Comment une onde radio se propage.

Pour pas mal de ces moyens de propagations des ondes radio, nous devons garder en mémoire une analogie avec la lumière et nous remémorer les cours de physique élémentaire traitant de ce sujet. Si nous prenons en considération que la lumière se propage en ligne droite, nous pouvons nous rendre compte d'emblée que tout obstacle crée un cône d'ombre, qui empêchera tout objet s'y trouvant de recevoir une lumière directe (un immeuble va faire écran aux ondes de télévision). Si nous avons, par chance, un "miroir" dans la zone éclairée et orienté de manière à réfléchir la lumière à l'intérieur d'un cône d'ombre, nous venons de reconstituer ce que l'on appelle en radio : la propagation.

D'une manière générale pour les transmissions radio, le miroir sera remplacé par la succession de certaines couches de l'atmosphère.

LA PROPAGATION EN HAUTE FREQUENCE

On peut distinguer deux parties : l'onde de surface et l'onde d'espace Réflexion des ondes

  1. Dans ces conditions de hauteur, les antennes polarisées verticalement propagent les ondes à des distances plus grandes que les antennes polarisées horizontalement et cela, d'autant plus que le sol est meilleur conducteur (portée accrue s'il s'agit de la mer ou implantation d'un plan de masse artificiel). Antenne radio Alice de RFI à Issoudun avec émetteur de 500kwLorsque le sol est bon conducteur ou a été rendu comme tel, il réfléchit les ondes incidentes avec un déphasage plus important s'il s'agit de polarisation horizontale. Comme les ondes incidentes déphasées annulent les ondes directes on comprend aisément pourquoi on désire en avoir le moins possible. De plus, l'atténuation introduite par le sol augmente avec la fréquence. Au dessus de 30 Mhz la propagation par onde de surface avec des antennes non surélevées ne donne plus une portée utile. Si on élève les aériens au dessus du sol on observe une diminution de l'atténuation de l'onde de surface, d'où portée plus grande et diminution de l'effet du sol par rapport à la polarisation adoptée.

     

    L'onde d'espace Antenne Aliss RFI

    Après avoir donné les notions essentielles de l'onde d'espace et de son vecteur le plus important : les différentes couches de l'atmosphère, nous donnerons quelques éclaircissements à propos de deux éléments qui conditionnent la propagation : l'ionisation de la haute atmosphère et les perturbations du champ magnétique terrestre. Ces deux éléments sont des conséquences de l'activité solaire qui irradie une série de particules (voir tableau infra).

    a) généralités

    Normalement les ondes radios se propagent en ligne directe mais celles-ci peuvent se réfléchir ou se réfracter sur certains objets dans l'environnement ou dans certains cas, sur les différentes couches de l'atmosphère, comme cela est le cas pour les bandes haute fréquence.

    On parle de réflexion des ondes dans l'ionosphère, et c'est probablement correct, puisque le comportement des ondes radio est soumis à l'influence d'électrons libres, donc d'un milieu conducteur de l'électricité, alors que la réfraction se produit dans des milieux diélectriques ( Il y a réflexion sur des surfaces ou des objets dans lesquels l'onde ne pénètre pas (surfaces métalliques, mers, lacs).

    Par contre, il n'y a éventuellement réfraction dans les milieux traversés par les ondes. C'est ainsi qu'un milieu transparent,à la lumière ou à d'autres ondes électromagnétiques, est caractérisé par son indice dele parcours des ondes réfraction souvent désigné par "n". "n" est en fait le rapport de la vitesse dans le milieu considéré. Par exemple, l'eau se caractérise par un indice de réfraction de 1,33 ce qui veut dire que la lumière se déplace dans l'eau à la vitesse de 300.000/1,33 soit 225.000 km/h environ.

    La propagation des ondes est influencée par n autant dans la troposphère, où n est un peu plus grand que 1 et varie en fonction de la pression, de la température et de l'humidité, que dans l'ionosphère où il dépend de la quantité d'électrons libres présents (donc de l'activité‚ solaire : jour, nuit, saison, nombre de taches solaires, activités géomagnétique) ainsi que de la fréquence de l'onde incidente, ce qui est important pour l'utilisation des bandes haute fréquence. Pour le radioamateur, les ondes les plus intéressantes sont précisément celles qui reviennent vers le sol et on constate que l'indice de réfraction dans l'ionosphère est d'autant plus élevé que le nombre des électrons libres y est important, et que la fréquence de l'onde incidente est basse.

