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Technique - Propagation HF
Propagation HF


Pourquoi et comment cela fonctionne-t'il, ce que l'on est en droit d'attendre en conditions normales bande par bande et les évènements exceptionnels.  
  
Bref rappel de ce que nous avons vu précédemment:
  • Un émetteur, au sol, envoie de l'énergie HF par le biais d'une antenne. Le lobe principal de concentration d'énergie est situé à un angle "a" au dessus de l'horizon
  • Cette énergie est réfractée/guidée/ réfléchie dans l'ionosphère par des couches ionisées; une partie de l'énergie s'échappe dans l'espace.

  • On note une zone de silence dans laquelle aucune réception du signal émis n'est permise. Elle est sensiblement située entre le point d'émission et le premier point de retour vers le sol de l'onde.
  • On note également la possibilité de liaison à très courte distance de la station émettrice par l'onde dite "de sol".

Film d'une journée  normale :

Côté droit le soleil éclaire, côté gauche de cette représentation, c'est la nuit.
Quand le soleil se couche, les couches E et D disparaissent laissant la place à une couche unique composée des couches F1 et F2. Côté exposé au soleil, inversement, l'effet d'ionisation est intense et toutes les couches sont présentes. Nous savons que la couche D absorbe fortement les fréquences basses et que sa présence dépend du soleil.
Les bandes basses (160-80m) seront fortement affectées au point d'être totalement silencieuses le jour, elles reprendrons vie dès le soleil couché (et même un peu avant, l'ionisation diminuant très vite)

iono-sondage de l'atmosphère :

Nous savons que beaucoup de variables entrent en ligne de compte pour l'ionisation des couches et pour déterminer les caractéristiques de celles-ci, rien ne vaut l'expérimentation pratique. Les scientifiques procèdent chaque jour à différents tests ayant pour but de déterminer les hauteurs des couches, la densité électronique, les fréquences utilisables etc.

Un émetteur envoie des impulsions à la quasi verticale dans le spectre 1 à 11 MHz. Un récepteur situé à courte distance et synchronisé mesure le temps de transit entre l'émission et la réception et détermine ainsi la hauteur de la couche qui a provoqué la réflexion.
On obtient ceci et cette figure s'appelle un ionogramme. En abscisse la fréquence du signal envoyé, en ordonnée, la hauteur apparente de la couche réflectrice.
On constate  qu'entre 1 et 3 MHz la couche E est responsable de la propagation, à une valeur de 3 MHz c'est la couche F qui agit et qu'à partir de 10 MHz, il n'y a plus de réflexion, l'onde traverse complètement la couche et s'échappe. Cette fréquence est appelée :
Fréquence critique. Plus l'ionisation sera intense, plus la fréquence critique sera haute. ceci nous amène à parler de la MUF et de la LUF.

La MUF et la LUF :

Drôles de noms pour de drôles de choses! Explications :

MUF est l'acronyme de Maximum Usable Frequency ce qui en français signifie Fréquence Maximum Utilisable, LUF est l'acronyme de Lowest Usable Frequency, en français, Fréquence Minimum Utilisable.

La fréquence la plus élevée qui permettra une liaison ionosphérique entre deux stations est appelée MUF pour un circuit considéré. Si l'on augmente la fréquence en ne changeant aucun autre paramètre (angle de rayonnement, puissance etc.) la liaison ne pourra s'établir. La MUF est plus importante le jour que la nuit. la MUF est fonction du trajet, de l'heure du jour, de la saison, du positionnement des stations, du rayonnement ultra-violet du soleil, des éventuelles perturbations ionosphériques. Comme vous pouvez le voir, ce n'est pas si simple que cela et la mesure ou le test "in situ" sont infiniment plus précis que tous les logiciels de prédiction.
Pour les angles verticaux (on ne trafique jamais volontairement avec des angles comme celui-ci en déca...) la MUF vaut la fréquence critique, toutefois on peut multiplier cette valeur en adoptant des angles bas sur l'horizon.
L'exemple classique que l'on donne consiste à essayer d'établir une liaison entre deux stations françaises distantes de 600 km sur 14 MHz. Il y a fort à parier que la liaison soit impossible car la MUF est beaucoup plus basse pour ce circuit là. Il faut tenter la liaison sur 3,5, 7 ou 10 MHz.
La MUF étant la fréquence maximum utilisable, toutes les fréquences inférieures devraient bien fonctionner pour établir la liaison. C'est vrai jusqu'à un certain point car nous le savons l'absorption par la couche D impacte fortement les fréquences basses en cours de journée et le bruit est très important et croît au fur et à mesure que la fréquence diminue. ceci nous amène à définir la Fréquence Minimum Utilisable - LUF -  comme étant la fréquence la plus basse utilisable pour établir une liaison pour un circuit donné. On peut artificiellement diminuer la LUF en utilisant plus de puissance et plus de gain aux antennes de manière à augmenter le rapport signal/bruit.
La LUF est plus faible la nuit que le jour.

