ONDES

Généralités

Les ondes électromagnétiques occupent un domaine très vaste qui va des ondes radioélectriques jusqu'au rayon gamma en passant par la lumière visible.

Profitons en pour remarquer que vous êtes alors baigné par les ondes même en absence d'émission radio mais ce sont des ondes micrométriques ou nanométriques.
Donc quand on parle de la dangerosité des ondes, il faut savoir ce que l'on appelle ondes. (les UV sont des ondes dangereuses pour le corps humain mais votre chauffage infrarouge vous apporte du confort)
Les habitants d'Orly sont 24 heures sur 24 baignés par des ondes VHF,UHF,SHF avec des puissances souvent considérables ; Y a t-il plus de problème sanitaire dans cette zone ?
La quasi-totalité des essais cliniques réalisés en double aveugle, où les patients sont exposés à des champs tantôt réels, tantôt factices, ont démontré que les personne se jugeant hypersensibles étaient incapables de distinguer une exposition aux champs électromagnétiques réels d'une exposition simulée. Pour l'OMS « il existe aussi certains éléments indiquant que ces symptômes peuvent être dus à des maladies psychiatriques préexistantes, ainsi qu'à des réactions de stress résultant de la crainte inspirée par les éventuels effets sur la santé des OEM, plutôt que de l'exposition aux OEM elle-même »


Cet aparté militant terminé, intéressons nous aux ondes RADIO.

Un fil parcouru par un courant électrique génère autour de lui un champ magnétique H perpendiculaire au conducteur et un champ électrique E parallèle au conducteur.
La combinaison de ces deux champs orthogonaux, indissociables l'un de l'autre, si ils s'inversent rapidement (fil parcouru par un courant alternatif de fréquence relativement élevée) donne un rayonnement électromagnétique.
L'onde électromagnétique (pour nous radioélectrique) se propage dans l'espace dans toutes les directions autour du conducteur.

Les ondes sont polarisées, c'est le sens du vecteur champ électrique (E), qui donne le sens de la polarisation. (notre fil à droite émet en polar horizontale)
La polarisation est verticale, horizontale ou circulaire (dans ce cas, imaginez, les vecteurs orthogonaux E et H en rotation à droite ou à gauche, lors de leur déplacement (comme la balle d'un fusil à canon rayé).

Sur l'applet ci-dessous nous visualisons la propagation de l'onde émise par un fil Oz dans une direction unique.



Ci-contre le rayonnement en 3D de notre fil et une vue en coupe du rayonnement 3D.

Vous pouvez modifier l'orientation des axes X,Y,Z sur l'applet ci-contre

Les ondes se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière (célérité C = 3.10^8 m/s); Pour ce qui nous intéresse en radio, on considère que ce sera la même chose dans l'atmosphère, mais en fait cette vitesse de propagation dépend du milieu dans lequel l'onde se propage.
Dans certains cas particulier où le temps de propagation intervient dans des calculs, on devra tenir compte de la vitesse réelle de l'onde, par exemple dans le cas du GPS où l'onde ne voyage pas rigoureusement à 3.10^8 m/s entre le satellite et le récepteur GPS sur terre.
On parle des ondes en terme de fréquence ou de longueur d'onde.
La fréquence est le nombre de cycle par seconde et la longueur d'onde (exprimée en mètres), est la distance parcourue par l'onde en 1 cycle à la vitesse C.
Imaginez un lac étal et faites tomber un caillou au centre du lac.
Il se crée alors une succession de vaguelettes concentriques qui se propagent du point d'impact vers la rive.
Cela donne une image de la propagation de l'onde; la longueur d'onde (notée λ) est la distance entre deux crêtes des vagues ou deux crêtes (rouges ou bleues) des champs E et H de l'applet Java.

La relation reliant la longueur d'onde à la fréquence est : λ= C / F.

Compte tenu de l'étendue des bandes UHF et SHF, celle-ci sont divisées en sous bandes.

ONDES

Propagation
Les ondes peuvent voyager suivant plusieurs chemins plus ou moins bien suivant leurs fréquences.(Figure de droite)
Au cours de ce voyage elles sont peu ou prou affectées des mêmes phénomènes; Ceux-ci sont :

Absorption

Toutes les ondes s'atténuent naturellement lors de leur trajet dans l'atmosphère.
Une onde émise par une antenne isotrope (antenne ponctuelle virtuelle) à la puissance P0 se propage dans toutes les directions uniformément (imaginez une bulle de savon qui se gonfle).
A une distance R, la puissance P0 se répartit sur la surface P1 (densité surfacique de puissance), à la distance 2R, la puissance se répartit sur une surface 4 fois plus importante.
Un récepteur placé en un point P de la surface P2 recevra donc un signal 4 fois moins fort que placé au point P dans la surface P1.
Le signal décroit selon le carré de la distance.

