Propagation des ondes radio - Définition et Explications

par **14RC126** Jeu 22 Déc - 0:02

Dans l'espace
Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace
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 300 000 km/s. Au bout d'une seconde, la sphère a 600 000 km de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une sphère.

Dès que l'onde électromagnétique s'est suffisamment éloignée de sa source (à une distance de l'ordre de la longueur d'onde), on peut la considérer comme constituée par l'association d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H. Ces deux champs oscillants sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à 377 ohms. La connaissance de l'un entraine la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit en général l'amplitude de l'onde par l'amplitude de son champ électrique.

Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura parcouru une distance notée lambda et 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.

On appelle polarisation d'une onde radio la direction du champ électrique. Par exemple, une antenne filaire verticale émettra une onde polarisée verticalement, c'est-à-dire avec un champ E vertical. Mais on peut trouver des ondes dont le sommet du vecteur E décrit une ellipse: La polarisation est elliptique. Une onde à polarisation elliptique peut être considérée comme la superposition des deux ondes "linéaires" polarisées à 90° l'une de l'autre.

par **14RC126** Jeu 22 Déc - 0:04

Variations du champ électrique
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. Dans ce cas, la puissance transportée par l'onde par unité de surface est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source.( dès que l'on atteint une distance dite de Fraunhofer) Le champ électrique de l'onde est, lui, inversement proportionnel à la distance: le champ est divisé par deux si on se trouve deux fois plus loin. Pour calculer le champ à une distance D de l'antenne, il est important de définir si E désigne l'amplitude maximale du champ , ou bien la valeur efficace du champ. Il faut également définir l'antenne : doublet électrique élémentaire, dipôle demi-onde, antenne isotrope,etc..

Si P est la puissance ( non modulée) appliquée à un doublet électrique élémentaire, la valeur maximum du champ électrique E rayonné en un point situé à une distance D de cette antenne, perpendiculairement à l'antenne (sens du vecteur de Poynting), est donnée par la relation :

Eo=\frac{\sqrt{k P}}{D}~

avec k = 90

Eo en V/m; P en W; D en m.

(Voir bibliographie : Goudet)

Ainsi, une puissance de 10W appliquée à ce doublet produira un champ d'amplitude maximum de 1 mV/m à une distance de 30 km, ce qui, en radioélectricité, n'est pas un champ négligeable.

Si on considère non plus un doublet électrique élémentaire ( qui n'a pas d'existence réelle) mais un dipôle demi-onde, le coefficient k sera égal à 98. Si on considère une antenne isotrope ( voir ci-dessous) , alors k = 60.

On utilise souvent, notamment en CEM, le concept d'antenne isotrope. Les calculs de champ sont d'abord effectués en fonction de l'antenne isotrope. On corrige ensuite le calcul en tenant compte du gain réel , en dB/iso, de l'antenne. Si on considère une source isotrope rayonnant une puissance P ( on dit alors que P est la P.I.R.E.), et si on considère le champ efficace (champ max divisé par racine de 2) alors on a la relation suivante :

Eeff=\frac{\sqrt{30 P}}{D}~

Ainsi, une puissance non modulée de 10 W appliquée à une antenne isotrope produira un champ E efficace de 5,7 V/m à une distance de 3 m.

Toutes ces relations ne sont valables que pour D suffisamment grand, dans la zone dite zone de Fraunhofer des éléments rayonnants. Cette zone commence à une distance de l'ordre de la longueur d'onde pour les antennes petites , mais peut être nettement plus éloignée pour les antennes à fort gain.

Dans les conditions réelles de propagation, on aura presque toujours des obstacles à proximité du trajet de l'onde, ou des éléments qui pourront provoquer des réflexions. En particulier, comme la terre est ronde, il y aura toujours une distance à laquelle la source d'émission n'est plus en visibilité de l'antenne de réception. Par exemple, en terrain plat, si les antennes d'émission et de réception sont distantes de 30 km, il faudra qu'elles soient à 15 mètres au-dessus du sol pour obtenir la visibilité optique . Et même dans ce cas, il y aura déjà une atténuation aux fréquences basses, du fait que l'ellipsoïde de Fresnel n'est pas dégagé aux fréquences basses.

Il faudra alors compter sur le phénomène de diffraction pour recevoir un signal, à moins que l'on soit dans le cas de réflexions ionosphériques (voir plus loin).

Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimale 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 taux d'erreur requis pour la transmission.

