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IEC 61000-4-3: immunite rayonnee aux champs RF

Guide. Methode d'essai CEM immunite

L'immunite rayonnee aux champs radiofrequence est l'essai miroir des emissions rayonnees. La meme chambre anechoique, la meme antenne, mais l'EUT change de role: il devient cible d'un champ electromagnetique injecte par un amplificateur de puissance, et doit continuer a fonctionner. IEC 61000-4-3, dans sa quatrieme edition publiee en 2020, definit le champ, la modulation, le balayage et la calibration. Les niveaux 3, 10 et 20 V/m sont les valeurs courantes en marquage CE, avec une extension automobile a 200 V/m et une extension medicale jusqu'a 6 GHz pour la proximite des emetteurs sans fil. Ce guide decrit la methode, les criteres de performance A/B/C, et les pieges qui font echouer un produit pourtant correctement concu.

IEC 61000-4-3 est une norme horizontale de la famille IEC 61000-4, qui regroupe les essais d'immunite genie electrique. La premiere edition date de 1995, l'edition actuelle est IEC 61000-4-3 Ed 4.0:2020. Elle decrit la methode d'essai. Elle ne definit ni les niveaux de severite ni les criteres d'acceptabilite, qui sont fixes par les normes produit ou les normes generiques d'immunite.

La structure typique est la suivante: une norme produit (EN 55035 pour le multimedia, EN 60601-1-2 pour le medical, EN 50121 pour le ferroviaire) ou une norme generique (EN 61000-6-1 pour le residentiel, EN 61000-6-2 pour l'industriel) selectionne IEC 61000-4-3 comme methode d'essai et impose des niveaux de severite par bande de frequence et un critere de performance.

Norme appelanteChamp de referenceBandeCritere
EN 55035 (multimedia residentiel)3 V/m80-1000 MHzA
EN 55024 (IT environnement leger)3 V/m80-1000 MHzA
EN 61000-6-1 (residentiel generique)3 V/m80-1000 MHzA
EN 61000-6-2 (industriel generique)10 V/m80-1000 MHzA
EN 60601-1-2 ed 4.1 (medical general)3 V/m80-2700 MHzA
EN 60601-1-2 ed 4.1 (medical urgence)10 V/m80-2700 MHzA
ISO 11452-2 (automobile, niveau IV)jusqu'a 100 V/m80 MHz-2,7 GHzconstructeur

EN 55035 a remplace EN 55020 et EN 55024 pour les equipements multimedias depuis 2020. EN 55024 reste applicable a certains equipements IT specifiques. Le tableau ci-dessus represente les niveaux les plus frequents en pratique CE, mais chaque norme produit peut ajouter des niveaux plus eleves pour certaines fonctions critiques.

L'automobile a developpe sa propre famille d'essais d'immunite rayonnee sous ISO 11452. ISO 11452-2 est la variante en chambre anechoique a absorbants, conceptuellement equivalente a IEC 61000-4-3, avec des niveaux jusqu'a 200 V/m refletant la proximite des emetteurs embarques. ISO 11452-4 (BCI) et ISO 11452-5 (stripline) sont des methodes complementaires utilisees plus en amont. Un composant automobile passe typiquement par ISO 11452-4 d'abord, puis ISO 11452-2 pour les frequences hautes.

L'immunite rayonnee s'inscrit dans une campagne CEM complete: ESD (IEC 61000-4-2), EFT (IEC 61000-4-4), surge (IEC 61000-4-5), RF conduite (IEC 61000-4-6), chutes et coupures (IEC 61000-4-11). Voir Tests CE et Tests RED.

La bande de reference historique est 80 MHz - 1000 MHz (radiodiffusion VHF, TNT, radios pro VHF/UHF, base des bandes mobiles). L'edition 4.0:2020 a integre formellement l'extension au-dessus de 1 GHz, auparavant traitee dans IEC 61000-4-3:2006/A1:2007. La bande superieure standardisee 1,4-6 GHz englobe GSM 1800, UMTS, LTE, 5G FR1, Wi-Fi 2,4 et 5 GHz.