Onde de sol et onde de ciel  :

On entend fréquemment parler d'onde de sol et d'onde de ciel. Il y a beaucoup de confusion au sujet de l'onde de sol. L'onde de ciel est celle qui est réfractée par l'ionosphère tandis que l'onde de sol, qui n'affecte que les fréquences basses est une onde qui voyage sur une distance assez courte (+/- 200 km) en suivant la courbure de la terre. On utilise majoritairement l'onde de ciel.
Le skip  :

Ce n'est pas une marque de lessive, c'est le saut, le bond, la distance qui sépare de départ de l'émission et son retour sur terre après réfraction/réflexion. 
Entre ces deux points, il n'y a pas de réception possible du signal émis, ce qui prouve que la MUF est beaucoup plus basse pour établir le circuit.

Caractéristiques des bandes amateur décamétriques :

Bande

Caractéristiques

1,8 MHz L'absorption de la couche D est déterminante le jour et le DX n'est possible que la nuit quand les signaux peuvent atteindre la couche F. Le bruit atmosphérique lié aux orages des moyennes latitudes est intense, plus particulièrement en été, l'hiver est la meilleure période pour le DX.
3,5 MHz Ici aussi l'absorption de la couche D rend cette bande quasiment muette le jour. Elle retrouve vie dès le baissé du soleil et des DX intercontinentaux sont possibles très rapidement. On arrive à réaliser des contacts en utilisant des angles élevés le jour. Comme pour le 160m le bruit statique est fort en été mais réduit en hiver.
7 MHz La couche D est moins agressive pour le 40 m et la bande est pratiquement ouverte H24 sur différents modes. En cours de journée en utilisant la couche E les liaisons nationales sont très confortables et agréables. Dès la baisse d'ionisation arrivée, les contacts en F2 sont possibles d'autant que le bruit est beaucoup plus faible que sur les bandes précédentes. 
10 MHz Bande charnière, elle combine les avantages des bandes basses et hautes. Les liaisons à 2000 km et plus sont possibles toute la journée, l'absorption D est insignifiante, le DX F2 est également envisageable H24. 
14 MHz La bande DX par excellence ! Quasiment toujours accessible en F2, elle permet de magnifiques DX. On note de temps à autres quelques liaisons courtes distances par couche E. Le bruit est faible. La bande ferme relativement tôt le soir en hiver, il faut attendre le retour du printemps bénéficier d'un temps de trafic plus important.
18 MHz Même principe que pour le 14 MHz avec toutefois une sensibilité plus grande aux effets du cycle solaire de 11 ans. En période de faible activité, la bande peut être ouverte seulement pendant les périodes d'ensoleillement réduisant son utilisation à quelques heures.
21 MHz Excellente bande DX en période de forte activité solaire, elle est très dépendante de l'ionisation et devient une bande uniquement diurne pendant les minimas d'activité solaire. Peu d'activité en sporadique E, énorme trafic en F2.
24 MHz Bande également de jour, elle n'en est pas moins une bonne bande DX. Pendant les périodes basses du cycle solaire, la bande peut paraître complètement morte, on n'y entend personne. 
28 MHz Bande extrêmement changeante et naturellement fortement dépendante du cycle. En période d'activité forte, la bande ouvre dès le lever du soleil et peut rester utilisable même quelques heures après le coucher. On y note également de l'activité en E sporadique entre mai et août.

A quoi est dû le QSB  ?

Vous avez remarqué combien le fading ou QSB peut être gênant.
Vous êtes-vous interrogé sur son origine ?

Quand le signal que vous écoutez traverse l'ionosphère et rejoint les couches F, il peut emprunter simultanément plusieurs chemins et être réfracté de différentes manières par des couches d'indice de réfraction différent. Il en résulte que le signal que vous écoutez est un signal composite formé de signaux arrivant soit en phase ce qui procure une remontée du signal, soit déphasés, soit totalement en opposition de phase ce qui amène à l'annulation.

Long path, short path :

Ce sont des expressions que vous avez dû entendre en décamétrique. Il y a deux façons de contacter un correspondant lointain :
 1 -  en utilisant le chemin le plus court, il s'agira du short path
 2 - en utilisant le chemin le plus long, il s'agira du long path
Pourquoi se compliquer la vie me direz-vous ?
Parce qu'il peut s'avérer plus rentable de prendre le chemin le plus long que le plus court.
Remémorez-vous cette image. On voit qu'il sera parfois, plus intéressant de faire voyager ses photons sur un trajet non ensoleillé donc en utilisant la couche F que sur un trajet diurne qui pourra être la cible  d'absorption de la couche D, de réflexion basse hauteur de la couche E ou de rendement moyen de la couche F1. Tout dépend de la fréquence utilisée, de l'heure et naturellement des conditions du moment. Ne négligez pas le long path, il peut s'avérer surprenant et efficace. 

