Propagation Réelle PDF

PROPAGATION REELLE But : Connaitre les problèmes de propagation des ondes électromagnétiques dans l’atmosphère pouvant affecter la qualité d’une liaison de transmission radio. Objectifs du cours : 1. Compréhension des Mécanismes de Propagation : Étudier comment les ondes électromagnétiques se propa...

PROPAGATION REELLE But : Connaitre les problèmes de propagation des ondes électromagnétiques dans l’atmosphère pouvant affecter la qualité d’une liaison de transmission radio. Objectifs du cours : 1. Compréhension des Mécanismes de Propagation : Étudier comment les ondes électromagnétiques se propagent en utilisant la réflexion sur les couches ionisées de l'ionosphère, permettant ainsi des communications au-delà de l'horizon 2. Analyse des Conditions de Propagation Examiner les facteurs influençant la propagation ionosphérique, tels que le cycle solaire, l'heure de la journée et les saisons, qui affectent la densité électronique et les propriétés réfractives de l'ionosphère 3. Impact des Perturbations Ionosphériques : Étudier comment les perturbations causées par des événements solaires ou des orages magnétiques affectent la qualité des communications. (Bilan de liaison en fonction des différentes conditions) Plan du cours I- Généralités sur l’atmosphère II- Propagation ionosphérique  Ionosphère : propriétés et Perturbations de la propagation ionosphérique  Limitation de la bande de fréquences utilisables  Schéma d’une liaison grande distance  Notice d’emploi des prévisions ionosphériques (affaiblissement tolérable et estimation des champs)  Exemple de calcul d’une liaison III- Propagation des ondes centimétrique et métriques  Diffraction des ondes  Diffusion des ondes  Perturbation des liaisons  Bilan de liaison : équation des télécommunications  I- GENERALITES SUR L’ATMOSPHERE TERRESTRE 1- Définition de l’atmosphère L’atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse, entourant la Terre, que l'on appelle air. L'air sec se compose à 78,087 % de diazote, à 20,95 % de dioxygène, à 0,93 % d'argon, à 0,042 % de dioxyde de carbone, et de traces d'autres gaz. L'atmosphère protège la vie sur Terre en filtrant le rayonnement solaire ultraviolet, en réchauffant la surface par la rétention de chaleur (effet de serre) et en réduisant partiellement les écarts de température entre le jour et la nuit. Les nuages, constitués de particules liquides ou solides en suspension dans l'air, ne sont pas considérés comme des constituants de l'atmosphère. En revanche, la vapeur d'eau contenue dans l'air humide représentant, en moyenne, 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère est un constituant de l’atmosphère. La vapeur d'eau est le seul fluide de l'atmosphère terrestre susceptible de changer rapidement de phase (solide, liquide, gaz), essentiellement en fonction de la température, et dont la concentration est très variable dans le temps et dans l'espace. La chaleur a tendance à faire monter l'air et son humidité, alors que la pression de l’atmosphère et sa température (en) diminuent avec l'altitude dans la troposphère. 2- Rôle et importance L'atmosphère joue un rôle fondamental dans le maintien des conditions nécessaires à la vie  Protection : elle filtre les radiations solaires nocives et réduit les écarts de température entre le jour et la nuit grâce à l'effet de serre  Régulation climatique : Les gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau, contribuent à maintenir une température habitable sur Terre  Soutien à la vie : Elle fournit l'air que nous respirons et est essentielle pour les cycles hydrologiques 3- Composition et couches de l'atmosphère L'atmosphère terrestre est structurée en plusieurs couches distinctes : Troposphère : La couche la plus proche de la surface terrestre, riche en vapeur d'eau et en nuages. C'est ici que se produisent la plupart des phénomènes météorologiques. Stratosphère : Située au-dessus de la troposphère, elle contient la couche d'ozone qui protège la Terre des rayons ultraviolets nocifs.  Mésosphère : Au-dessus de la stratosphère, où la température diminue avec l'altitude. Thermosphère : Caractérisée par une augmentation rapide de la température avec l'altitude, elle contient peu de particules d'air. Exosphère : La couche supérieure où les particules peuvent échapper à l'attraction terrestre Il n'y a pas de limite précise entre l'atmosphère et l'espace, car elle devient de plus en plus ténue avant de s’évanouir, dans l'espace, de manière continue. Cependant, à partir de l'observation de la variation de la densité des gaz terrestres, on peut établir que l'épaisseur de l'atmosphère terrestre varie entre 350 et 800 km (selon l'activité solaire), l'épaisseur moyenne étant d'environ 600 km. Cette limite correspond à la frontière entre thermosphère et exosphère. La littérature scientifique fait mention d'autres définitions de la limite de l'atmosphère terrestre selon différents paramètres. Par exemple, 31 km : seuil en dessous duquel se trouve 99 % de la masse de l'atmosphère ; 80 km : base de l'ionosphère ; 1 000 km : limite à partir de laquelle la densité des gaz n'est plus distinguable de celle issue des vents solaires ; 50 000 km : limite de l'exosphère 4- Structure thermique verticale de l'atmosphère De bas en haut : La troposphère : la température décroît avec l'altitude (de la surface du globe à 8-15 km d'altitude) ; l'épaisseur de cette couche varie entre 13 et 16 km à l'équateur, mais entre 7 et 8 km aux pôles. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc.) et les mouvements atmosphériques horizontaux et verticaux (convection thermique, vents). La stratosphère La température croît avec l'altitude jusqu'à 0 °C (de 8 à 15 km d'altitude à 50 km d'altitude) ; elle abrite une bonne partie de la couche d'ozone ; La mésosphère La température décroît avec l'altitude (de 50 km d'altitude à 80 km d'altitude) jusqu'à −80 °C ; La thermosphère La température croît avec l'altitude (de 80 km d'altitude à de 350 à 800 km d'altitude) ; L'exosphère De 350 à 800 km d'altitude à 50 000 km d'altitude II- PROPAGATION IONOSPHERIQUE 1- Ionosphère L'ionosphère d'une planète est une couche de son atmosphère caractérisée par une ionisation partielle des gaz, provoquée par le rayonnement solaire ultraviolet qui réagit sur une partie des molécules atmosphériques en les amputant d’un électron. Un plasma, qui contient des nombres égaux d’électrons et d’ions positifs, est ainsi créé. Dans le cas de la Terre, elle se situe entre environ 60 et 1 000 km d'altitude et recouvre donc une partie de la mésosphère, toute la thermosphère et une partie de l'exosphère. L'ionosphère est essentielle pour les communications radio à longue distance, car elle permet aux ondes radio de se réfléchir sur ses couches ionisées. Cela a été démontré lors des premières transmissions radio intercontinentales De plus, elle joue un rôle dans les systèmes de navigation par satellite et peut influencer les technologies modernes telles que le GPS. 1.1- Historique (Wikipédia) 1901 : Marconi établit une liaison transatlantique par radio. 1902 : Les ondes électromagnétiques ne se propagent qu'en ligne droite, du moins dans un milieu homogène. Pour expliquer comment les signaux radiotélégraphiques émis par Marconi ont pu contourner la rotondité de la Terre, Heaviside en Angleterre et Kennelly en Amérique imaginent l'existence à très haute altitude de couches réfléchissantes pour les ondes radio : les couches de Kennelly-Heaviside. 1925 : Le physicien anglais Appleton met en évidence par l'expérience la présence des couches imaginées par Heaviside et Kennelly. Ces couches prennent le nom de couche d'Appleton. 1925 : Peu après Appleton, les physiciens américains Gregory Breit et Merle Antony Tuve mesurent la hauteur des couches de l'ionosphère à l'aide d'un émetteur d'impulsions radioélectriques. 1929 : Le mot ionosphère, proposé par Robert Watson-Watt, remplace celui de couche d'Appleton. 1931 : Sydney Chapman élabore sa théorie de formation des couches de l'ionosphère par l'action du rayonnement UV solaire. 1.2- Description La densité de l'air qui constitue l'atmosphère diminue à mesure que l'on s'éloigne de la surface du sol. À 60 km d'altitude, la pression de l'air n'est plus que de 2 Pa. L’atmosphère au-delà de 60 km agit comme filtre absorbant du rayonnement solaire, des rayons ultraviolets et X dont l’énergie est complètement absorbée dans la thermosphère. Ainsi, la surface terrestre est protégée de ces rayons agressifs dont l’énergie se perd dans des réactions déchirant des molécules (dissociation) ou leur arrachant un électron (ionisation). La dissociation des molécules fait apparaître des atomes O (provenant de dioxygène O2) d’une part, et N (de diazote N2) d’autre part. La plupart de ces derniers disparaissent par formation de molécules NO. Une partie non négligeable de tous ces composants neutres est ionisée de façon qu’il y a au milieu des neutres une population de différents ions et une autre d’électrons libres au même nombre total. Une ionisation très localisée et pendant une très courte durée peut être provoquée par les chutes de météorites. Dans la partie basse de l'ionosphère, la densité de molécules d'air est encore élevée, les collisions entre électrons et ions sont fréquentes ; un électron peut retrouver rapidement un ion positif : la recombinaison est rapide. Dans les couches les plus hautes, la recombinaison est plus lente et l'ionisation ne diminue que lentement après que le rayonnement solaire s'interrompt avec le coucher du Soleil. 