PROPAGATION
& ANTENNES.

La longueur d'onde, notée λlambda (lambda), est la distance entre deux points identiques d'une onde dans son milieu de propagation. Elle se définit par λ(m) = v(m/s) / f(Hz)lambda (m) égale v(m divisé par s) divisé par f(Hz), où v est la vélocité de l'onde (sa vitesse de propagation). Les ondes radioélectriques se propagent dans le vide et dans l'air à la vitesse de la lumière : 300 000 km/s300 000 kilomètres divisé par s (299 792 458 m/s, toujours arrondi). On retient donc : λ(m) X f(Hz) = 300 000 000lambda (m) fois f(Hz) égale 300 000 000, et en pratique λ(m) = 300 / f(MHz)lambda (m) égale 300 divisé par f(MHz).

Lorsque les stations sont en mouvement l'une par rapport à l'autre (trafic via satellite), la vitesse de propagation relative est modifiée : si les stations se rapprochent, la fréquence de réception augmente artificiellement ; elle diminue quand elles s'éloignent. C'est l'effet Doppler, le même phénomène qui rend le bruit d'un véhicule plus aigu quand il approche.

Les ondes radioélectriques (ondes hertziennes, du nom de Heinrich Hertz) sont des champs électromagnétiques qui se propagent comme les ronds formés par un caillou jeté dans une mare : l'onde se déplace, mais le milieu (l'eau, les électrons) ne se déplace pas. Trois modes de propagation existent :

• Ondes de sol : les ondes suivent le relief terrestre. Ce mode ne fonctionne que sur les fréquences basses : au-delà de 2 MHz, l'atténuation devient forte (portée ≈ 100 km à 4 MHz, 50 km à 10 MHz). La conductivité du sol compte beaucoup : sur mer, on dépasse 500 km à 2 MHz.
• Ondes réfléchies : les ondes rebondissent sur les hautes couches de l'atmosphère fortement ionisées (ionosphère, couches E et F), redescendent sur Terre d'où elles peuvent repartir. Un bond ne peut dépasser 4 000 kmbond ne peut dépasser 4 000 kilomètres (courbure de la Terre et altitude de réflexion). Sur son parcours, l'onde traverse la couche D qui atténue fortement les bandes basses (40 m et +). C'est le mode des ondes courtes (gamme HF).
• Ondes directes : les antennes sont en vue l'une de l'autre. Ce mode fonctionne sur toutes les fréquences mais reste privilégié au-delà de 100 MHzprivilégié au-delà de 100 mégahertz. Pour les fréquences les plus basses (jusqu'aux UHF), la diffraction permet à l'onde de suivre le relief en contournant les obstacles, mais une montagne atténue fortement les fréquences élevées.

D'autres modes existent - diffusions troposphériques, ducts (sortes de guides d'ondes), réflexions sur les traînées ionisées de météorites, sur la Lune (Moon Bounce), sur les nuages de pluie ou lors d'aurores boréales - mais ils sont peu fiables ou exigent de fortes puissances : seuls les radioamateurs les utilisent, essentiellement en VHF et UHF.

L'ionosphère est la zone la plus élevée de l'atmosphère, entre 50 et 650 km50 et 650 kilomètres d'altitude. Le rayonnement UV du Soleil y ionise les gaz : ions positifs et électrons libres forment un plasma. La recombinaison ion-électron étant plus lente que l'ionisation, l'ionisation augmente vite à l'aube mais diminue lentement au crépuscule. La densité du plasma augmente par paliers avec l'altitude, ce qui définit trois régions :

