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PROPAGATION DES ONDES - F5KES, le RadioClub de TAVERNY

PROPAGATION DES ONDES

lundi 23 avril 2012
par  Thierry de F4CXF
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PROPAGATION DES ONDES

Introduction   Ici, on étudie le trajet des ondes entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception. La portée des émissions sera différente selon la fréquence d’émission utilisée. Dans un milieu homogène, dont la composition est la même en tous les points, les ondes électromagnétiques se déplacent en ligne droite. Cependant , lorsque les antennes d’émission et de réception sont situées au voisinage de la terre, différents phénomènes vont modifier le trajet des ondes : la présence de la terre, la variation de la densité de l’atmosphère avec l’altitude et la présence de couches ionisées dans la haute atmosphère.

1.L’atmosphère

Elle est divisée en quatre zones :

- La troposphère est la couche qui est en contact avec le sol ; elle s’étend jusqu’à 10 km d’altitude et est le siège des phénomènes climatiques : nuages, vents , brouillard.

- La stratosphère s’étend de 10km à 40km d’altitude ; elle intervient peu dans la propagation des ondes.

- L’ionosphère s’étend de 40km à 1000km d’altitude ; elle est exposée au rayonnement solaire ainsi qu’aux rayons cosmiques et aux météorites qui provoquent l’ionisation des molécules, c’est à dire l’arrachement des électrons des couches extérieures de la molécule. Les particules chargées négativement( électrons) et positivement (ions) ont tendance à se regrouper en couches ionisées qui vont jouer un rôle très important dans la propagation des ondes, principalement des ondes HF.

- L’exosphère est la couche ultime de l’atmosphère. La première barrière s’étend de 500 à 3500 km alors que la deuxième barrière s’étend de 12000 à 50000km, elles sont constituées principalement d’électrons et de protons venant du soleil et piégés par le champ magnétique terrestre. On connaît mal les propriétés de cette couche . Elle joue peu de rôle dans la propagation des ondes.

2.Les types de propagation

Entre une antenne d’émission et une antenne de réception, situées au voisinage de la terre, une onde électromagnétique peut suivre quatre chemins différents :

- elle peut se propager en ligne (à peu près)droite d’une antenne à une autre : on parle alors de propagation troposphérique puisque l’onde se déplace dans la troposphère.

- elle peut se déplacer suivant le relief du sol : on parle alors de propagation superficielle (ou propagation par ondes de surface ou de sol) .

- elle peut être réfléchie par l’une ou l’autre des couches ionisées de l’atmosphère : on parlera donc de propagation ionosphérique.

- elle peut être diffractée au niveau de la troposphère et on parle alors de diffraction troposphérique

On va développer ci après la propagation superficielle et la diffraction troposphérique.

fig 1

2.1 La propagation superficielle ( ou propagation par onde de surface ou de sol)   Lorsque l’antenne d’émission est verticale et proche du sol, l’onde électromagnétique quittant l’antenne est polarisée verticalement. Comme la direction de propagation de l’onde est toujours perpendiculaire au champ électrique E, l’onde quitte l’antenne parallèlement au sol. Cependant, l’angle entre E et la surface du sol peut se modifier en raison du relief ou de la composition de l’atmosphère.

En effet, la densité de l’atmosphère diminue avec l’altitude, or la vitesse de l’onde augmente légèrement lorsque la densité de l’air diminue. Par conséquent, l’onde se propageant à une certaine altitude a tendance à se propager un peu plus vite que l’onde au voisinage du sol, ceci entraîne une inclinaison progressive du front d’onde. A une certaine distance de l’antenne, le champ électrique E comportera donc, outre la composante perpendiculaire au sol, une composante horizontale. Mais cette composante horizontale induit un déplacement des charges dans le sol, ce qui provoque des pertes et atténue donc fortement cette composante. Il reste donc seulement la composante verticale de E, la direction de propagation de l’onde se modifie donc pour rester parallèle à la surface du sol.Les pertes dues à l’interaction de l’onde avec le sol sont d’autant plus élevées que la fréquence est élevée et que la conductivité du sol est faible ; c’est pour cela que la portée des transmissions par ondes de surface est élevée pour les ondes longues et moyennes mais faibles pour les ondes longues et ultracourtes.

ant15.jpg

ionospherique1.jpg

Les couches ionisées vont se comporter comme un véritable miroir sur les ondes de radio : il se produit un mécanisme de réflexion.