BandeStatut IEC 61000-4-3 Ed 4.0Bandes radio couvertes
80 MHz - 1000 MHzPlage principaleVHF, UHF, GSM 900, FM, DVB-T
1,4 GHz - 2,7 GHzExtension obligatoire si appeleGSM 1800, UMTS, LTE bas, Wi-Fi 2,4
2,7 GHz - 6 GHzExtension obligatoire si appeleLTE haut, 5G FR1, Wi-Fi 5 et 6

Les bandes 1,0-1,4 GHz et 6-18 GHz ne sont pas couvertes en standard. Elles font l'objet d'amendements specifiques ou de protocoles d'essai dedies (par exemple en aeronautique militaire).

Le signal est une porteuse modulee en amplitude a 80% par un ton sinusoidal a 1 kHz. Clause 6.4 de IEC 61000-4-3: l'amplitude crete est 1,8 fois la porteuse CW, soit un facteur de crete de 5,1 dB. Le niveau specifie par la norme appelante est la valeur rms de la porteuse non modulee, et la valeur crete instantanee sous modulation atteint 5,1 dB au-dessus.

ParametreValeurReference
Type de modulationAMClause 6.4
Profondeur80%Clause 6.4
Frequence du ton1 kHz sinusoidalClause 6.4
Facteur de crete vs CW+5,1 dBAnnexe D
Niveau de referencerms porteuse CWClause 5

Cette modulation reste une approximation grossiere des signaux reels (GSM pulse 217 Hz, Wi-Fi en burst, LTE OFDMA). Elle a ete choisie pour la simplicite des amplificateurs et la reproductibilite entre laboratoires. Les essais de proximite au tableau 9 de EN 60601-1-2 utilisent des modulations differentes par bande, plus proches du signal reel.

L'essai est conduit dans une chambre dont les parois sont recouvertes d'absorbants ferrite plus mousse pour absorber les reflexions. Deux configurations sont admises: chambre semi-anechoique avec plan de masse conducteur (SAR, semi-anechoic room), ou chambre fully anechoic (FAR) sans plan de masse. La FAR est preferee au-dessus de 1 GHz car elle limite les reflexions parasites au sol. La SAR est acceptee en dessous de 1 GHz mais introduit un trajet reflechi qui doit etre pris en compte dans la calibration.

Comme en emissions rayonnees, aucune antenne unique ne couvre 80 MHz a 6 GHz. Le decoupage typique:

BandeAntenne d'emission
80 - 200 MHzBiconique ou hybride biconilog
200 MHz - 1 GHzLog-periodique ou hybride biconilog
1 GHz - 6 GHzCornet (double-ridge ou dual-polarised horn)

L'antenne est placee a 3 m de la zone d'uniformite de champ (UFA, uniform field area) dans la configuration standard, ou a 1 m pour certains essais reduits ou de proximite. La distance de 3 m est la reference normative.

CHAMBRE ANECHOIQUE
+----------------------------------------------------+
| |
| Absorbants ferrite + mousse sur toutes parois |
| |
| [ ] Sonde de champ |
| +-------+ (calibration / verif) |
| | | |
| | A | +----------+ |
| | N E | --- 3 m -------> | | |
| | T R T | --------------> | EUT | |
| | E B C | --- champ E --> | (table | |
| | N L | --------------> | rotative)| |
| | N E | +----------+ |
| | | | |
| +-------+ | |
| | | cables E/S |
| | cable coaxial | (peripheriques|
| | | ou simulateur)|
+-------|---------------------------|---------------+
| |
+----+----+ +-----+-----+
| Ampli | | Equipements|
| 10W a | | auxiliaires|
| 500W | +-----------+
+---------+
|
+----+----+
| Generateur|
| RF + AM |
+---------+

L'antenne, l'amplificateur de puissance et le generateur RF forment la chaine d'emission. La sonde isotropique de champ (field probe) permet de calibrer le champ avant l'essai et, en option, de le monitorer pendant la mesure. Les cables d'E/S de l'EUT sont arranges en serpentin de 30 a 40 cm conformement aux specifications de la norme appelante. L'EUT est typiquement pose sur un support non conducteur de 0,8 m au-dessus du plan de masse en SAR, ou sur une table rotative pour les essais multi-faces.

