La propagation des ondes
Par Martin VE2BQA

Le principe de la propagation des ondes a été découvert par James Clerk Maxwell en 1870. Le physicien écossais à rédiger 4 lois (connues sous le nom des quatre équations de Maxwell) décrivant ainsi en quatre formules mathématiques le phénomène de la propagation des ondes. Nous n'allons pas ici en faire la démonstration ni même vous les présenter de peur de vous effrayer. Nous allons seulement vous présenter de façon grossière ce que nous jugeons utile pour tous bon radioamateur tel que vous.

L'atmosphère

L'atmosphère terrestre est composé de plusieurs parties possédants toutes des caractéristiques différentes les unes des autres. Ces partie affecte ou non les signaux radio. La partie de l'atmosphère intéressante pour les radioamateur est l'ionosphère où se situe, tel que sont nom l'indique, les ions nécessaires à la bonne propagation des ondes. Ces couches absorbent, réfléchissent ou encore laisse passer les signaux radio selon l'heure, la saison et les conditions de propagation. Voici la description des quatre couches contenues dans l'ionosphère :

Couche D

• Première couche de l'ionosphère se situant à une altitude variant entre 50 et 90 km.

• Elle est présente le jour dû au rayon solaire et disparaît la nuit.

• Elle atténue et réfléchie les signaux de basses fréquences (30 à 300KHz) et laisse passer les fréquences supérieures.

Couche E

• Seconde couche de l'ionosphère situé à une altitude se situant entre 90 et 150km.

• Elle est présente le jour et elle disparaît la nuit.

• Elle atténue et réfléchie les signaux de moyennes fréquences (300 KHz à 3 MHz) et laisse passer les fréquences supérieures.

• Lorsque les conditions sont bonnes, cette couche peut réfléchir les signaux de hautes fréquences.

Couche F1

• Troisième couche de l'ionosphère situé à une altitude se situant entre 300 et 400km l'été et 150 et 200km l'hivers.

• Cette couche s'intègre avec la couche F2 la nuit avec une altitude débutant autour de 250-300 km.

• Elle réfléchie les signaux de hautes fréquences (3 MHz à 30MHz) et laisse passer les fréquences supérieures.

Couche F2

• Dernière couche de l'ionosphère situé à une altitude débutant à 400km l'été et 200km l'hivers. Cette couche peut atteindre les 1 000km.

• Cette couche s'intègre avec la couche F1 la nuit avec une altitude débutant autour de 250-300 km.

• Elle réfléchie les signaux de hautes fréquences (3 MHz à 30MHz) et laisse passer les fréquences supérieures.

Phénomènes de propagation

Il existe plusieurs phénomènes de propagation des ondes. Voici une petite liste de phénomènes que vous pourriez rencontrer lors de vos opérations sur les différentes bandes radioamateur :

• Propagation directe

• Propagation par ondes de sol

• Réflexion ionosphérique

• Propagation par E Sporadique

• Réflexion troposphérique

• "Météor" et "Rain scatter"

Chacun des cas sera expliqués brièvement dans les paragraphes suivants :

Propagation directe

Il s'agit du premier phénomène le plus répandu et aussi, probablement le plus connu. Il consiste en une propagation directe d'une antenne à l'autre en ligne de vue. Cette propagation est aussi connue sous le nom : "propagation en ligne de vue" ou encore "line of sight propagation". Ce type de propagation est le plus répandue particulièrement pour les communications de type micro-ondes commerciales.

Propagation par ondes de sol

Cette propagation se fait directement d'une antenne à l'autre en suivant la courbure terrestre. Ainsi, une onde est propager dans l'air suivant le sol et s'atténue selon la distance parcourue. Cette propagation est très présente pour les fréquences en dessous de 300KHz. L'armé américaine utilisait cette plage de fréquence pour des communications longue porté durant la guerre.

Réflexion ionosphérique

Ce type de propagation est le plus commun en radioamateur pour les communications dans les bandes HF. Cela se produit lorsque l'onde est émise du sol vers l'espace et que cette onde est réfléchie vers la terre (tel un laser est réfléchi sur un miroir) par une des couches de l'atmosphère. L'onde se trouve donc à faire un bond tel un ballon rebondissant sur le sol. Ce bond peut s'étalé sur une distance de quelques centaines de kilomètres jusqu'à quelques milliers de kilomètres selon l'incidence de l'onde lors de son arrivée dans l'atmosphère.

