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Les ondes radioélectriques ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux
façons :
Le domaine des fréquences des ondes radio s'étend de quelques dizaines de kilohertz jusqu'aux confins des infrarouges.
| Sommaire |
|
2 Application des phénomènes
d'optique à la propagation des ondes radio 3 Propagation en fonction de la gamme de
fréquence |
Il peut être essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les
conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un
satellite.
Des exemples :
Selon la fréquence, l'époque par rapport au cycle solaire, la saison, l'heure du jour, la direction et la distance entre l'émetteur et la station
réceptrice... le niveau du signal reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable.
L'étude des lignes de transmission et des phénomènes de propagation d'un signal dans une ligne peut aider à optimiser les câbles
utilisés dans l'établissement d'un réseau de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne.
Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang se propagent comme des cercles concentriques. L'onde
radio émise par l'antenne isotropique (c'est-à-dire rayonnant de façon uniforme dans
toutes les directions de l'espace) peut être représentée par une succession de sphères concentriques. On peut imaginer une bulle
se gonflant très vite, à la vitesse de la lumière c, très proche de 300000 km par seconde. Au bout d'une seconde
la sphère a 600000km de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une
sphère.
Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura
parcouru une distance lambda appelée longueur d'onde. La
longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation ; pour une fréquence donnée elle dépend
de la vitesse de propagation de l'onde.
Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière
dans un espace homogène, dans le vide, par exemple. À la surface de la Terre, de nombreux phénomènes viennent contredire cette
règle : il est fréquent que l'onde reçue directement interfère avec une réflexion de cette onde sur le sol, un obstacle ou
sur une couche de l'ionosphère.
Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimum
de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain de l'antenne et du confort d'écoute souhaité. Dans le cas des
transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le niveau de fiabilité requis pour la transmission.
L'intensité du champ électrique se mesure en volt/mètre.
Une onde radio se distingue d'un rayonnement lumineux par sa fréquence : quelques dizaines de kilohertz ou gigahertz pour la première, quelques centaines de térahertz pour la seconde. Évidemment l'influence de la fréquence de l'onde est déterminante pour sa propagation mais la plupart des phénomènes d'optique géométrique (réflexion...) s'appliquent aussi dans la propagation des ondes hertziennes. Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe.
Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau, un mur ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir. Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère. La réflexion d'une onde est plus généralement diffuse, l'onde se réfléchissant dans plusieurs directions ainsi qu'un rayon lumineux frappant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de façon similaire.
Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfaction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la propagation ionosphèrique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.
Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas des couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonnées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forêts, constructions...) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longeur d'onde et les dimensions des obstables ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou les zones ionisées de la haute atmosphère lors des aurores polaires.
Il faut distinguer le brouillage occasionné par deux signaux indépendants, mais possédant des fréquences très proches, du phènomène d'interférence apparaissant lorsque l'onde directe rayonnée par un émetteur est reçue en même temps qu'une onde réfléchie. Dans ce dernier cas,les temps de parcours des deux ondes sont différents et les deux signaux reçus sont déphasés. Plusieurs cas peuvent alors se présenter :
Les phénomènes d'interférences peuvent être très gênants lorsque le temps de parcours de l'onde indirecte varie : l'amplitude du signal reçu varie alors à un rythme plus ou moins rapide. Le phénomène d'interférence est utilisé dans des applications couvrant de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniométrie...
Elles se propagent principalement à très basse altitude, par onde de sol. Leur grande longueur d'onde permet le contournement des obstacles. Pour une même
distance de l'émetteur, le niveau du signal reçu est très stable. Ce niveau décroit d'autant plus vite que la fréquence est
élevée. Les ondes de fréquence très basse pénètrent un peu sous la surface du sol ou de la mer, ce qui permet de communiquer avec
des sous-marins en plongée.