Atténuation entre deux antennes
Dans le cas de la propagation en espace libre, c'est-à-dire ellipsoïde de Fresnel dégagé, et si les deux antennes ont même polarisation, il est possible de connaître le niveau de puissance reçu par une antenne de réception , en fonction de la distance à l'antenne d'émission et de la puissance de l'émetteur. Si l'antenne d'émission et l'antenne de réception sont isotropes ( gain 0db iso) , l'atténuation entre les deux antennes est:

A = 22dB + 20 log ( D/ lambda)

Par exemple, si une antenne isotrope reçoit de la part de l'émetteur une puissance PE de 10 W, à une fréquence de 150 MHz, on peut calculer ce que recevra une autre antenne isotrope placée à 1km:

lambda = 2m

PE = 10 w = 40 dBm

A= 22dB +20 log ( 1000/2) = 76 dB

PR = 40 dBm - 76 dB = -36 dBm

Ces formules avec l'antenne isotrope hypothétique permettent les calculs avec des antennes réelles, en tenant alors compte du gain /iso de celles -ci

par **14RC126** Sam 6 Jan - 9:20

Les prévisions ne prennent pas en compte les phénomènes instantanés ou ceux qui seront connus à posteriori, comme l’ionisation des couches de l’ionosphère. L’angle de propagation de l’onde et les caractéristiques électriques des milieux qu’elle va traverser resteront inconnus. Vouloir établir un bilan de liaison va nous conduire à un ensemble complexe d’équations et nous serons obligés de faire des approximations et d’envisager des cas simplificateurs.
Mais il est intéressant de connaître quelques aspects ou phénomènes particuliers qui nous permettront de mieux comprendre certaines conditions de propagation.
Entre 50 et 400 km les célèbres couches D, E, F1 et F2. L’ionisation de ces couches, et notamment des couches F, permet des liaisons à grandes distances par réfraction ou réflexion des ondes courtes.
Parmi les causes d’ionisation de ces couches, la principale est l’effet photoélectrique dû au rayonnement solaire dans les ultraviolets.
L’activité solaire (nombre de taches) et la densité gazeuse déterminent un nombre d’ions par unité de volume qui varie avec l’altitude et la position du soleil. Cette activité solaire est cyclique et sa période est voisine de 11 ans.
Au-dessus de 1000 km d’altitude la magnétosphère avec, entre 5000 et 15000 km la ceinture de radiations de VAN ALEN, qui est une zone agressive pour tous les matériels électroniques embarqués sur les satellites, est peu intéressante pour la propagation des ondes courtes.
Celles qui atteindront cette région seront perdues car elles ne reviendront jamais à une station terrienne.
La propagation d’une onde radioélectrique dépend des caractéristiques de cette onde (longueur, angle d’attaque du milieu) et des caractéristiques électriques du milieu (permittivité, conductivité, indice de réfraction et ionisation).
Les ondes de fréquence égale à quelques dizaines de kHz peuvent se propager dans le sol. Des mesures montrèrent que les ondes moyennes se propagent, jusqu’à quelques centaines de km de l’émetteur, en s’affaiblissant avec l’éloignement, principalement en suivant la surface du sol et sont appelées des ondes « de sol ». Pour des ondes de fréquences < 30/60 MHz, le principal mode de propagation passe par la réfraction dans l’ionosphère, sur les couches D et parfois E si F< 300 kHz et sur la couche F2 si 3< F <30 MHz.
Les ondes de fréquence > 30/60 MHz traversent l’ionosphère.
Pour avoir une idée des possibilités de réception ou d’émission à un moment donné, il est nécessaire de connaître les principes fondamentaux de la transmission des ondes courtes.
En plein jour, il se forme dans l’ionosphère, à différentes altitudes, les couches ionisées D (à 70 km), E (à 100 km), F1 (à 200 km) et F2 (à 350-400 km). Après le coucher du soleil,

