Définition et Explications

Les ondes radio ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons :

           Dans l'espace libre (propagation rayonnée, autour de la Terre par exemple)
           Dans des lignes (propagation guidée, dans un câble coaxial ou un guide d'onde)

Le domaine des fréquences des ondes radio s'étend de 9 kHz à 3 000 GHz.

Intérêt de l'étude de la propagation des ondes radio

Il peut être essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un satellite.

Cela permet par exemple :

Le calcul de la puissance minimale d'un émetteur de radiodiffusion afin d'assurer une réception confortable sur une zone déterminée.
la détermination de la position d'un relais pour la radiotéléphonie mobile.
l'estimation des chances d'établissement d'une liaison transcontinentale sur ondes courtes.
l'étude des phénomènes d'interférence entre émetteurs.

le calcul du champ électromagnétique à proximité d'un équipement d'émission (radar, relais, émetteur de télévision...) pour déterminer les risques encourus par la population se trouvant à proximité.
Le niveau du signal reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable en fonction de la fréquence d'émission, l'époque par rapport au cycle solaire, la saison, l'heure du jour, la direction et la distance entre l'émetteur et la station réceptrice, ... .
L'étude des lignes de transmission et des phénomènes de propagation d'un signal dans une ligne peut aider à optimiser les câbles utilisés dans l'établissement d'un réseau de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne.

Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace

Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang se propagent comme des cercles concentriques. L'onde radio émise par l'antenne isotropique (c'est-à-dire rayonnant de façon uniforme dans toutes les directions de l'espace) peut être représentée par une succession de sphères concentriques. On peut imaginer une bulle se gonflant très vite, à la vitesse de la lumière c, très proche de 300 000 km par seconde. Au bout d'une seconde la sphère a 600 000 km de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une sphère. Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura parcouru une distance lambda appelée longueur d'onde. La longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation, pour une fréquence donnée elle dépend de la vitesse de propagation de l'onde.

Variations du champ électrique

Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène, dans le vide, par exemple. À 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 onde sur le sol, un obstacle ou sur une couche de l'ionosphère.

Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimale de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain de l'antenne et du confort d'écoute souhaité. Dans le cas des transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le niveau de fiabilité requis pour la transmission.

L'intensité du champ électrique se mesure en volt/mètre.

Application des phénomènes d'optique à la propagation des ondes radio

Une onde radio se distingue d'un rayonnement lumineux par sa fréquence : quelques dizaines de kilohertz ou gigahertz pour la première, quelques centaines de térahertz pour la seconde. Évidemment l'influence de la fréquence de l'onde est déterminante pour sa propagation mais la plupart des phénomènes d'optique géométrique (réflexion...) s'appliquent aussi dans la propagation des ondes hertziennes. Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe.

Réflexion des ondes radio

Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau, un mur ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir. Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère. La réflexion d'une onde est plus généralement diffuse, l'onde se réfléchissant dans plusieurs directions ainsi qu'un rayon lumineux frappant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de façon similaire.

Réfraction des ondes radio

Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfraction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la propagation ionosphérique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.

Diffusion des ondes radio

Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas des couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonnées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forêts, constructions...) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longueur d'onde et les dimensions des obstacles ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou les zones ionisées de la haute atmosphère lors des aurores polaires.

Interférence de deux ondes radio

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 ce dernier cas, les temps de parcours des deux ondes sont différents et les deux signaux reçus sont déphasés. Plusieurs cas peuvent alors se présenter :

déphasage égal à un multiple de la période : les signaux sont en phase et se renforcent mutuellement. Leurs amplitudes s'ajoutent.
déphasage d'un multiple d'une demi-période : les signaux sont en opposition de phase et l'amplitude du plus faible se déduit de celle du plus fort. Si les deux signaux ont la même amplitude, le niveau du signal résultant est nul.
déphasage quelconque : l'amplitude du signal résultant est intermédiaire entre ces deux valeurs extrêmes.

Les phénomènes d'interférences peuvent être très gênants lorsque le temps de parcours de l'onde indirecte varie : l'amplitude du signal reçu varie alors à un rythme plus ou moins rapide. Le phénomène d'interférence est utilisé dans des applications couvrant de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniométrie,...