1.3- Propriétés de l’ionosphère : stratification On distingue généralement trois couches aux propriétés propres vis-à-vis de la propagation des ondes.  Couche D : altitude de 60 à 90 km, pression 2 Pa, température −76 °C, densité électronique 104 cm−3 environs. Constituée d'ions polyatomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci. Couche E, ou couche de Kennelly–Heaviside : altitude de 90 à 120 km, pression 0,01 Pa, température −50 °C, densité électronique 105 cm−3 environ. Constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisés et d'ions météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l'été, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des « nuages » fortement ionisés dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es) Couche F : altitude de 120 à 800 km, pression 10−4 Pa, température 1 000 °C, densité électronique 106 cm−3 environ. Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Très dépendante de l'activité solaire, elle présente un niveau d'ionisation très important pendant les maximas du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire ; la couche F se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1 et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive qu'elles persistent toute la nuit lors des maximas d'activité solaire. Comme pour la couche E, le rôle de la couche F est essentiel pour la propagation des ondes courtes.  Fig2 : Les couches de l’ionosphère 1.4- Activité solaire Ce sont les variations au cours du temps du flux (W/m2) du rayonnement solaire. C’est une variation périodique dont la période moyenne T est appelée Cycle Solaire L'activité est réglée par un cycle solaire d'une période moyenne de 11,2 ans (d’un maximum au suivant) ; mais la durée peut varier entre 8 et 15 ans. L'amplitude des maximas peut varier du simple au triple L'activité solaire a un impact significatif sur l'ionosphère L'ionisation dans l'ionosphère est principalement causée par l'interaction des radiations solaires avec les molécules neutres de l'atmosphère. Les photons de haute énergie peuvent arracher des électrons aux atomes d'oxygène et d'azote, créant ainsi des ions positifs Ce processus varie selon l'altitude : À basse altitude, la densité des particules est élevée, ce qui favorise la recombinaison rapide. À haute altitude, la recombinaison est plus lente en raison de la faible densité, permettant ainsi à l'ionisation de persister même après la disparition du rayonnement solaire. L'état de l'ionosphère est fortement dépendant de l'activité solaire. Les variations dans le flux solaire peuvent entraîner des changements significatifs dans la densité électronique. Par exemple, lors des pics d'activité solaire, la densité d'électrons peut augmenter considérablement, affectant ainsi la propagation des ondes radio. L'ionosphère est essentielle pour les communications radio à longue distance, car elle permet aux ondes radio de se réfléchir sur ses couches ionisées. Cela a été démontré lors des premières transmissions radio intercontinentales De plus, elle joue un rôle dans les systèmes de navigation par satellite et peut influencer les technologies modernes telles que le GPS. 1.5- Perturbation de la propagation ionosphérique La propagation ionosphérique est un phénomène crucial dans les communications radioélectriques, car l'ionosphère, une couche de l'atmosphère terrestre, influence la transmission des signaux électromagnétiques. Les perturbations de cette région peuvent avoir des effets significatifs sur la qualité et la fiabilité des communications. Les perturbations ionosphériques sont principalement causées par : Activités solaires : Les éruptions solaires et les éjections de masse coronale (EMC) libèrent des particules chargées qui peuvent augmenter l'ionisation dans l'ionosphère, entraînant des variations de phase et d'intensité des signaux radio.  Scintillations ionosphériques : Ce phénomène se manifeste par des fluctuations rapides du signal reçu, affectant particulièrement les systèmes de positionnement par satellite comme le GPS. Ces scintillations sont dues à des irrégularités dans la densité du plasma ionosphérique. Conditions géomagnétiques : Les tempêtes géomagnétiques peuvent également perturber l'ionosphère, rendant les communications HF (haute fréquence) peu fiables, surtout aux latitudes aurorales. Les perturbations ionosphériques peuvent entraîner plusieurs problèmes pour les communications radio :  Perte de verrouillage GPS : Les changements rapides dans la phase des signaux peuvent provoquer une perte temporaire du verrouillage par les récepteurs GPS, ce qui peut entraîner des erreurs de positionnement  Brouillage radioélectrique : À des fréquences élevées, les réflexions inattendues des ondes radio peuvent causer du brouillage, rendant difficile la