    Donc les ondes seront plus facilement renvoyées vers le sol si l'ionisation est forte pendant la journée et pour les fréquences pas trop élevées, alors qu'elles s'échapperont en direction de l'espace si l'ionisation est faible (de nuit), ou lorsque les fréquences sont très hautes. Voilà pourquoi les bandes des 21 et 28 Mhz, par exemple, se "bouchent" fréquemment la nuit. En fait la fréquence limite pour laquelle les ondes vont s'échapper vers les étoiles peut se calculer facilement. Nous pouvons emprunter à la physique optique la loi de la réfraction : un rayon qui passe d'un milieu 1 d'indice n1 vers un milieu 2 d'indice n2 et quitte le milieu 1 en faisant avec la normale à la surface de séparation un angle 01, rentre dans le milieu 2 en faisant avec la même normale un angle 02 tel que :

    C'est ainsi que si n2 n1 alors 02 est inférieur à 01 et inversement. Toujours en extrapolant de cette formule, il est possible de parvenir arriver à une situation o— le rayon ne sort pas du milieu 1 mais pour cela 02 doit avoir une valeur de au moins 90ø c'est a dire que 01 >arcsin (N2/N1) dans ces conditions le rayon incident est renvoyé vers le milieu 1 (voir infra le DUCT). Ce qui explique l'intérêt pour le radioamateur de rechercher à l'émission un rayonnement dirigé‚ le plus bas possible sur l'horizon et d'exploiter les antennes ayant un lobe de rayonnement bas.

    Nous avons signalé plus haut que, pour les contacts via l'onde d'espace, il fallait un miroir, cela sera pris en charge par certaines couches de l'atmosphère.

    Précisons donc la notion d'ionosphère; il s'agit d'une zone composée de gaz ionisés. L'ionisation est dûe aux rayons X et UV du soleil. Celle-ci est suffisante pour perturber la propagation des ondes qui la traversent. Cette ionisation varie avec la position et l'activité du soleil. Elle dépend de l'heure, de la saison, de l'année et de la latitude. Nous avons vu dans la figure 4 la structure de l'atmosphère mais nous pouvons aller plus loin cette fois dans la composition de l'ionosphère.

    Les ondes des bandes haute fréquence subissent relativement rapidement la réflexion sur les couches qui composent l'atmosphère (D, E, Es ,F1 et F2 )

    • La couche D (de 60 à 90 km du sol) se comporte comme une éponge face aux ondes haute fréquence qui passent à travers elle. Beaucoup plus présente au cours de la journée, sondétails d'une antenne de RFI pilotée par un émetteur de 500 kw. ionisation est directement proportionnelle au flux solaire, elle se forme au lever du jour et disparaît aussitôt le soleil couché. Elle est constituée essentiellement d'ions lourds (oxyde d'azote). Comme son absorption est inversement proportionnelle à la fréquence, les bandes des 160 et 80 mètres sont complètement absorbées au cours des heures d'ensoleillement.
    • La couche E (de 100 à 120 km du sol) est la couche la plus basse utilisée par les ondes radio pour s'y réfléchir. C'est une sorte de miroir très particulier utilisable sous ses deux faces, réfléchissant vers le haut et vers le bas. Elle apparaît dès l'aube et disparaît au coucher. Cette couche présente, lors d'activité solaire minimum, des phénomènes connus sous le nom de sporadique E que l'on va observer sur des fréquences supérieures à21 Mhz (cfr Parties III 3).
    • La région ionisée principalement responsable des communications à longue distance c'est la couche F. Elle s'ionise au lever du soleil, atteint très rapidement son maximum pour diminuer progressivement au coucher et atteindre son minimum juste avant le lever du jour. Au cours de la journée, la région F se divise en deux :
      1. la couche F1 (de 150 à 200 km du sol) qui n'est pas un moyen de propagation important et dont sa formation est directement dépendante du lever et du coucher du soleil. Après le coucher, la couche F1 diminue fortement pour laisser la place à la couche F2.
      2. la couche F2 (de 250 à 400 km du sol) est la première couche qui supporte les communications en haute fréquence. Au cours de la journée, comme nous l'avons vu auparavant, elle est relativement mince pendant la journée étant donné la présence de F. Par contre, au cours de la nuit, cette couche double ses dimensions, étant directement sous l'influence des rayonnements solaires, elle est très dense et permet des communications à plus de 1500 km en un seul bond.

    Le terme DX, en jargon radio-amateur, veut dire qu'il s'agit d'une liaison à longue distance.

    b) l'activité solaire et le champ magnétique terrestre.

    Nous venons de voir que les couches de l'atmosphère jouent un grand rôle dans la façon de renvoyer nos émissions radio vers d'autres points de la terre et cela même derrière l'horizon radio. Afin de suivre l'évolution des conditions de propagation il est donc intéressant de connaître l'activité solaire et l'activité géomagnétique terrestre qui risque de contrecarrer les effets bénéfiques du soleil.