La calibration de la zone d'uniformite (UFA) est l'etape critique de la methode. Elle est conduite sans EUT. La sonde isotropique est deplacee sur les 16 points d'une grille 4x4 espacee de 0,5 m, dans le plan vertical a la distance d'essai. A chaque point, le champ doit etre dans la tolerance -0/+6 dB par rapport a la valeur nominale, pour au moins 12 des 16 points (75%).

Parametre UFAValeurReference
Taille standard1,5 m x 1,5 mClause 6.2
Grille4 x 4 pointsClause 6.2
Pas0,5 mClause 6.2
Tolerance-0 / +6 dBClause 6.2
Points conformes minimum12 sur 16 (75%)Clause 6.2
Frequences de calibration1% pasClause 6.2

La puissance d'amplificateur necessaire pour atteindre le niveau nominal a chaque frequence est consignee dans un tableau forward power table. C'est cette puissance, et non le champ mesure pendant l'essai, qui est appliquee a l'EUT: si l'UFA a ete validee, le champ vu par l'EUT est connu sans mesure pendant l'essai.

NiveauChampApplication typique
11 V/mEnvironnement protege (peu utilise)
23 V/mResidentiel, commercial leger, IT
310 V/mIndustriel, medical avec proximite sans fil
X30 V/m et plusIndustriel lourd, militaire, automobile

ISO 11452-2 etend la grille jusqu'a 200 V/m en automobile, avec des niveaux contractuels constructeur souvent superieurs aux valeurs normalisees.

  1. Pre-essai sans rayonnement. Verification du fonctionnement nominal de l'EUT, etablissement de la baseline. Les criteres observables sont consignes (LED d'etat, sortie de mesure, communication active).
  2. Mise en chambre. L'EUT est positionne au centre de la zone d'uniformite, peripheriques representatifs connectes via passages filtres ou ferrites en mode commun.
  3. Mise sous tension dans le mode de fonctionnement le plus representatif. Pour un produit multi-mode, chaque mode est teste separement.
  4. Balayage de frequence avec pas inferieur ou egal a 1% de la frequence precedente, modulation 80% AM 1 kHz, dwell time de 0,5 a 3 secondes selon la rapidite de detection.
  5. Repetition par polarisation (horizontale, verticale) et par face de l'EUT.
  6. Observation continue. Les frequences ou un evenement est detecte sont consignees avec la nature de l'evenement (perte de communication, freeze, redemarrage, derive).
  7. Verification post-essai contre la baseline pre-essai.

Le temps de maintien doit etre suffisant pour que l'EUT puisse manifester une defaillance ET pour que l'observateur puisse la detecter. Regle pratique: dwell time superieur ou egal a 2x la plus longue constante de temps de l'EUT. Pour un equipement avec cycle de mesure 500 ms et affichage rafraichi a 2 Hz, 1,5 seconde est un minimum. Pour un protocole a temporisation longue (ModBus timeout 5 s), 3 a 5 secondes sont necessaires. Un dwell time trop court masque les defaillances a constante de temps longue, piege classique d'un essai accelere pour respecter un planning.

Le pas de 1% est le maximum normatif. Un pas plus fin (0,5% ou 0,25%) est applique autour des frequences candidates: harmoniques d'horloges internes, frequences IF de recepteurs radio embarques, bandes des services radio dans le pays de destination (GSM 900, LTE 800, FM 88-108 MHz).

IEC 61000-4-3 ne juge pas la conformite. Le verdict est rendu par la norme produit, qui fixe le critere de performance attendu.

CritereDefinitionCas typique
AFonctionnement nominal pendant et apres l'essaiFonction de securite, mesure de precision, communication critique
BDegradation temporaire pendant l'essai, retour automatique nominal apresAffichage, ergonomie, fonction non critique
CPerte de fonction necessitant intervention operateurRarement accepte pour un produit certifie

Le critere A est le plus exigeant et le plus frequent en marquage CE pour les fonctions essentielles. Le critere B est tolere pour les indicateurs visuels et l'ergonomie. Le critere C est presque jamais accepte pour un produit destine au marche residentiel, et rarement pour le marche industriel.