réception claire des signaux  Absorption des signaux : Dans certaines conditions, notamment durant les orages magnétiques, l'absorption accrue des signaux haute fréquence peut rendre impossible la communication 2- Limitation de la bande de fréquences utilisables 2.1- Etude Le sondeur vertical (ou ionosonde) est une sorte de radar dont la fréquence est variable entre 1 et 30 MHz. L'émetteur envoie des impulsions très brèves qui sont réfléchies à une altitude dépendant de la fréquence et de la densité électronique dans l'ionosphère. La mesure du temps séparant l'impulsion émise et la réception de l'écho permet de calculer l'altitude à laquelle s'est effectuée la réflexion. Le tracé de cette altitude (virtuelle) en fonction de la fréquence est un ionogramme. Fig3 : exemple d’ionogramme 2.2- Action des couches ionosphériques sur la propagation HF Les ondes courtes se propagent d'un point à un autre du globe de trois manières différentes : Par l'onde de sol qui suit la courbure terrestre, d'autant plus importante que la fréquence est basse ;  Par l'onde d'espace ou onde directe, c'est la propagation de type optique commune à toutes les fréquences ; Par réflexion simple ou multiple sur les couches supérieures de l'ionosphère, c'est la propagation ionosphérique. Lorsqu’une onde rencontre une couche ionisée, elle peut soit s’y réfléchir ou soit la traverser. La fréquence la plus élevée pouvant être réfléchie dépend de l’état d’ionisation de la couche : plus la fréquence est élevée, plus l’ionisation des couches doit être importante pour permettre une réflexion de l’onde. Lorsque l’ionisation est importante, l’onde est renvoyée vers le sol où elle se réfléchit à nouveau sur le sol. Après plusieurs réflexions, l’onde peut atteindre un point quelconque de la Terre, même très éloigné de l’émetteur. A chaque réflexion (au sol ou sur une couche), l’onde est affaiblie. Il est possible que l’ionisation ne soit pas suffisante, dans ce cas l’onde n’est jamais réfléchie vers le sol. Cela explique pourquoi certaines fréquences sont bloquées à différents moments de la journée. 2.3- Principaux Facteurs Influençant la Propagation Ionosphérique La propagation des ondes électromagnétiques dans l'ionosphère est influencée par plusieurs facteurs clés qui déterminent la qualité et l'efficacité de cette propagation. Voici les principaux : a. Densité Électronique : La concentration d'électrons libres dans l'ionosphère, mesurée par la densité électronique (Ne), est cruciale. Elle varie avec l'altitude, le cycle solaire, et les conditions diurnes et nocturnes. Un maximum de densité se produit généralement entre 250 km (jour) et 400 km (nuit) d'altitude b. Cycle Solaire : L'activité solaire affecte directement l'ionisation de l'ionosphère. Pendant les périodes de forte activité solaire, la densité d'électrons augmente, ce qui améliore la propagation des ondes à basse fréquence (en dessous de 1 GHz) et peut également entraîner des perturbations c. Heure de la Journée : La propagation ionosphérique varie selon l'heure. Pendant la journée, la couche D absorbe les ondes en dessous de 10 MHz, tandis que les couches E et F deviennent plus actives, permettant une meilleure réflexion des ondes. d. Saisons : Les variations saisonnières influencent également la propagation. Par exemple, l'ionisation est généralement plus élevée pendant les mois d'été en raison de l'angle d'incidence du rayonnement solaire. e. Conditions Météorologiques et Perturbations Magnétiques : Les orages magnétiques peuvent provoquer des perturbations significatives dans l'ionosphère, affectant temporairement la propagation des signaux radio. Ces événements peuvent engendrer des fluctuations soudaines dans la densité électronique et perturber les communications. f. Angle d'Incidence : L'angle sous lequel les ondes électromagnétiques entrent dans l'ionosphère influence leur réflexion. Les signaux entrants à un angle proche de la verticale sont réfléchis différemment par rapport à ceux entrant à un angle plus horizontal. Ces facteurs combinés déterminent non seulement la portée et la qualité des communications radio, mais aussi leur fiabilité en fonction des conditions environnementales et atmosphériques. 