La lune comme réflecteur...

Et oui les radioamateurs utilisent de plus en plus la lune comme réflecteur des ondes radio, finalement elle devient un miroir.

Enfin, une utilisation "radio" et inattendu de notre satellite naturel !

Peu de bandes de fréquence offrent autant de possibilités de liaisons variées et intéressantes que la bande 2 mètres: aurores boréales, Météor Scater (réflection des ondes sur les traînées de météorites) et tropo (réflections des ondes radio sur les couches de la haute atmosphère) par exemple. La lune comme réflecteur des ondes radio, se nomme l'EME. Cependant l'EME est l'un des modes les plus fascinants et les plus exigeants sur le plan technique, il est possible avec des moyens étonnamment modestes.

Plus besoin de point haut.

Même si le trafic EME peut paraître difficile au premier abord, il offre malgré tout quelques avantages par rapport aux autres types de communication :
Indépendance de l'activité solaire ou d'autres manifestations troposphériques.
Les stations en vallée profitent du faible niveau de bruit et ont presque les mêmes possibilités de trafic que celles bien situées pour le dx. Cela vaut donc la peine de s'intéresser à cette technique. Une autre expérience personnelle : la plupart des « DXeurs tropo » bien équipés se situent tout juste en-dessous des conditions techniques requises par le trafic EME. Certains pourront donc peut-être améliorer ou compléter leur équipement pour être à même d'y participer. À l'heure actuelle, on dénombre, de par le monde, plus de 500 stations capables de faire de l'EME sur 2 mètres ; et chaque jour ou, presque, on peut en contacter, ou en entendre, au moins une.

Terre et Lune

La lune sur son orbite elliptique modifie continuellement sa distance à la terre selon un cycle de 14 jours et ne montre pas toujours le même visage (libration). Entre les deux distances extrêmes (363 000 et 405 000 km), les petites installations remarqueront « sensiblement » les 2 dB de différence. I'effet Faraday - on entend par là la rotation que subit la polarisation du signal en quittant l'ionosphère et en y pénétrant à nouveau - provoque des pertes de champ beaucoup plus importantes qui peuvent aller, selon les trajets, jusqu'à l'extinction. Mais cela n'est pas si tragique puisque toute station EME éclaire la Lune selon une polarisation associée à sa position ; ainsi au cours d'un « jour » ou d'une « nuit » lunaire, pour tout point sur la terre, la perpétuelle variation angulaire fait que, vue d'un autre point terrestre, la polarisation sera, en première approximation, tantôt correcte tantôt fausse. Ainsi la rotation de Faraday améliore, ou dégrade, les conditions courantes, mais, en moyenne, elle n'est ni négative ni positive. La chose ne sera désagréable que si la rotation est conforme dans un sens et accidentellement décalée de 90' dans l'autre. Dans ce cas, seule la compensation par les antennes peut aider, sinon la liaison restera unilatérale.

Il faut donc s'attendre à des conditions sans cesse changeantes d'heure en heure, ou de jour en jour. Dans sa course autour de la Terre, la Lune recouvre à certains jours de son rythme quadri hebdomadaire, et selon les saisons, des constellations d'étoiles connues pour être des sources de bruit. Quand elle franchit le centre de la voie lactée, des températures de bruit atteignant 40000 K sur le ciel profond peuvent rendre tout trafic EME impossible. À la nouvelle Lune, la réception des signaux peut être rendue difficile ou même recouverte par le bruit du soleil, selon son activité et en fonction de la position de la Lune. Si le système d'antenne possède un diagramme exemplaire le bruit solaire perturbateur peut être occulté grâce aux minima du diagramme, s'ils sont suffisamment prononcés.

Il existe des programmes informatiques pour tenir compte facilement, dans l'orientation des antennes, des mouvements des étoiles et de leurs sources de bruit ainsi que de la position de la Lune. Ces programmes permettent ainsi une « prévision météorologique radio » exacte.

Des effets surprenants

Qui croit que l'EME ne marche bien que pendants les nuits claires se trompe, mais pas tout à fait, car il ne faut pas négliger les conditions météorologiques locales. Les conditions de densité de l'atmosphère influent sur la propagation des ondes. Si l'air est froid en bas et chaud en haut, on assiste à une concentration (focalisation) du lobe de l'antenne qui sans cet effet passerait à côté de la Lune, alors que dans le cas contraire, tout comme dans le cas de forte hygrométrie (nuages de pluie), le champ est dispersé.

