Wave propagation

Rappel Historique:

Le 12 décembre 1901, Guglielmo MARCONI , établit la première liaison télégraphique par ondes hertziennes entre la CORNOUAILLE en ANGLETERRE et TERRE NEUVE. Ces liaisons furent rapidement expliquées, aussi bien en AMÉRIQUE qu’en ANGLETERRE, grâce à la découverte en 1880 par des géophysiciens d’une haute atmosphère ionisée et donc conductrice d’électricité. Mais les liaisons en ondes courtes furent jugées sans intérêt par des sceptiques et abandonnées à des amateurs perspicaces.

La propagation des ondes:

Les ondes se propagent de trois manières dans les bandes HF:

Propagation en vue directe: La propagation se fait en ligne droite sans aucun obstacle entre les deux stations. Les obstacles sur la ligne de vision abaissent le niveau de signal en réception mais n’interrompent pas complètement la transmission

Propagation par onde de sol ou de surface : Elle se propage en suivant la surface de la Terre. les ondes suivent la courbure de la terre. A partir d’une certaine distance le signal commence à s’affaiblir rapidement.

Propagation ionosphérique :

C’est le mode (on devrait dire les modes) de liaison privilégié du trafic en ondes courtes ou ondes décamétriques qui va permettre des portŽes intercontinentales.

les radioamateurs, ce mode de propagation, dont la prévision comme son nom l’indique est difficile à établir, permet des liaisons en VHF de plusieurs centaines à quelques milliers de kilomètres . C’est un mode de propagation ionosphériqueŽ très fréquent, les couches Es ayant une faible épaisseur et s’Žtendant sur des longueurs de quelques centaines de kilomètres.

La propagation de l’onde du sol :

Les fréquences basses suivent la courbure de la terre par l’intermédiaire de la propagation dite en onde du sol. En fait ce sont réellement les fréquences les plus basses qui sont efficaces en onde de sol : ondes kilométriques (G.O.) et hectométriques (P.O.). Les ondes du sol épousent la courbure terrestre dans la bande décamétrique 160m, la propagation par ondes de sol permet d’effectuer des QSOs locaux dans un rayon d’environ 150 km pendant le jour. Une plus grande distance le jour est difficile à cause d’une très forte absorption des ondes dans la couche « D ». Or , durant la nuit, la propagation est plus favorable à travers la réflexion de ces même ondes dans la couche « F » lorsque la couche « D » disparaît.

La propagation de l’onde de sol présente un intérêt particulier pour les communications aux basses fréquences, notamment la radiodiffusion. Ce mode de propagation est utilisé sur ces fréquences depuis plus de 90 ans.

L’atmosphère terrestre :

L’atmosphère qui entoure notre planète est divisée en trois grandes régions, dont deux influencent particulièrement la propagation radioélectrique des ondes courtes:

La troposphère:

Elle est d’altitude maximum 50 km. C’est la partie basse de cette atmosphère qui, comme nous le verrons par la suite, influence la propagation des ondes et conduira à définir un horizon radioélectrique supérieur à l’horizon optique.

L’ionosphère:

Elle est située à une altitude comprise entre 50 et 1000 km, avec entre 50 et 400 km les célèbres couches D, E, F1 et F2. L’ionisation de ces couches, et notamment des couches F, permet des liaisons à grandes distances par réfraction ou réflexion des ondes courtes. Parmi les causes d’ionisation de ces couches, la principale est l’effet photoélectrique dû au rayonnement solaire dans les ultraviolets. L’activité solaire (nombre de taches) et la densité gazeuse déterminent un nombre d’ions par unité de volume qui varie avec l’altitude et la position du soleil. Cette activité solaire est cyclique et sa période est voisine de 11 ans.

Les couches supérieures de l’atmosphère

Cycle et activité solaire

La magnétosphère:

Au-dessus de 1000 km d’altitude la magnétosphère avec, entre 5000 et 15000 km la ceinture de radiations de VAN ALEN, qui est une zone agressive pour tous les matériels électroniques embarqués sur les satellites, est peu intéressante pour la propagation des ondes courtes. Celles qui atteindront cette région seront perdues car elles ne reviendront jamais à une station terrienne.

La propagation des ondes radioélectriques:

La propagation d’une onde radioélectrique dépend des caractéristiques de cette onde (longueur, angle d’attaque du milieu) et des caractéristiques électriques du milieu (permittivité, conductivité, indice de réfraction et ionisation). Les ondes de fréquence égale à quelques dizaines de kHz peuvent se propager dans le sol. Des mesures montrèrent que les ondes moyennes se propagent, jusqu’à quelques centaines de km de l’émetteur, en s’affaiblissant avec l’éloignement, principalement en suivant la surface du sol et sont appelées des ondes « de sol ». Pour des ondes de fréquences < 30/60 MHz, le principal mode de propagation passe par la réfraction dans l’ionosphère, sur les couches D et parfois E si F< 300 kHz et sur la couche F2 si 3< F <30 MHz. Les ondes de fréquence > 30/60 MHz traversent l’ionosphère.