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REPARTITION DE L’ATMOSPHERE TERRESTRE
L’atmosphère qui entoure notre planète est divisée en trois grandes régions, dont deux influencent particulièrement la propagation radioélectrique des ondes courtes.
La troposphère, d’altitude maximum 50 km est la partie basse de cette atmosphère qui, comme nous le verrons par la suite, influence la propagation des ondes et conduira à définir un horizon radioélectrique supérieur à l’horizon optique.
L’ionosphère est située à une altitude comprise entre 50 et 1000 km, avec rayonnement ultraviolet disparaît ainsi que l’ionisation qu’il provoque ; seule la couche F2 se maintient plus ou moins jusqu’au jour suivant. A certaine époque, la nuit la couche E se maintient avec un très fort niveau d’ionisation. Elle est alors appelée E sporadique.
On admet que cette couche est due à des pistes ionisées de météores et de météorites pénétrant dans l’atmosphère et à un effet de frottement entre des vents très violents, qui soufflent parfois dans des directions opposées à l’altitude de la couche E. Cette couche n’offre d’intérêt pratique que pendant des périodes à faible activité solaire.
Lorsqu’elle existe, des fréquences notablement supérieures à la MUF de la couche F2 peuvent être réfléchies, de sorte qu’elle remplit les fonctions de la couche F2. L’ionisation de la couche F2 dépend directement du rayonnement solaire incident.
Une forte irradiation du soleil provoque une couche épaisse ou fortement ionisée, qu’une onde a peu de chance de traverser. Elle réfléchira les ondes très courtes (10 à 16 m). Pendant la nuit, l’irradiation de la couche cesse, le degré d’ionisation diminue et la couche devient plus faible et seules les ondes plus longues (30 à 50 m) sont encore réfléchies.
On parle alors d’ondes de jour ou ondes diurnes et d’ondes de nuit ou ondes nocturnes. Si la fréquence à utiliser pour établir une liaison dépend de l’heure du jour ou de la nuit, elle est aussi fonction de la saison, la position du soleil par rapport à la terre étant différente l’été de l’hiver.
Le soleil se trouve à la verticale de l’équateur le 21 mars et le 22 septembre, le 21 juin il est à la verticale du tropique du Cancer et le 21 décembre au-dessus du tropique du Capricorne.
Il est donc normal que l’hiver, l’ionisation de la couche F2 soit supérieure dans l’hémisphère Sud et l’été dans l’hémisphère Nord. Un autre facteur qui influence la liaison entre un émetteur et un récepteur, est leurs positions l’un par rapport à l’autre. Le trajet de l’onde entre eux détermine si on doit parler d’onde diurne ou d’onde nocturne et s’il existe une transition jour nuit.
Pour des fréquences utilisant plus particulièrement la couche F2, on orientera l’antenne directive de telle manière que l’onde se propage au maximum en zone de jour, pour bénéficier d’une ionisation plus importante le jour que la nuit.
Il est donc important de connaître la position de la transition jour nuit (ligne grise).
Si le maximum d’activité solaire apparaît comme une condition bénéfique à la réfraction des ondes sur les couches de l’ionosphère, dans certains cas, il peut provoquer des phénomènes particuliers d’effet inverse. Lors d’une grande activité solaire, des éruptions de la chromosphère peuvent engendrer des « tempêtes magnétiques » modifiant brusquement le champ magnétique terrestre et par conséquent les conditions de propagation des ondes.
Ces « tempêtes magnétiques » se rencontrent le plus souvent dans les régions polaires, durant les mois d’hiver, et sont accompagnées d’aurores boréales. Dans ce cas, la réception des signaux est faible voire nulle, et le S-mètre ne dévie que grâce à un bruit intense.
Ce phénomène est dû au rayonnement, en direction de la terre, par le soleil de particules chargées qui sont déviées par le champ magnétique terrestre vers les pôles en provoquant de fortes perturbations. Il se forme également un courant circulaire autour de la terre, qui modifie le champ magnétique terrestre en provoquant l’ionisation de la couche E.
Une autre conséquence de cette forte activité solaire sont les brusques perturbations ionosphériques (sudden ionospheric disturbances ou SID) provoquées par une grande quantité d’ultraviolets libérés pendant les éruptions. Ils augmentent considérablement l’ionisation et principalement de la couche D, qui présente alors une forte absorption aux ondes devant être réfractées par la couche F2. Après quelques heures, l’ionosphère revient lentement dans un état permettant de bonnes conditions de réception.
Enfin, le bruit sous ses différentes formes est un élément pouvant perturber la réception. Il peut se repartir en trois grands groupes qui sont le bruit atmosphérique, le bruit cosmique et le bruit industriel produit par l’homme.
Le bruit atmosphérique est dû principalement aux couches orageuses et à l’électricité statique. De source extraterrestre, le bruit cosmique dont on suppose que la cause provient de diverses nébuleuses qui entourent la voie lactée. L’une des sources la plus puissante est la constellation du Scorpion.