2-4 Caractéristiques de la propagation ionosphérique La propagation des ondes radio de fréquences comprises entre quelques centaines de kilohertz et quelques dizaines de mégahertz est intimement liée à l'état de l'ionosphère. Elle peut être favorisée ou perturbée selon la fréquence de l'onde radio, la position géographique de l'émetteur et du récepteur ainsi que le moment où la communication est tentée. Le moment de la journée, la saison et le cycle solaire sont des paramètres très importants dans certains cas. Ainsi, les ondes décamétriques (Les ondes décamétriques correspondent à des fréquences se situant entre 3 et 30 mégahertz (MHz), appelées traditionnellement hautes fréquences ou « ondes courtes ») permettent d'établir des liaisons à très longues distances en se réfléchissant sur certaines couches de l'ionosphère. Pour d'autres fréquences, comme les ondes hectométriques (Les ondes hectométriques correspondent à des fréquences se situant entre 300 et 3000 kilohertz (kHz), appelées traditionnellement moyennes fréquences ou « ondes moyennes »), la propagation dépend fortement de l'absorption provoquée par la couche D (voir plus haut) qui empêche, dans la journée, ces ondes de se réfléchir sur les couches E et F situées plus haut en altitude. Les ondes de fréquences très élevées (VHF, UHF et hyperfréquences) utilisées pour les communications via satellites peuvent être également déviées ou absorbées par l'ionosphère, mais cela ne constitue généralement pas une grande perturbation. Ainsi, l'ionosphère peut réfléchir certaines longueurs d'onde, influençant ainsi les communications radio à différentes fréquences :  Fréquences basses (moins de 1 MHz) : La propagation est principalement réalisée par des ondes de sol, qui suivent la courbure de la Terre. Les communications à longue distance sont généralement possibles uniquement la nuit, lorsque la couche D de l'ionosphère disparaît, permettant ainsi une portée allant jusqu'à 1 000 km.  Fréquences intermédiaires (3 à 30 MHz) : À ces fréquences, les ondes peuvent être réfléchies par les couches ionisées de l'ionosphère. La portée des communications varie selon le moment de la journée et l'activité solaire : o En dessous de 4 MHz : Les communications ne sont généralement possibles à grande distance que lorsqu’il fait nuit entre le lieu d’émission et de réception, après disparition de la couche D. L'onde de sol a une fonction prépondérante, surtout en dessous de 1 MHz. Excellente bande régionale en début et en fin de journée avec une portée jusqu’à 600 km (jusqu’à 2 000 km selon les conditions). Des liaisons locales peuvent avoir lieu dans un rayon de quelques dizaines de kilomètres. o 4 à 8 MHz : des communications intercontinentales sont possibles (plus de 4 000 km) mais des liaisons fiables ne peuvent généralement  avoir lieu qu'entre 200 et 3000 km. Liaisons locales possibles jusqu'à une trentaine de kilomètres. o 8 à 12 MHz : Ouverture 24 heures sur 24 pour les communications continentales. Distance de saut passant de 300 km le jour à 1 000 km de nuit. Communication intercontinentale possibles lorsqu’il fait nuit entre le lieu d’émission et de réception. o 12 à 16 MHz : Bande ouverte pendant la journée avec une portée allant jusqu'à 2000 km à peu près en toutes périodes. Communications possibles jusqu'aux antipodes pendant les périodes favorables du cycle solaire. Distance de saut variant de 200 km le jour à 1 600 km la nuit. o 16 à 19 MHz : Excellente pour les communications intercontinentales pendant le jour 19 à 22 MHz : Meilleures conditions pour les communications intercontinentales lorsque le parcours est éclairé par le soleil, avec des distances de saut variant entre 500 et 1 500 km o 22 à 26 MHz : Excellente bande en période de grande activité solaire seulement pour la communication intercontinentale lorsque le parcours entre l’émetteur et le récepteur est éclairé par le Soleil. Distance de saut 500 à 1500 km selon la période. Ouvertures sporadiques entre mai et août et plus rarement entre novembre et janvier chaque année. Elles permettent des liaisons même pendant les périodes défavorables du cycle solaire. o De 26 à 30 MHz : Excellente bande en période de grande activité solaire seulement pour la communication intercontinentale lorsque le parcours entre l’émetteur et le récepteur est éclairé par le soleil. Distance de saut 500 à 1 500 km selon la période. o Fréquences élevées (au-dessus de 30 MHz) : Les ondes supérieures à 30 MHz ne sont généralement pas réfléchies par l'ionosphère et se propagent directement. Cela signifie qu'elles nécessitent une ligne de vue directe entre l'émetteur et le récepteur, semblable aux ondes visibles. Cependant, dans certaines conditions atmosphériques exceptionnelles, comme les "nuages" ionisés dans la couche E, il est possible que ces fréquences soient réfléchies temporairement, permettant des communications à plus de 2 000 km. 2.5- Facteurs agissant sur la qualité de la transmission  Le Fading ou QSB Lorsque deux ondes issues d'un même émetteur et ayant parcouru des trajets différents parviennent sur une antenne de réception, les signaux électriques produits s'ajoutent. Le signal résultant a une amplitude qui dépend de l'amplitude de chacun des signaux reçus mais aussi du déphasage de l'un par rapport à l'autre : Signaux en phase : le signal résultant est la somme des deux signaux Signaux en opposition de phase : l'amplitude du signal résultant est égale à la différence des deux signaux Déphasage variable : l'amplitude du signal varie en fonction du déphasage. Le déphasage dépend de la différence de trajet entre les deux ondes, due par exemple au fait que l'une des deux a été réfléchie sur une couche haute de l'ionosphère. Mais comme la hauteur des couches ionisées varie en fonction de l'activité solaire, l'amplitude du signal reçu va varier avec une fréquence de l'ordre de quelques hertz : c'est le fading (de l'anglais to fade, s'estomper, s'atténuer), appelé QSB dans le code Q des opérateurs HF.  