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Chapitre 6 de la deuxième partie

 

Cette fiche technique  a été constituée à partir de documents ARRL, RSGB et WIKIPÉDIA. Merci à tous.

La propagation ionosphérique

- Couches ionosphériques:

Au premier temps de la radio, il semblait impossible de communiquer au-delà de l’horizon du fait de la portée limitée des ondes. Lorsqu’une première liaison transatlantique fut réalisée, cette prouesse fut attribuée à l’existence d’une couche ionisée qui provoquerait la réflexion des ondes radio. Les expériences ultérieures ont montré qu’il existait non pas une mais plusieurs couches constituées de particules ionisées crées par les radiations ultraviolettes et les radiations cosmiques du soleil.

La propagation radio est affectée par les variations de quantité de vapeur d’eau contenue dans la troposphère ainsi que par l’activité des couches ionisées. Suivre les variations de la propagation permet un choix des fréquences pour les communications radio « ondes courtes ».


La teneur électrique de l’atmosphère est caractérisée par la densité de particules électriques actives (électrons et molécules ionisées) dans les diverses couches. L’ionisation dépend essentiellement de l’activité solaire. Elle varie entre le jour et la nuit et suivant les saisons. L’hémisphère en hivers étant plus loin du soleil reçoit moins de radiations que l’hémisphère en été. Le soleil a une activité variable liée au cycle de 11 ans des tâches solaires (plus de tâches solaires, plus de radiations). Les radiations reçues dans les régions polaires sont aussi différentes des radiations reçues aux latitudes moyennes ou équatoriales.

Les ondes radio sont affectées par différents processus lors de la propagation dans l’atmosphère et l’ionosphère :

  • Absorption: En traversant l’ionosphère, l’onde transfère une partie de son énergie dans les molécules ionisées en mouvement. Une partie de l’énergie de l’onde est transférée dans l’atmosphère. Cette absorption est plus grande pour les fréquences basses. Elle s’accroit avec l’intensité de l’ionisation et avec la densité de l’atmosphère dans les régions ionisées.
  • Réfraction: Lorsque les ondes radio traversent l’atmosphère, elles sont légèrement déviées vers la surface de la Terre. L’horizon radio augmente d’environ 15% au-delà de l’horizon visible. Cette réfraction est due à la variation de densité des couches atmosphériques et à la variation du degré d’ionisation dans l’ionosphère. Les basses fréquences sont plus déviées que les hautes fréquences. Pour cette raison, les fréquences basses sont plus fiables en onde de sol que les fréquences élevées.
  • Réflexion: Lorsque les ondes radio arrivent avec un angle faible sur une surface conductrice, comme les couches ionisées de l’atmosphère ou sur la terre, elles peuvent être réfléchies. Les couches ionisées comprennent les couches D, E et F (F1 et F2).

-Classification des couches de l’ Ionosphère:

 

Il existe quatre couches ionisées dans l’ionosphère. Elles sont appelées : couches D, E, F1 et F2. Les quatre couches sont présentes en journée. La nuit, F1 et F2 s’amincissent et tendent à devenir une seule couche F. Les couches D et E disparaissent la nuit. Ces couches ont un faible degré d’ionisation. Après le coucher du soleil, l’intensité des radiations de l’ultra-violet diminue, la recombinaison des particules se produit et les couches basses ionisées se dissolvent. Juste avant le lever du soleil, l’ionisation est à son niveau le plus bas.

 

Couche D

La couche D, qui est présente seulement durant la journée, est la moins ionisée et elle a le moindre effet sur la propagation radio. Cependant elle absorbe presque complètement les ondes radio de basse fréquence (jusqu’à 10MHz). L’ionisation est proportionnelle à l’angle d’élévation du soleil et elle est la plus grande à midi.

Couche E

La couche Kennelly-Heaviside est une couche apparaissant entre 90 et 150 km. Elle réfléchit les fréquences moyennes (jusqu’à 20MHz) et, de ce fait, ces ondes peuvent se propager au-delà de l’horizon.

La propagation est affectée par l’heure du jour. Pendant le jour, le vent solaire plaque cette couche contre la terre limitant ainsi jusqu’où cette couche peut réfléchir les ondes radio. Durant la nuit, le vent solaire emmène la couche plus loin augmentant ainsi de beaucoup la gamme d’onde qui peut voyager par réflexion. Ces ondes sont appelées onde d’espace. L’importance de l’effet est toutefois influencer par la saison et avant cela même par l’activité solaire. C’est la plus basse couche ionisée, elle se dissipe après le coucher du soleil. Le bond maximum de la couche E est 2000 km.

