Caractérisation du champ proche électromagnétique et exposition professionnelle aux ondes RF en milieu industriel

Electromagnetic Near-field Characterization & Occupational Exposure to RF Waves in Industrial Environment

• Auteur / Autrice : Kassem Jomaa
• Direction : Jalal Jomaah, Fabien Ndagijimana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Joe Wiart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Descamps
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Lou Dubard, Philippe Lévêque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Risques pour la santé

Champs électromagnétiques

Risques industriels

Dosimétrie

Optique en champ proche

Mots clés libres

Champ Proche

Dosimétrie

Emf

Electromagnétisme

Exposition

Rf

Near Field

Dosimetry

Emf

Electromagnetism

Exposure

Rf

Résumé

L'étude des émissions rayonnées d'une source dans tout l'espace, est essentielle pour l'analyse dosimétriques et l’analyse des interférences électromagnétiques. L'importance du dernier augmentent en raison de la nécessité d'avoir une prédiction de la fiabilité des circuits électroniques. De plus, l'utilisation quotidienne des dispositifs et des systèmes émettant des champs électromagnétiques radiofréquences ne cesse d'augmenter. Certains de ces dispositifs fonctionnent à proximité du corps humain, et les opérateurs se trouvent dans la région des champs proches de la source rayonnante, et ils sont exposés à des niveaux de champs électromagnétiques pouvant être élevés. Pour cette raison, l'analyse dosimétrique, qui passe par une cartographie tridimensionnelle (3D) au voisinage de la source rayonnante, doit être effectuée. Pour ce type d'applications, plusieurs scans des champs proches doivent être effectués dans différents plans afin de construire la cartographie de champs 3D. Étant un processus difficile dans les études de compatibilité électromagnétique, la caractérisation en champ proche est traitée par plusieurs algorithmes qui proposent différentes approches pour réaliser le scanning requis au voisinage de la source rayonnante.Dans ce travail, nous introduisons un système de scanning 3D avec des sondes de champ magnétique à trois axes à faible coût. Le fait de disposer de telles sondes permet la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique sur la base d'un seul scan au voisinage du dispositif testé. Les sondes conçues se composent de trois boucles orthogonales combinées ensemble; la première sonde contient trois boucles conventionnelles réunies dans un cube en plastique d'une dimension totale de 10 × 12 × 13 mm3, tandis que la deuxième sonde est une sonde PCB imprimée sur un substrat FR4 de 3,2 mm avec une dimension réduite de 9 × 9 × 3,2 mm3. Les sondes conçues ont été étalonnées avec une cellule TEM et les facteurs d'antenne correspondants ont été extraits. Le système de scanning présenté utilise comme un instrument de mesure un oscilloscope RF- 4 canaux, qui donne la possibilité de mesurer à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel.La deuxième partie de cette thèse présente un algorithme de reconstruction basé sur la méthode du spectre d'ondes planes. Afin de réduire le nombre des scans et donc les exigences de temps, l'algorithme présenté nécessite juste un scan en champ proche 2D des composantes de champ, pour reconstruire la distribution du champ magnétique 3D au-dessus du dispositif rayonnant.La troisième partie de la thèse est consacrée à l'analyse dosimétrique des champs électromagnétiques rayonnés à proximité des systèmes RFID et des machines de soudage RF. L'évaluation de l'exposition en champ proche des champs rayonnés des antennes de lecture RFID, fonctionnant à 13,56 MHz et utilisées dans les bibliothèques, a été réalisée. Les mesures du champ magnétique près de l'antenne ont été établies à l'aide des sondes conçues. Les résultats sont ensuite analysés et comparés aux réglementations des normes européennes et des lignes directrices de l'ICNIRP. En outre, l'exposition aux champs électromagnétiques RF des travailleurs à proximité de machines de soudage RF dans un environnement industriel est étudiée. Ces machines, fonctionnant à 27 MHz, émettent de forts rayonnements et l'exposition a eu lieu dans la région de champ proche. La distribution spatiale des champs électromagnétiques dans cette région est étudiée à la fois dans des simulations numériques et des mesures réelles.

The analysis of radiated emissions from a source throughout the space, is very essential for both dosimetric and electromagnetic interference analysis. The concerns about the latter are growing because of the need to have prediction of the system reliability of the electronic circuits. Moreover the everyday use of devices and systems emitting radio frequency electromagnetic fields is continuously increasing. Some of these devices are operating in the vicinity of human body, and operators are in the near-field region of the radiating source, and they are exposed to electromagnetic fields. For this reason, dosimetric analysis, that shows the necessity of having three dimensional (3D) field mapping in the vicinity of the radiating source, should be performed. For this kind of applications, several scans of the near fields should be done within different planes in order to build the 3D field mapping. Being a challenging process in electromagnetic compatibility studies, near field characterization is being treated by several algorithms that propose different approaches to achieve the required scanning on the radiating source.In this work, we introduce a 3D scanning system with a low cost three axis magnetic field probes. Having such probes allow the simultaneous measure of the three components of the magnetic field based on a single planner scan above the device under test. The designed probes consist of three orthogonal loops combined together; the first probe contains three conventional loops joined in a plastic cube with a total dimension of 10×12×13 mm3, whereas the second probe is a PCB probe printed on an FR4 substrate of 3.2 mm with a reduced dimension of 9×9×3.2 mm3. The designed probes were calibrated with a TEM cell and the corresponding antenna factors were extracted. The presented scanning system uses an oscilloscope as a measuring instrument that gives the possibility of both time and frequency domain measurements. The second part of this thesis presents a reconstruction algorithm based on plane wave spectrum method. In order to reduce the number of scans and hence the time requirements, the presented algorithm requires just a 2D near field scan of the field components, to reconstruct the 3D magnetic field distribution above the radiating device.The third part of the thesis is devoted for the dosimetric analysis of the radiated electromagnetic fields near RFID systems and RF-welding machines. The near-field exposure assessment of the radiated fields from RFID reader antennas operating at 13.56 MHz and used in Libraries was performed. The measurements of the magnetic field near the antenna were established using the designed probes. The results are then analyzed and compared to the regulations in European Directives and ICNIRP Guidelines. Moreover, the exposure to RF electromagnetic fields of workers near RF-welding machines in industrial environment is studied. These machines, operating at 27 MHz, emit strong radiation and the exposure takes place in the near-field region. The spatial distribution of the electromagnetic fields in this region is studied in both numerical simulations and measurements.