Propagation en fonction de la gamme de fréquence

Ondes kilométriques

Elles se propagent principalement à très basse altitude, par onde de sol. Leur grande longueur d'onde permet le contournement des obstacles. Pour une même distance de l'émetteur, le niveau du signal reçu est très stable.
Ce niveau décroît d'autant plus vite que la fréquence est élevée. Les ondes de fréquence très basse pénètrent un peu sous la surface du sol ou de la mer, ce qui permet de communiquer avec des sous-marins en plongée.
Applications courantes : radiodiffusion sur Grandes Ondes (France-Inter, RTL...), diffusion des signaux horaires (horloges radio-pilotées)... La puissance de ces émetteurs est énorme : souvent plusieurs mégawatts pour obtenir une portée pouvant aller jusqu'à 1000 km.

Ondes hectométriques

Les stations de radiodiffusion sur la bande des Petites Ondes (entre 600 et 1500kHz) ont des puissances pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts. Elles utilisent encore l'onde de sol pour couvrir une zone ne dépassant guère une région française mais bénéficient après le coucher du soleil des phénomènes de propagation ionosphérique.

Ondes décamétriques

Les ondes courtes, bien connues des radioamateurs, permettent des liaisons intercontinentales avec des puissances de quelques milliwatts si la propagation ionosphérique le permet car l'onde de sol au-dessus de 2 ou 3 MHz ne porte guère au-delà de quelques dizaines de kilomètres. Entre 1 et 30 MHz, la réflexion des ondes sur les couches de l'ionosphère permet de s'affranchir du problème de l'horizon optique et d'obtenir en un seul bond une portée de plusieurs milliers de kilomètres. Mais ces résultats sont très variables et dépendent des modes de propagation du cycle solaire, de l'heure de la journée ou de la saison. Les ondes décamétriques ont cédé le pas au satellites même si des calculs de prévision de propagation permettent de prédire avec une bonne fiabilité les heures d'ouverture, les fréquences maxima utilisables et le niveau du signal qui sera reçu.

Ondes métriques

Les ondes métriques correspondent à des fréquences comprises entre 30 et 300 MHz incluant la bande de radiodiffusion FM, les transmissions VHF des avions, la bande radioamateur des 2m... On les appelles aussi ondes ultra-courtes (OUC). Elles se propagent principalement en ligne droite mais réussissent à contourner les obstacles de dimensions ne dépassant pas quelques mètres. Elles se réfléchissent sur les murs, rochers, véhicules et exceptionnellement sur des nuages ionisés situés dans la couche E, vers 110 km d'altitude ce qui permet des liaisons à plus de 1000 km. En temps normal, la portée d'un émetteur de 10 watts avec une antenne omnidirective est de quelques dizaines de kilomètres mais il arrive aussi que l'indice de réfraction pour ces fréquences fasse s'incurver vers le sol une onde qui se serait perdue dans l'espace. Des liaisons à quelques centaines de kilomètres sont alors possibles. Certains radioamateurs effectuent des liaisons à grandes distances en profitant de la réflexion des ondes métriques sur les traces ionisées par les chutes de météorites et aussi sur les zones ionisées associées aux aurores polaires.

Ondes décimétriques et hyperfréquences

Plus sa fréquence augmente, plus le comportement d'une onde ressemble à celui d'un rayon lumineux. Les faisceaux hertziens permettent des liaisons à vue, comme le Télégraphe de Chappe, mais par tous les temps et avec des débits d'informations des milliards de fois plus élevés. Aucun obstacle de taille supérieure à quelques décimètres ne doit se trouver sur le trajet du faisceau. Ces ondes se réfléchissent facilement sur des obstacles de quelques mètres de dimension ; ce phénomène est exploité par les radars, y compris ceux utilisés aux bords des routes. C'est grâce aux réflexions sur les bâtiments qu'il est possible d'utiliser un téléphone portable sans être en vue directe de l'antenne du relais, mais les interférences entre ondes réfléchies rendent la communication difficile, obligeant l'utilisateur à changer d'endroit ou à se déplacer de quelques mètres simplement.
Sur 10 GHz avec une puissance de quelques watts et des antennes paraboliques de moins d'un mètre de diamètre, il est possible d'effectuer des liaisons à plusieurs centaines de kilomètres de distance en se servant d'une montagne élevée comme réflecteur. Au-dessus de 10 gigahertz, le phénomène de diffusion peut se manifester sur des nuages de pluie, permettant à l'onde d'atteindre des endroits situés au-delà de l'horizon optique.