Le bruit radioélectrique Il a pour origine plusieurs sources distinctes : Naturelles et terrestres : orages qui éclatent à chaque instant dans le monde, les fréquences radioélectriques inférieures à 2 MHz sont inutilisables dans la zone de convergence intertropicale (front intertropical, zone de basses pressions entourant la Terre près de l'équateur, Elle est caractérisée par des mouvements convectifs et par des formations importantes de cumulonimbus) Naturelles et venant de l'espace : bruits radioélectriques émis par le soleil, les étoiles... Artificielles : parasites électriques industriels et ménagers, automobiles, téléphones mobiles, transmissions radio... Le bruit radioélectrique couvre toute l'étendue du spectre des ondes radio mais avec une intensité très variable. Son niveau dépend également beaucoup de la proximité des sources industrielles : il est nettement plus élevé dans les zones urbaines que dans les régions inhabitées.   Les distorsions de modulation Les ondes qui se sont réfléchies sur l'ionosphère subissent parfois une distorsion importante qui rend la compréhensibilité de la modulation difficile. C'est le cas des ondes dont le trajet s'approche des pôles magnétiques ou qui se sont réfléchies sur une aurore polaire. 2.6- Prédiction de la propagation ionosphérique La prédiction de la propagation ionosphérique est essentielle pour optimiser les communications radio à longue distance, notamment dans le cadre des transmissions HF (hautes fréquences). Cette prédiction repose sur l'analyse de divers facteurs qui influencent l'état de l'ionosphère, une région de l'atmosphère située entre 60 et 800 km d'altitude, où les ondes électromagnétiques peuvent être réfléchies Pour permettre des communications professionnelles fiables, des prévisions de propagation sont fournies par les agences, exprimées selon le trajet entre stations, par deux valeurs, en fonction de la date et de l'heure : La fréquence maximale d'utilisation (ou MUF) La fréquence minimale d'utilisation (ou LUF) Ces valeurs sont exprimées en probabilité de liaison : par exemple en mars 2006, pour une liaison France-Tahiti, à 9 h 00 UTC, la fréquence maximale serait de 12 MHz et la fréquence minimale de 8 MHz, pour 50 % du temps (exemple fictif). En dehors de cet intervalle, les liaisons sont aléatoires, et la fréquence optimale (réception maximale) est en général proche de la fréquence maximale. Ces prévisions sont également reproduites sur les revues techniques radioamateurs. Des systèmes automatiques permettent aux réseaux de communications HF de s'adapter à la propagation en mesurant l'atténuation sur plusieurs fréquences simultanées. 2.7- Choix des antennes La propagation s'effectuant soit par onde de sol, soit par réflexion, l'angle de départ de l'antenne (angle d'élévation du premier lobe) est primordial. En général : Les communications en onde de sol nécessitent des antennes avec un angle de départ nul ou faible (ex. : antenne verticale sur plan de masse idéal) ; Les communications NVIS (à l'intérieur d'une zone circulaire inférieure à 300 km autour de la station d’émission quel que soit le relief) nécessitent un angle très élevé (75 à 90 °) Les communications à moyenne distance (1 000 à 5 000 km) nécessitent un angle moyen (20 à 30 °) Les communications à longue distance (10 000 à 20 000 km) nécessitent un angle très faible (10 °). Notes : Le N.V.I.S. (Near Vertical Incidence Skywave), en français : onde radio ionosphérique à incidence quasi verticale, est un mode de propagation utilisé pour des radiocommunications locales et régionales dans la bande des moyennes fréquences et hautes fréquences (1,6 à 12 MHz) à l’intérieur d’une zone arbitraire de 250 km autour de l'émetteur. Ce mode de propagation des ondes radios nécessite une antenne NVIS dont le lobe de rayonnement principal est en direction du ciel. 2.8- Schéma d’une liaison grande distance 2.9- Notice d’emploi des prévisions ionosphériques Pour prédire efficacement la propagation ionosphérique, plusieurs outils et modèles sont utilisés : Modèles Internationaux : Des modèles tels que le modèle international de référence ionosphérique (IRI), fournissent des données sur la densité électronique et les caractéristiques des couches ionosphériques en fonction du temps et de la localisation géographique. Le Service de Prévision Ionosphérique (SPIM) fournit des graphiques mensuels sur la probabilité de communications satisfaisantes en fonction de la fréquence et de l'heure. Logiciels Spécialisés : Des applications comme VOACAP et Ham Cap permettent aux utilisateurs de simuler les conditions de propagation en fonction de leur position géographique et des paramètres d'équipement. Ces outils intègrent des données en temps réel sur l'activité solaire et géomagnétique pour fournir des prévisions précises. Applications La prédiction de la propagation ionosphérique est cruciale pour diverses applications: Communications Radio : Elle permet aux opérateurs radio d'optimiser leurs transmissions en choisissant les meilleures fréquences et heures pour établir des liaisons à longue distance. Radiocommunications d’Urgence : En cas de catastrophe naturelle, les communications ionosphériques peuvent être vitales pour établir un contact lorsque d'autres moyens échouent. Les radioamateurs jouent souvent un rôle clé dans ces situations. 2.10- Exemple de calcul de liaison Le calcul d'une liaison ionosphérique implique plusieurs étapes et paramètres. Voici un exemple illustratif qui montre comment évaluer la possibilité d'une communication radio à travers l'ionosphère. Données Nécessaires  1. Fréquence d'Émission F : Choisir une fréquence appropriée, par exemple 14 MHz. 2. Conditions Solaire : Indice de flux solaire (SFI) et nombre de taches solaires (SSN). 3. Position Géographique : Latitude et longitude de l'émetteur et du récepteur. 4. Heure et Date : Moment de la tentative de liaison pour tenir compte des variations diurnes. Étapes du Calcul 1. Évaluation des Conditions Ionosphériques : o Utiliser des outils comme VOACAP ou Ham Cap pour obtenir les prévisions de propagation en fonction de la fréquence choisie, du SFI, et des conditions géomagnétiques. o Par exemple, si le SFI est supérieur à 150, cela indique généralement de bonnes conditions pour la propagation HF 2. Calcul de la Portée Maximale : Modèle 1 : connaissant l’angle d’incidence de l’onde et altitude de réflexion La portée maximale peut être estimée en utilisant la formule suivante pour la propagation ionosphérique : 2ℎ = ( ) D : est la distance entre l’émetteur et le point de réception h : est l'altitude de la couche ionosphérique (environ 300 km pour la couche F2) θ : est l'angle d'incidence des ondes radio Exemple : Calculer la portée maximale à l’aide du modèle ci-dessus pour une altitude h d'environ 300 km et un angle d'incidence typique de 45 degrés : Modèle 2 : connaissant la fréquence de l’onde, indice de réfraction de l’ionosphère et l’angle d’incidence de l’onde Où : C : la vitesse de la lumière dans le vide (3x108 m/s) f : la fréquence en Hz, n : l’indice de réfraction effectif de l'ionosphère. i : angle d’incidence de l’onde (0° à la verticale) L'indice de réfraction varie avec la densité électronique et peut être calculé à partir des propriétés spécifiques de l'ionosphère à un moment donné Facteurs influençant la portée maximale.  Fréquence de l'onde : La portée maximale dépend fortement de la fréquence utilisée. Les fréquences entre 1 et 30 MHz sont généralement les plus efficaces pour la propagation ionosphérique. Les ondes à ces fréquences peuvent être réfléchies par les couches ionosphériques, permettant des communications sur des distances intercontinentales   Couches ionosphériques : L'ionosphère est composée de plusieurs couches (D, E, F1, F2) qui ont des caractéristiques différentes. La couche F2, en particulier, est cruciale pour la propagation à longue distance car elle présente une densité d'ionisation élevée, surtout pendant la journée. La hauteur de cette couche varie entre 300 et 400 km, et sa densité d'ionisation peut fluctuer en fonction du cycle solaire et des conditions atmosphériques  Conditions de propagation : Les conditions atmosphériques (comme l'heure du jour et l'activité solaire) influencent également la portée. Par exemple, les signaux à haute fréquence peuvent être absorbés ou diffusés différemment selon ces conditions 3. Calcul du Bilan de Liaison : Le bilan de liaison évalue les pertes et gains (caractéristiques des antennes) lors de la transmission d'un signal radio. Il inclut plusieurs facteurs : Pertes dues à l'absorption : La couche D peut causer une atténuation significative des signaux à basse fréquence pendant le jour. Les signaux au- dessus de 10 MHz sont moins affectés par cette couche Fluctuations dues à la scintillation : La scintillation ionosphérique peut provoquer des variations rapides d'amplitude et de phase des signaux reçus, affectant ainsi leur qualité. Ce phénomène est particulièrement pertinent pour les applications GPS et les communications à haute précision Conditions dynamiques : L'ionosphère n'est pas homogène ; elle présente des irrégularités qui peuvent influencer le chemin des ondes. Ces irrégularités peuvent entraîner des réflexions multiples et des variations dans le signal reçu.  