Emissions rayonnees CEM: pre-scan et essai final
Guide. Methode d'essai CEM
Les emissions rayonnees sont la cause la plus citee de retard dans les campagnes de marquage CE et de certification FCC. La mesure parait simple, un EUT, une antenne, un recepteur, un graphique, mais elle concentre un nombre rare de pieges methodologiques: choix de l'antenne par bande, distance de mesure, detecteur, polarisation, configuration de cables, mode de fonctionnement de l'EUT. Ce guide decrit la strategie en deux passes, pre-scan rapide en peak puis final-scan lent en quasi-crete, qui reste la pratique de reference des laboratoires accredites. Il couvre la bande 30 MHz - 1 GHz et la bande au-dessus de 1 GHz, avec les limites CISPR 32 et FCC Part 15 mises cote a cote.
Cadre normatif et frontieres entre standards
Section intitulée « Cadre normatif et frontieres entre standards »Les emissions rayonnees designent l'energie radiofrequence non intentionnelle emise par un equipement sous test (EUT) dans son environnement, par opposition aux emissions conduites qui se propagent par les cables d'alimentation et de signal. Trois familles de normes encadrent la mesure.
CISPR 32 pour les equipements multimedias
Section intitulée « CISPR 32 pour les equipements multimedias »CISPR 32 (publiee comme EN 55032 dans l'UE) couvre les equipements de technologie de l'information, audio, video et reception de television. Elle a remplace CISPR 22 en 2017. Elle definit les limites par classe (A pour industriel/commercial, B pour residentiel) et renvoie a CISPR 16 pour les methodes de mesure.
CISPR 11 pour les equipements ISM
Section intitulée « CISPR 11 pour les equipements ISM »CISPR 11 (publiee comme EN 55011) couvre les equipements industriels, scientifiques et medicaux. Elle s'applique aux dispositifs RF de chauffage, soudage, plasma, ainsi qu'aux convertisseurs de puissance, onduleurs et variateurs. Sa structure de classes (1 et 2, A et B) recoupe partiellement CISPR 32 mais avec des subtilites de groupe et de bande.
Normes produit
Section intitulée « Normes produit »Au-dessus de ces deux normes generiques, des normes produit specifiques peuvent s'imposer. Exemples: EN 55014-1 pour l'electromenager, EN 55015 pour l'eclairage, EN 55025 pour l'automobile (variante CISPR 25), EN 50121 pour le ferroviaire. La norme produit prime sur la norme generique quand elle existe.
47 CFR Part 15 cote FCC
Section intitulée « 47 CFR Part 15 cote FCC »Cote americain, FCC Part 15 Subpart B couvre les unintentional radiators (equipements digitaux). La methode citee est ANSI C63.4, equivalent fonctionnel de CISPR 16 mais avec des distances et detecteurs propres.
| Domaine | Norme generique UE | Norme generique US |
|---|---|---|
| Equipements multimedias / IT | CISPR 32 (EN 55032) | 47 CFR 15 Subpart B |
| Equipements ISM | CISPR 11 (EN 55011) | 47 CFR 18 |
| Methodologie de mesure | CISPR 16-2-3 | ANSI C63.4 |
| Instrumentation | CISPR 16-1-1 | ANSI C63.2 |
Decoupage en bandes de frequence et instrumentation
Section intitulée « Decoupage en bandes de frequence et instrumentation »La plage totale d'essai s'etend de 30 MHz a 6 GHz pour la majorite des produits, voire 40 GHz pour les equipements a horloges tres rapides. Aucune antenne unique ne couvre cette plage. Le decoupage en sous-bandes est dicte par la physique du rayonnement et par la disponibilite d'antennes calibrees.
Antennes par bande et distance de mesure
Section intitulée « Antennes par bande et distance de mesure »| Bande de frequence | Antenne typique | Distance de mesure | Site |
|---|---|---|---|
| 30 - 200 MHz | Biconique ou hybride biconilog | 3 m ou 10 m | SAC ou OATS |
| 200 MHz - 1 GHz | Log-periodique ou hybride biconilog | 3 m ou 10 m | SAC ou OATS |
| 1 - 6 GHz | Cornet (double-ridge) | 3 m | SAC dedie superieure a 1 GHz |
| 6 - 18 GHz | Cornet a frequence plus elevee | 1 m (typique) | SAC ou FAR |
| 18 - 40 GHz | Cornet specifique ou guide ouvert | 1 m | FAR (chambre fully anechoic) |
Lecture rapide:
- SAC = chambre semi-anechoique avec plan de masse reflechissant. Standard CISPR jusqu'a 1 GHz.