Applications courantes : radiodiffusion sur Grandes Ondes (France-Inter, RTL...), diffusion des signaux horaires (horloges
radio-pilotées)... La puissance de ces émetteurs est énorme : souvent plusieurs mégawatts pour obtenir une portée pouvant
aller jusqu'à 1000 km.
Voir Propagation des grandes ondes.
Les stations de radiodiffusion sur la bande des Petites Ondes (entre 600 et 1500kHz) ont des puissances pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts. Elles utilisent encore l'onde de sol pour couvrir une zone ne dépassant guère une région française mais bénéficient après le coucher du soleil des phénomènes de propagation ionosphérique.
Les ondes courtes, bien connues des radioamateurs, permettent des
liaisons intercontinentales avec des puissances de quelques milliwatts si la propagation ionosphérique le permet car l'onde de
sol au-dessus de 2 ou 3 MHz ne porte guère au-delà de quelques dizaines de kilomètres. Entre 1 et 30 MHz, la réflexion des ondes
sur les couches de l'ionosphère permet de s'afranchir du problème de
l'horizon optique et d'obtenir en un seul bond une portée de plusieurs milliers de kilomètres. Mais ces résultats sont très
variables et dépendent des modes de propagation, du cycle solaire, de l'heure de la journée ou de la saison. Les ondes
décamétriques ont cédé le pas au satellites même si des calculs de prévision de propagation permettent de prédire avec une bonne
fiabilité les heures d'ouverture, les fréquences maxima utilisables et le niveau du signal qui sera reçu.
Voir Propagation sur ondes courtes.
Les ondes métriques correspondent à des fréquences comprises entre 30 et 300 MHz incluant la bande de radiodiffusion FM, les
transmissions VHF des avions, la bande radioamateur des 2m... Elles se propagent principalement en ligne droite mais réussissent
à contourner les obstacles de dimensions ne dépassant pas quelques mètres. Elles se réflèchissent sur les murs, rochers,
véhicules et exceptionnellement sur des nuages ionisés situés dans la couche E, vers 90 km d'altitude ce qui permet des liaisons
à plus de 1000 km. En temps normal, la portée d'un émetteur de 10 watts dans une antenne omnidirectionnelle est de quelques dizaines de kilomètres mais il arrive aussi que l'indice de réfraction
pour ces fréquences fasse s'incurver vers le sol une onde qui se serait perdue dans l'espace. Des liaisons à quelques centaines
de kilomètres sont alors possibles.
Voir Propagation des ondes métriques.
Plus sa fréquence augmente, plus le comportement d'une onde ressemble à celui d'un rayon lumineux. Les faisceaux hertziens
permettent des liaisons à vue, comme le Télégraphe de Chappe, mais par tous les temps et avec des débits d'informations des milliards de
fois plus élevé. Aucun obstacle de taille supérieure à quelques décimètres ne doit se trouver sur le trajet du faisceau. Ces
ondes se réfléchissent facilement sur des obstacles de quelques mètres de dimension ; ce phénomène est exploité par les
radars, y compris ceux utilisés aux bords des routes. C'est grâce aux réflexions sur les bâtiments qu'il est possible d'utiliser
un téléphone portable sans être en vue directe de l'antenne du relais, mais les interférences entre ondes réfléchies rendent la communication difficile,
obligeant l'utilisateur à changer d'endroit ou à se déplacer de quelques mètres simplement. Sur 10 GHz avec une puissance de
quelques watts et des antennes paraboliques de moins d'un mètre de diamètre, il est possible d'effectuer des liaisons à plusieurs
centaines de kilomètres de distance en se servant une montagne élevée comme réflecteur. Au-dessus de 10 gigahertz, le phénomène
de diffusion peut se manifester sur des nuages de pluie, permettant à l'onde d'atteindre des endroits situés au-delà de l'horizon
optique.
Voir Propagation des ondes de très haute fréquence.