Multi-hop avec la couche F :

En réfléchissant 5 minutes, on arrive vite à la conclusion qu'il va être difficile d'atteindre les antipodes avec un seul bond. La théorie admise consiste à penser que plusieurs bonds se produisent pour les liaisons lointaines.
  • L'onde A pénètre l'ionosphère et va s'échapper dans l'espace. (fréquence critique, angle trop important).
  • L'onde B est absorbée par la couche. Les atomes qui subissent des collisions perdent de l'énergie et ne peuvent restituer l'intégralité de l'excitation reçue.
  • L'onde C est dispersée en de multiples directions par les irrégularités de la couche.
  • L'onde D est réfractée une première fois par la couche ionisée, revient vers le sol d'où elle va repartir vers l'ionosphère pour être à nouveau réfractée et revenir au sol.

La ligne grise (ou gray line en anglais) :

Attention, pour ce qui suit, seules les bandes basses sont concernées.
La ligne grise est la ligne de démarcation entre le jour et la nuit. Quand on parle de ligne de démarcation, il ne s'agit pas d'une frontière bien définie de quelques mètres mais d'une zone assez large, d'une transition douce entre jour et nuit, les astronomes appellent cela le "terminateur". 
En quoi cela nous intéresse t'il ?

Nous savons que l'ionosphère évolue notablement entre nuit et jour et que certaines couches à forte absorption disparaissent tandis que d'autres se fondent en une seule au coucher de soleil. Inversement, au lever, avant l'apparition des couches D et E, la couche F se renforce notablement.
Donc il va falloir profiter de ce bref moment
pendant lequel les couches D et E ne sont pas encore formées côté jour et ou la couche F existe encore côté nuit. Sur cette ligne, la propagation sera très bonne, on peut espérer en profiter à peu près une heure au coucher et au lever du soleil.

Sidescatter et backscatter  sur couche F :

Voici une situation très particulière ou deux stations très proches vont pouvoir communiquer grâce au back/sidescatter car elles vont avoir une zone commune de réflexion au sol qui leur permettra de s'entendre. Les signaux ont une tonalité très particulière, que l'on appelle dans le milieu "effet cathédrale".

Les anomalies  :
Tout ne se passe pas toujours comme prévu et il arrive que la propagation des ondes électromagnétiques soit fortement perturbée par des phénomènes solaires.
Perturbations du champ magnétique terrestre :

L'agitation du champ magnétique terrestre est définie comme l'activité magnétique. Ceci signifie que quand le champ magnétique est "actif", on mesure des variations plus ou moins importantes de son intensité et de la direction des lignes de force.
L'activité géomagnétique est induite des effets du vent solaire qui est une circulation de matière éjectée par le soleil et contitué d'un plasma d'électrons libres. Ce flux de particules chargées s'étend dans le vide et rejoint la terre à des vitesses élevées de plusieurs centaines de km/s. L'impact  sur le champ terrestre a pour effet de comprimer celui-ci et deformer les lignes de champ en créant une queue comme pour une comète (voir desin ci-dessous). Pour donner un ordre de grandeur à titre indicatif, le point d'impact se situe grossièrement à 10 rayons terrestres tandis que la queue atteint 100 rayons. Entre le début d'une éruption et l'impact sur le champ magnétique, il peut s'écouler entre 28 et 32 heures.
Quand le champ magnétique est perturbé, l'ionosphère est pertubée et cela impacte fortement les liaisons décamériques.

Nous savons que le soleil est loin d'être un astre calme, il a ses humeurs et ses humeurs sont d'autant plus prononcées que nous approchons du maximum du cycle.
Sur l'illustration ci-dessus nous observons comment le vent solaire peut tasser le champ magnétique terrestre et provoquer des perturbations dans l'ionosphère.

Quand un niveau anormal de particules provenant du soleil arrive sur terre à l'occasion d'éruptions solaires, ces particules chargées pénètrent le champ magnétique terrestre là ou il est le plus faible, aux pôles, et sont guidées par les lignes de champ. Il en résulte une ionisation intense parfois visible jusqu'à nos latitudes, c'est l'aurore boréale. Ceci se traduit par une extinction quasi totale des liaisons HF en dessous de 10 MHz.

Polar cap absorption  PCA:

Quand les éruptions solaires sont accompagnées de flux de particules telles que protons et électrons, et que celles-ci atteignent la terre, la partie basse de l'ionosphère polaire est sévèrement ionisée.  Ceci provoque  une forte absorption des signaux et est appelé :
PCA Polar Cap absorption. Cette anomalie peut durer plusieurs jours et interdit toute communication transitant par un ou les pôles.

Il reste beaucoup à dire concernant la propagation, ce chapitre tente de présenter ces passionnants phénomènes et n'a pas l'ambition de tout expliquer. Reportez-vous à la très riche littérature sur ce domaine.