• Couche D (50 à 90 km)Couche D (50 à 90 kilomètres) : densité faible (100 électrons/cm³), photo-ionisation par rayonnement X. Elle ne réfléchit pas les ondes mais atténue celles qui la traversent, surtout les bandes basses. Elle disparaît dès la tombée de la nuit. Pour limiter cette atténuation, on utilise des antennes à faible angle de radiation (on vise l'horizon).
• Couche E (90 à 130 km)Couche E (90 à 130 kilomètres) : ionisation faible le jour, très faible la nuit. Dans des conditions particulières (ions métalliques), l'E sporadique peut atteindre 100 000 électrons/cm³ et permettre une réflexion - rare et imprévisible.
• Couche F (130 à 650 km)Couche F (130 à 650 kilomètres) : densité la plus élevée (jusqu'à 1 million d'électrons/cm³ le jour), oxygène atomique ionisé par les UV. Partie basse F1 (130-200 km), partie haute F2 (300 km en hiver à 650 km en été). La nuit, F1 et F2 fusionnent vers 250 km. Les réflexions multiples sur F permettent de « faire le tour de la Terre » en plusieurs bonds.

À chaque augmentation de densité du plasma, l'onde est réfractée (sa direction se rapproche de la perpendiculaire à la couche) et peut, selon la densité et la fréquence, être réfléchie vers la Terre. La saison, l'activité solaire et l'activité magnétique terrestre modifient fortement ces densités.

Plus la fréquence croît et plus l'angle de radiation est élevé, plus l'onde a de chances de traverser les couches sans être réfléchie : elle se perd dans l'espace. La FMU (fréquence maximum utilisable) est la fréquence la plus haute propagée d'un point à l'autre par réflexion sur les couches E ou F, avec l'angle de départ le plus proche de l'horizon.

La fréquence critique est la fréquence la plus élevée qu'une couche ionosphérique réfléchit pour une émission à la verticale (foF2 pour la couche F2). Plus l'angle de départ est rasant, plus la fréquence maximum réfléchie monte : la FMU vaut approximativement la fréquence critique divisée par le cosinus de l'angle d'incidence (compté par rapport à la verticale). Une propagation oblique, proche de l'horizon, transporte donc des fréquences plusieurs fois supérieures à la fréquence critique.

À l'autre extrémité, la couche D absorbe d'autant plus que la fréquence est basse (LUF, fréquence minimum utilisable) et la couche E peut bloquer les signaux vers la couche F (ECOF, fréquence de coupure de la couche E). La fréquence utilisable sur un circuit est donc comprise entre la FMU et la plus élevée des deux fréquences LUF ou ECOF. Si LUF ou ECOF dépasse la FMU, la liaison a peu de chances d'aboutir.

Les prévisions de propagation tiennent compte de l'activité solaire et sont données pour une date et une heure, en général pour 100 W dans un dipôle100 watts dans un dipôle orienté vers le correspondant. La FOT (fréquence optimum de travail) correspond à 80 % de la FMU.

Le lieu de réflexion au sol est primordial : l'atténuation est minimale sur la mer (0,3 dB)sur la mer (0,3 décibels), atteint 7 dB sur un champ7 décibels sur un champ et plus de 10 dB en zone urbaineplus de 10 décibels en zone urbaine. Sur les bandes décamétriques, un parcours de jour est plus favorable qu'un parcours de nuit : vers l'Est (Asie), on contacte de préférence le matin ; vers l'Ouest (Amériques), en fin de journée. Les bandes basses restent « ouvertes » plus longtemps que les bandes hautes une fois le soleil couché.

L'activité solaire est mesurée par deux indices corrélés : Fs (ou φ, flux solaire mesuré par le bruit solaire sur 2,8 GHz2,8 gigahertz, compris entre 60 et 300) et R (nombre de Wolf, nombre relatif de taches solaires). Plus ils sont élevés, plus l'activité est forte. Les cycles solaires durent en moyenne 11 ans.

Les évanouissements (fading) sont des variations plus ou moins rapides du niveau reçu. Ils ont plusieurs origines : la superposition d'ondes ayant suivi des trajets différents (nombre de bonds ou couche de réflexion différents), qui se combinent en se renforçant ou en s'annulant selon la fréquence (c'est le fading sélectif : il déforme le signal sur une bande étroite de fréquences) ; la variation d'absorption de la couche D ; les variations de la FMU (l'onde disparaît dès que la fréquence utilisée dépasse la FMU du moment) ; la rotation de polarisation (effet Faraday) sur les liaisons ionosphériques. Le CAG (contrôle automatique de gain) limite leurs effets en réception.

