Phénomènes d'optique et propagation des ondes

par **14RC126** Ven 20 Nov - 18:20

Pour comprendre les phénomènes de propagation des ondes radio tant en espace libre que dans l'environnement complexe d'une cité ou d'une vallée de montagne, il est important d'avoir quelques notions sur le comportement d'une onde électromagnétique en présence d'un obstacle, d'un changement de milieu de propagation...

La lumière se propage en ligne droite

Cette affirmation n'est vraie que dans un milieu de propagation homogène et isotrope, c'est à dire dans lequel la vitesse de propagation de l'onde que constitue le rayon lumineux est constante quelque soit la direction.
Dans le vide la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique comme la lumière est égale à :
c = 299 792,458 km/s.
Dans l'air cette vitesse est légèrement plus faible mais c'est dans d'autre milieux transparents comme l'eau, le verre que l'on trouve des vitesses de propagation nettement plus faibles :
- dans l'eau : 225 500 km/s
- dans le verre : 200 000 km/s
Cas des ondes radio
Comme pour la lumière, les ondes radio se propagent à des vitesses variant en fonction du milieu, ou plutôt de l'indice de réfraction de ce milieu.

La réflexion

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Le rayon lumineux rencontre la surface réfléchissante (miroir, plan d'eau) avec un angle d'incidence i ; il est renvoyé dans le même plan avec le même angle
- Si la surface n'est pas totalement réfléchissante, une partie du rayon sera absorbée.
- Si la surface n'est pas parfaitement lisse, la réflexion peut s'accompagner d'une diffusion.
Cas des ondes radio :
Le phénomène de réflexion est très courant sur VHF et il est bien connu des amateurs de radiogoniométrie .
Sur décamétriques, il s'agit plutôt de réflexions sur le sol et sur les couches de l'ionosphère.
Si le sol est mauvais conducteur la réflexion peut être médiocre et les pertes importantes.
La figure ci-contre montre un signal émis par E et parvenant à R après une réflexion sur une couche ionisée. Sous certains angles, la réflexion modifie la polarisation de l'onde.

La diffusion

[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Un verre dépoli (m), une nappe de brouillard, dispersent le rayon lumineux en une infinité de rayons partant dans toutes les directions, y compris vers l'arrière (rétrodiffusion)

Cas des ondes radio :
Le phénomène de diffusion se rencontre dans de nombreuses circonstances mais surtout sur THF, au dessus de 30 MHz :
- diffusion ionosphérique due à l'ionisation brève causée par la chute de météorites.
- diffusion troposphérique et sur la pluie (rain-scatter)
- diffusion sur les zones ionisées des aurores polaires
Une réflexion s'accompagne souvent de diffusion quand la surface réfléchissante n'est pas parfaitement plane et lisse.
Sur la figure, le signal émis par E est diffusé par une région ionisée située à très haute altitude

La réfraction

Tout le monde connaît le phénomène optique du bâton qui paraît cassé quand on le plonge dans un seau d'eau. Un rayon lumineux qui frappe la surface d'un plan d'eau pénètre dans l'eau en changeant de direction. L'angle de réfraction i2 dépend de l'angle d'incidence i1 mais aussi de l'indice de réfraction n1 du milieu correspondant à i1 (ici : l'air) et de l'indice de réfraction n2 (l'eau, dans notre cas). La formule qui lie les uns et les autres est la loi de Descartes :	[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]

L'indice de réfraction est toujours supérieur à celui du vide qui a une valeur de 1.

La vitesse de propagation de l'onde que représente la lumière dépend du milieu de propagation.
L'indice de réfraction est le rapport :
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où c est la célérité de la lumière, environ 300 000 km/s

Exemples d'indices de réfraction

milieu	n
vide	1
air	1,000277
eau	1,333333
alcool éthylique	1,362
glycérine	1,473
verre	1,5 à 1,78
diamant	2,4173

Cas des ondes radio
Le phénomène de réfraction est très important pour la propagation à grande distance que ce soit sur décamétriques ou sur VHF. La variation d'indice de réfraction est rarement brutal comme dans l'expérience du bâton dans le seau d'eau, le trajet d'une onde radio s'incurve au fur et à mesure des variations d'indices de réfraction (entre 0 et 1) dans la troposphère ou l'ionosphère.

Absorption

L'intensité d'un rayon lumineux est affaibli lorque celui-ci traverse un nuage de poussière ou une vitre sale. Il en est de même avec les ondes radios qui sont atténuées lorsqu'elles traversent la couche D dans l'ionosphère (ondes décamétriques) ou un rideau de pluie (hyperfréquences).