propagation des ondes

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 : (Fig. 1)
-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
Fig. 1 – Différents types de propagation
On va développer ci après la
propagation superficielle et la diffraction troposphérique.
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.
2.2 La propagation ionosphérique
2.2.1 Description
Les particules ionisées
(électrons libres et ions, mais seuls les
électrons très petits et mobiles nous
intéressent ici ) se concentrent en
quatre couches : (Fig. 2)
- la couche D, de 10km
d'épaisseur, située à 70 km d'altitude,
elle est moins ionisée que les autres
couches pendant la journée et elle
disparaît pendant la nuit.
-la couche E, de 25km
d'épaisseur, située à environ 100km ,
s'atténue la nuit.
-la couche F1, de 20km
d'épaisseur, est située à 180 km pendant
la journée mais s'élève et rejoint la
couche F2 pendant la nuit
-la couche F2, d'une épaisseur
atteignant 200 km, se situe entre 250km
Fig. 2 – Couches ionisées de l’atmosphère.
et 400km pendant la journée mais se
trouve vers 300km pendant la nuit. C'est la couche la plus ionisée et c'est celle qui joue le rôle le plus important
dans les communications radio.
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 (c = vitesse de la lumière et n =
indice de réfraction du milieux traversé), 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!!
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.
Fig. 3 – Trajet de l’onde dans la propagation ionosphérique.
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
Fig. 4
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.
Le mode NVIS. (Fig. 5)
Le N.V.I.S. (Near Vertical Incidence Skywave), en Français: onde ionosphérique à incidence quasi
verticale, est un mode de propagation utilisé pour des radiocommunications locales et régionale dans la bande
des moyennes fréquences et hautes fréquences (1,6 à 12 MHz) à l’intérieur d’une zone arbitraire de 240 km
autour de l'émetteur.
Fig. 5
Ce mode de propagation des ondes radios nécessite une antenne NVIS dont le lobe de rayonnement
principal est en direction du ciel.
Les avantages des liaisons NVIS sont:
- Couvre des zones qui normalement ne reçoivent pas l'onde de sol (skip).
- L'onde arrive du ciel quel que soit le relief, on peu pratiquer le NVIS depuis le fond d'une vallée.
- Réduction du bruit, rapport signal sur bruit nettement amélioré du fait de l'angle d'incidence élevé en
réception.
- Peu sujet au "fading” (pas de problème avec les rayonnements réfléchis qui sont instables en amplitude et
en phase).
- Très facile à mettre en œuvre avec des moyens matériels limités (antenne à proximité du sol) .
- Sur la même fréquence, plusieurs réseaux radio (espacés de quelques centaines de kilomètres) ne se
brouillent pas.
-Deux stations équipées d'un tel système, dont l'angle de rayonnement est en direction du ciel, observeront,
sur la liaison, un gain et une atténuation des brouillages, soit une amélioration du rapport signal-bruit par
rapport à la même liaison réalisée à partir de dipôles conventionnels placé à une hauteur de plusieurs dizaines
de mètres.
Cependant, pour un bilan de liaison optimal, les deux stations doivent choisir la fréquence la plus propice à
cette propagation, et utiliser des antennes adaptées.
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, 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 :
D = 2⋅ R ⋅ He (Fig. 6)
R est le rayon de la Terre =
6366km;
Fig.6 – Portée d’une transmission troposphérique
Si l'antenne de réception
D = 2⋅ R ⋅ He + 2⋅ R ⋅ Hr
est à la hauteur Hr, la distance maximale pour une communication devient :
(Fig. 6)
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.
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
Fig. 7 – Réfléxion d’une onde électromagnétique sur une surface conductrice 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).
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
Fig. 8 –Trajet de l’onde directe et de l’onde réfléchie par le sol
surface réfléchissante.
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.
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.
2.4 La propagation par diffraction troposphérique
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 michemin 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 :
3.1 Le bruit atmosphérique
Il provient principalement des décharges atmosphériques dans l'atmosphère (éclairs); ces décharges
émettent des parasites dans une large bande de fréquences. Ces bruits sont particulièrement importants au
dessous de 30 MHz, au delà, ils sont plus faibles car les éclairs émettent peu d'énergie à ces fréquences. De plus,
comme la propagation se fait par onde directe pour les fréquences élevées, seuls les orages proches sont gênants.
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:
3.3 Les bruit liés aux activités humaines
Fig. 9
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
Les antennes sont verticales et près du sol, donc la propagation se fera essentiellement par onde de sol.
La propagation est stable et peu sujette à l'évanouissement. La portée dépend de la puissance de
l'émetteur et peut dépasser 1000 km.
Les réflexions ionosphériques apparaissent le nuit et des distances très grandes peuvent être réalisées, on
entend facilement des station du continent américain.
4.2 Les ondes courtes
L'onde de sol s'atténue vite vu 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 capter l'émetteur.
Pour certaines fréquences, le mode NVIS peut combler partiellement cette zone de silence.
Ce mode de propagation des ondes radios nécessite une antenne NVIS dont le lobe de rayonnement
principal est en direction du ciel
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 moyennes, 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.