La propagation troposphérique joue un rôle notable au-dessus de 100 MHzau-dessus de 100 mégahertz : la constante diélectrique de la troposphère (0 à 10 km environ) varie avec la pression, la température et l'humidité, ce qui courbe la trajectoire des ondes. Selon les conditions, on exploite la diffusion troposphérique (troposcatter), les ducts (guides d'ondes atmosphériques) ou les réflexions sur les fronts de pluie en micro-ondes : des liaisons au-delà de l'horizon deviennent possibles.

L'inversion de température crée le duct le plus classique : en temps normal la température baisse avec l'altitude, mais lorsqu'une couche d'air chaud surmonte une couche d'air froid (nuits claires, matinées calmes, au-dessus de la mer), l'indice de réfraction varie brutalement et courbe l'onde vers le sol. Le signal reste piégé entre la couche d'inversion et la surface : les VHF/UHF peuvent alors se propager à plusieurs centaines de kilomètres, bien au-delà de l'horizon.

En liaison directe, la hauteur de l'antenne conditionne la portée : celle-ci est limitée par l'horizon radioélectrique, légèrement plus loin que l'horizon optique grâce à la réfraction atmosphérique. En pratique : d(km) = 4,1 X racine carrée de la hauteur en mètresd(km) égale 4,1 fois racine carrée de la hauteur en mètres. Élever l'antenne (et celle du correspondant) augmente donc directement la portée des ondes directes ; un obstacle masquant l'horizon les atténue fortement.

La réflexion aurorale : lors des orages magnétiques, les aurores polaires ionisent fortement la base de la couche E vers 100 km100 kilomètres d'altitude. Cette ionisation peut réfléchir les VHF (et au-delà) : des liaisons de l'ordre de 1 000 à 2 000 km1 000 à 2 000 kilomètres sont possibles en pointant l'antenne vers le point d'aurore. Le signal est très déformé (flottement, flutter) ; la CW et les modes robustes sont les plus efficaces.

Une antenne est un dispositif assurant la liaison entre le milieu de propagation (l'espace libre, où les ondes sont des champs électromagnétiques) et une structure où les ondes circulent sous forme de courant électrique (la ligne de transmission). C'est un transducteur passif, donc réciproque : ses caractéristiques en émission et en réception sont identiques.

Quand un courant continu circule dans un conducteur, un champ magnétique apparaît (perpendiculaire au conducteur, règle du tire-bouchon, expérience d'Œrsted). Quand le courant devient alternatif, le conducteur rayonne un champ magnétique alternatif et un champ électrique alternatif parallèle au conducteur : ce champ électromagnétique, même faible, peut être détecté très loin.

L'antenne de base est le doublet demi-onde alimenté au centre (dipôle), constitué de deux quarts d'onde alignés. À chaque extrémité : intensité nulle (nœud) et tension maximum (ventre). Au centre : intensité maximum et tension au plus faible, donc impédance (U/I) faible ; la tension est déphasée de 90° par rapport à l'intensité. Longueur théorique : L(m) = 150 / f(MHz)L(m) égale 150 divisé par f(MHz).

L'impédance au centre varie avec l'angle des brins : 73 Ω alignés (180°)73 ohms alignés (180°), 52 Ω à 120°52 ohms à 120°, 36 Ω à 90°. L'environnement (sol, bâtiments, arbres) la fait aussi varier. En pratique, les brins sont 5 % plus courts que la dimension théorique.

Un doublet n'est accordé que pour la longueur qui correspond à sa fréquence : à la résonance, la réactance s'annule, l'impédance au point d'alimentation est purement résistive (73 Ω dans le vide) et tension et intensité sont en phase. Si l'antenne est détunée, un composant réactif s'ajoute à cette résistance. Une antenne plus courte que la longueur théorique se comporte comme une capacité en série : la réactance est négative et l'intensité est en avance sur la tension. Une antenne plus longue se comporte comme une bobine en série : la réactance est positive et l'intensité est en retard sur la tension. Le module de l'impédance augmente et le déphasage s'ajoute au désaccord : le ROS (rapport d'ondes stationnaires) se dégrade d'autant plus vite que la partie résistive est faible.