- OATS = open area test site, terrain a ciel ouvert avec plan de masse. Reference historique, encore en service mais sensible aux conditions meteo et au bruit ambiant.
- FAR = chambre fully anechoic room, sans plan de masse, exigee par CISPR au-dessus de 1 GHz pour limiter les reflexions.
La hauteur d'antenne varie typiquement de 1 a 4 m en dessous de 1 GHz pour balayer le pire angle de rayonnement. Au-dessus de 1 GHz, la hauteur est fixe (typiquement 1,5 m) et c'est l'EUT qui est explore en azimut et elevation.
Recepteurs et bande de resolution
Section intitulée « Recepteurs et bande de resolution »CISPR 16-1-1 specifie la bande de resolution (RBW) du recepteur EMI, qui n'est pas un parametre libre.
| Bande | RBW CISPR | Detecteur principal |
|---|---|---|
| 30 MHz - 1 GHz | 120 kHz | Quasi-crete (CISPR) |
| 1 GHz - 18 GHz | 1 MHz | Peak + average |
| 18 - 40 GHz | 1 MHz | Peak + average |
La FCC reprend les memes RBW dans la pratique, via ANSI C63.4. Une mesure faite avec une RBW differente (par exemple 100 kHz au lieu de 120 kHz sur un analyseur de spectre generique) n'est pas conforme et n'est pas acceptable dans un rapport de certification.
Detecteurs
Section intitulée « Detecteurs »Les trois detecteurs CISPR sont definis dans CISPR 16-1-1 avec des constantes de temps precises.
- Peak (Pk): maximum instantane dans la bande de resolution. Le plus rapide, le plus pessimiste. Utilise en pre-scan et au-dessus de 1 GHz.
- Quasi-crete (QP): ponderation temporelle definie par les constantes de charge (1 ms) et de decharge (550 ms) entre 30 MHz et 1 GHz. Detecteur de reference CISPR en dessous de 1 GHz. Lent.
- Average (AV): integration dans le temps. Utilise au-dessus de 1 GHz et pour certaines emissions conduites.
Propriete fondamentale: pour un meme signal, Peak >= QP >= AV. C'est cette inegalite qui permet la strategie pre-scan / final-scan decrite plus loin.
Limites d'emission CISPR 32
Section intitulée « Limites d'emission CISPR 32 »Les limites Class A et Class B de CISPR 32 sont definies en dB(uV/m) a la distance de mesure de reference. Class A correspond a un environnement commercial ou industriel, Class B a un environnement residentiel.
Bande 30 MHz - 1 GHz
Section intitulée « Bande 30 MHz - 1 GHz »| Bande | Class A (10 m) | Class B (10 m) | Detecteur |
|---|---|---|---|
| 30 - 230 MHz | 40 dB(uV/m) | 30 dB(uV/m) | Quasi-crete |
| 230 - 1000 MHz | 47 dB(uV/m) | 37 dB(uV/m) | Quasi-crete |
Les limites Class B sont 10 dB plus strictes que Class A sur les deux sous-bandes. La discontinuite a 230 MHz reflete une realite physique: au-dessus de 230 MHz, les structures internes d'un EUT (cables, pistes, ouvertures) deviennent des antennes plus efficaces, et la norme accepte un niveau d'emission legerement plus eleve.
Bande au-dessus de 1 GHz
Section intitulée « Bande au-dessus de 1 GHz »| Bande | Class A (3 m) | Class B (3 m) | Detecteur |
|---|---|---|---|
| 1 - 3 GHz | 56 dB(uV/m) peak / 76 dB(uV/m) peak | 50 dB(uV/m) peak / 70 dB(uV/m) peak | Peak / Average |
| 3 - 6 GHz | 60 dB(uV/m) peak / 80 dB(uV/m) peak | 54 dB(uV/m) peak / 74 dB(uV/m) peak | Peak / Average |
La distance de reference au-dessus de 1 GHz est 3 m pour CISPR 32, contre 10 m en dessous. Le changement de distance et de detecteur impose une instrumentation distincte: cornet large bande, generateur de poursuite si analyse en chambre fully anechoic.