Une formule simplifiée pourrait être : Où L : niveau du signal reçu Pt : puissance d'émission Gt : gain de l'antenne émettrice Gr : gain de l'antenne réceptrice La : pertes d'absorption dans l'ionosphère Lf : pertes dues à la distance Exemple Numérique Fréquence : 30KHz Angle d’incidence (i) : 60° Indice de réfraction (n) : 0,31 (couche F2) Puissance émission (Pt) : 100W Gain de l’antenne émettrice (Gt) : 6dBi Gain de l’antenne réceptrice (Gr) : 6dBi Pertes d’absorption (La) :10dB Perte de propagation (Lf) : 20dB 1- Portée maximale ? 2- Bilan de liaison  III- Propagation des ondes 1- Les types de propagation Entre une antenne d’émission et une antenne de réception, situées au voisinage de la terre, une onde électromagnétique peut suivre quatre (04) chemins différents :  2- Propagation par réflexion sur l’ionosphère 2.1- Caractéristiques des couches ionisées Les couches ionisées sont caractérisées par un certain nombre de paramètres :  Leur hauteur virtuelle : c’est la hauteur à laquelle on devrait placer un réflecteur parfait pour que le trajet des ondes en dehors de l’atmosphère corresponde au trajet réellement observé. Indice de réfraction de l’ionosphère La formule qui permet de calculer l’indice de réfraction n du milieu ionisé est 81 = 1 N : densité électronique en (e-/m3 ) f : fréquence en Hz   Leur fréquence critique : En d’autres termes c’est la fréquence maximale réfléchie par l’ionosphère, l’onde étant en f incidence verticale. La fréquence critique noté c dépend de la densité électronique N Exercice A partir de l’expression de l’indice de réfraction n : - Démontrer que la fréquence critique est égale : = 9√ - Donner l’expression de la FMU en se référant aux lois de réfraction limites de Snell-Descartes, pour un angle d’incidence donné. (L’indice de réfraction dans la troposphère est pris égale 1) - Calculer la FMU pour = 45° et N = 9.1011 m-3 3- Equation des télécommunications (Bilan de liaison) 3.1- Variation du champ électromagnétique Plus on s’éloigne de l’antenne plus l’intensité du champ EM rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène (ex : le vide). A la surface de la terre, de nombreux phénomènes viennent contredire cette règle ; il est fréquent que l’onde reçue directement interfère avec une réflexion de cette même onde sur le sol, un obstacle ou sur une couche atmosphérique. Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l’onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimum de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain des antennes (Tx et Rx) et du confort d’écoute souhaité. Dans le domaine des transmissions numériques, le confort d’écoute est remplacé par le niveau de fiabilité, c’est-à-dire le taux d’erreur binaire requis pour la transmission. 3.2- Application des phénomènes optiques à la propagation des ondes radio Les phénomènes d’optique géométrique (réflexion, réfraction, diffraction, diffusion) s’appliquent également dans la propagation des ondes radioélectriques, permettant d’établir souvent des liaisons entre les points qui ne sont pas en visibilité directe. 3.3- Interférence de deux ondes Il faut distinguer le brouillage, occasionné par deux signaux indépendants mais possédant des fréquences très proches, du phénomène d’interférence apparaissant lorsque l’onde directe rayonnée par un émetteur est reçue en même temps qu’une onde réfléchie. Dans le cas de l’interférence, les temps de parcours des deux ondes sont différents et les 2 signaux reçus sont déphasés. Plusieurs cas peuvent se présenter : - Les signaux sont en phase et se renforcent mutuellement - Les signaux sont en opposition de phase et l’amplitude du plus faible se déduit du plus fort. Si les 2 signaux ont la même amplitude, le niveau du signal résultant est nul - L’amplitude du signal résultant est intermédiaire entre ces deux signaux. Application des interférences : VOR conventionnel, Glide type G et M, etc… 3.4- Portée des ondes en propagation directe (LoS) : ondes ultracourtes ( VHF, UHF, SHF, EHF) 3.5- Equation des télécommunication ( ou équation de FRIIS) Interprétation de l’équation de FRISS Affaiblissement d’espace libre  4- Lois de Austin-Cohen en propagation des onde longues Dans le cas des ondes longues il existe des abaques qui permettent d’obtenir directement le champ électrique à une distance donnée de l’antenne pour une bande de fréquences considérée : ce sont les lois ou abaques d’Austin-Cohen