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| Cet article n'a pas la
prétention de réaliser le vade-mecum en la matière et il est certain que l'on
risque de retrouver quelques erreurs, même par omission, mais, j'attends des
personnes qui pourraient les découvrir en lisant cet article, qu'elles
veuillent bien me les signaler afin de rendre service à toutes les personnes
intéressées par le sujet. Après quelques principes, nous traiterons de la
propagation en haute fréquence et puis, en très haute fréquence pour terminer
par quelques mots sur les effets et la propagation des fréquences millimétriques. |
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les
principes
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| Pour pas mal de ces moyens de propagations,
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. 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.
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| D'une
manière générale pour les transmissions radio, le miroir sera remplacé
par la succession de certaines couches de l'atmosphère.
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LA PROPAGATION EN
HAUTE FREQUENCE
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L'onde
de surface ou Ground Wave
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| 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.
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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. (voir figure 3)
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L'onde d'espace
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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.
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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).
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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
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 peu 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 :
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C'est ainsi que si n2
n1 alors 02 est inférieur à 01 et inversement. Toujours en extrapolant
cette formule, il est possible de parvenir à une situation o— le rayon ne
sort pas du milieu 1 mais pour cela 02 doit avoir une valeur d’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 due 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.
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| les couches
qui composent l'atmosphère D, E, Es ,F1, F2
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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.
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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 à 21 Mhz (cfr
Parties III 3).
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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 :
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la couche F1
(de 150 à 200 km du sol) n'est pas un moyen de propagation important et donc 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.
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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 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.
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Fréquences
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De
jour
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La
nuit
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Remarque
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1,8 et
3,5 Mhz
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Courtes
distances. Distance de saut nulle
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DX
possible surtout en hiver
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Bruit
important (atmosphérique et industriel).
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7 Mhz
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Portée
jusqu'à 1.000 et 2.000 km
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Possibilités
de DX avec le monde entier.
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Distance
de saut 500 km Bruit important l'été.
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10 Mhz
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Distance
de saut passant de 300 km le jour
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A
1.000 km la nuit.
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Ouverture
24 heures sur 24. DX possible de jour même en période d'activité
solaire minimale.
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14 Mhz
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Bande
DX par excellence. Distance de saut variant de 800 km de jour
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1.600
km de nuit
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Bruit
acceptable même en été. En période faste du cycle solaire, bande
ouverte presque 24 sur 24 pour le DX.
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18 Mhz
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Distance
de saut 1.200 km de jour
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Fermée
en pleine nuit
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21 Mhz
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Durée
d'ouverture liée au cycle solaire.
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Fermée
en pleine nuit
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Bruit
faible même en été. Excellente bande DX en période favorable du cycle
solaire.
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24 Mhz
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Ouverture
de jour, en période de grande activité solaire seulement
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Distance
de saut 1.600 km
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27 Mhz
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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.
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| 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.
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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 effectuées 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).
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| Autre élément
influençant directement 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 champ
magnétique 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 gamma aux
faibles latitudes ou 2000 gamma dans une zone aurorale. L'indice K peut ainsi
varier de 0 à 9.
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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‚ par 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 est 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 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 sévère de 100 à 400 .
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3.
Le multihop.
Nous avons vu qu'il était possible d'établir des communications à plus
de 1.500 km grâce à la couche F2. Il est aussi possible de dépasser ces
distances grâce à la propagation multibond ou multihop. Au lieu d'avoir
un bond via l'ionosphère nous 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.
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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
d'un bon dispositif sur ses antennes fixes, permettant un bon rapport
avant-arrière afin de pouvoir sélectionner l'un ou l'autre chemin.
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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 lorsqu'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 sûr augmenter les pertes de qualité.
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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).
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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.
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