Certaines ondes (UHF,SHF et VHF dans une moindre mesure) seront encore atténuées (parfois fortement) par la traversée des précipitations.
Les ondes qui voyagent par onde de ciel (rebond ionosphérique) seront atténuées lors de la traversée des couches ionosphériques.
Les ondes se propageant par onde de sol sont plus ou moins absorbée par le sol selon sa nature (meilleur propagation sur mer que sur terre) et selon la fréquence.

Réfraction

Lorsqu'une onde passe d'un milieu M1 à un milieu M2, elle change de direction.
C'est le cas bien connu de l'épuisette trempée dans l'eau, le manche parfaitement droit semble se casser à la surface de séparation eau/air.
La réfraction se produit dans les deux plans (horizontal et vertical), seule la réfraction verticale nous intéresse vraiment en radio amateurisme.
Elle a pour conséquence que les ondes VHF et au-dessus qui normalement se propagent en ligne droite jusqu'à l'horizon optique vont environ 15% plus loin par suite de la réfraction qui courbe la ligne de propagation.
Ce nouvel horizon est appelé quasi-optique.
est la formule permettant de calculer en kilomètres la portée quasi optique entre deux antennes de hauteur H1 et H2.

Dans certaines conditions météorologiques, l'atmosphère peut se comporter comme une série de prismes en optique et des réfractions successives peuvent amener l'onde VHF à se propager suivant la courbure de la Terre.
On peut alors avoir des portées considérables totalement inhabituelles en VHF, UHF.
Ce phénomène est appelé super réfraction (ducting).

Diffraction

La diffraction est la propriété qu'ont les ondes de contourner les obstacles (collines, montagnes)
Ce phénomène est mis en évidence en optique par le principe de Huygens et l'expérience des trous de Young.
L'importance du phénomène dépend de la fréquence et de la taille de l'obstacle rencontré.
Tout se passe comme si l'onde rasant le sommet des obstacles (S, Fig à droite) était rediffusée dans toutes les directions
Les ondes VLF, LF et (dans une moindre mesure)MF se diffractent bien ce qui explique leur grande portée par onde de sol

Réflexion

Les ondes se réfléchissent sur les obstacles conducteurs naturels (dont le sol) ou artificiels.
L'onde qui frappe l'obstacle sous un certain angle est appelée "onde incidente".
Si l'obstacle est réfléchissant, une onde est réfléchie sous le même angle. (loi de Descartes)
L'onde est rarement réfléchie en totalité, une partie est absorbée par le matériau réflecteur, l'onde réfléchie est donc plus ou moins atténuée.
Ce phénomène provoque des perturbations mais il est utilisé intelligemment dans le principe du radar.
L'intensité de l'onde réfléchie dépend de la taille de l'objet réflecteur, de la fréquence, de l'angle d'incidence, de la nature du réflecteur.
Pour avoir une bonne réflexion, il doit y avoir un rapport correct entre la taille du réflecteur et la longueur d'onde, c'est ainsi que les VHF,UHF et SHF rencontre très fréquemment des obstacles artificiels source de réflexions gênantes.




Nous distinguerons les réflexions sur les obstacles et le sol des réflexions ionosphériques traitées plus loin car elles n'ont pas les mêmes causes.
Ce que l'on appelle réflexion ionosphérique n'est pas à proprement parler une réflexion mais plutôt une suite de réfraction conduisant l'onde à revenir sur terre.

ONDES

Ionosphère

Ionosphère - Généralités

C'est une région de la haute atmosphère (60 à 400 Kms) renfermant des électrons libres qui va conditionner la propagation de nos ondes en HF.
Cette ionisation est cause de pertes par absorption et de réfraction ou réflexions.

Les deux principales causes d'ionisation de la haute atmosphère sont :


L'activité solaire est soumise à un cycle de 11 ans, donnant des taux d'ionisation très différents dans le temps.
Ce phénomène variable en intensité est permanent.
Les propriétés de l'ionosphère vont donc varier avec: Ce phénomène d'ionisation est plus important de jour et augmente avec l'altitude du fait de la rareté de l'air.

Ionosphère - Couches

L'ionosphère ne constitue pas un milieu homogène.
Elle est subdivisée en 3 différentes couches baptisées D, E et F.
Ces couches ont un rôle déterminant dans la propagation des ondes radioélectriques HF et au dessous.
Des perturbations difficiles à prévoir telles les éruptions solaires, orages magnétiques, aurores polaires viennent modifier ces couches

De jour la couche F se scinde en F1 et F2.
De nuit, la couche D disparaît et les couches F1 et F2 n'en forme plus qu'une.



Couche D
Comprise entre 60 et 90km.
Forte variation d'altitude entre le jour et la nuit pendant laquelle elle tend à se confondre avec la couche E.
En réalité, n'existe que le jour, cette couche réfléchît les ondes VLF et un peu le bas de la bande LF,absorbe quasiment les fréquences MF, les autres fréquences (HF et au dessus) la traversent.
Elle produit une forte atténuation de la HF jusqu'à 10 MHz.