Couche F

La couche F, ou couche d’Appleton, est la couche de réflexion la plus importante. La région F contient des gaz ionisés entre 150 et 800 km au dessus du niveau de la mer. Elle a la plus forte concentration en électrons libres et en ions de toute l’atmosphère. Durant le jour, la radiation solaire est plus élevée que durant la nuit, la couche F se scinde en deux sous-couches F1 et F2 ayant une hauteur moyenne entre 200 et 500 km. Après le coucher du soleil ; ces deux couches se rejoignent en une seule zone F.

La propagation par onde d’espace est la propagation dans l’ionosphérique et c’est là, la clé des liaisons radio à grande distance. L’onde de sol atteint l’horizon radio, mais sous certaines conditions, l’onde d’espace peut être réfléchie par les couches ionisées dans la haute atmosphère et revenir vers la surface de la terre permettant des rebonds sur de longue distance.


Angle de rayonnement

L’angle fait entre la direction de propagation de l’onde et l’horizon (tangente à la surface de la terre) est appelé angle de rayonnement. Les caractéristiques de l’antenne d’émission, en particulier sa longueur physique par rapport à la longueur d’onde, détermine l’angle de rayonnement.

 

Onde de sol

L’onde horizontale qui voyage parallèlement à la surface de la terre ou à peu près, est appelée onde de sol.

Angle critique

L’onde ayant un angle juste un peu plus faible est capable d’être renvoyée par l’ionosphère. L’onde transmise avec un angle un peu plus grand est absorbée dans la couche ionisée.

Les ondes avec un angle plus faible sont réfléchies. Elles sont appelées onde d’espace. L’onde d’espace sera réfléchie vers la terre. La distance parcourue sur la terre par l’onde réfléchie dépend de l’angle de rayonnement. Plus l’angle est faible plus la distance sera grande.

Distance de bond et zone de silence:

 

Lorsque l’angle de l’onde est plus faible que l’angle critique pour une fréquence donnée, compte tenu de tous les paramètres (date /heure etc.), l’onde est réfléchie et revient vers la terre à une distance éloignée de la position de l’émetteur. La plus petite distance possible permettant une communication avec l’onde d’espace est appelée distance de skip. Il n’est pas possible de recevoir une onde d’espace entre l’émetteur et la fin de la zone de skip. La zone entre la fin de réception de l’onde de sol et le début de réception de l’onde d’espace est appelée zone de silence. L’ordre de grandeur de la zone de skip dépend de la fréquence utilisée par rapport à toutes les données de l’ionosphère.

 

Propagation multi rebonds:

 

En plus de l’ionosphère, la terre elle aussi peut servir de réflecteur pour les ondes radio. Il en résulte une transmission par rebonds multiples. Un signal radio peut être réfléchi dans l’ionosphère et revenir vers la terre. Il sera à nouveau réfléchi une seconde fois à une distance encore plus lointaine. Ceci est illustré dans l’image. L’onde décrite comme « angle critique » chemine de l’émetteur vers le point A par l’ionosphère. Il sera réfléchi une nouvelle fois vers le point B. Ce dessin montre deux rebonds, mais plusieurs autres rebonds sont possible jusqu’à faire le tour de la terre. Comme indiqué, la distance parcourue dépend de la hauteur des couches ionisées, de l’angle de rayonnement de l’antenne et donc de l’antenne d’émission elle-même.

Fréquence utilisable

Pour atteindre un endroit particulier de la terre, la fréquence appropriée et l’angle de rayonnement doivent être correctement choisi. Cela dépend essentiellement des caractéristiques de l’ionosphère (cycle solaire, heure de la journée, hauteurs de couches ionisées) et de l’antenne utilisée. Les communications mondiales sont possibles par de multiples rebonds sur les couches ionisées et sur le terre, mais la meilleure qualité est obtenue avec un minimum de rebonds. La distance maximum par unique rebond est d’environ 4000 km pour la couche F2 et 2000 km pour la couche E.