EN 60601-1-2 ed 4.1 va plus loin que la simple application des criteres A/B/C. Elle definit la notion de fonction essentielle (essential performance) propre a chaque appareil medical, et la securite de base (basic safety). La degradation acceptable doit etre evaluee au regard de ces deux notions, et le risque clinique residuel doit etre documente conformement a ISO 14971 (gestion des risques pour les dispositifs medicaux).

Au-dessus de 1 GHz, le plan de masse conducteur d'une chambre SAR produit des reflexions parasites. La FAR est preferee. La calibration UFA est repetee separement pour la bande au-dessus de 1 GHz, avec un pas de frequence plus fin. Pour atteindre 10 V/m a 3 m a 5 GHz, la puissance d'amplificateur necessaire depasse souvent 50 W cw, soit 250 W en crete avec 80% AM. La capacite a tester au-dessus de 1 GHz est un critere de selection majeur pour un laboratoire CEM.

EN 60601-1-2 ed 4.1 definit un essai complementaire dans le tableau 9: chaque bande mobile (385 MHz TETRA, 450 MHz GMRS, 710-787 MHz LTE 700, 800-960 MHz GSM 900, 1700-1990 MHz GSM 1800, 2400-2570 MHz Wi-Fi 2,4 et LTE 2500, 5100-5800 MHz Wi-Fi 5) est testee a 28 V/m, avec une modulation specifique a chaque service (carre 18 Hz pour TETRA, pulse 217 Hz pour GSM). Cet essai ne remplace pas le balayage IEC 61000-4-3, il s'y ajoute pour les dispositifs medicaux des environnements de soins.

Six erreurs reviennent dans les campagnes ratees.

  1. Dwell time insuffisant. Un balayage rapide saute les defaillances a constante de temps longue. Regle: dwell time superieur ou egal a 2x la constante de temps la plus longue de l'EUT, soit typiquement 2 a 5 secondes par point pour un equipement de mesure.

  2. Modulation appliquee au mauvais signal. L'erreur consiste a moduler le niveau crete au lieu du niveau rms. Le champ effectivement applique est alors 5,1 dB en dessous du niveau specifie. La clause 5 de IEC 61000-4-3 est explicite: le niveau specifie est la valeur rms de la porteuse non modulee.

  3. Arrangement des cables non representatif. Les cables d'E/S agissent comme antennes de reception. Un cable plie en serpentin compact n'a pas le meme gain qu'un cable etendu. Un changement de configuration entre la calibration et l'essai invalide la mesure.

  4. EUT en mode non representatif. Un EUT en idle n'est pas equivalent au meme EUT en transmission ou en mesure cyclique. Les frequences de defaillance changent avec le mode. Identifier tous les modes operationnels avant entree en chambre, tester au moins le mode le plus critique pour chaque fonction essentielle.

  5. UFA calibree pour un autre niveau. La calibration est specifique au niveau de champ vise. Une calibration a 3 V/m ne peut pas etre extrapolee a 10 V/m: la non-linearite de l'amplificateur et les reflexions de l'antenne modifient la repartition spatiale du champ. Chaque niveau de severite exige sa propre calibration.

  6. Detection de defaillance absente. L'EUT echoue, mais aucun moyen d'observation ne permet de le constater pendant l'essai. Prevoir une observation continue de toutes les fonctions essentielles, avec horodatage des evenements, avant d'entrer en chambre.

Quand l'EUT echoue a une frequence donnee, la demarche est inverse de celle des emissions: reduire le couplage du champ vers le point sensible interne, plutot que reduire l'emission vers l'exterieur. Trois voies de couplage dominent en pratique.