Couche E
Comprise entre 100 et 110km.
Ionisation fortement variable selon l'éclairement solaire; forte ionisation le jour, légère persistance la nuit.
Réfléchit les ondes LF - MF et basse HF (principalement la nuit car elles sont très atténuées le jour en traversant la couche D).
Bien que normalement les VHF la traverse, dans certaines conditions de fortes ionisation on assiste à des propagations en VHF (sporadique E).



Couches F

Altitude moyenne 250km
Se dédouble le jour en une couche F1 et une autre F2
Réfléchit les ondes HF (de jour basses HF sur F1 et hautes HF sur F2) et de nuit seulement Les basses HF.

ONDES

Portée

VLF,LF et MF

Ces fréquences se propagent bien par ondes de sol car elles se diffractent bien (plusieurs centaines voir un millier de kilomètres)
La puissance d'émission (parfois des Méga watts) est le facteur important, l'onde de sol étant absorbée par le sol au cours de son voyage.
Les VLF pénètrent le sol et la surface maritime, permettant ainsi des communications avec des sous marins en immersion (quelques mètres).
Le haut de la bande MF commence à se réfléchir correctement sur les basses couches de l'ionosphère avec le coucher du soleil


HF

Les HF (jusqu'à 30 MHz)se réfléchissent sur l'ionosphère, la propagation s'effectue principalement par onde de ciel.
En fait c'est, le plus souvent, une succession de réfraction qui conduit l'onde à revenir sur Terre.
Néanmoins pour un certain indice de ionisation de la couche, elle se comporte comme un miroir, et on a bien là une véritable réflexion.
Les ondes HF se propagent aussi par onde de sol, surtout le bas de gamme mais les portées sont faibles
Lors d'une propagation par onde de ciel, la puissance revêt une moindre importance.



Il existe entre la portée maximale par onde de sol et le début de la zone où l'on reçoit par onde de ciel, une zone ou toute communication est impossible, c'est la zone de silence.
Si le rebond ionosphérique s'effectue sur une couche plus élevée de l'ionosphère, la distance couverte par l'onde de sol n'ayant pas changée alors que l'onde de ciel rebondit plus loin, la zone de silence augmente.
De même si votre onde se réfléchit sur une couche plus élevée mais que l'angle de départ de votre antenne est élevé, le rebond (skip réduira la distance de propagation
Il ressort de tout cela que vous pourrez contacter une station lointaine en fonction de :

La fréquence critique est déterminée par une onde émise verticalement dont on change la fréquence; à partir d'une certaine fréquence, il n'y a plus réflexion, l'onde traverse l'ionosphère.
On a alors déterminé la fréquence critique Fc
A partir de là, on émet avec un angle plus bas sur l'horizon (une incidence plus faible) et il arrive un moment où l'onde se réfléchit à nouveau.
On a déterminé l'angle critique (ou incidence critique Ic), c'est le plus petit angle qui permet à une onde Fc d'être réfléchie.
A partir de là, (en utilisant Fc/cos Ic), on détermine la fréquence maximale utilisable (MUF Maximum Usable Frequency).
De la même manière on détermine une LUF (Lowest Usable Frequency).
La fréquence donnant les meilleures chances de réaliser un contact se situe à 0,85% de la MUF, c'est la FOT (Frequence Optimum de Trafic) ou OWF (Optimum Working Frequency).
Il existe aussi des logiciels pour calculer tout cela, lien ici, SUPER GÉNIAL!!
VHF et au-dessus
Les VHF se propagent par onde d'espace.
Les antennes Tx et Rx doivent être en vue radioélectrique l'une de l'autre.
On a vu avec le phénomène de réfraction atmosphérique dans le plan vertical que l'horizon radioélectrique est environ 15% plus loin que l'horizon optique et que compte tenu de la hauteur des antennes au-dessus du niveau de la mer (H1 et H2), il existe une formule nous permettant de cerner la portée théorique en kilomètres entre l'émetteur et le récepteur.
Cette portée théorique suppose que la puissance rayonnée est suffisante pour donner (compte tenue de l'atténuation fonction du carré de la distance) un signal lisible à l'arrivée.
De plus ces fréquences élevées sont au fur et à mesure que l'on monte en fréquence atténuée par les phénomènes météorologiques (pluie, averse, etc..).
Nos ondes VHF et au-dessus traversent l'ionosphère et voyagent ensuite dans l'espace (heureusement sinon pas de contact depuis Mars ou la Lune).
Pour les VHF on assiste à des phénomènes de réflexion (parfois) sur les couches ionosphériques (E en particulier) ou sur des phénomènes naturels particuliers (aurore boréales, météorites) qui créent des ionisations intenses (mais de courtes durées) donnant des propagations sur de longues distances.
N'oublions pas la propagation par super réfraction (ducting) liée à des inversions de températures brièvement cité plus haut.
Des recherches sur "propagation 50 MHz" ou "sporadique E" ou "meteor scatter" ou "super refraction", etc. vous éclairerons en détail sur ces phénomènes.
On l'a déjà dit ici le but de ces rubriques n'est que d'ouvrir l'appétit et puis toute initiation demande un travail personnel !