LA PROPAGATION DES ONDES COURTES

On sait que les ondes électromagnétiques se propagent, puisqu’elles permettent i »assurer des liaisons d’un point à un autre du globe terrestre. On sait également qu’elles sont capables de traverser les espaces intersidéraux; une élégante démonstration en fut donnée, en février 1946, par la réussite de l’expérience d’une réflexion d’ondes (d’une fréquence de 110 MHz) sur la Lune. Les satellites artificiels ont, depuis, confirmé le fait.

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Fig. 1-2. — En traversant des milieux dont l’indice de réfraction électrique n’est pas constant, l’onde émise en E peut être suffisam­ment courbée pour revenir toucher le sol au point R. A la notion de réfraction, on substitue parfois celle d’une RÉFLEXION au point H (intersection des deux parties rectilignes du trajet).

Lorsqu’il fallut tenter d’expliquer la propagation des ondes, on fit appel au cliché rien connu du caillou jeté dans une eau tranquille et aux cercles concentriques s’éloignant point de chute.

Or, en matière d’ondes électromagnétiques, la propagation n’est pas limitée au seul plan horizontal. En espace libre, elle s’opérerait en tous sens, mais par suite de la présence «le notre sol terrestre, il faut lui donner pour cadre réel un espace hémisphérique centré sur l’émetteur.

A quelque distance de ce dernier, une petite partie du « front sphérique » de l’onde peut être assimilée à un plan et celui-ci est défini par deux composantes rectangulaires, l’une électrostatique, l’autre électromagnétique. Pour situer dans l’esprit, d’une manière iassi simple que possible, la nature de ces deux éléments, on admettra que les lignes de force de la composante électromagnétique sont analogues à celles qui s’échapperaient i’jne bobine parcourue par un courant alternatif; en ce qui concerne la composante électrostatique, on pourra se la représenter comme une sorte de « division de tension H.F.»
dans l’espace(fig. 1-1).

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Fig. 1-1. — Direction instantanée des composantes magnétique et statique pour une onde traversant la page, en allant vers le lecteur l’alternance suivante, les orientations de ces composantes s’inversent à la fois, mais l’onde poursuit son trajet, dans le même sens.

L’orientation de cet ensemble de composantes dépend de la polarisation de Ponde à l’émission; on la réfère toujours à la composante électrostatique. Une antenne à forme •îrticale émettra une onde polarisée verticalement, c’est-à-dire dont la composante eâîcîrostatique sera elle-même orientée verticalement. Au contraire, pour une antenne horizontale, cette polarisation serait horizontale.

En général, à courte distance, le mode de polarisation ne change pas. Mais, sur de longs trajets, il peut se produire une rotation du plan de polarisation, cette dernière reprenant la forme qui lui est la plus favorable en présence du sol, c’est à dire la polarisation verticale.

Longueur d’onde et fréquence

Si l’analogie du caillou jeté dans l’eau n’est pas parfaite, puisqu’elle limite les phénomènes au seul plan horizontal, elle a du moins l’avantage d’y bien marquer l’existence des cercles concentriques s’éloignant du point d’ébranlement du « milieu de propagation ». La notion de la longueur d’onde tombe immédiatement sous les sens, puisqu’elle est représentée par la distance d’une crête d’onde à la suivante.

De même, pour la fréquence, on conçoit sans peine qu’elle se trouve définie par le nombre de crêtes d’onde défilant devant un repère donné, durant l’unité de temps (en l’occurrence la seconde).

La fréquence F et la longueur d’onde X sont liées par la relation connue : X F = V, où V est la vitesse de propagation de l’onde.

Certains tableaux de conversion sont fondés sur une vitesse de propagation des ondes électromagnétiques de 299 820 km par seconde, mais, en général, on se base sur 300 000 km par seconde, de sorte que si l’on exprime X en mètres et F en MHz, on a : X = 300/F, ou F = 300/X.

 L’onde directe ou onde au sol

 L’idée de la ligne droite, en tant que plus court chemin d’un point à un autre, fait tout d’abord songer à l’onde susceptible d’aller directement de l’émetteur au récepteur, en suivant la courbure terrestre.

