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

L'onde de surface ou Ground Wave

Premier type de propagation des ondes radio sur les bandes haute fréquence. Elle est utilisée pour les communications à vue. Nous verrons par la suite qu'elle est très importante, surtout au sujet des bandes très haute fréquence et ultra haute fréquence. Il s'agit en fait de la trajectoire d'une onde électromagnétique qui est tangente à la surface de la terre, et cela dans la partie de l'atmosphère que l'on appelle troposphère.

L'atmosphère se compose ainsi de la troposphère, de la stratosphère et de l'ionosphère.

Une antenne au sol est un aérien dont l'élévation au sol est négligeable par rapport à la longueur d'onde. L'horizon électrique est proche de l'émetteur, donc l'onde émise se propage en longeant la surface de la terre (diffraction continue).

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). Lorsque 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

   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 de 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, son 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.

     En résumé voici un tableau récapitulatif des possibilités des bandes décamétriques en fonction de la propagation :

   • Fréquences	De jour	La nuit	Remarque
     1,8 et 3,5 Mhz	Courtes distances. Distance de saut nulle	DX possible surtout en hiver	Bruit important (atmosphérique et industriel).
     7 Mhz	Portée jusqu'à 1.000 et 2.000 km.	Possibilités de DX avec le monde entier.	Distance de saut 500 km. Bruit important l'été.
     10 Mhz	Distance de saut passant de 300 km le jour	A 1.000 km la nuit.	Ouverture 24 heures sur 24. DX possible de jour même en période d'activité solaire minimale.
     14 Mhz	Bande DX par excellence. Distance de saut variant de 800 km de jour	1.600 km de nuit	Bruit acceptable même en été. En période faste du cycle solaire, bande ouverte presque 24 sur 24 pour le DX.
     18 Mhz	Distance de saut 1.200 km de jour	Fermée en pleine nuit
     21 Mhz	Durée d'ouverture liée au cycle solaire.	Fermée en pleine nuit	Bruit faible même en été. Excellente bande DX en période favorable du cycle solaire.
     24 Mhz	Ouverture de jour, en période de grande activité solaire seulement	Distance de saut 1.600 km.
     28 Mhz			Ouverture très liée à l'activité solaire comme les 21 et 24 Mhz. Ouverture en E sporadique (voir partie III 3) assez fréquente entre mai et août de chaque année. Bruit très faible.

   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.

   1. Le rayonnement solaire responsable de l'ionisation de la haute atmosphère terrestre est mesuré en permanence dans le spectre du visible par l'observation du nombre de taches apparaissant quotidiennement sur le soleil, le résultat de cette observation est relaté par le nombre Wolf (mesure subjective qui tient compte d'un facteur d'échelle approprié à l'observateur et à l'instrument utilisé : finalement très peu utilisée). Des mesures sont également effectuée en dehors de la bande du visible dans les bandes UV et X normalement absorbées par l'atmosphère terrestre. L'indication qui intéresse le radio-amateur et qui indique le degré d'ionisation de la haute atmosphère est la mesure du flux radioélectrique solaire Fs . Sa mesure directe est effectuée chaque jour à 17.00 UTC sur la bande 2.800 Mhz par l'observatoire d'Algonquin situé dans l'Ontario (cette indication moins subjective que le nombre de Wolf, est disponible quotidiennement auprès du WWV à partir de 18.18 UTC). F est exprimé en unité de flux : 10-22 Wm2 HZ-1. Elle peut varier de 65/66 dans les années où l'activité solaire est minimum (66 en juin 1986) jusqu'à plus de 300 units lors d'un maximum (327 le 15 juin 1989).
   

   2. Autre élément influençant directememt les conditions de propagation des ondes radio : le champ magnétique terrestre. Il prendrait naissance au sein du magma en fusion que constitue le noyau interne de notre planète. Rappelons que la ligne Nord-Sud Magnétique est inclinée d'une dizaine de degré par rapport au Nord-Sud Géographique. En un point donné, l'enregistrement au sol du champmagnétique terrestre fait apparaître des variations régulières (jours calmes) et des variations anormales (ce sont des jours dits magnétiquements actifs ou perturbés). L'intensité du champ magnétique est mesurée en Gauss ou G mais pour mesurer les variations une unité plus pratique est utilisée : le Gamma. Mais l'activité du champ magnétique terrestre s'exprime également par l'indice K qui est une évaluation de l'activité enregistrée en un lieu donné pour un intervalle de 3 heures. La mesure est adaptée aux conditions locales pour chaque station; exemple K = 9 peut représenter 300 gammas aux faibles latitudes ou 2000 gammas dans une zone aurorale. L'indice K peut ainsi varier de 0 à 9.
   En résumé l'activité solaire interfère dans la composition des couches de l'atmosphère et dans le champ magnétique terrestre, le tout constituant une synergie favorisant ou non les contacts aux antipodes du globe ou à quelques kilomètres de distance. Trois indices peuvent nous aider à mieux comprendre la relation entre l'activité du soleil et la propagation :

   1er Fs : index de l'activité solaire bas‚ sur le bruit solaire mesuré journellement sur le 2.800 Mhz.

