volume d'essai: position du plateau, hauteur au-dessus du plan de masse, routage des cables.
- Balayage du plancher de bruit ambiant: balayage de base de la chambre avant mise sous tension de l'EUT, montrant la marge par rapport a la limite.
Pour l'immunite, le bloc equivalent inclut la calibration d'uniformite de champ (IEC 61000-4-3), la date de calibration et le volume d'essai verifie.
| Bloc de rapport | Ce qu'il faut chercher | Ecueil |
|---|---|---|
| Description du site | Type, dimensions, statut de validation | "Chambre anechoique" sans donnees NSA / sVSWR n'est pas un site CISPR |
| Calibration d'antenne | Courbe de facteur d'antenne, date de calibration, tracabilite ISO/IEC 17025 | Calibration expiree |
| Implantation EUT | Photo, diagramme de routage de cable, distances | Implantation non reproductible a partir du rapport |
| Limites | Reference de norme, classe, correction de distance | Mauvaise classe (A utilisee la ou B s'applique) |
| Detecteurs | Crete / QP / Moyenne par bande | QP non utilise la ou il est requis |
| Balayage ambiant | Plancher de bruit au moins 6 dB sous la limite | Non rapporte, masque des non-conformites possibles |
Pour les details detecteurs et le flux de mesure, voir emissions rayonnees CEM et calibration et incertitude de mesure selon le GUM.
OTA, SAR et CATR, environnements lies mais distincts
Section intitulée « OTA, SAR et CATR, environnements lies mais distincts »Les chambres CEM (SAC, FAR, reverberante) mesurent perturbations et immunite electromagnetiques. Trois environnements connexes servent a des mesures radio voisines et sont parfois confondus avec des chambres CEM.
| Environnement | Objectif | Reference normative |
|---|---|---|
| Chambre OTA (Over The Air) | Total Radiated Power (TRP) et Total Isotropic Sensitivity (TIS) pour radios cellulaires, Wi-Fi | CTIA, 3GPP TS 38.521, typiquement anechoique a sondes multiples |
| CATR (Compact Antenna Test Range) | Test radio mmWave (FR2, 24, 71 GHz) avec zone tranquille produite par un reflecteur | 3GPP TS 38.521 pour FR2 |
| Chambre SAR | Mesure du Specific Absorption Rate sur fantome pour combine et portable | IEC 62209-1, IEC 62209-2, IEC 62209-3, FCC OET-65 |
| Reverberation pour OTA | TRP et TIS dans un environnement statistique, en particulier pour antennes MIMO | CTIA, IEC 61000-4-21 (renvoi) |
Une chambre SAR est partiellement equipee d'absorbants mais sa finalite est la dosimetrie, pas la conformite CEM. Une CATR utilise un reflecteur parabolique pour creer une zone tranquille en onde plane dans une empreinte compacte et est l'outil standard pour la caracterisation radio mmWave FR2. Aucune ne se substitue a une chambre d'emissions validee CISPR.
Uniformite de champ pour l'immunite
Section intitulée « Uniformite de champ pour l'immunite »L'IEC 61000-4-3 (2020) definit l'uniformite de champ d'une facon independante du type de chambre, pour autant que la chambre supporte une incidence en onde plane a l'EUT.
La grille de 1,5 m par 1,5 m
Section intitulée « La grille de 1,5 m par 1,5 m »Le champ d'essai est calibre sur un carre de 1,5 m par 1,5 m, situe a la position de l'EUT, perpendiculairement a l'axe de propagation. La grille comporte 16 points (4 x 4). A chaque frequence dans la plage d'essai (typiquement 80 MHz a 6 GHz), le champ est mesure aux 16 points et l'essai est valide si le champ en 12 des 16 points (75 pour cent) tient dans la plage 0 dB a +6 dB par rapport a la valeur nominale. Les quatre pires points peuvent etre hors plage, ce qui accommode les effets de coin.
Implications pour la taille de l'EUT
Section intitulée « Implications pour la taille de l'EUT »| Empreinte EUT | Montage compatible |
|---|---|
| Moins de 0,5 m x 0,5 m | Centre dans la grille de 1,5 m, sans probleme |
| 0,5 m a 1,5 m de large | Tient dans la grille validee, placement central |
| Plus de 1,5 m de large | Ne tient pas, deux options: agrandir la chambre et la grille validee (grille 2 m par exemple), ou passer en chambre reverberante |
Un gros EUT place en partie hors de la zone d'uniformite validee est non conforme par construction, quelle que soit l'amplitude de champ. Pour la methodologie d'immunite rayonnee en detail, voir IEC 61000-4-3, immunite RF rayonnee.