Le fait que l'onde peut faire le tour de la terre est en fait obtenue lorsque l'onde fait plusieurs réflexions consécutive (plusieurs bonds consécutifs) sur le sol et dans l'ionosphère. L'onde, lorsque réfléchie par l'ionosphère, est alors réfléchie encore une fois par le sol pour être retourné dans l'ionosphère. Ce phénomène ressemble encore ici à un ballon faisant plusieurs bon sur le sol en avançant.

Propagation par E Sporadique

Il s'agit ici d'un phénomène qui est moins courant que la réflexion ionosphérique. Ce phénomène se produit lorsque l'onde incidente dans l'ionosphère se retrouve emprisonné dans la couche E, par conséquent entre les couches D et F, et quelle est alors transporté sur une grande distance. L'onde est alors rejeter et elle revient sur le sol pour être capté par une station distante. Il va sans dire que ce type de propagation survient lorsque des conditions exceptionnelle sont réunit. Personne n'est encore en mesure de définir ou encore de prédire ces conditions exceptionnelles. Les distances peuvent atteindre dans les 2 000km et même pour la bande du 2 mètres. Chose intéressante, lorsque ce phénomène à lieu il peut vous arriver que vous entendiez des stations radio FM sur votre radio à toutes les fréquences libres habituellement. Les signaux arrivant tous à votre antenne et vous permettant alors d'écouter des stations distantes de milliers de kilomètres.

Réflexion troposphérique

Ce type de propagation se produit lorsqu'une station cible une zone du ciel définit et qu'elle diffuse sont énergie RF de façon très concentré dans cette zone. À l'autre extrémité, une autre station diffuse aussi sont énergie RF dans la même zone que la première station. Lorsque les conditions de propagation pour ce type de transmission sont présente il s'en résulte une réflexion des signaux rendant ainsi la communication possible entre ces deux stations. La réflexion se fait dans la troposphère qui est la zone de l'atmosphère se situant entre le sol et environ 8 à 15 km en altitude. Les bonnes conditions pour ce type de propagation sont une densité de l'air très élevé et un haut taux d'humidité. L'été est plus propice à ce type propagation et un point de repère est souvent utilisé pour partagé une zone de réflexion.

"Meteor" et "Rain scatter"

Il s'agit ici d'un phénomène qui est un peu moins utilisé mais qui peut être beaucoup plus prévisible que le E sporadique. Si nous prenons la traduction mots pour mots de l'expression "Rain scatter" nous obtenons : "Éparpillement de pluie". Il s'agit en fait d'une divergence de la réflexion troposphérique. Cela consiste à se servir de la pluie comme élément réflecteur afin de faire réfléchir les signaux vers une autre station. Ce phénomène est très employé lorsque de grosses orages se préparent par temps humide l'été. Il est alors facile de voir la formation de cumulo-nimbus et de bien viser les murs de pluies diluviennes déferlant sur les régions voisines. Le même phénomène (a ce moment appelé meteor scatter) est possible en visant le ciel lors de pluies de météorites tel que les perséides du mois d'août.

Autres caractéristiques

Zone de silence : La zone de silence est l'espace que l'on retrouve lorsque l'onde se trouve dans l'ionosphère. Dans cette zone il est théoriquement impossible de recevoir le signal qui est réfléchie. Ces cette zone qui limite la réception d'un signal par un amateur tandis qu'un autre le reçoit plein cadran à quelques centaine ou millier de kilomètres.

Angle de rayonnement : Il s'agit de l'angle à lequel une antenne diffuse sont signal de façon optimale par rapport au sol (le sol étant considéré à 0 degré donc à l'horizontal). Pour une antenne ayant un angle de 10 degrés, cela signifie que par rapport au sol les ondes seront transmises jusqu'à un angle de 10 degrés en ligne droite en provenance de l'antenne. Il va sans dire que dans le monde réel nous allons recevoir quand même le signal si nous nous trouvons à un angle de 45 degrés mais le faisceau hertzien sera concentré dans la zone du 10 degrés par rapport à l'horizontal.

Le petit schéma suivant représente très bien ces caractéristiques et le phénomène de la réflexion ionosphérique :