   2ème K : indication de l'état du champ magnétique terrestre.

   3ème A : valeur moyenne de l'activité géomagnétique bas‚ sur l'index K et qui en fait une estimation à partir des 12 premières heures et d'une projection pour les 12 suivantes. Une propagation sera de bonne qualité lorsque le flux solaire sera suffisamment élevé afin d'ioniser les couches supérieures de l'atmosphère. Mais il faut de même que le soleil, tout en étant actif, n'émette pas trop de particules qui pourraient perturber le champ magnétique terrestre (K et A peu élevé et Fs le plus bas possible). Activité solaire Index A, Index K calme de 0 à 7, trouble de 8 à 15, actif de 16 à 29, tempête mineure de 30 à 49, tempête majeure de 50 à 99 et tempête sévêre de 100 à 400 .

   
   

   3. Le multihop. Nous avons vu qu'il était possible d'établir des communications à plus de 1.500 km gràce à la couche F2, il est aussi possible de dépasser ces distances gràce à la propagation multibonds ou multihop. Au lieu d'avoir un bond via l'ionosphère nous retrouverons, lorsque les conditions sont favorables, avec plusieurs bonds successifs qui permettront de dépasser 2.500 km. Le point d'impact du premier bond peut ainsi présenter certaines facilités qui permettront un renvoi vers les hautes couches de l'atmosphère et, c'est ainsi que par bonds multiples il est possible de recevoir et communiquer avec une station exactement à l'antipode de soi.
   

   4. Short path et le Long path. Une transmission radio ponctuelle peut suivre divers chemins et dans certains cas le chemin le plus court entre une station émettrice et une station réceptrice peut présenter une liaison de moins bonne qualité que le chemin le plus long. La raison de la différence de qualité est compréhensible au regard de ce qui a été dit au sujet de la propagation des ondes en haute fréquence. Dans des conditions particulières le chemin le plus long ou long path bénéficiera de conditions de propagation plus favorables que le plus court ou short path. D'où l'utilité pour le radio amateur de disposer d'antennes directionnelles ou un bon dispositif sur ses antennes fixes, permettant un bon rapport avant-arrière afin de pouvoir sélectionner l'un ou l'autre chemin.
   

   5. Le Fading. Ce phénomène essentiellement perceptible lors des communications à longue distance s'explique par le fait que le chemin suivi par les transmissions radio n'est pas unique et dès lorsque une transmission ponctuelle emprunte plusieurs voies, le point de réception reçoit non plus une émission mais plusieurs. Lorsque le niveau est proche de zéro, plusieurs signaux se présentent en un même point de telle sorte que certains de ceux-ci ne parvenant pas en phase peuvent s'amoindrir ou même s'annuler. Si par contre un chemin l'emporte sur tous les autres, le niveau de réception est maximum. Cet effet de fading va augmenter avec le multipath car les réflexions secondaires vont bien sur augmenter les pertes de qualité.
   

   6. La gray-line propagation La gray-line est la zone séparant la zone ensoleillée et la zone de nuit. Le long de cette zone, la lumière a tendance à être diffusée dans la zone d'ombre. La propagation le long de cette ligne est très efficiente car la couche D qui a tendance à absorber les signaux haute fréquence disparaît rapidement au coucher du soleil et n'a pas encore eu le temps de se reconstituer alors que la couche F reste encore ionisée très longtemps pour atteindre son minimum au lever du jour (voir supra II 2 a).
   

   7. Les notions de MUF et LUF La LUF ou Low Usable Frequency est la fréquence la plus basse utilisable par les amateurs sur un chemin donné et pour une bande de fréquence donnée. La MUF ou Maximum Usable Frequency est la fréquence la plus haute utilisable par les amateurs sur un chemin donné et pour une bande de fréquence donnée. Ces deux chiffres se retrouvent dans les tables de prédiction de propagation de même que l'indice solaire et le nombre de Wolf. Toutes les notions que nous venons d'examiner : Fs, K, A, LUF et MUF peuvent être consultées regulièrement sur d'autres sites web.

   Vers radio-amateurs