Choisir un laboratoire et lire son perimetre d'accreditation
Section intitulée « Choisir un laboratoire et lire son perimetre d'accreditation »La valeur d'un laboratoire CEM est sa chambre validee, la calibration de ses instruments et son perimetre d'accreditation ISO/IEC 17025. Lors du choix:
- Verifier que le perimetre d'accreditation liste les normes pertinentes (CISPR 32, IEC 61000-4-3, FCC Part 15, ETSI EN 300 328, et autres) avec les plages de frequences correspondantes. Une accreditation qui ne couvre pas l'essai que le rapport pretend executer est invalide.
- Verifier le statut de validation de la chambre: NSA jusqu'a 1 GHz, sVSWR au-dessus de 1 GHz, les deux dans la fenetre triennale.
- Verifier les certificats de calibration des antennes, recepteurs, generateurs de signaux, sondes de champ, avec tracabilite ISO/IEC 17025 a un institut national de metrologie.
- Verifier le volume d'essai: dimensions, capacite massique de l'EUT, hauteur sous plafond.
- Verifier le balayage du plancher de bruit ambiant a la base de la chambre.
Pour la logique d'audit qui s'applique aux laboratoires ISO/IEC 17025 et aux organismes notifies, le raisonnement est symetrique a la discipline d'incertitude de calibration; voir calibration et incertitude de mesure selon le GUM.
Ecueils frequents
Section intitulée « Ecueils frequents »| Ecueil | Consequence |
|---|---|
| Choisir une SAC 3 m pour un EUT qui ne tient pas dans le volume d'essai valide | Essai invalide, retest complet en chambre plus grande, glissement de planning |
| Utiliser une SAC au-dessus de 1 GHz sans validation sVSWR | Rapport rejete par l'organisme de certification |
| Faire des emissions RED au-dessus de 1 GHz en SAC quand le schema exige une FAR | Retest en FAR, surcout |
| Recalibration de chambre manquee (fenetre triennale expiree) | Tous les rapports de la periode expiree potentiellement invalides |
| Plancher de bruit ambiant non mesure ou au-dessus de la limite -6 dB | Non-conformite cachee, probleme potentiel en surveillance marche |
| Volume d'essai non verifie le jour du test, EUT place a l'exterieur | Uniformite de champ non garantie, resultat d'immunite non defendable |
| Polarisation d'antenne mesuree dans une seule orientation | Erreur jusqu'a 20 dB sur l'emission pire cas |
| Utiliser un resultat GTEM comme rapport final au lieu de pre-conformite | Dossier final rejete par l'organisme de certification |
| Confondre chambres OTA, SAR ou CATR avec chambres CEM | Mauvaise campagne d'essais cadree, retard projet |
| Resultat de reverberation interprete comme immunite directionnelle | Couplage directionnel pire cas manque |
Pour aller plus loin
Section intitulée « Pour aller plus loin »- Cellule TEM et champ proche en pre-conformite: outillage de paillasse pour la phase de conception
- Emissions rayonnees CEM: flux d'essai d'emissions, detecteurs, distances
- IEC 61000-4-3, immunite RF rayonnee: montage d'essai d'immunite et zone d'uniformite de champ
- Calibration et incertitude de mesure selon le GUM: la colonne vertebrale metrologique de tout rapport CEM
- Glossaire: definitions de SAC, FAR, OATS, GTEM, NSA, sVSWR, LUF
Voir aussi
Section intitulée « Voir aussi »- Radio: blocage RX, selectivite et intermodulation (essais)
- Etalonnage et incertitude de mesure (GUM, CISPR)
- Conception PCB pour la CEM: retours, decouplage, empilage
- Antennes et adaptation d'impedance pour produits connectes
Sources & références
- CISPR 16-1-4:2019, Antennes et sites d'essai pour la mesure des perturbations rayonnees , IEC webstore.iec.ch/publication/36296
- CISPR 32:2015+A1:2019, Equipements multimedia, exigences d'emission , IEC webstore.iec.ch/publication/26241
- IEC 61000-4-3:2020, Essai d'immunite aux champs electromagnetiques rayonnes radio-frequences , IEC webstore.iec.ch/publication/59849
- IEC 61000-4-21:2011, Methodes d'essai en chambre reverberante , IEC webstore.iec.ch/publication/4191
- IEC 62209-1:2016, Procedure pour determiner le SAR des appareils portatifs, 300 MHz a 6 GHz , IEC webstore.iec.ch/publication/25336
- FCC OET Bulletin 65 (2001), Evaluation de la conformite aux lignes directrices FCC pour l'exposition humaine aux champs RF , FCC www.fcc.gov/general/oet-bulletins-line
- ANSI C63.4-2014, Methodes de mesure des emissions de bruit radio , ANSI / IEEE standards.ieee.org/ieee/C63.4/5715/