De l’émetteur à l’OM : la puissance RF subit les pertes de la ligne, est dirigée par l’antenne puis décroît avec la distance.
Lorsqu’un radioamateur annonce qu’il émet avec 100 W, une question revient régulièrement : quelle puissance reçoit réellement une personne située à proximité de l’antenne ?
La réponse est simple dans son principe : certainement pas 100 W !
Entre la puissance affichée par le transceiver et l’énergie éventuellement absorbée par notre organisme interviennent le câble coaxial, le rendement et le gain de l’antenne, son diagramme de rayonnement, la fréquence, la distance, le mode utilisé et la durée d’émission.
Pour comprendre l’exposition aux champs radiofréquences, il faut donc suivre le chemin des watts.
1 — Les 100 W quittent le transceiver
Prenons une station classique : Transceiver → 100 W → câble coaxial → antenne
Le poste fournit 100 W à l’entrée de la ligne, mais une partie de cette puissance est perdue dans le câble et ses connecteurs. Ces pertes augmentent généralement avec la longueur du câble et la fréquence.
Si notre ligne présente par exemple 1 dB de pertes, seulement environ 79 % de la puissance arrive au bout : 100 W → environ 79 W à l’antenne.
À cela peuvent s’ajouter les effets d’une désadaptation et de la puissance réfléchie.
Premier enseignement : 100 W à la sortie du transceiver ne signifient pas nécessairement 100 W appliqués à l’antenne.
2 — Que fait alors l’antenne de cette puissance ?
Une antenne ne distribue généralement pas l’énergie uniformément dans toutes les directions.
Un dipôle possède son propre diagramme de rayonnement. Une verticale privilégie certaines directions. Une Yagi concentre fortement le rayonnement vers l’avant, tandis qu’une parabole le concentre dans un faisceau encore plus étroit.
C’est ici qu’intervient le gain de l’antenne.
Supposons que nous appliquions 100 W à une antenne possédant un gain de 10 dBi.
10 dBi correspondent à un gain linéaire de 10.
Dans la direction de rayonnement maximal, nous obtenons donc une puissance isotrope rayonnée équivalente, ou PIRE, de : PIRE = 100 × 10 = 1 000 W
Notre antenne n’a évidemment pas créé 900 W !
Elle a simplement concentré le rayonnement dans certaines directions.
Et cela ne signifie surtout pas qu’une personne placée devant l’antenne reçoit 1 000 W.
En champ lointain, lorsque la distance double, la densité de puissance est divisée par quatre.
3 — Les watts se répartissent dans l’espace
Lorsque nous sommes suffisamment loin de l’antenne pour nous trouver dans les conditions du champ lointain, une approximation très pratique de la densité de puissance est :
S = (P × G) / (4πr²)
avec :
- S : densité de puissance en W/m² ;
- P : puissance appliquée à l’antenne en watts ;
- G : gain linéaire dans la direction considérée ;
- r : distance en mètres.
Prenons volontairement le cas théorique simple d’une source isotrope rayonnant 100 W.
- À 1 m : S ≈ 7,96 W/m²
- À 2 m : S ≈ 1,99 W/m²
- À 4 m : S ≈ 0,50 W/m²
La distance a donc une influence considérable.
En champ lointain, lorsque la distance double, la densité de puissance est approximativement divisée par quatre.
Voilà pourquoi demander seulement « combien de watts utilise cette station ? » ne permet pas de déterminer l’exposition d’une personne.
4 — Des watts aux volts par mètre
Pour caractériser un champ électromagnétique, nous utilisons notamment le champ électrique, exprimé en volts par mètre (V/m).
Dans les conditions d’une onde plane en espace libre, la densité de puissance et le champ électrique sont reliés par : S = E² / 377 ou : E = √(377 × S)
Le nombre 377 Ω correspond approximativement à l’impédance intrinsèque de l’espace libre.
Reprenons nos 100 W isotropes.