Or, plus une onde est courte, plus elle tend à se propager de façon rectiligne, ainsi que le ferait la lumière, laquelle est elle-même un rayonnement électromagnétique.

En dehors de la courbure terrestre, le sol comporte des accidents de terrain; il est parsemé d’obstacles tels que forêts, constructions, lignes électriques, etc., c’est-à-dire autant de causes d’absorption des ondes électromagnétiques. De cela, il résulte qu’à partir d’une certaine distance de l’émetteur, distance d’autant plus réduite que les dites causes d’absorption sont plus importantes et que la fréquence d’émission est plus élevée, l’onde ayant suivi ce trajet « s’use » en quelque sorte, pour disparaître de façon définitive.

L’onde d’espace

Cependant, une autre partie de l’énergie H.F-. rayonnée par l’antenne s’élève à la verticale ou selon des directions obliques au-dessus du sol. Cette énergie irait se perdre dans les espaces intersidéraux, si elle ne rencontrait des couches ionisées susceptibles de modifier son trajet et de la ramener vers le globe terrestre.

En effet, notre atmosphère se raréfie progressivement et, aux altitudes comprises entre 100 et 400 km, il n’y reste que des molécules de gaz très clairsemées. Or, divers rayonnements nous proviennent de l’espace, en particulier les rayons ultraviolets du soleil, et ces rayonnements sont capables d’arracher de-ci de-là, un électron à une particule neutre. Du fait de la raréfaction des gaz, ces électrons libres pourront « errer » durant un temps appréciable, avant de trouver à « se caser » en se recombinant avec un atome déficitaire.

Cet état de choses se trouve évidemment entretenu tant que parviennent les rayonne­ments extérieurs provoquant de telles dissociations. Diverses couches ionisées peuvent s’établir ainsi dans cette haute atmosphère, à laquelle on donne le nom plus particulier d’ionosphère. On les décèle en émettant des ondes dirigées verticalement et réduites à de brefs « tops », dont on enregistre les échos provoqués par leurs réflexions sur les couches ionisées. La vitesse de propagation des ondes étant connue et la mesure du temps s’écoulant entre l’émission du « top » et le retour de l’écho étant pratiquée, on en déduit aisément l’altitude de la couche ayant provoqué la réflexion.

En faisant croître progressivement la fréquence de l’onde émise, on rencontre tout d’abord une couche E, dont l’altitude moyenne est de 100 à 110 km, mais dont la nature est, en général, plutôt sporadique. Puis, à partir d’une certaine fréquence dite                                    « fréquence critique », la courbe ionisée est percée et la réflexion s’établit brutalement sur une autre couche d’altitude plus grande, la couche F ; celle-ci se situe aux alentours de 300 km, au cours de la nuit. En été, du lever au coucher du soleil, elle se dédouble en une couche Fl s’abaissant vers 225 km, et une couche Fs s’élevant vers 320 km. En hiver, pendant le jour, la couche F1 n’existe pas; seule la couche F2 subsiste, mais son altitude n’est plus que de l’ordre de 225 km.

Cependant, l’intensité de l’ionisation des diverses couches est variable, puisque dépendant de l’activité solaire. On sait que cette dernière, caractérisée par l’apparition des taches solaires, suit un cycle de onze années. Les conditions de propagation sont évidemment affectées par ce même cycle. On remarque également un effet de la rotation du soleil sur lui-même (cycle de 27 jours).

Le rayonnement ultraviolet du soleil agirait surtout sur l’ionisation des couches E et F. Par contre, la couche F2 serait surtout sous la dépendance du rayonnement corpusculaire du soleil. De temps à autre, il arrive que ce dernier projette un flux de particules ionisées; ce flux met 30 à 40 heures pour arriver jusqu’à la Terre, où il provoque des manifestations telles que les aurores boréales, les orages magnétiques, des courants telluriques intenses, etc. Il arrive même que, lors d’importantes éruptions chromosphé-riques, ce rayonnement agisse sur les couches ionisées en les perturbant à un point tel que l’on assiste à la coupure totale des communications radio-électriques durant un temps pouvant aller de quelques minutes à plusieurs heures.