Propagation dans les bandes HF

  • La bande 160 m donne des conditions de trafic sûre jusqu’à 50 Km le jour, mais plusieurs milliers de kilomètres les nuits d’hiver.
  • Pendant le jour, la bande 80 m couvre jusqu’à 300 km. La bande est plus utile la nuit en couvrant plusieurs milliers de kilomètres pour assurer des communications transocéaniques pendant les nuits d’hiver.
  • La bande 40 m possède à peu près les mêmes caractéristiques que la bande 80 m mais offre la possibilité de rebond. La distance en journée va jusqu’à 1500 km et permet des communications internationales les nuits d’hiver.
  • C’est la meilleure bande pour le DX. Pendant les moments où l’activité du soleil est au maximum, la bande est ouverte pratiquement 24 h sur 24. Pendant l’activité minimum du soleil c’est au crépuscule que c’est possible. Il y a pratiquement toujours la possibilité d’un rebond sur la bande.
  • La bande 15 m offre de bonnes conditions sur toute la durée du cycle solaire. Durant les maxima le travail à longue distance peut se faire une bonne partie de la journée, mais dans les moments de faible activité solaire, la bande est souvent inutilisable le jour.
  • La bande 10 m est généralement considérée comme la bande DX durant la journée en hivers et bonne pour les liaisons locales durant la nuit ceci sur la moitié du cycle solaire. Lors de l’activité minimum, elle est souvent une bande morte.

 

Cycles des taches solaires:

 

Les variations de propagation des ondes radio sont liées aux quantités variables d’ultra-violet et de rayon X produites par le soleil. La puissance totale rayonnée par le soleil est estimée à    4 .10 23 kW. A sa surface, le soleil émet environ 60MW par mètre carré et une bonne partie est rayonnée dans le spectre radio. D’où une importance primordiale dans les liaisons radio.
La propagation des ondes radio HF dépend du cycle de 11 ans du soleil. Une grande activité solaire produit plus d’ionisation. Le maximum de ces cycles (autour de 2013,2014) donnera les meilleures conditions de propagation HF. La fréquence critique est plus grande durant les maximums d’activité solaire alors que durant les minima d’activités solaires seules les bandes basses (160 m, 80 m, 40 m) peuvent être utilisées la nuit.

Fréquence critique

La fréquence critique est une donnée importante qui donne l’état de l’ionosphère dont résulte la propagation HF. Elle est déterminée en envoyant une impulsion HF à la verticale. Celle-ci étant réfléchie, elle peut être reçue au même endroit. Le temps mesuré entre l’émission et la réception donne la hauteur de la couche. En augmentant la fréquence des impulsions, on arrive à une fréquence à la quelle les impulsions ne sont plus réfléchies et partent vers l’espace. La fréquence à laquelle ce phénomène se produit est la fréquence critique.

L’équipement ressemble à un petit radar mais en HF, il est appelé Sondeur ionosphérique.

Fréquence Maximum Utilisable (MUF)

Lors de la transmission d’une communication HF et pour une distance donnée, il existe une fréquence maximum qui peut être utilisée. Si la fréquence du signal croit, le signal passera à travers plus de couches ionisées jusqu’au moment où il les traverse toutes et où le signal est perdu dans l’espace. La fréquence juste avant cette perte est connue sous le nom de Fréquence Maximum Utilisable (en anglais MUF)

 

 

Sporadique E

Principalement entre mai et juillet, se forment au niveau de la couche E des nuages fortement ionisés capables de réfléchir les ondes de fréquences beaucoup plus élevées que ne le fait habituellement la couche E. Ce phénomène, très instable dure de quelques minutes à quelles heures. Il est provoqué par un afflux de particules ionisées très localement dans la couche E. Ce phénomène aléatoire permet des liaisons VHF à grande distance.

Inversion de température

  La trajectoire d’une onde dans un milieu homogène est une droite. Si la densité de ce milieu varie progressivement la trajectoire devient une courbe. Lors d’une variation brusque de température et donc de densité du milieu, l’indice de réfraction augmente rapidement, la trajectoire de l’onde se courbe fortement et les ondes sont renvoyées vers le sol augmentant considérablement l’horizon radio.

 

Aurore polaire :

 

Provoquées par l'interaction entre les particules chargées du vent solaire et la haute atmosphère, les aurores se produisent principalement dans les régions proches des pôles magnétiques, dans une zone annulaire justement appelée « zone aurorale » (entre 65 et 75° de latitude).