Limites d'emission FCC Part 15
Section intitulée « Limites d'emission FCC Part 15 »Cote americain, les limites sont reparties entre 47 CFR 15.109 (Class A et Class B unintentional radiators). La distance de reference est 3 m pour Class B et 10 m pour Class A, ce qui complique la comparaison directe avec CISPR.
Bande 30 MHz - 1 GHz
Section intitulée « Bande 30 MHz - 1 GHz »| Bande | FCC Class A a 10 m | FCC Class B a 3 m | Detecteur |
|---|---|---|---|
| 30 - 88 MHz | 39 dB(uV/m) | 40 dB(uV/m) | Quasi-crete |
| 88 - 216 MHz | 43,5 dB(uV/m) | 43,5 dB(uV/m) | Quasi-crete |
| 216 - 960 MHz | 46,4 dB(uV/m) | 46 dB(uV/m) | Quasi-crete |
| Au-dessus de 960 MHz | 49,5 dB(uV/m) | 54 dB(uV/m) | Quasi-crete |
Conversion utile entre 3 m et 10 m: en champ lointain, 20 log(10/3) = 10,5 dB. Une limite Class B FCC a 3 m de 40 dB(uV/m) correspond, ramenee a 10 m, a environ 29,5 dB(uV/m). C'est tres proche de la limite CISPR Class B a 10 m (30 dB(uV/m)) en bas de bande, mais l'ecart se creuse au-dessus de 230 MHz ou CISPR devient plus contraignante.
Bande au-dessus de 1 GHz
Section intitulée « Bande au-dessus de 1 GHz »Au-dessus de 1 GHz, la FCC referencait historiquement des limites en 47 CFR 15.109(g), avec des detecteurs peak et average a 3 m. Les valeurs ne sont pas strictement identiques a CISPR 32 mais s'en rapprochent fortement, a 6 dB pres en moyenne. Un produit dimensionne pour CISPR 32 passe en general les limites FCC au-dessus de 1 GHz sans modification.
Lecture comparative
Section intitulée « Lecture comparative »| Bande | Plus contraignant | Ecart approximatif |
|---|---|---|
| 30 - 88 MHz | FCC Class B (rapportee a 10 m) | +0,5 dB FCC vs CISPR Class B |
| 88 - 230 MHz | FCC Class B (rapportee a 10 m) | +3 dB FCC vs CISPR Class B |
| 230 - 960 MHz | CISPR Class B | -1,5 dB CISPR vs FCC |
| Au-dessus de 960 MHz | CISPR Class B | -5 dB CISPR vs FCC |
Conclusion pour la conception double marche: viser CISPR Class B au-dessus de 230 MHz suffit a couvrir FCC. Entre 30 et 230 MHz, c'est la FCC qui dimensionne. Voir CE vs FCC, comparatif EMC pour le detail du raisonnement.
Strategie pre-scan et final-scan
Section intitulée « Strategie pre-scan et final-scan »C'est ici que se joue le temps de laboratoire. Un balayage complet en quasi-crete sur la bande 30 MHz - 1 GHz, avec un pas de 50 kHz et un temps de mesure suffisant pour la constante de decharge QP, prend plusieurs heures par polarisation et par hauteur d'antenne. Multiplie par les modes de fonctionnement de l'EUT, c'est plusieurs jours de chambre. La strategie en deux passes ramene ce temps a quelques heures.
Passe 1: pre-scan en peak
Section intitulée « Passe 1: pre-scan en peak »L'objectif est d'identifier les frequences candidates a un depassement, pas de produire une mesure de conformite. Le balayage est conduit avec:
- Detecteur peak (le plus rapide),
- RBW conforme CISPR (120 kHz en dessous de 1 GHz),
- Temps de mesure court par point (typiquement 1 a 10 ms),
- Couverture complete des deux polarisations et de la plage de hauteur d'antenne,
- Configuration EUT en mode le plus emissif identifie par analyse prealable.
