TP - Transmission d`ondes hertziennes - Physique

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Thème 3 : Habitat Chapitre 1
TP - Transmission d'ondes hertziennes
Les ondes électromagnétiques et en particulier les ondes radio sont essentielles pour les télécommunications. Dans ce TP on va s'intéresser à la
manière dont fonctionne l'émission et la réception d'un signal radio.
Objectifs du TP
 Revoir les notions abordées au 1er trimestre sur les ondes électromagnétiques ;
 Comprendre comment fonctionne la transmission (émission puis réception) d'ondes hertziennes ;
 Relier qualitativement le champ électrique d'une onde électromagnétique en un point à la puissance et à la distance de la source.
 Comprendre le principe de la modulation d'un signal analogique.
I - Rappel sur les ondes électromagnétiques
Dans tout ce TP, on prendra pour valeur pour la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide : c = 3,00.108 m.s-1.
1. En utilisant le document 1, déterminer à quel intervalle de fréquences appartiennent les ondes radio, appelées aussi ondes hertziennes.
2. En déduire l'intervalle de longueur d'onde correspondant aux ondes radio.
3. Compléter le schéma ci-dessous représentant une onde électromagnétique plane harmonique (= monochromatique).
a. en indiquant le vecteur unitaire
u
donnant la direction de propagation de l'onde,
b. en repassant en rouge les vecteurs champ magnétique et en bleu les vecteurs champ électrique,
c. en indiquant la distance représentant une longueur d'onde λ.
d. en faisant ressortir les éventuels angles droits au niveau du plan contenant M qui est matérialisé sur le dessin.
4. Expliquer ce qu'est une onde transversale et indiquer pourquoi les ondes électromagnétiques sont transversales.
II - Émission et réception d'une onde radio
Tout conducteur parcouru par des courants variables rayonne des ondes électromagnétiques hertziennes : c'est sur ce principe que repose la
transmission d'ondes hertziennes. Pour émettre des ondes électromagnétiques hertziennes on utilise une antenne à l'intérieur de laquelle les
électrons oscillent et émettent une onde électromagnétique.
Aller sur physique-chimix.fr / terminale STL / thème 3 - chapitre 1. Lancer la simulation : "Principe de la transmission d'ondes hertziennes".
Réglages :
 Type d'affichage du champ : Courbe avec vecteurs
 Signification du champ : Champ électrique
 Champ affiché : Champ rayonné
 Transmettre le mouvement : Oscillant
 Curseur "Fréquence" : au milieu ; Curseur "Amplitude" : au milieu.
5. A partir de la simulation et sachant qu'une charge électrique q située en un point où règne un champ électrique
t)E(M,
subit une force
t)E(M,q.F
, expliquer comment fonctionne la réception d'une onde radio.
6. Indiquer quelle grandeur de l'onde électromagnétique hertzienne n'est pas représentée sur la simulation.
7. Indiquer comment varie la longueur d'onde λ si l'on modifie la fréquence des oscillations de l'électron sur la simulation. Cela est-il cohérent
avec vos connaissances sur les ondes électromagnétiques ? Justifier.
8. Cocher les réponses justes :
L'électron de l'antenne réceptrice oscille à une fréquence moins importante que celui de l'antenne émettrice.
□ Vrai
□ Faux
Si la fréquence des oscillations des électrons dans l'antenne servant à la transmission augmente, la fréquence
des oscillations des électrons dans l'antenne réceptrice est affectée instantanément.
□ Vrai
□ Faux
L'onde électromagnétique générée par l'antenne de transmission produit des courants électriques dans
l'antenne réceptrice.
□ Vrai
□ Faux
Si l'amplitude des oscillations des électrons dans l'antenne servant à la transmission augmente (la fréquence
restant la même), les électrons dans l'antenne réceptrice subissent des forces dont l'amplitude augmente.
□ Vrai
□ Faux

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Pour transmettre une onde radio, on a donc besoin d'une antenne. Ici le signal que l'on va transmettre par ondes radio est très simple : on va faire
osciller les électrons de l'antenne émettrice en la branchant à un GBF délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 400 Hz.