par **14RC126** Sam 6 Jan - 9:28

PROPAGATION A PROXIMITE DE L’ANTENNE
L’affaiblissement de propagation en espace libre entre deux antennes est fonction de la distance (d) qui les sépare et de la longueur d’onde (λ) suivant la formule : (d en m, F en MHz et A0 en dB) Dans le tableau N°1 l’affaiblissement est calculé à différentes distances et plusieurs fréquences. On pourra rapidement calculer une autre valeur d’affaiblissement en sachant que, lorsque la fréquence ou la distance sont doublées, il faut rajouter 6 dB.
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On considère que la propagation est en espace libre si, dans le premier ellipsoïde de FRESNEL, il n’existe aucun obstacle de quelque nature que ce soit. Le premier ellipsoïde de FRESNEL est celui qui a pour foyers les deux antennes (émission, réception) et tel que la somme des distances d’un point de l’ellipsoïde aux antennes dépasse d’une demi-longueur d’onde la distance entre ces deux antennes (voir figure n°3), soit : Le rayon de l’ellipsoïde en un point quelconque est donné par l’équation suivante : r dd d d = + ( ) λ.. / / 12 1 2 1 2
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Dans la zone proche des antennes, la formule se simplifie ; à la verticale des antennes, le rayon est pratiquement égal à λ/2 et si d1<Prenons comme exemple λ = 10 m, d1 = 100 m et d2 = 10 km alors r =31.6 m, cela signifie qu’à une distance de 100 m de
l’antenne dans un rayon de 31.6 m, il ne doit exister un quelconque obstacle (maison, forêt, colline, sol, etc.).
Cette condition n’est jamais obtenue pour des ondes décamétriques et
plus longues, il y aura donc toujours des obstacles dans le premier ellipsoïde de FRESNEL. Il faudra ajouter à l’affaiblissement en espace libre celui dû à ces obstacles.
L’un des obstacles proches de l’antenne est le sol, dont le comportement de l’onde vis à vis de cet obstacle influe sur le diagramme de rayonnement de l’antenne. Un milieu est caractérisé par sa constante diélectrique relative (permittivité) εr,
sa constante magnétique relative (perméabilité) µr qui est égale à 1 dans un milieu non magnétique et sa conductivité σ.
La propagation des ondes dans un milieu dépend de sa conductivité. Si σ = 0 le milieu est un parfait isolant et l’onde se propage sans atténuation, si σ est faible l’onde se propage avec une atténuation exponentielle en fonction de la distance de pénétration et pour σ très grand l’onde pénètre peu dans
le milieu et l’atténuation est très grande. L’influence du sol dépend donc de ses caractéristiques électriques et de la longueur d’onde utilisée.
Lorsque le sol est éclairé par une onde,il se propage un courant de conduction et un courant de déplacement, l'un pouvant être prépondérant par rapport à l’autre

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en fonction de la fréquence. Pour une fréquence basse et une conductivité du sol élevée tel que : le courant de conduction l’emporte et le sol se comportera
comme un conducteur. On dira qu’il a un comportement « métallique ». Si la fréquence est élevée et la conductivité faible tel que :
60σλ ε . << le courant de déplacement l’emporte et le sol se comporte comme un diélectrique. On dira qu’il a un comportement « vitreux ».
Dans la zone intermédiaire le sol se comporte comme un « semi-conducteur ». La fréquence séparant ces deux comportements et donnée par la formule : avec F0 en MHz Le tableau n°2 donne, pour des fréquences inférieures à30MHz, les caractéristiques électriques de différents sols et la fréquence F0 associée.
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Tous calculs faits pour des fréquences <30MHz, on constate que les cinq premiers types de terrains se comportent plutôt comme un diélectrique ou un « semi-conducteur » et l’eau de mer comme un plan métallique.
Une conséquence, de ce comportement des sols, est que le diagramme de rayonnement des antennes, dans cette bande de fréquences, sera plus proche de celui d’une antenne isolée dans l’espace que celui d’une antenne avec plan réflecteur. Dans le cas de deux antennes de hauteurs h1 et h2 séparées par une distance d, l’onde reçue par l’antenne réceptrice est la somme vectorielle du champ de l’onde directe et du champ de l’onde réfléchie comme le montre la figure n°4.
Cette onde résultante est appelée onde d’espace.
Pour un sol et une fréquence déterminés, les variations de h1, h2 et d peuvent donner par rapport à l’espace libre soit un gain de 6dB soit un affaiblissement approchant dans certaines conditions 20dB, alors que la liaison est dégagée de tout obstacle. Cette variation n’est pas purement théorique, elle peut se rencontrer dans le cas d’une liaison entre une station terrestre et un bateau où le point de réflexion sera modifié par la hauteur des vagues. Lorsque le sol pénètre de façon importante dans le premier ellipsoïde de FRESNEL, comme c’est le cas pour les ondes décamétriques, l’angle d’incidence devient faible et l’atténuation totale de la liaison est donnée par l’équation : (AT en dB, d en Km et h1 et h2 en m) Elle tient compte de l’atténuation en espace libre et de celle dû à l’obstacle représenté par le sol.

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Propagation des ondes radio - Définition et Explications

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