Le resultat est un graphique peak vs frequence. Toute frequence dont le niveau peak est inferieur a la limite QP de la norme moins 6 dB est consideree comme passee, puisque QP <= Peak par construction. Seules les frequences au-dessus de ce seuil sont retenues comme candidates.
Passe 2: final-scan en quasi-crete
Section intitulée « Passe 2: final-scan en quasi-crete »Pour chaque frequence candidate identifiee en pre-scan, le recepteur bascule en mode quasi-crete et la mesure est repetee point par point. Le temps de mesure est ici de 1 a 2 secondes par frequence (constante de decharge 550 ms + stabilisation). Le nombre de frequences a mesurer est typiquement de 5 a 50 sur toute la bande, contre des milliers en balayage continu.
Pour chaque frequence en QP, l'operateur balaie:
- Les deux polarisations d'antenne (verticale, horizontale),
- La plage de hauteur d'antenne (1 a 4 m en dessous de 1 GHz),
- L'azimut de la table tournante par pas (typiquement 22,5 ou 45 degres),
- Les modes de fonctionnement de l'EUT pertinents pour la frequence (un pic a 480 MHz se reproduit en USB 2.0 actif, pas forcement au repos).
La valeur retenue par frequence est le maximum sur l'ensemble de ces parametres. C'est cette valeur qui est comparee a la limite.
Synthese de la sequence
Section intitulée « Synthese de la sequence »| Etape | Detecteur | Temps typique | Resultat |
|---|---|---|---|
| Pre-scan rapide | Peak | 5 - 30 min par mode EUT | Liste de frequences candidates |
| Tri par seuil | - | Immediat | Frequences au-dessus de QP_limit - 6 dB |
| Final-scan QP | Quasi-crete | 1 - 2 s par point candidate | Mesure de conformite |
| Maximisation | QP | Inclus | Pire cas polarisation/hauteur/azimut |
| Comparaison limite | - | Immediat | Pass / fail par frequence |
Configuration de l'EUT et marge de conception
Section intitulée « Configuration de l'EUT et marge de conception »La configuration physique de l'EUT pendant l'essai n'est pas un detail. CISPR 16-2-3 et ANSI C63.4 imposent une regle: l'EUT doit etre teste dans la configuration la plus emissive raisonnablement prevue en usage normal. Cela englobe:
- L'arrangement des cables (longueur excedentaire pliee en serpentin de 30 a 40 cm conformement a la norme),
- Les peripheriques connectes representatifs (clavier, ecran, alimentation, capteurs),
- Le mode de fonctionnement logiciel (transfert de donnees, ecran allume, charge processeur),
- L'orientation du boitier sur la table tournante.
Une variation de routage de cable peut deplacer un pic de 6 a 10 dB. C'est la cause numero un de divergence entre pre-compliance interne et compliance laboratoire.
Pre-compliance vs full-compliance
Section intitulée « Pre-compliance vs full-compliance »Le pre-compliance est un essai mene en interne ou dans une chambre non accreditee, avec une instrumentation simplifiee (analyseur de spectre + antenne biconilog, sans plan de masse calibre). Son objectif est de detecter les depassements grossiers avant de payer le laboratoire. Son incertitude typique est de 6 a 10 dB. Le pre-compliance ne donne aucune presomption de conformite.
Le full-compliance est conduit dans un laboratoire accredite ISO/IEC 17025 et reconnu par l'autorite competente (organisme notifie pour CE, TCB pour FCC). Le rapport produit est juridiquement opposable.
Marge de conception
Section intitulée « Marge de conception »La pratique d'ingenierie consiste a viser 6 dB en dessous de la limite de norme en pre-compliance, ce qui absorbe:
- L'incertitude de mesure du laboratoire (CISPR 16-4-2 specifie jusqu'a 5,2 dB pour les emissions rayonnees 30 MHz - 1 GHz),
- La dispersion entre exemplaires de fabrication,
- La derive en duree de vie (vieillissement composants, contamination des joints de blindage),
- Le risque de modification d'un peripherique externe (cable secteur, alimentation tierce).