 Brancher un fil électrique long de plusieurs dizaines de centimètres à un GBF et accroché à une potence.
 Relier le GBF à Orphy (entrée EA0) ainsi qu'à la masse.
 Relier un fil à une deuxième potence située à environ 10 cm de la première potence et le connecter à l'entrée EA1 de l'interface Orphy.
Réglages pour Orphy :
 Utiliser les entrées différentielles EAD0+ et
EAD1+
 Connecter la borne noire du GBF à 0 V à côté
d’EAD0+.
 Choisir un mode de fonctionnement temporel
 Prendre environ 500 points d’acquisition
 Choisir une durée d’affichage permettant de
voir au moins 3 ou 4 périodes.
 Pour le réglage des voies d’acquisition, activer
deux voies d’acquisition : les voies EAD0 diff
Prise G et EAD1 diff Prise H.
 Visualiser simultanément les deux courbes.
9. Déterminer la période T du signal émis en tachant d'être le plus précis possible puis en déduire sa fréquence et sa longueur d'onde.
10. Expliquer quel est le rôle des deux potences.
11. Déterminer expérimentalement si la fréquence du signal reçu est différente de la fréquence du GBF.
12. Modifier l'écartement des deux antennes et noter vos observations.
13. En s'aidant du document 2 et ce que vous avez fait précédemment avec la simulation, proposer une explication.
III - Modulation d'un signal radio
14. Lire le document 3 et donner trois raisons expliquant pourquoi on module un signal pour le transmettre.
15. À l'aide du document 3 et du document 4, déterminer la gamme de fréquence à choisir pour la porteuse afin que l'émission d'un son par voie
hertzienne puisse être reçue sur un poste de radio Grandes Ondes (GO).
16. Réaliser le montage ci-dessous permettant d'émettre le son d'un module musical.
Source : « Radio » par Stefan Kühn — Travail personnel.
Sous licence CC0 via Wikimedia Commons
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Radio.jpg#mediaviewer/File:Radio.jpg
Appeler l'enseignant.
17. Visualiser sur un oscilloscope le signal délivré par le GBF ainsi que celui délivré à l’antenne et déterminer à l’aide du document 3 de quel type
de modulation il s’agit. Pour afficher correctement votre signal effectuer le déclenchement (trigger) sur le signal de la porteuse.

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Document 1 : Spectre des ondes électromagnétiques
Document 2 : Puissance d'une onde électromagnétique
Une onde électromagnétique transporte de l'énergie. La puissance volumique transportée par une onde électromagnétique en un point de
l'espace est proportionnelle au carré de l'amplitude du champ électrique. La diminution de la puissance volumique transportée par l'onde est
associée à une diminution de l'amplitude du champ électrique. Cette diminution peut être due à deux choses.
 Elle peut être due à la présence de milieux absorbant l'onde sur son trajet.
 Elle peut être aussi due à l'éloignement entre l'endroit où on mesure le champ électrique et le point où est situé la source de
rayonnement.
Supposons qu'on puisse se placer dans la situation idéale suivante :
 Sans obstacle absorbant l'onde électromagnétique,
 Avec une source de rayonnement isotrope, c'est à dire une source dont la puissance rayonnée serait répartie de façon équivalente dans
toutes les directions de l'espace.
Dans ce cas, pour que la conservation de l'énergie soit assurée, il faut que le champ électrique ait une amplitude qui variant de manière
inversement proportionnelle à la distance.
Ainsi si l'on note
 E(d) l'amplitude du champ électrique
 d la distance entre le point où l'on mesure la puissance volumique de l'onde électromagnétique et la position de la source,
on aurait :
E(d) =
d
1
α
avec k un coefficient de proportionnalité.
Document 3 : Modulation d'un signal pour le transmettre
Les informations que l'on transmet par ondes hertziennes (paroles, musiques, images ….) correspondent à des signaux dont les fréquences sont
de l'ordre du kilohertz ([20 Hz – 20 kHz] pour les ondes sonores) : ce sont des ondes « basses fréquences ». Utiliser des ondes hertziennes pour
transmettre des informations ayant ces fréquences, présente de nombreux inconvénients.