Le niveau du signal émis par une station d'émission (émetteur et antenne) en un point de l'espace (ou de la surface de la Terre) peut être calculé avec une bonne précision si les principaux facteurs déterminant la transmission sont connus. À titre d'exemple prenons deux cas : liaison en vue directe sur 100MHz et liaison à grande distance sur 10MHz utilisant une réflexion sur la couche E. Nous n'effectuerons évidemment pas ici les calculs.
On connait :
Des logiciels plus ou moins sophistiqués permettent le faire rapidement ce genre de calcul qui peut éventuellement tenir
compte de la conductivité du sol, des possibilités de rélexion...
Si on ajoute les caractéristiques de la station de réception (antenne + récepteur), on pourra alors calculer le bilan de la
liaison, qui donnera la différence de niveau entre le signal utile et le bruit radioélectrique.
Les informations nécessaires sont :
C'est le nombre de Wolf (ou Sun Spot Number, en abrégé : « SSN »), mais aussi la date et
l'heure du jour de la tentative de liaison qui permettra au logiciel de calculer les possibilités de propagation
ionosphèrique.
On connaîtra la probabilité d'établissement de la liaison en fonction de la fréquence pour un rapport signal sur bruit
donné.
Pour transporter de l'énergie à haute fréquence d'un point à un autre, on n'utilise pas une rallonge électrique ordinaire mais
une ligne de transmission aux caractéristiques appropriées. La ligne est composée de deux conducteurs électriques parallèles
séparés par un diélectrique, très bon isolant aux fréquences utilisées
(air, téflon polyéthylène...). Si l'un des conducteurs est entouré par l'autre, on parle alors de ligne coaxiale
Un générateur relié à une charge à l'aide d'une ligne va provoquer dans chacun des deux conducteurs de la ligne l'établissement d'un courant électrique et la formation d'une onde se déplaçant dans le diélectrique à une vitesse très grande. Cette vitesse est inférieure à la célérité de la lumière mais dépasse fréquemment 200 000 km/s, ce qui implique que, pour une fréquence donnée, la longueur de l'onde dans la ligne est plus petite que dans l'espace. (longueur d'onde = célérité dans le milieu /fréquence )
Lorsque la ligne est parfaitement adaptée au générateur et à la charge, condition remplie lorsque l'impédance de sortie du premier et l'impédance d'entrée de la deuxième sont égales à l'impédance caractéristique de la ligne, cette dernière est parcourue seulement par des ondes progressives. Dans ce cas idéal la différence de potentiel entre les conducteurs et le courant qui circule dans ceux-ci ont la même valeur quelque soit l'endroit où la mesure est effectuée sur la ligne. Une telle ligne ne rayonne pas, le champ électromagnétique produit par l'onde progressive n'est pas décelable à quelque distance de la ligne.
Si la condition évoquée précédemment n'est pas remplie, ce qui arrive si l'impédance de la charge est différente de l'impédance caractéristique de la ligne, la ligne va alors être le siège d'ondes stationnaires. La tension mesurable entre les deux fils ne sera plus constante sur toute la longueur de la ligne et vont apparaître :
Ce type de fonctionnement est généralement redouté si le taux d'ondes stationnaires (TOS) est élevé. Les surtensions correspondant aux ventres de tension peuvent endommager l'émetteur, voire la ligne. Les pertes dans la ligne sont élevées. Voir Propagation des ondes
La résistance électrique (non nulle) des conducteurs constituant la ligne et l'isolement (non infini) du diélectrique,
provoquent un affaiblissement de l'amplitude de l'onde progressive parcourant la ligne.
Ces pertes ont un double inconvénient :
Les pertes en ligne s'expriment en dB/m (décibel/mètre de longueur) et dépendent de nombreux facteurs :
Exemple : un câble coaxial très commun (ref. RG58A) d'une longueur de 30 mètres présente 6dB de pertes à 130MHz. Si l'on applique une puissance de 100 watts à l'entrée de cette ligne on ne retrouvera que 25 watts à son extrémité. À 6MHz la perte n'est que de 1 décibel.