Seule la partie résistive de l'impédance rayonne ; le composant réactif emmagasine l'énergie sur une alternance et la restitue à l'émetteur sur la suivante. Pour l'annuler, on agit sur la longueur ou sur la réactance : une antenne trop courte est rallongée par une bobine d'induction, dont l'inductance compense la capacitance, ou par une capacité terminale au sommet qui augmente la capacité effective ; une antenne trop longue est raccourcie, ou l'on ajoute une capacité en série au point d'alimentation. Un circuit d'adaptation (LC, boîtier d'accord, accord de prise de terre) absorbe la même réactance et ramène l'impédance vue par le câble vers 50 Ω. Un brin raccourci voit aussi sa résistance de rayonnement baisser : les pertes de la bobine pèsent alors davantage sur le rendement.

L'antenne quart d'onde verticale (Ground Plane, GP) nécessite une terre ou une masse (piquet dans un sol conducteur, carrosserie de véhicule) pour reconstituer électriquement le deuxième brin. Le plan de sol est constitué d'au moins 3 radiants, souvent de λ/4, disposés à la base. Longueur théorique : L(m) = 75 / f(MHz)L(m) égale 75 divisé par f(MHz). Radiants perpendiculaires au fouet (90°) : impédance de 36 Ω36 ohms ; radiants à 120° : 52 Ω52 ohms. Un brin plus court que le quart d'onde est rallongé artificiellement par un bobinage à la base ou au milieu du brin, ou par une capacité terminale au sommet ; son impédance à la résonance sera plus faible.

Le diagramme de rayonnement du doublet ressemble à un tore traversé par le brin : rayonnement maximum perpendiculairement aux brins, nul dans leur prolongement. En ajoutant des éléments parasites près du dipôle, on crée un lobe principal qui concentre l'énergie dans une direction : c'est l'antenne Yagi (ou beam). Les directeurs sont plus courts que le dipôle, le réflecteur plus long. Plus le nombre d'éléments augmente, plus le gain augmente et plus l'impédance du dipôle diminue.

Le gain se mesure dans la direction maximum de rayonnement, en dBd (par rapport au doublet) ou en dBi (par rapport à l'antenne isotropique, un point idéal dont le diagramme est une sphère). Le doublet a un gain de 2,14 dB2,14 décibels par rapport à l'isotropique, soit un coefficient de 1,64.

La PAR (puissance apparente rayonnée, ERP) est la puissance d'alimentation de l'antenne multipliée par son coefficient de directivité par rapport au doublet : c'est la puissance qu'il faudrait appliquer à un doublet pour obtenir la même puissance rayonnée dans la direction favorable. La PIRE (EIRP) prend l'isotropique pour référence : PIRE = PAR + 2,14 dB = PAR X 1,64PIRE égale PAR + 2,14 décibels égale PAR fois 1,64.

L'angle d'ouverture est l'écart entre les directions où la puissance rayonnée vaut la moitié (−3 dB)moitié ( moins 3 décibels) de la puissance maximum. Le gain avant/arrièregain avant divisé par arrière est le rapport en dB entre la puissance rayonnée dans la direction favorable et celle à 180°.

La polarisation de l'onde suit la position du brin rayonnant : verticale pour le quart d'onde, horizontale pour le doublet. Des configurations particulières (hélice, antennes croisées) produisent des polarisations circulaires (rotation droite ou gauche ; en émettant en rotation droite, on reçoit en rotation droite). En VHF et au-delà, une polarisation croisée peut atténuer jusqu'à 20 dB20 décibels. En décamétrique, les réflexions modifient la polarisation, qui devient moins critique. Pour les ondes de sol (bandes LF et en dessous), la polarisation doit être verticale.