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Propagation des ondes radio

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.

Pour la partie théorique, on se reportera à l'article Établissement de l'équation de propagation à partir des équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec l'expression de la force...) .

Intérêt de l'étude de la propagation des ondes radio (Les ondes radio ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons :)

Il peut être essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) ou entre la Terre et un satellite (Satellite peut faire référence à :).

Cela permet par exemple :

  • Le calcul de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (La radiotéléphonie désigne les techniques de communication utilisant la radioélectricité, c'est-à-dire les ondes hertziennes pour transmettre la voix humaine. On utilise pour cela des émetteurs-récepteurs radioélectriques...) mobile ;
  • l'estimation des chances d'établissement d'une liaison transcontinentale sur ondes courtes ;
  • l'étude des phénomènes d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais il s'obtient également avec d'autres types...) entre émetteurs ;
  • le calcul du champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ...) à proximité d'un équipement d'émission (radar, relais, émetteur de télévision (Les émetteurs de télévision ou de radio-FM- sont des structures verticales (métalliques ou en béton) de type autoportantes, haubanées, tripode, dont l'emplacement a été particulièrement étudié. Ils...)...) pour déterminer les risques encourus par la population se trouvant à proximité.

Le niveau du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps...) reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable en fonction de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) d'émission, l'époque par rapport au cycle solaire (Un cycle solaire est une période pendant laquelle l'activité du Soleil varie en reproduisant les mêmes phénomènes que pendant la période de même durée précédente.), la saison (La saison est une période de l'année qui observe une relative constance du climat et de la température. D'une durée d'environ trois mois (voir le tableau Solstice et Équinoxe...), l'heure (L'heure est une unité de mesure  :) du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...), 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.).

Dans l'espace

  • Déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le déplacement...) d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électromagnétique dans l'espace

Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang (Un étang (estang, latin stagnum) est une étendue d'eau stagnante, peu profonde, de surface relativement petite (jusqu'à quelques dizaines d'hectares), résultant de l'imperméabilité...) se propagent comme des cercles concentriques. L'onde radio (Les ondes radioélectriques (dites ondes radio) sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence d'onde est par convention[1] comprise entre 9 kHz et 3000 GHz, ce qui correspond à des longueurs d'onde...) 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 (La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de quinze minutes dans...) c, très proche de 300 000 km par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure...). Au bout d'une seconde la sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de cette distance commune au centre est appelée le rayon de la sphère. Elle...) a 600 000 km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.). Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte...) 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) d'onde. La longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation ; pour une fréquence donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction,...) elle dépend de la vitesse (On distingue :) de propagation de l'onde.

  • Variations du champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...)

Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène, dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), 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 (L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10-2 mb et 1.10-8 mb) et à...).

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 (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à l'axe longitudinal du voilier et en conséquence l'angle...) souhaité. Dans le cas des transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le niveau de fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) requis pour la transmission.

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

Application des phénomènes d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) à la propagation des ondes radio

Une onde radio se distingue d'un rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple :...) 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 (L'optique géométrique est une branche de l'optique, comme le sont l'optique ondulatoire (souvent appelée optique physique) et l'optique quantique. Ces approches ne sont pas...) (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 (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...), diffusion et réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre deux milieux....)... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) directe.

Réflexion des ondes radio

Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), un mur (Un mur est une structure solide qui sépare ou délimite deux espaces.) ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine,...). Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). 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 (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite...) 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 (La diffusion est le phénomène par lequel un faisceau de rayonnement (lumineux, acoustique, neutronique, rayons X, etc.) est dévié dans de multiples directions (on peut parler d'« éparpillement »)....) radio

Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le...) 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) des obstacles ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui...) (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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (Dans cette simple équation d’onde :) 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 (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique...), 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 (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), 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.

Voir Propagation des grandes ondes

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 (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) 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 (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...). Entre 1 et 30 MHz, la réflexion des ondes sur les couches de l'ionosphère permet de s'affranchir du problème de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline...) 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 (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) 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.

Voir Propagation sur ondes courtes

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 (L'Union internationale des télécommunications définit l'activité des opérateurs des services d'amateur appelés radioamateurs comme « services de...) 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 (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du premier pilier...) ionisées par les chutes de météorites et aussi sur les zones ionisées associées aux aurores polaires.