Propagation multi-bonds

C’est plus particulièrement de nuit que l’on peut faire des contacts par bonds multiples (la couche F est reformée), à longue distance (appelés DX)

Couches ionosphériques et propagation des ondes

Carte des Fréquences Utilisables Maximum (MUF)

Pour avoir une idée des possibilités de réception ou d’émission à un moment donné, il est nécessaire de connaître les principes fondamentaux de la transmission des ondes courtes. En plein jour, il se forme dans l’ionosphère, à différentes altitudes, les couches ionisées D (à 70 km), E (à 100 km), F1 (à 200 km) et F2 (à 350-400 km). Après le coucher du soleil, le rayonnement ultraviolet disparaît ainsi que l’ionisation qu’il provoque ; seule la couche F2 se maintient plus ou moins jusqu’au jour suivant. A certaine époque, la nuit la couche E se maintient avec un très fort niveau d’ionisation. Elle est alors appelée E sporadique. On admet que cette couche est due à des pistes ionisées de météores et de météorites pénétrant dans l’atmosphère et à un effet de frottement entre des vents très violents, qui soufflent parfois dans des directions opposées à l’altitude de la couche E. Cette couche n’offre d’intérêt pratique que pendant des périodes à faible activité solaire. Lorsqu’elle existe, des fréquences notablement supérieures à la MUF de la couche F2 peuvent être réfléchies, de sorte qu’elle remplit les fonctions de la couche F2. L’ionisation de la couche F2 dépend directement du rayonnement solaire incident. Une forte irradiation du soleil provoque une couche épaisse ou fortement ionisée, qu’une onde a peu de chance de traverser. Elle réfléchira les ondes très courtes (10 à 16 m).

Profils ionosphériques de nuit et de jour

Détail de l’ionosphère jour/nuit

Pendant la nuit, l’irradiation de la couche cesse, le degré d’ionisation diminue et la couche devient plus faible et seules les ondes plus longues (30 à 50 m) sont encore réfléchies. On parle alors d’ondes de jour ou ondes diurnes et d’ondes de nuit ou ondes nocturnes. Si la fréquence à utiliser pour établir une liaison dépend de l’heure du jour ou de la nuit, elle est aussi fonction de la saison, la position du soleil par rapport à la terre étant différente l’été de l’hiver. Le soleil se trouve à la verticale de l’équateur le 21 mars et le 22 septembre, le 21 juin il est à la verticale du tropique du Cancer et le 21 décembre au-dessus du tropique du Capricorne. Il est donc normal que l’hiver, l’ionisation de la couche F2 soit supérieure dans l’hémisphère Sud et l’été dans l’hémisphère Nord. Un autre facteur qui influence la liaison entre un émetteur et un récepteur, est leurs positions l’un par rapport à l’autre. Le trajet de l’onde entre eux détermine si on doit parler d’onde diurne ou d’onde nocturne et s’il existe une transition jour nuit. Pour des fréquences utilisant plus particulièrement la couche F2, on orientera l’antenne directive de telle manière que l’onde se propage au maximum en zone de jour, pour bénéficier d’une ionisation plus importante le jour que la nuit. Il est donc important de connaître la position de la transition jour nuit (ligne grise).

Simulation de propagation des ondes en temps réel (DX propagation)

Si le maximum d’activité solaire apparaît comme une condition bénéfique à la réfraction des ondes sur les couches de l’ionosphère, dans certains cas, il peut provoquer des phénomènes particuliers d’effet inverse. Lors d’une grande activité solaire, des éruptions de la chromosphère peuvent engendrer des « tempêtes magnétiques » modifiant brusquement le champ magnétique terrestre et par conséquent les conditions de propagation des ondes. Ces « tempêtes magnétiques » se rencontrent le plus souvent dans les régions polaires, durant les mois d’hiver, et sont accompagnées d’aurores boréales. Dans ce cas, la réception des signaux est faible voire nulle, et le S-mètre ne dévie que grâce à un bruit intense. Ce phénomène est dû au rayonnement, en direction de la terre, par le soleil de particules chargées qui sont déviées par le champ magnétique terrestre vers les pôles en provoquant de fortes perturbations. Il se forme également un courant circulaire autour de la terre, qui modifie le champ magnétique terrestre en provoquant l’ionisation de la couche E. Une autre conséquence de cette forte activité solaire sont les brusques perturbations ionosphériques (sudden ionospheric disturbances ou SID) provoquées par une grande quantité d’ultraviolets libérés pendant les éruptions. Ils augmentent considérablement l’ionisation et principalement de la couche D, qui présente alors une forte absorption aux ondes devant être réfractées par la couche F2. Après quelques heures, l’ionosphère revient lentement dans un état permettant de bonnes conditions de réception. Enfin, le bruit sous ses différentes formes est un élément pouvant perturber la réception. Il peut se repartir en trois grands groupes qui sont le bruit atmosphérique, le bruit cosmique et le bruit industriel produit par l’homme. Le bruit atmosphérique est dû principalement aux couches orageuses et à l’électricité statique. De source extraterrestre, le bruit cosmique dont on suppose que la cause provient de diverses nébuleuses qui entourent la voie lactée. L’une des sources la plus puissante est la constellation du Scorpion.

Sources: Mégahertz Magazine