Prévisions de propagation

Le niveau du signal émis par une station d'émission (émetteur et antenne) en un point de l'espace (ou de la surface de la Terre) peut être calculé avec une bonne précision si les principaux facteurs déterminant la transmission sont connus. À titre d'exemple prenons deux cas : liaison en vue directe sur 100 MHz et liaison à grande distance sur 10 MHz utilisant une réflexion sur la couche E. Nous n'effectuerons évidemment pas ici les calculs.

Liaison directe sur 100 MHz

On connaît :

La puissance de sortie de l'émetteur
Le diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission et en particulier le gain de celle-ci dans la direction qui nous intéresse et sa hauteur par rapport au sol
Le profil du terrain entre la station d'émission et le point de réception, tenant compte de la rotondité de la Terre
La distance entre émetteur et point de réception

Des logiciels plus ou moins sophistiqués permettent de faire rapidement ce genre de calcul qui peut éventuellement tenir compte de la conductivité du sol, des possibilités de réflexion, etc.
Si on ajoute les caractéristiques de la station de réception (antenne + récepteur), on pourra alors calculer le bilan de la liaison, qui donnera la différence de niveau entre le signal utile et le bruit radioélectrique.

Propagation guidée

Pour transporter de l'énergie à haute fréquence d'un point à un autre, on n'utilise pas une rallonge électrique ordinaire mais une ligne de transmission aux caractéristiques appropriées. La ligne est composée de deux conducteurs électriques parallèles séparés par un diélectrique, très bon isolant aux fréquences utilisées (air, téflon polyéthylène...). Si l'un des conducteurs est entouré par l'autre, on parle alors de ligne coaxiale

Exemples de lignes de transmission

De l'émetteur à l'antenne on utilisera un câble coaxial pouvant supporter des tensions de plusieurs centaines ou milliers de volts sans claquage électrique.
Entre l'antenne parabolique et le récepteur de télévision par satellite les signaux de faible amplitude seront transportés par un câble coaxial présentant de faibles pertes à très haute fréquence.
L'antenne d'un radar utilisé pour le contrôle aérien est reliée aux équipements de détection à l'aide d'un guide d'onde, sorte de tuyau métallique à l'intérieur duquel se déplace l'onde.
Sur ondes courtes les radioamateurs utilisent parfois des lignes bifilaires pour alimenter leur antenne.
Les circuits sélectifs utilisés dans les appareils fonctionnant à très haute fréquence (supérieure à 300 MHz) sont très souvent des lignes.

Formation d'une onde dans une ligne

Un générateur relié à une charge à l'aide d'une ligne va provoquer dans chacun des deux conducteurs de la ligne l'établissement d'un courant électrique et la formation d'une onde se déplaçant dans le diélectrique à une vitesse très grande. Cette vitesse est inférieure à la célérité de la lumière mais dépasse fréquemment 200 000 km/s, ce qui implique que, pour une fréquence donnée, la longueur de l'onde dans la ligne est plus petite que dans l'espace. (longueur d'onde = célérité dans le milieu / fréquence ) Ondes progressives Lorsque la ligne est parfaitement adaptée au générateur et à la charge, condition remplie lorsque l'impédance de sortie du premier et l'impédance d'entrée de la deuxième sont égales à l'impédance caractéristique de la ligne, cette dernière est parcourue seulement par des ondes progressives. Dans ce cas idéal la différence de potentiel entre les conducteurs et le courant qui circule dans ceux-ci ont la même valeur quelque soit l'endroit où la mesure est effectuée sur la ligne. Une telle ligne ne rayonne pas, le champ électromagnétique produit par l'onde progressive n'est pas décelable à quelque distance de la ligne. Voir Propagation des ondes. Ondes stationnaires Si la condition évoquée précédemment n'est pas remplie, ce qui arrive si l'impédance de la charge est différente de l'impédance caractéristique de la ligne, la ligne va alors être le siège d'ondes stationnaires. La tension mesurable entre les deux fils ne sera plus constante sur toute la longueur de la ligne et vont apparaître : des maxima de tension encore appelés ventres de tension correspondants à des nœuds de courant des minima de tension ou nœuds de tension associés à des maxima de courant (ventres de courant). Ce type de fonctionnement est généralement redouté si le taux d'ondes stationnaires (TOS) est élevé. Les surtensions correspondant aux ventres de tension peuvent endommager l'émetteur, voire la ligne. Les pertes par réflexion sur la charge sont élevées.

Ondes progressives et ondes stationnaires

Onde Progessive		Onde stationnaire