À 2 mètres, nous avions environ : S = 1,99 W/m² ce qui correspond à : E ≈ 27,4 V/m
À 4 mètres : S ≈ 0,50 W/m² et donc : E ≈ 13,7 V/m
Nous commençons ainsi à comprendre la chaîne complète : 100 W → antenne → rayonnement → W/m² → V/m au point où se trouve la personne.
5 — Attention : près de l’antenne, les choses se compliquent
Les formules précédentes sont très pratiques, mais elles possèdent une limite importante.
À proximité d’une antenne, nous pouvons nous trouver dans le champ proche.
On distingue schématiquement : champ proche réactif → zone de Fresnel → champ lointain
Autour d’une antenne, le comportement du champ évolue : les formules simples d’onde plane ne deviennent réellement adaptées qu’en champ lointain.
Dans le champ proche, les champs électrique E et magnétique H peuvent avoir des distributions complexes et ne respectent pas nécessairement les relations simples utilisées pour une onde plane.
La géométrie et les dimensions de l’antenne deviennent alors particulièrement importantes.
C’est notamment une raison pour laquelle il faut être prudent lorsque l’on applique une formule simplifiée à une personne située à quelques dizaines de centimètres d’une antenne.
Plus nous sommes proches de l’antenne, moins le simple calcul « puissance + gain + distance » suffit à décrire précisément la situation.
6 — Mais combien de watts entrent alors dans l’OM ?
C’est justement la mauvaise question !
Notre organisme ne constitue pas une charge fictive de 50 Ω dans laquelle viendraient se dissiper les 100 W de l’émetteur.
Le corps est placé dans un champ électromagnétique. Une partie de l’énergie incidente peut interagir avec les tissus et être absorbée.
Pour quantifier cette absorption, on utilise notamment le DAS, ou débit d’absorption spécifique, exprimé en watts par kilogramme : W/kg
La puissance de l’émetteur et le DAS sont donc deux grandeurs totalement différentes.
On pourrait résumer le phénomène ainsi : Puissance émise ≠ puissance rayonnée dans une direction ≠ puissance incidente sur une personne ≠ puissance absorbée par ses tissus.
La réglementation française fixe notamment, entre 100 kHz et 10 GHz, des restrictions de base pour l’exposition du public de 0,08 W/kg pour le corps entier, 2 W/kg localement pour la tête et le tronc et 4 W/kg pour les membres.
7 — Pourquoi la fréquence est-elle importante ?
Notre interaction avec un champ électromagnétique dépend également de sa fréquence.
Une station fonctionnant sur 3,5 MHz, 14 MHz, 144 MHz, 432 MHz ou 2,4 GHz ne peut donc pas être analysée uniquement à partir de sa puissance d’émission.
Les dimensions électriques du corps, celles de l’antenne et les mécanismes d’interaction changent avec la fréquence.
C’est également pour cette raison que les niveaux de référence réglementaires ne sont pas identiques sur l’ensemble du spectre.
Pour le public, le décret français fixe par exemple un niveau de référence du champ électrique de 28 V/m entre 10 et 400 MHz. Entre 400 et 2 000 MHz, cette valeur évolue avec la fréquence, puis elle atteint 61 V/m entre 2 et 300 GHz.
Il faut donc toujours associer une mesure de champ à sa fréquence.
8 — 100 W en SSB ne sont pas 100 W continus
Autre élément très important pour le radioamateur : le mode de transmission.
Supposons deux stations réglées toutes les deux sur 100 W.
La première transmet en SSB : « Bonjour de F5KEE, vous êtes 59… »
La puissance RF varie constamment au rythme de la modulation.
La seconde transmet une porteuse continue de 100 W.
Dans ce second cas, l’émetteur fournit effectivement sa puissance pendant toute la durée de l’émission.
Il faut donc distinguer puissance crête et puissance moyenne dans le temps.