Voir Propagation des ondes métriques

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 (Le télégraphe (du grec τηλε têlé, loin et γραφειν graphein, écrire) est un système destiné à transmettre des messages d'un point à un autre sur de grandes distances, à...) 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 (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) portable sans être en vue directe de l'antenne du relais, mais les interférences entre ondes réfléchies rendent la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) 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 (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) de diamètre, il est possible d'effectuer des liaisons à plusieurs centaines de kilomètres de distance en se servant d'une montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique,...) 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.

Voir Propagation des ondes de très haute fréquence

Prévisions de propagation

Le niveau du signal émis par une station d'émission (émetteur et antenne) en un point (Graphie) 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 (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des activités humaines pour visualiser et...) de rayonnement de l'antenne d'émission et en particulier le gain de celle-ci dans la direction qui nous intéresse et sa hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) 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 (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) radioélectrique.

Liaison utilisant une réflexion sur la couche E

Les informations nécessaires sont :

  • La puissance de l'émetteur ;
  • le diagramme de rayonnement de l'antenne ;
  • la position géographique de chacune des deux stations mais aussi ;
  • la capacité de la couche E à réfléchir les ondes radio.

C'est le nombre de Wolf (ou Sun Spot Number, en abrégé : " SSN "), mais aussi la date et l'heure du jour de la tentative de liaison qui permettra au logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil...) de calculer les possibilités de propagation ionosphérique. On connaîtra la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de nombreuses...) d'établissement de la liaison en fonction de la fréquence pour un rapport signal sur bruit donné.

Propagation guidée

Pour transporter de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) à haute fréquence d'un point à un autre, on n'utilise pas une rallonge électrique ordinaire mais une ligne de transmission (Une ligne de transmission est un ensemble d'un (en réalité deux si l'on considère la masse), deux ou plusieurs conducteurs acheminant de concert un signal électrique (souvent...) aux caractéristiques appropriées. La ligne est composée de deux conducteurs électriques parallèles séparés par un diélectrique, très bon isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un...) 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 (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites sur un poste récepteur appelé...) par satellite (Satellite peut faire référence à :) les signaux de faible amplitude seront transportés par un câble coaxial présentant de faibles pertes à très haute fréquence.
  • L'antenne d'un radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux,...) utilisé pour le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) à l'aide d'une ligne va provoquer dans chacun des deux conducteurs de la ligne l'établissement d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action de la...) et la formation d'une onde se déplaçant dans le diélectrique à une vitesse très grande. Cette vitesse est inférieure à la célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un phénomène ondulatoire. Elle varie selon les composantes...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) 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 (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) de sortie du premier et l'impédance d'entrée de la deuxième sont égales à l'impédance caractéristique (L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission idéale (c'est-à-dire sans perte) est définie par) de la ligne, cette dernière est parcourue seulement par des ondes progressives. Dans ce cas idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il est ainsi...) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...) de l'impédance caractéristique de la ligne, la ligne va alors être le siège d'ondes stationnaires. La tension (La tension est une force d'extension.) 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.

Voir Propagation des ondes.

Pertes dans la ligne

La résistance électrique (non nulle) des conducteurs constituant la ligne et l'isolement (non infini) du diélectrique, provoquent un affaiblissement de l'amplitude de l'onde progressive parcourant la ligne.

Ces pertes ont un double inconvénient :

  • affaiblissement du signal reçu et diminution de la sensibilité du système de réception.
  • réduction de la puissance transmise à l'antenne par l'émetteur.

Les pertes en ligne s'expriment en dB/m (décibel/mètre de longueur) et dépendent de nombreux facteurs :

  • nature du diélectrique (matière, forme...)
  • type de ligne (bifilaire ou coaxiale)
  • fréquence de travail

Exemple : un câble coaxial très commun (ref. RG58A) d'une longueur de 30 mètres présente 6dB de pertes à 130MHz.A cette fréquence,si l'on applique une puissance de 100 watts à l'entrée de cette ligne on ne retrouvera que 25 watts à son extrémité,avec une perte de 6dB. A la fréquence de 6MHz on retrouvera 95 watts et la perte n'est plus que de 1 décibel.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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