  • Couplage par cable. Le cable externe se comporte en antenne de reception, et la tension de mode commun injectee se propage jusqu'au front-end. Dominant en dessous de 300 MHz. Mitigation: ferrite en mode commun choisi pour l'impedance maximale a la frequence du defaut, filtre LC en serie sur les E/S avec capacite de mode commun referencee au plan de masse, blindage de cable connecte 360 degres aux deux extremites.
  • Couplage par ouverture du boitier. Une fente ou une grille de ventilation se comporte en antenne fente quand sa dimension approche lambda/2. Dominant entre 300 MHz et quelques GHz. Mitigation: fermeture mecanique sous lambda/20 a la frequence du pic, joint conducteur sur les capots demontables, treillis metallique sur les grilles.
  • Couplage direct sur PCB. Au-dessus de 1 GHz, les pistes longues haute impedance peuvent recevoir directement le champ. Mitigation: blindage local du module sensible, decouplage capacitif renforce, plan de masse continu, garde guard ring sur les signaux analogiques sensibles.

L'identification de la voie passe par des essais discriminants: ajout d'un ferrite sur un cable (reduit le couplage cable), fermeture temporaire d'une ouverture par ruban cuivre (reduit le couplage par fente), blindage local d'une zone PCB (reduit le couplage direct).

Voir Tests CE pour la sequence d'essais CEM en marquage CE, Tests RED pour les produits radio, et Emissions rayonnees pour le pendant emissions. Le glossaire reprend les acronymes (UFA, SAR, FAR, EUT, dwell time, forward power table).

  • IEC 61000-4-3 Ed 4.0:2020 est la methode horizontale d'essai d'immunite rayonnee, appelee par les normes produit (EN 55035, EN 60601-1-2) et generiques (EN 61000-6-1, EN 61000-6-2). Elle definit la methode, pas les niveaux ni les criteres.
  • La bande de reference est 80-1000 MHz, avec extensions obligatoires 1,4-2,7 GHz et 2,7-6 GHz pour les produits medicaux et tout produit specifiant ces bandes. Les niveaux courants sont 3 V/m (residentiel, multimedia), 10 V/m (industriel, medical proximite).
  • La modulation est 80% AM a 1 kHz, appliquee a une porteuse dont le niveau rms est le niveau specifie. Le facteur de crete instantane atteint +5,1 dB par rapport a la porteuse CW.
  • La zone d'uniformite de champ (UFA) mesure 1,5 m x 1,5 m, avec une tolerance -0/+6 dB sur au moins 12 des 16 points d'une grille 4x4 a pas de 0,5 m. La calibration est realisee sans EUT, avant l'essai.
  • Les criteres A, B, C sont fixes par la norme produit, pas par IEC 61000-4-3. Le critere A est requis pour les fonctions de securite et de mesure critique.
  • ISO 11452-2 est la variante automobile, avec des niveaux jusqu'a 200 V/m, et EN 60601-1-2 ajoute des essais de proximite sans fil par bande mobile au-dessus de la methode IEC 61000-4-3 standard.
  • Les principaux pieges sont le dwell time insuffisant, l'application de la modulation au niveau crete au lieu du rms, l'arrangement de cable non representatif, et l'absence de moyens d'observation continue de l'EUT.

Pour la mise en pratique cote UE, voir Tests CE et Tests RED. Pour les definitions techniques, voir le glossaire.

Sources & références

  1. IEC 61000-4-3:2020, Testing and measurement techniques, radiated radio-frequency electromagnetic field immunity test , IEC webstore.iec.ch/publication/4191
  2. EN 55035:2017+A11:2020, Electromagnetic compatibility of multimedia equipment, immunity requirements , CENELEC www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:::::FSP_PROJECT,FSP_LANG_ID:60147,25
  3. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020 CSV, Medical electrical equipment, collateral standard, electromagnetic disturbances , IEC webstore.iec.ch/publication/67347
  4. ISO 11452-2:2019, Road vehicles, component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy, absorber-lined shielded enclosure , ISO www.iso.org/standard/72840.html
  5. EN 61000-6-2:2019, Electromagnetic compatibility, generic standards, immunity standard for industrial environments , CENELEC www.cenelec.eu/dyn/www/f?p=104:110:::::FSP_PROJECT,FSP_LANG_ID:62395,25