Tout d'abord, pour les transmissions en espace libre, il faut utiliser une antenne pour transformer le signal en une onde électromagnétique
rayonnée dans l’espace libre. Pour que l'antenne soit la plus efficace possible, il faut qu'elle soit résonnante. Concrètement, cela signifie qu'il faut
que la dimension de l’antenne soit de l’ordre de λ/4 ou λ est la longueur d’onde de l'onde rayonnée. Pour une onde sonore cela donne des
antennes qui devraient avoir des tailles de l'ordre du km ! Ceci est technologiquement très peu pratique.
Par ailleurs, le signal transmis risque d'être perturbé par d'autres sources de rayonnement. Le courant électrique alternatif délivré par EDF a en
effet une fréquence de 50 Hz, ce qui génère des rayonnements parasites.
Enfin, si l'on utilisait uniquement la bande de fréquence correspondant aux kHz, on ne pourrait transmettre que peu d'informations sous peine
que les signaux soient brouillés. Mieux vaut donc exploiter toute la largeur du spectre des ondes hertziennes en transmettant le signal non pas
directement à la fréquence du signal contenant les informations, mais en transposant le signal à de plus hautes fréquences. Cela s'appelle
moduler le signal à transmettre.
Le principe de la modulation consiste à transformer le signal à transmettre de manière à ce que sa forme soit adaptée au canal de transmission.
Pour cela, on utilise une onde sinusoïdale de haute fréquence appelée porteuse dont on va modifier une des caractéristiques (l'amplitude, la
fréquence ou la phase) avec le signal contenant l'information à transmettre.
.../...

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Par exemple, comment faire si on veut transmettre un signal très simple, une sinusoïde de basse fréquence : s(t) =
).2cos(. tfA s
, en modulant
l'amplitude de la porteuse ? D'abord, on choisit une porteuse de plus haute fréquence: sp(t) =
).2cos( tfU pp
avec fp > fs.
Signal à transmettre
Porteuse
Moyennant un peu d'électronique, on multiplie notamment les deux signaux et on obtient un signal du type
On parle de modulation d'amplitude.
L'information à transmettre est contenu ici dans l'enveloppe du signal. Le signal modulé est bien un signal de haute fréquence.
Lorsqu'on fait de la modulation de fréquence, l'information du signal à transmettre est contenu dans la fréquence instantanée du signal. Si le
signal transmis est un sinusoïde, le signal modulé ressemblerait à cela :
Document 4 : Utilisations de certaines fréquences du spectre radiofréquence
Appellation
Fréquences
Longueurs d'onde
Quelques utilisations
VLF (Very low frequency)
3 kHz à 30 kHz
100 km à 10 km
Communication avec les sous-marins, implants médicaux
LF (Low frequency)
Grandes ondes
Ondes kilométriques
30 kHz à 300 kHz
10 km à 1 km
Radionavigation, Radiodiffusion GO (Grandes ondes), Radio-
identification
MF (Medium frequency)
Ondes moyennes
300 kHz à 3 MHz
1 km à 100 m
Radio AM, Service maritime, Appareil de recherche de
victimes d'avalanche
HF (High frequency)
Ondes courtes
3 MHz à 30 MHz
100 m à 10 m
Organisations diverses, Militaire, Radiodiffusion, Maritime,
Aéronautique, Radioamateur, Météo...
VHF (Very high frequency)
Ondes ultracourtes
30 MHz à 300 MHz
10 m à 1 m
Radio FM, Aéronautique, Maritime, Radioamateur,
Gendarmerie nationale, Pompiers, SAMU, Réseaux privés,
taxis, militaire, Météo,...
UHF (Ultra high frequency)
300 MHz à 3 GHz
1 m à 10 cm
Réseaux privés, militaire, GSM, GPS, Wi-Fi, Télévision,
Radioamateur, etc
SHF (Super high frequency)
Ondes centrimétriques
3 GHz à 30 GHz
10 cm à 1 cm
Réseaux privés, Wi-Fi, Micro-onde, Radiodiffusion par
satellite (TV), Faisceau hertzien, Radar météorologique,