Quant la lune est basse sur l'horizon, il peut y avoir de telles distorsions de champ que, pendant les quelques minutes où la Lune reste dans cette position, les signaux peuvent être très forts, comme en propagation troposphérique transhorizon. C'est alors que certains incrédules, à la vue du S-mètre, comprendront que ces signaux puissent aussi être reçus pas des stations non équipées pour le trafic EME. Quelques instants plus tard, l'exact contraire se produit et tous les signaux disparaissent. Entre 1 et 4 deg sur l'horizon, l'intensité du champ du signal augmente fortement pour de brèves périodes, souvent en fonction du terrain devant l'antenne. Le front d'onde réfléchi par la surface de la Terre s'ajoute. Malheureusement, la phase de cette « onde de sol » n'est égale avec celle reçue directement par l'antenne que pendant 20 à 30 secondes la plupart du temps. Ensuite, des différences de phase interviennent rapidement et le signal total résultant se retrouve plus faible que le signal direct. Ce phénomène peut se reproduire plusieurs fois. À cause des hautes températures de bruit émises par la surface de la Terre, ces angles plats ne sont pas beaucoup utilisés, bien qu'ils aient permis à de nombreux radioamateurs de faire leur premier, ou unique, liaison en EME, sans posséder pour autant un équipement particulier.

Les perturbations du fading de libration

La surface lunaire possède des milliers d'objets de telle sorte que, de retour vers la Terre, les signaux éclatés par la dispersion se recoupent favorablement ou défavorablement, et ceci de manière différente pour chaque endroit de la surface de la Terre. Si une station reçoit son propre signal puissamment après 2,5 secondes, cela n'est pas forcément le cas pour d'autres correspondants plus éloignés. Les phases de tous les signaux sont en perpétuel changement et génèrent un fading de 10 à 20 dB. Ce fading apériodique rapide se recoupe avec des variations de forces de champ allant de quelques secondes à plusieurs minutes. Ces variations sont provoquées par les mouvements oscillatoires de la Lune ainsi que par le mouvement propre de la station dû à la rotation de la Terre. Néanmoins, il existe aussi des phases de relative tranquillité et ainsi de conditions de travail plus calmes. Mais c'est le niveau moyen qui compte. Il est donc presque normal que ce fading retire à chaque caractère morse un point ou un trait et crée ainsi les combinaisons les plus comiques. Des répétitions fréquentes permettent de compenser presque toujours ce défaut caractéristique du trafic EME.

Mouvements tridimensionnels et effet Doppler.

Alors que le fading ne se calcule pas, et donc ne peut pas être compensé, il n'y a aucune difficulté à calculer les dérives de fréquences. La rotation de la terre et sa distance variable au réflecteur, lequel se déplace selon un rythme de 14 jours, provoquent une dérive Doppler qui, à nos latitudes, peut se chiffrer à ± 300 Hz sur 2 mètres. Quand, à son lever, la Lune se rapproche l'observateur en distance apparente, la dérive est positive ; quand elle se couche, elle est négative. Cette dérive Doppler en constante variation s'arrête à certains jours pendant une heure, quand la vitesse de rotation de la Terre et la vitesse de la Lune se compensent.

Pour ces raisons, il est nécessaire, si on veut écouler un trafic optimum avec son correspondant, d'utiliser un programme informatique qui tienne suffisamment compte de l'étroitesse de la bande passante et des mouvements respectifs. Les contacts en BLU sont sur 2 mètres, contrairement aux bandes plus hautes, relativement rares.

La technique opératoire

On règle d'habitude le récepteur sur la fréquence de son propre écho - ce qui permet avantageusement de contrôler le pointage de l'antenne. La fréquence exacte d'émission de l'émetteur récepteur ne peut être contrôlée que par un appareil supplémentaire. Le réglage doit être tel que le signal sortant soit exactement centré dans la plage du filtre BF. Si ce point a été trouvé à l'aide du RIT (glissement de la fréquence du seul récepteur), on construira un abaque de ± 400 Hz, au cas où un affichage numérique approprié n'existe pas. Le contrôle s'effectue par réception de son propre écho en tenant compte du décalage Doppler valable pour son lieu à l'heure de l'essai.