Une marge inferieure a 3 dB est consideree comme un risque significatif de non-conformite a la mise en serie.
Pieges classiques en mesure d'emissions rayonnees
Section intitulée « Pieges classiques en mesure d'emissions rayonnees »Six erreurs reviennent regulierement dans les campagnes ratees.
- Modification du routage des cables entre pre-scan et final-scan. Un operateur reconfigure les cables pour faciliter l'acces a l'EUT, et le pic identifie en pre-scan ne se reproduit plus en QP. La frequence n'est pas mesuree en final, et le produit echoue en serveur final ou en surveillance du marche. Photographier la configuration avant chaque scan est la mesure de prevention minimale.
- Oubli d'une polarisation. Un balayage rapide en pre-scan ne couvre qu'une polarisation. Si le final-scan n'inclut pas la polarisation croisee, un pic majeur peut etre ignore. CISPR 16-2-3 exige les deux polarisations par frequence retenue.
- Antenne mal calibree. Le facteur d'antenne (en dB/m) est specifique a chaque antenne et a chaque polarisation, et doit etre traceable a un etalonnage recent. Une antenne dont le certificat est expire ou dont le calcul de facteur est applique a l'envers introduit une erreur de 10 a 20 dB sans signal d'alarme.
- Mode de fonctionnement EUT non exhaustif. L'EUT est teste en idle, alors que l'application reelle implique du transfert de donnees, de la communication radio active, ou un balayage de capteurs. Les frequences d'emission ne sont pas les memes. La regle: identifier tous les modes possibles avant d'entrer en chambre, et mesurer dans chacun.
- Confusion entre RBW 120 kHz et 100 kHz. Un analyseur de spectre generique a 100 kHz comme valeur par defaut. Un recepteur EMI a 120 kHz comme reglage CISPR. La conversion entre les deux n'est pas lineaire et depend de la nature du signal (CW, modulee, pulse). Mesurer en 100 kHz et appliquer un facteur de correction n'est pas accepte en compliance.
- Marge insuffisante en pre-compliance. Un produit qui sort du pre-compliance a -1 dB de la limite est un produit qui ne passera pas. L'incertitude cumulee depasse cet ecart. La regle pragmatique: si la marge est inferieure a 6 dB, traiter le pic comme un echec et appliquer une mitigation avant de payer le laboratoire.
Voir aussi Pieges CE et Pieges FCC pour le detail par regime.
Mitigation des depassements
Section intitulée « Mitigation des depassements »Quand un pic depasse la limite en final-scan, trois familles de leviers sont disponibles, du plus rapide au plus structurel.
Court terme: configuration et accessoires
Section intitulée « Court terme: configuration et accessoires »- Re-arrangement des cables (separation alim et signal, longueur reduite, torsade par paires),
- Ferrites clipsees en mode commun sur les cables externes (selectionnees pour la frequence du pic),
- Joints conducteurs supplementaires sur les ouvertures du boitier,
- Decouplage capacitif local ajoute en serie sur les lignes coupables.
Ces actions ne necessitent pas de revision du PCB et peuvent etre validees en quelques heures de chambre. Elles donnent souvent 3 a 8 dB de marge supplementaire.
Moyen terme: blindage et filtrage
Section intitulée « Moyen terme: blindage et filtrage »- Ajout d'une cage de Faraday locale sur le module emissif (oscillateur, convertisseur DC/DC),
- Filtres pi (capacite - inductance - capacite) en serie sur les entrees/sorties,
- Modification du blindage cable (de simple blindage tresse a double blindage),
- Reduction des ouvertures du boitier en dessous de lambda/20 a la frequence du pic.
Ces modifications impactent le boitier mecanique et le BOM, mais pas la carte. Delai typique: 2 a 4 semaines.
Long terme: revision PCB
Section intitulée « Long terme: revision PCB »- Re-routage des horloges et lignes haute vitesse pour reduire les boucles de courant,
- Plan de masse continu sans coupure sous les signaux critiques,
- Decouplage local par paire (100 nF + 10 nF + 1 nF) au plus pres de chaque alimentation,
- Terminaison serie sur les horloges sortantes (resistance en serie 22 a 33 ohms),
- Choix d'un oscillateur a spectre etale (spread spectrum clocking) pour les horloges principales.