De toute manière, il ressort de ce que nous venons de voir qu’il existe toujours une fréquence critique à partir de laquelle l’onde perce la dernière couche ionisée et part vers l’espace intersidéral.

Entre l’onde au sol et l’onde dirigée selon la verticale, il y a place pour une infinité d’ondes rayonnées obliquement. Celles-ci vont toucher sous différents angles, les diverses couches ionisées. De même qu’un bâton plongé dans l’eau paraît brisé, parce que les indices de réfraction de l’air et de l’eau ne sont pas égaux, l’onde pénétrant obliquement dans une couche ionisée, subira une courbure en traversant des milieux dont la « densité d’ionisation » ne sera pas constante.

Pour une fréquence donnée, il existera une densité d’ionisation à partir de laquelle l’onde sera suffisamment courbée pour revenir vers le sol (fig. 1-2). Bien que le processus soit celui d’une réfraction, on considère parfois que le résultat aurait été le même s’il s’était seulement produit une réflexion au point H (devenant ainsi l’intersection dea prolongements des parties rectilignes du trajet).

La figure 1-2 montre encore l’existence d’une zone de silence entre le point S où s’éteint l’onde au sol, et le point R où l’onde réfractée fait sa première réapparition. La distance E R est dite « distance de saut » (skip distance). D’autre part, en ce point R, l’onde peut se réfléchir sur la surface terrestre pour aller ensuite subir une nouvelle réfraction dans l’ionosphère. C’est ainsi que les ondes radioélectriques sont capables, par bonds successifs, de contourner le globe. La réflexion au point R s’effectue avec d’autant moins de pertes que la surface touchée est meilleure conductrice, le cas le plus favorable étant ainsi celui des océans, et le moins bon celui d’un sol sec.

D’autre part, toutes choses égales par ailleurs, la courbure de l’onde dans la couche assurant la réfraction, sera de moins en moins prononcée à mesure que la fréquence d’émission augmentera. On assistera, en conséquence, à l’éloignement progressif du point R et, pour une certaine fréquence, il pourra se faire que l’onde réfractée ne rejoigne plus la surface terrestre ou qu’elle finisse par percer la couche ionisée pour se perdre dans l’espace.

Si la densité d’ionisation de la couche assurant la réfraction se modifie, cette dernière accusera une courbure variable (pour une fréquence donnée). C’est ainsi que se produiront des changements dans les conditions de propagation, changements normaux selon le jour et la nuit, les saisons, les cycles d’activité solaire… ou bien changements inattendus, provoqués par des éruptions chromosphériques du soleil ou par d’autres causes plus ou moins connues.

Les conditions moyennes de propagation sont résumées sous la forme de la figure 1-3, donnant la distance de saut pour la première réfraction. Certains longs trajets pourront comprendre des parties soumises ou non à la lumière solaire, autrement dit : des parties diurnes ou nocturnes, et il y aura lieu d’en tenir compte dans les estimations. Par exemple, dans les liaisons avec l’Australie, les ondes emprunteront le matin, un trajet par l’Ouest (passant au-dessus de l’Amérique du Sud); par contre, l’après-midi et le soir, le trajet possible s’établira vers l’Est, au-dessus de l’Asie.

Le fading et autres accidents de propagation

On conçoit sans peine que les diverses couches ionisées ne présentent pas forcément un caractère homogène. L’existence de « remous » y est parfaitement admissible. 

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De plus, il se peut que la réfraction de l’onde soit juste suffisante pour atteindre un point donné. A ce moment, une légère diminution d’ionisation peut fort bien provoquer un allongement de la distance de saut et, par conséquent, l’évanouissement (fading) de la réception.

Parfois, le fading montre des variations très rapides, nommées « fading scintillant ». Parfois encore, on note, sur la téléphonie, un genre spécial de fading dit sélectif ou déformant, car il affecte inégalement les diverses fréquences instantanées résultant de la modulation B.F. (bandes latérales).