La connaissance du temps universel à la seconde près est important, aussi bien pour lancer un appel général que pour contrôler les durées de période d'émission ou de réception. Des durées d'une minute sont habituelles, en démarrant ou interrompant l'émission 3 secondes avant la minute pleine pour que le signal arrive ou cesse à peu près à la minute pleine au lieu de réception. Dans le cas de signaux forts, lors des concours, cette règle ne s'applique pas de manière stricte, mais dans tous les cas lorsque les signaux sont faibles ou l'indicatif pas totalement identifié. Le fading étant fort, le risque de rater définitivement son tour existe. Très souvent, une période passe alors que le correspondant exploite une bande magnétique,ou d'autres aides comme fichiers, calculs de polarisation optimale, ou lorsque des changements de polarisation sont en cours. La minute paire ou impaire reste la propriété de chaque station jusqu'au final SK (signal de fin de transmission en télégraphie).

Les antennes - la clé du succès.

L'absorption sur les trajets aller et retour ainsi que la dispersion et l'absorption sur le sol lunaire s'élèvent au périgée (distance minimum entre terre et lune) à 252 dB sur 2 mètres, en valeur typique. La phase d'absorption minimum, au périgée (ou presque), ne dure que quelques jours et sera bien sûr utilisée avec profit. Mais le trafic peut aussi avoir lieu pendant toute la révolution lunaire, même avec 2 dB de dégradation supplémentaires à l'apogée. Il est impressionnant de comparer le parcours hertzien EME avec un parcours hertzien de même longueur, mais qui se ferait sur un réflecteur idéal. Il sera meilleur de 60 dB. Seuls environ 10 dB sont concernés par la perte d'absorption lunaire alors que les 50 dB restants sont imputables à la dispersion et surtout au phénomène de décalage de phase (qsb). Une puissance d'émission de 750W donne, après absorption de 210 dB, 10 nV sous 50 ohm, valeur caractéristique d'entrée des récepteurs EME ; il est difficile d'augmenter cette valeur de manière substantielle. On obtient donc déjà 42 dB de différence sur le trajet au périgée. Le gain des antennes des deux stations et quelquefois des puissances d'émission sensiblement plus élevées apportent la compensation nécessaire. En se limitant à 750 w, les 2 stations en contact, si elles ont le même équipement, doivent assurer chacune 21 dB de gain d'antenne. Théoriquement, cela veut dire 4 yagis à 15 dB, plus 6 dB fournis par le regroupement.

Atteindre cette valeur maximum de 6 dB pour un groupement de 4 antennes, ou les valeurs correspondante aux groupements plus grands  9 dB pour 2 x 4 ou 12 dB pour 4 x 4, est un grand pari.

De la difficulté de trouver la bonne antenne

Les indications de gain des constructeurs doivent toujours faire l'objet d'une vérification extrêmement soignée si l'on désire éviter de mauvaises surprises, la construction terminée.

Le gros problème n'est pas le ROS, mais le rendement des antennes. Suite au très faible niveau de champ des signaux refléchis par la lune, tout dixième de dB est ici important : c'est donc là, sur les antennes, qu'il faut faire jouer le levier. Plus les yagis seront longues, plus fort sera le gain. Doubler la longueur du boom fait gagner environ 2,5 dB.

Plus facile à dire qu'à faire, surtout quand on pense à la prochaine tempête d'équinoxe. Ici aussi, il faut faire maison. En effet sur de nombreuses réalisations de série le boom est aussi « lourd », aussi solide à la hauteur du directeur le plus éloigné qu'à la ferrure du mât, et y offre autant de prise au vent, bien qu'il n'y supporte que quelques grammes.

Système optimisé ou système costaud ? Il convient de se décider entre deux types d'antennes EME.

Variante A : tout est si solide que rien ne se détériore ; le mât pèse des tonnes et les rotors sont à l'avenant. Pourtant ce système, impressionnant par ses dimensions, finira bien par être « emporté par le vent ».

Variante B : les yagis, souples, sont légèrement déformables ; on les concevra pour offrir une prise au vent extrêmement faible. De construction modulaire, tout, dans ce système, se répare facilement.

Si l'on réussit, dans un système d'antennes, à supprimer 2,5 dB de pertes, il aura la même performance qu'un autre système deux fois plus gros et approximativement quatre fois plus lourd. À vous de choisir votre solution...