C'est la mitigation la plus efficace mais aussi la plus lourde, avec un cycle PCB de 4 a 8 semaines. Elle est inevitable quand la marge requise depasse 10 dB.
Voir aussi
Section intitulée « Voir aussi »- Radio: blocage RX, selectivite et intermodulation (essais)
- HEMP et IEMI: IEC 61000-4-25 et electronique durcie
- SAR : mesure du DAS (IEC 62209, EN 50360)
- IEC 61000-4-3: immunite rayonnee aux champs RF
- IEC 61000-4-6 : immunite conduite aux champs RF
- Banc pre-conformite CEM : cellule TEM, sondes, LISN
- Types de chambres CEM: SAC, FAR, OATS, GTEM, reverberation
- Etalonnage et incertitude de mesure (GUM, CISPR)
- Conception PCB pour la CEM: retours, decouplage, empilage
Articulation avec les autres essais CEM
Section intitulée « Articulation avec les autres essais CEM »Les emissions rayonnees ne sont qu'un des essais d'une campagne CEM complete. Le tableau ci-dessous resume la place de l'essai dans la sequence type.
| Famille | Essai | Norme generique | Reference |
|---|---|---|---|
| Emissions | Emissions rayonnees | CISPR 32 / FCC 15 | Ce guide |
| Emissions | Emissions conduites sur LISN | CISPR 32 / FCC 15 | Guide a venir |
| Immunite | Decharges electrostatiques (ESD) | EN 61000-4-2 | Voir Tests CE |
| Immunite | Champ RF rayonne | EN 61000-4-3 | Voir Tests CE |
| Immunite | Transitoires rapides (EFT) | EN 61000-4-4 | Voir Tests CE |
| Immunite | Ondes de choc (surge) | EN 61000-4-5 | Voir Tests CE |
| Immunite | RF conduite | EN 61000-4-6 | Voir Tests CE |
Voir Tests RED pour les essais complementaires sur produits radio, et Tests FCC pour la sequence cote americain. Le glossaire reprend les acronymes (RBW, QP, SAC, NSA, EUT) avec leur definition CISPR.
Ce qu'il faut retenir
Section intitulée « Ce qu'il faut retenir »- Le decoupage 30 MHz - 1 GHz vs au-dessus de 1 GHz dicte l'instrumentation (antennes, chambre, detecteur). Il n'y a pas d'antenne universelle.
- La RBW est fixee par CISPR 16-1-1, pas par l'operateur: 120 kHz en dessous de 1 GHz, 1 MHz au-dessus.
- CISPR Class B est plus stricte que FCC Class B au-dessus de 230 MHz, et l'inverse en dessous. Dimensionner sur l'enveloppe la plus contraignante par bande.
- La strategie pre-scan peak puis final-scan QP divise par dix le temps de chambre sans perte de rigueur, a condition de garder la configuration cable identique.
- La marge de 6 dB absorbe l'incertitude de mesure (jusqu'a 5,2 dB selon CISPR 16-4-2), la dispersion serie et le vieillissement.
- Les modifications de routage de cables entre passes sont la cause numero un des divergences pre-compliance / compliance.
Pour la mise en pratique cote UE, voir Tests CE. Cote US, voir Tests FCC. Sur produit radio, voir Tests RED.
Sources & références
- CISPR 32:2015+A1:2019, Equipements multimedias, prescriptions d'emission , IEC webstore.iec.ch/publication/26241
- CISPR 16-1-1:2019, Specifications of radio disturbance and immunity measuring apparatus , IEC webstore.iec.ch/publication/63465
- CISPR 16-2-3:2016, Methods of measurement, radiated disturbance measurements , IEC webstore.iec.ch/publication/26326
- CISPR 11:2024, Industrial, scientific and medical equipment, radio-frequency disturbance characteristics , IEC webstore.iec.ch/publication/68645
- 47 CFR Part 15, Radio frequency devices , FCC www.ecfr.gov/current/title-47/chapter-I/subchapter-A/part-15
- ANSI C63.4-2014, American National Standard for methods of measurement of radio-noise emissions , IEEE / ANSI standards.ieee.org/ieee/C63.4/5536/