L’ARRL utilise par exemple, dans son outil pédagogique d’évaluation RF, des facteurs caractéristiques de 20 % pour de la SSB conversationnelle non compressée, 40 % pour du CW conversationnel et 100 % pour des modes à porteuse continue comme la FM ou le RTTY.
Ces valeurs sont des hypothèses d’évaluation et non des constantes universelles, mais elles montrent bien le phénomène.
Ainsi : 100 W PEP en SSB et 100 W continus ne correspondent pas nécessairement à la même exposition moyenne.
Cette remarque devient particulièrement intéressante avec nos modes numériques modernes, capables de produire des émissions soutenues.
9 — Trois stations de 100 W peuvent être totalement différentes
Imaginons maintenant trois radioamateurs utilisant exactement le même transceiver de 100 W.
Station A : 7 MHz
Un dipôle est installé à 10 mètres du sol. L’opérateur se trouve plusieurs mètres en dessous et hors des zones où le rayonnement est maximal.
Station B : 144 MHz
Une Yagi de 12 dBi est installée sur un pylône. Sa PIRE dans la direction principale peut être importante, mais l’opérateur se trouve au-dessous de l’antenne et non devant son lobe principal.
Station C : 432 MHz
Une Yagi à fort gain est installée à hauteur d’homme sur une terrasse. Une personne peut se trouver à quelques mètres seulement devant le faisceau.
Les trois émetteurs indiquent : 100 W
Pourtant, les trois situations d’exposition sont très différentes.
C’est la démonstration essentielle de cet article : La puissance du transceiver, prise isolément, ne permet pas d’évaluer l’exposition RF.
10 — Une antenne sur le toit : sommes-nous automatiquement tranquilles ?
Pas nécessairement, mais l’éloignement constitue évidemment un paramètre majeur.
Il faut considérer ensemble : puissance + pertes du câble + fréquence + gain + diagramme de rayonnement + distance + position des personnes + durée d’émission.
Une Yagi installée plusieurs mètres au-dessus de l’opérateur peut produire un champ beaucoup plus important devant son lobe principal que directement sous son boom.
Il faut également penser aux autres personnes.
Une antenne parfaitement éloignée du shack peut éventuellement se retrouver proche d’un balcon, d’une terrasse, d’une fenêtre ou d’une propriété voisine.
La bonne question devient donc : Quelles sont les zones accessibles aux personnes autour de mon antenne ?
11 — Comment évaluer simplement sa station ?
Une première évaluation peut être réalisée méthodiquement.
1. Relever la puissance maximale réellement utilisée.
2. Calculer les pertes du câble et des accessoires.
3. Déterminer la puissance réellement appliquée à l’antenne.
4. Connaître le gain de l’antenne et son diagramme de rayonnement.
5. Identifier les endroits accessibles aux personnes.
6. Mesurer la distance entre ces zones et l’antenne.
7. Tenir compte de la fréquence et du type d’émission.
8. Effectuer une première estimation prudente du champ.
9. Lorsque la situation l’exige, passer du calcul simplifié à une évaluation ou une mesure adaptée.
En France, l’ANFR dispose d’un protocole officiel pour la mesure de l’exposition aux champs électromagnétiques.
Il existe également un dispositif permettant, sous certaines conditions, de demander gratuitement une mesure de l’exposition dans un logement ou dans un lieu accessible au public.
Les cinq erreurs à ne plus faire
« Mon poste sort 100 W, mon corps reçoit donc 100 W. »
Non. La puissance de l’émetteur n’est pas la puissance absorbée par une personne.
« Une Yagi de 10 dBi transforme mes 100 W en 1 000 W. »
Non. Elle concentre le rayonnement dans certaines directions.
« Deux fois plus loin signifie deux fois moins de champ. »
Pas exactement. En champ lointain idéal, la densité de puissance décroît en (1/r²), tandis que l’amplitude du champ électrique décroît approximativement en (1/r).