Quelques conseils pour l'optimisation

Les indications suivantes aplanissent les difficultés d'obtention d'un groupement à grand gain. Si l'on désire optimiser de manière rigoureuse un système d'antennes, il faut respecter ce qui suit.

Obtention d'un dégagement parfait du champ électromagnétique vers l'espace libre. C'est la seule façon d'obtenir un diagramme de rayonnement régulier, exempt de lobes parasites et présentant un maximum de gain. Tous les directeurs doivent être testés entièrement : partant d'un ROS de 1 (retour - 20 dB), un désaccord réactif doit, dans les deux sens (L/C), donner pour chaque élément la même variation de ROS.

Pour ces mesures, un coupleur directionnel compensé et de bonne qualité (directivité -20 dB) est bien sûr nécessaire. Elles exigent beaucoup de temps et de patience. Le résultat total est très proche d'être logarithmique, aussi bien pour la longueur des éléments que pour leurs espacements. Qui travaille au réglage d'une yagi longue a le sentiment de travailler à un filtre complexe : toute modification sur un circuit joue sur la courbe du filtre, tout est lié à tout.

L'onde progressant dans la direction de rayonnement le long des directeurs vers l'espace libre se propage de manière homogène (ROS interne).

Suppression des pertes aux fixations des éléments à l'aide d'une pièce isolée unique. Au bout d'un certain temps, les endroits où se trouvent les fixations, et par où passe la HF, s'oxydent au détriment de la conductivité et du passage du courant.

Suppression du balun, car déjà de faibles charges réactives rendent son rapport de transformation difficile à définir (un balun ne s'adapte électriquement bien qu'au dipôle, mais pas au système d'alimentation ; dans le meilleur des cas, il n'est adapté qu'à une seule fréquence).

Symétrie : le diagramme de rayonnement de toute antenne yagi se voit affecté, si le câble d'alimentation ne vient pas de l'arrière, des lobes secondaires provoqués par les asymétries du cheminement du câble. Cela signifie une perte de gain.

On recommande donc de le passer à l'intérieur du tube de soutien, présent de toute façon. Le champ n'arrive presque jamais polarisé « correctement ». Mais cette alimentation a encore d'autres avantages. Premièrement, le feeder à faible perte arrive tout près du dipôle. Deuxièmement, le champ avant de l'antenne ne peut pas être perturbé par des boucles résonantes de câbles. En outre, grâce au déport de poids vers l'arrière, on peut aussi reculer le support transversal, électriquement gênant. Inconvénient : la prise au vent augmente.

Les pertes dans les lignes d'adaptation diminuent, en cas de désadaptations légères, quand les résistances s'additionnent successivement (alimentation à large bande). Dans ce cas, les composantes réactives provoquées par les faibles désadaptations dues aux gouttes de pluie, à l'humidité, ou à la gelée blanche, sur les éléments ne se transformeront pas à l'infini.

Il faut rechercher l'espacement optimum entre les antennes (pas beaucoup inférieur à la longueur du boom). Les aires de recouvrement des antennes, pour lesquelles on admet une perte de gain proportionnelle à l'espacement, ne doivent être trop fortement resserrées.

On cherchera ici un compromis entre complication mécanique, perte de gain et diagramme de rayonnement.

La longueur du système de phase doit être aussi faible que possible. La yagi est fixée asymétriquement, en déséquilibre de poids. Le dipôle se trouve tout près du support, ce qui permet une liaison courte avec le point d'alimentation. Avant de se décider pour un certain nombre de yagis, il serait bon de commencer par calculer la perte dans les câbles et d'en tenir compte. Pour des raisons de poids et de charge au vent, il n'est pas toujours possible d'utiliser des câbles à très faibles pertes (gros, lourds). Pour le rapport diamètre (ou poids)/perte, les câbles 75 ohm à air se distinguent tout particulièrement. En pratique, construire des systèmes beaucoup plus grands ne permet tent d'obtenir que des gains supplémentaires bien faibles, forts éloignés des valeurs théoriques. Une longueur de liaison accrue signifie aussi une plus grande précision dans la conduite de l'antenne. Parmi les plus performants des amateurs EME mondiaux, il en est un qui n'utilise que quatre yagis croisées commutables. Il faut donc que le gain d'antenne soit vraiment au rendez-vous. Si tel est le cas, un groupement de quatre yagis et 300 watts de puissance d'émission permettent de recevoir sou écho très « régulièrement ».