Il faut savoir que l’indice de réfraction est d’autant plus petit que la couche est ionisée et que la fréquence est faible. Comme la vitesse de l’onde dans un milieu diélectrique vaut c/n, cela signifie que la vitesse de l’onde est plus grande dans la couche ionisée que dans la couche non ionisée. Donc, au moment ou l’onde se rapproche de la couche ionisée, sa partie supérieure se déplace dans la zone ou la vitesse est plus grande , le front d’onde va donc s’incliner progressivement et la direction de propagation de l’onde, qui est toujours perpendiculaire au front d’onde, va aussi se modifier (voir figure ci dessous).Plutôt que de réflexion, on devrait parler de réfraction atmosphérique !!

ionospherique2.jpg

 2.2.2Caractéristiques des couches ionisées

Les couches ionisées sont caractérisées par un certain nombre de paramètres :

- leur hauteur virtuelle qui est la hauteur à laquelle on devrait placer un réflecteur parfait pour que le trajet des ondes en dehors de l’atmosphère corresponde au trajet réellement observé

- leur fréquence critique qui est la fréquence maximale réfléchie par la couche en incidence verticale, elle dépend de N (nombre d’électrons libres par cm cube) et est donc maximale pour la couche F2, les ondes qui ne sont pas réfractées par F2 s’échappant de l’atmosphère.

Lorsqu’on utilise pour communiquer une fréquence supérieure à la fréquence critique, on constate que l’émission ne peut pas être captée dans une certaine zone autour de l’émetteur, alors qu’elle sera parfaitement audible à des distances plus grandes. En effet, les ondes arrivant à l’ionosphère avec, un angle d’incidence élevé (rayons 1,2,3) seront réfléchies tandis que celles arrivant en incidence quasi normale (rayons 4,5) traverseront la couche ionisée et ne seront donc pas réfléchies (voir figure ci dessous) Il y aura une zone d’ombre autour de l’émetteur. La distance minimale à laquelle l’émission peut être captée s’appelle le saut.

zone_dombre.jpg

2.2.3 Les avantages de la propagation ionosphérique

Il est possible de communiquer avec n’importe quel autre point de la surface terrestre en choississant convenablement la puissance, la fréquence e le type d’antenne.En effet l’onde peut être réfléchie plusieurs fois et même faire le tour de la terre.

2.2.4 Les inconvénients de la propagation ionosphérique

Ce monde de propagation est moins fiable que les autres. De nombreux phénomènes peuvent faire varier l’intensité du signal reçu. C’est ce qu’on appelle l’évanouissement des ondes. Cet évanouissement est dû à des interférences entre ondes arrivant par différents chemins après réflexions sur les couches dont la hauteur et la composition varient au cours du temps (variations lentes et irrégulières).    Pour combattre l’évanouissement, on a parfois recours aux techniques de diversité :

- la diversité spatiale : on place deux antennes sur chaque site ; on émet simultanément avec les deux antennes d’émission et on choisit à chaque instant l’antenne de réception qui reçoit le plus grand signal. L’évanouissement n’affectera pas alors simultanément les quatre canaux possibles de transmission.
- la diversité fréquentielle : on n’utilise qu’une antenne par site, mais on travaille à deux fréquences.

antenne3.jpeg

2.2.5 le rôle des différentes couches ionisées

 La couche D est fort peu ionisée, elle est donc incapable de réfléchir les ondes radio sauf les ondes longues. Pour les ondes de fréquence plus élevées. Pour les ondes de fréquence plus élevées, elle se comporte essentiellement comme une couche absorbante , donc gênante. La couche E réfléchit les ondes moyennes mais absorbe un peu les ondes HF. La couche F1 réfléchit les ondes courtes de fréquence pas trop élevée mais absorbe partiellement les autres. La couche F2 est la couche de réflexion principale pour les ondes courtes. A NOTER : La réception des ondes courtes la nuit est particulièrement bonne car :

- les couches D et E s’atténuent fort par la suite de la recombinaison des électrons et des ions positifs, donc absorbent moins les ondes

- les couches F1 et F2 fusionnent , formant une couche à haute densité d’électrons, permettant donc l’utilisation de fréquences élevées.

2.3 La propagation troposphérique

2.3.1 Description

Les ondes radio se propagent en ligne droite dans le vide ; ceci est également vrai dans l’air si la densité de l’air est homogène. Cependant comme la densité de l’air diminue avec l’altitude, le trajet des ondes sera légèrement incurvé vers la terre.  En propagation troposphérique, les ondes accomplissent la totalité de leurs trajet dans la couche la plus basse de l’atmosphère, très près du sol. L’onde sera donc influencée par les phénomènes atmosphériques (pluie, brouillard, etc..) par les obstacles naturels (montagnes, forêts,..) et artificiels ( bâtiments élevés). L’oxygène est la vapeur d’eau absorbent peu d’énergie aux fréquences radio.