On voit qu’en ondes courtes, une liaison ne dépend pas essentiellement de la puissance mise en jeu à l’émission. L’élément déterminant se trouve dans la possibilité ou l’impossibilité de la propagation, pour la fréquence utilisée. Cette affirmation est vraie, même pour des émetteurs puissants, assurant des trafics intercontinentaux officiels. Dans ces mêmes stations, on constate de temps à autre que les transmissions ne passent que dans un seul sens, la propagation ayant perdu son caractère bilatéral.

De ce caractère unilatéral de la propagation on trouve parfois, sur la bande 14 MHz, au début des soirées d’hiver, un exemple assez spécial : tout d’abord, on entend des stations lointaines d’Océanie, puis de la côte africaine de l’Est, puis de l’Afrique du Sud; ensuite ce sont des stations de l’Amérique du Sud… et, avec quelques dernières réceptions de pays d’Amérique Centrale, cette « propagation tournante » sombre dans le néant !

Il nous est arrivé, aussi, de trouver sur la bande 14 MHz, aux alentours de 16 heures, bon nombre d’étonnantes réceptions de téléphonies d’amateurs de la côte du Pacifique des Etats-Unis. Le lendemain, nous apprenions qu’une aurore boréale avait été observée au cours de la nuit et nous constations (pendant plusieurs jours) une propagation effroyablement mauvaise sur cette même bande 14 MHz.

Ce que l’on peut attendre des Bandes

On peut escompter, sur ces diverses bandes, les conditions de propagation moyennes suivantes :

Bande 3,5 MHz. Les liaisons diurnes ne vont guère au-delà d’une distance de 300 km et cette bande est souvent affectée par des parasites atmosphériques. Au cours de la nuit, des communications à plusieurs milliers de kilomètres (ou même inter­continentales en hiver) sont possibles.

Bande 7 MHz. Elle permet normalement des liaisons à plusieurs centaines de kilo­mètres au cours de la journée, et intercontinentales durant la nuit. Cependant, elle subit à présent, en Europe, et surtout le soir, la gêne due à son partage avec des émissions de radiodiffusion.

Bande 14 MHz. La distance de saut s’allongeant à mesure que la fréquence croît, cette bande offre d’excellentes possibilités au trafic à grande distance. Aux alentours de 8 h et de 20 h, il est souvent aisé d’y toucher les antipodes.

Au cours de la journée, elle permet, en général, de trafiquer avec des stations distantes de 1000 à 3000 km. L’après-midi, on peut y rencontrer des amateurs asiatiques, sud-africains; au début de la soirée, des Sud, puis des Nord-Américains.

Durant les maxima du cycle d’activité solaire de onze années, la bande 14 MHz reste « ouverte » toute la nuit. Par contre, au cours des minima de ce cycle, elle se « bouche » entre le coucher et le lever du soleil.

Bandes 21 et 28 MHz. A mesure que la fréquence croît, les conditions favorables à la réfraction des ondes deviennent plus délicates. Ou bien l’ionisation (surtout dans les minima du cycle des taches solaires) est insuffisante pour assurer le retour des ondes vers le sol et ces bandes sont silencieuses (surtout celle des 28 MHz), ou bien l’ionisation autorise la réfraction et l’on pratique sur ces bandes de remarquables liaisons mondiales, avec une étonnante facilité.

Les bandes 72 et 144 MHz sont surtout utilisées pour des liaisons régionales, pour la télécommande de modèles réduits, et à diverses fins expérimentales (de même que les autres bandes de fréquence plus élevée). Pour ces dernières, on doit pratiquement compter sur une propagation à « caractère optique », c’est-à-dire nécessitant la visibilité entre stations.

Ainsi, les amateurs de radiocommunications mondiales utiliseront surtout les bandes de 3,5 à 28 MHz. Ces bandes présenteront leurs bons et leurs mauvais jours… et quelques instants d’écoute apprendront souvent beaucoup sur les possibilités qu’elles offrent en un moment donné. C’est à la judicieuse exploitation des phénomènes de propagation que l’on devra souvent de beaux succès en matière de liaisons lointaines.

Source « Technique de l’émission-Réception sur OC »    CH.GUILBERT  F3LG

Radioamateurs-France2

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