« 100 W en SSB équivalent à 100 W continus. »
Non. La puissance moyenne dépend fortement du signal et du temps d’émission.
« Une simple formule suffit toujours. »
Non plus. À proximité de l’antenne, le champ proche peut rendre la situation beaucoup plus complexe.
En conclusion : ne regardons plus seulement le wattmètre !
Lorsque notre wattmètre indique fièrement 100 W, il nous renseigne sur notre station, mais certainement pas directement sur l’exposition d’une personne située à proximité.
Pour arriver jusqu’à l’OM, notre raisonnement doit parcourir toute la chaîne : Émetteur → ligne de transmission → antenne → gain et diagramme → distance → champ électromagnétique → exposition → absorption.
Et c’est finalement une bonne nouvelle.
L’exposition RF n’est pas simplement déterminée par la puissance maximale de notre transceiver. Nous pouvons agir sur de nombreux paramètres : éloigner l’antenne, augmenter sa hauteur, orienter correctement son lobe principal, empêcher l’accès aux zones les plus exposées ou encore adapter les conditions d’émission.
En radio comme souvent ailleurs, quelques mètres peuvent être beaucoup plus efficaces que quelques watts de moins.
Pour aller plus loin
Pour approfondir la question de l’exposition aux champs électromagnétiques et effectuer une évaluation plus rigoureuse de votre station, voici quelques références officielles et outils particulièrement utiles :
- ANFR — Protocole de mesure de l’exposition aux champs électromagnétiques
Le protocole de référence utilisé par les laboratoires accrédités pour obtenir des mesures fiables et reproductibles.
https://www.anfr.fr/maitriser/les-installations-radioelectriques/protocole-de-mesure - ANFR — Déroulement d’une mesure
Une présentation très pédagogique de la manière dont le champ électromagnétique est réellement mesuré : recherche du point d’exposition maximale, mesures à différentes hauteurs et analyse des différentes sources RF.
https://www.anfr.fr/maitriser/les-installations-radioelectriques/deroulement-dune-mesure - ANFR — Faire une demande de mesure
Toute personne peut demander une mesure de l’exposition aux ondes électromagnétiques dans un logement ou un lieu accessible au public. La démarche est gratuite.
https://www.anfr.fr/maitriser/les-installations-radioelectriques/faire-une-demande-de-mesure - Légifrance — Décret n° 2002-775 du 3 mai 2002
Le texte réglementaire français relatif aux valeurs limites d’exposition du public aux champs électromagnétiques émis par les installations radioélectriques. Son annexe contient notamment les restrictions de base et les niveaux de référence en V/m, A/m et W/m².
https://www.legifrance.gouv.fr/loda/id/JORFTEXT000000226401 - Union européenne — Recommandation 1999/519/CE
Recommandation du Conseil du 12 juillet 1999 relative à la limitation de l’exposition du public aux champs électromagnétiques de 0 Hz à 300 GHz. Elle constitue l’une des références sur lesquelles repose le cadre réglementaire français.
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/TXT/?uri=CELEX:31999H0519 - ICNIRP — Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields (100 kHz to 300 GHz), 2020
Les recommandations scientifiques internationales publiées en 2020 concernant l’exposition humaine aux champs électromagnétiques RF. Elles abordent notamment la dosimétrie, les effets biologiques et les limites d’exposition.
https://www.icnirp.org/en/publications/article/rf-guidelines-2020.html - ARRL — RF Exposure Calculator
Un outil particulièrement intéressant pour les radioamateurs permettant d’effectuer une première estimation de l’exposition RF en fonction de la puissance, du gain de l’antenne, de la distance et du mode utilisé.
https://www.arrl.org/rf-exposure-calculator - ARRL — Instructions du RF Exposure Calculator
Complément indispensable au calculateur : explication de la puissance réellement appliquée à l’antenne, des pertes dans le coaxial, du gain, de la distance et du facteur d’utilisation des différents modes.
https://www.arrl.org/rf-exposure-calc-instructions