L'équipement de réception

Aujourd'hui, avec des GaAs-FET, on peut atteindre sans problème un facteur de bruit inférieur à 0,5 dB. Réaliser un préamplificateur à faible bruit est devenu plus difficile aujourd'hui car les exigences de qualité faites aux circuits d'entrée s'accroissent avec le nombre des services de télécommunication, sans cesse en augmentation. Les circuits oscillants constitués de bobines en fil d'argent ont laissé la place à des résonateurs coaxiaux à faible perte qui permettent une adaptation très efficace à la porte du GaAs-FET d'entrée. Dans tous les cas, il faut veiller aux résonances parasites de rang supérieur. Les signaux perturbateurs rencontrés dans ce domaine (TV, UHF) sont supprimés par des passe-bas. Le traitement ultérieur du signal à faible bruit doit être effectué dans un RX qui ne dégrade pas la qualité du signal par du bruit numérique. Un IC-202 s'adapte bien ici par exemple, car il est équipé d'un quartz spécifique pour une plage de VXO réduite (technique Daun) avec un oscillateur local à bruit de phase extrêmement faible.

Le produit de mélange dépend de la qualité des deux signaux impliqués dans le processus. Pour un signal de réception de l'ordre de 5 à 20 nV il faut réduire fortement la bande passante lors du traitement du signal utile. Dans ce contexte, il faudrait se pencher particulièrement sur les filtres à quartz (retard) et le démodulateur (linéarité : une caractéristique dépendant de l'amplitude peut être avantageuse). Tester plusieurs récepteurs de constructions différentes derrière le même étage d'entrée montre très vite les disparités de qualité dans le traitement des signaux EME

Le traitement BF

Un filtre passe-bande passif se révèle très utile entre la sortie BF et le casque ou le haut-parleur. Sa bande passante doit être très étroite. Le traitement numérique du signal, indispensable malgré tout pour les signaux extrêmement faibles, n'est pas aussi avantageux et simple d'utilisation que les filtres BF à flancs moins raides, à cause de la dérive Doppler permanente en EME (le signal à régénérer peut avoir perdu sa périodicité, ce qui rend cette technique inapplicable).

Pour constater de très faibles différences d'amplitude, l'oreille a besoin de deux tons différents. Si une demi octave, à peine, trouve place dans la plage BF choisie (bande passante), l'oreille, dans le meilleur des cas, sera capable de faire la différence entre le signal utile et le « bruit résonnant ». La tonalité devra être choisie, pour aider l'oreille, aussi basse que possible, car il est ainsi possible d'obtenir une bande passante relativement plus large. Plus le signal est faible, plus basse doit être la cadence télégraphique.

Pour clore, j'aimerais évoquer les perturbations croissantes du trafic EME par les oscillateurs à quartz de 8 et 16 MHz qui dotent les multiples équipements de commandes et autres appareils; elles finiront bientôt par mettre en question ce mode de trafic intéressant.

Bibliographie

[1 ARRL-Handbook, chapitre 23, p. 27.
[2 J. Fasching : exefür Einsteiger, Tagungsheft, VHFIUHF Tagungen München 1988.
[3 WRASS : EME - ein Einstieg, UKS-Berichte 2188.
[4 L.Edwards : A GIT Study of Two-Meter-YagiAntenna, Dubus 111996.
[5 G. Hoch : Abschâtzung des Gewinns von Yagiantennen ausDiagrammdaten, UKW-Bereiche 1185, p. 9.
[6 G. Hoch : Wirkungsweise und optimale Dimensionierung von Yagiantennen, UKWBereiche 1177, p. 2.
[7 G. Hoch : Mehrgewinn mit Yagiantennen, UKW-Bereiche 1178, p. 2.
[8 R. Bertelsmeier, G. Hoch : Yag-Simulation, CAD-Software for Evaluation an Development, Dubus 3 et 411991, p. 3.
[9 G. Hoch : Optimale Stockung von Richtantennen, UKW-Bereiche 4178, p. 235.
[10 D.Marini, P. Maroni : Cavity Preamplifier for 144 MHz using a power GaAs-FET, Dubus 3194, p. 5.
[11I. White: Polarisationsdâmpfung beiEME, Dubis 3196, p. 12. Gerd Kôrner DK2I-R, Kulturenweg 6, 87642 HalblechBuchin, Allemagne.

D'aprés Gerd Komer DK2LR

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