L’horizon radio, c’est à dire la distance maximale D à laquelle une antenne située au niveau du sol pourra recevoir le signal émis par une antenne située à une hauteur He, est donné par la formule approchée :

Propag1.gif

R est le rayon de la Terre = 6366km ; Si l’antenne de réception est à la hauteur Hr, la distance maximale pour une communication devient :

Propag2.gif

(voir dessin ci-dessous)

horizon_radio.jpg

2.3.2 L’effet fantôme : une première cause d’interférences

Quant aux obstacles, ils peuvent se comporter soit comme des écrans, créant une zone d’ombre, soit comme des réflecteurs, s’ils comportent des éléments métalliques (béton armé, châssis métallique,..). On constate alors parfois des effets fantômes, crées par une interférence entre une onde captée directement et une onde captée après réflexion avec un obstacle. Le résultat sur l’écran de télévision est une image atténuée et légèrement décalée par rapport à l’image principale.

2.3.3 L’effet du sol : une cause majeure d’interférences

Cet effet, qui peut être très gênant, est dû à la présence d’une onde réfléchie par la surface terrestre : en effet, les deux ondes auront parcourues un chemin presque égal, mais la composante horizontale du champ électrique aura été déphasée de 180 degrés lors de la réflexion sur le sol. La composante horizontale du champ électrique au niveau de l’antenne sera donc fortement réduite. A noter que lorsqu’on travaille en polarisation verticale, l’effet du sol est généralement mois gênant.

L’effet du sol a impact sur le diagramme de rayonnement des antennes. Lorsque une onde électromagnétique rencontre une surface conductrice, deux cas sont à considérer : celui ou le champ électrique est parallèle à la surface et celui ou le champ électrique est perpendiculaire à la surface. Les autres cas peuvent être traités comme une combinaison des deux cas précédents.

antennes18.jpg

 Lorsque qu’une onde EM dont le champ E parallèle à la surface arrive au contact de celle-ci, le champ électrique va mettre en mouvement les électrons libres présents dans la surface conductrice, ce déplacement de charges dans le sol est en tout point assimilable à une antenne et va donc provoquer l’émission d’une onde EM réfléchie, dont le champ E va, à tout moment, s’opposer au champ E de l’onde incidente. Ce phénomène a lieu en tous points de la surface exposés à l’onde. Le champ réfléchi est donc déphasé de 180 degrés par rapport au champ incident et son amplitude est égale à celle du champ incident. Lorsque le champ EM incident a une composante électromagnétique perpendiculaire à la surface conductrice, celle- ci est réfléchie sans déphasage puisque le champ ne peut pas mettre les électrons en mouvement dans une direction perpendiculaire à la surface ( il ne peut pas faire sortir les électrons du conducteur).

reflexion.jpg

Dans tout ce qui précède, nous avons considéré des antennes isolées, c’est à dire loin du sol. Or le sol peut être généralement considéré comme un bon conducteur. La surface réfléchissante ne correspond pas tout à fait au sol mais à la nappe phréatique, qui contient beaucoup d’ions en suspension. Pour aller d’un point H à un point P, l’antenne peut emprunter deux chemins : soit elle peut aller directement de H à P, soit elle arrive en P après réflexion sur le sol. Dans ce cas, tout se passe comme si le rayon arrivant en P provenait non pas d’une antenne réelle mais d’une antenne virtuelle symétrique à l’antenne réelle par rapport à la surface réflechissante. L’onde directe et l’on,de réfléchie vont donc arriver en Q avec un déphasage dû à la différence des trajets et à un déphasage éventuel lors de la réflexion. Si le déphasage entre l’onde directe et l’onde réfléchie est proche de 0 ou de 360 degrés, les ondes se renforcent mutuellement, mais si le déphasage est proche de 180 degrés, la présence de l’onde réfléchie diminue le signal reçu.

effet_du_sol.jpg

2.3.4 Les facteurs qui réduisent les interférences Ces facteurs diminuent en fait l’intensité de l’onde réfléchie et donc les interférences :

- sol peu conducteur dans la zone ou s’opère la réflexion
- présence d’obstacles sur le trajet du chemin réfléchi

- emploi d’antennes très directives qui envoient peu d’énergie en direction du sol , ceci n’est réalisable qu’aux très hautes fréquences.

antennes19.jpg

2.4 La propagation par diffraction troposphérique

antenne8.jpeg

C’est, comme la propagation ionosphérique, un moyen de communiquer avec un correspondant au-delà de l’axe optique : si l’on pointe deux antennes très directives de façon à ce que leurs faisceaux se coupent à mi-chemin entre elles, et que l’une émet un signal puissant, l’autre antenne recevra une(très) petite partie de l’énergie émise, qui aura été diffractée par des particules dans la troposphère.

 Les fréquences les plus appropriées pour ce mode de transmission se situent vers 900, 2000 et 5000 Mhz, mais même dans ces gammes de fréquences, l’énergie captée est extrêmement faible, ce qui suppose donc des émetteurs très puissants, des antennes d’émission et de réception très directives et des récepteurs très sensibles. Les applications se concentrent surtout dans le domaine des communications à portée moyenne( 300 à 500 km) à la place de faisceaux hertziens ou de câbles coaxiaux. Pou combattre l’évanouissement, on utilise souvent la diversité spatiale.

3.La perturbation de la propagation : le bruit 

En effet, les ondes électromagnétiques sont souvent perturbées par des signaux électriques, nommés bruit, qui perturbe le signal qu’on veut traiter. Ici, on ne traitera que les bruits extérieurs au récepteur. Ces bruits se composent de : 

Antennes20.jpg

3.1 Le bruit atmosphérique

3.2 Le bruit extraterrestre

Le soleil émet des ondes électromagnétiques dans une large bande de fréquences. L’activité solaire varie de façon cyclique, avec une période d’environ 11 ans, mais aussi de façon aléatoire. Les parasites d’origine solaire peuvent donc être considérablement plus grands en période d’activité solaire intense que pendant les périodes calmes. On reçoit aussi de la Terre des ondes provenant de la galaxie( sources intenses mais localisées) et de tout l’univers. Ce bruit extraterrestre est le bruit naturel dominant au-delà de 20MHz, en dessous de cette fréquence le bruit extraterrestre est arrêté par l’ionosphère. Ci-dessous sont répertoriées les différentes sources de bruit : 

sources_de_bruit

3.3 Les bruit liés aux activités humaines 

Les sources sont diverses, elles sont liées à l’activité industrielle( moteurs, lignes haute tension, dispositifs de commutation, etc..) ou domestique ( éclairage fluorescent, gradateur de lumière, etc..) ainsi qu’aux transports : allumage des voitures, avions...). Selon la source, le bruit est continu ou impulsionnel. Ces bruits sont plus importants que les bruits naturels, principalement dans les villes. Par conséquent, lorsque c’est possible, on a tout intérêt à placer les antennes devant capter des très petits signaux loin des villes.

4.Les types de propagation pour les diverses gammes d’ondes

4.1Les ondes moyennes

antennes11.jpeg

4.2 Les ondes courtes

L’onde de sol s’atténue vite vue la fréquence élevée. La propagation se fera donc essentiellement par réflexion ionosphérique. La portée est très grande et peu sujette à l’évanouissement, elle est meilleure la nuit. A faible distance de l’émetteur, on peut capter l’onde au sol , à distance moyenne inférieure au saut, on ne peut plus cpater l’émetteur.

4.3 Les ondes ultracourtes et micro-ondes

C’est la propagation troposphérique qui est utilisée , la portée est limitée à l’horizon radio, la propagation est fiable. Pour des portées plus grandes, on peut utiliser la diffraction troposphérique.

4.4 Les autres méthodes de communication

Lorsque les types de propagation cités sont inapplicables ou insuffisants, on a recours à d’autres techniques :

- les faisceaux hertziens : entre la station d’émission et de réception sont placés une série de répéteurs qui captent le signal, l’amplifient et le réémettent vers le répéteur suivant. La propagation est de type troposphérique , les récepteurs étant suffisamment proches.

- les satellites : ou le répéteur est monté sur un satellite en orbite autour de la Terre, les fréquence utilisées sont telles que les ondes peuvent traverser l’ionosphère.

4.5 Résumé

En ondes longues et courtes, la propagation se fait essentiellement par ondes de sol et la portée atteint plusieurs centaines de kilomètres. En ondes courtes, les ondes peuvent être captées à très grandes distances par la réflexion ionosphérique. Au delà de 30 MHz, la portée des émissions est limitée à l’horizon radio.

Sources InsaLyon

Une modélisation 3D du rayonnement d’une antenne

JPEG - 64.8 ko


INSA LYON

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