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Technique - Propriétés
Propriétés des ondes électromagnétiques


Dans cette première section consacrée à la propagation, nous allons commencer par passer en revue les propriétés fondamentales des ondes électromagnétiques.  

Voici la représentation d'une onde électromagnétique. On y reconnaît le champ électrique perpendiculaire au champ magnétique. C'est l'ensemble et le couplage de ces deux champs qui forment l'onde électromagnétique. Nous radioamateurs, produisons des ondes électromagnétiques pour communiquer. Elles sont en tous points, hormis la fréquence, identiques à la lumière.


Polarisation : 

L'onde électromagnétique est polarisée et c'est l'orientation du champ électrique qui est prise comme référence, pour les polarisations planes, pour déterminer s'il s'agit d'une polarisation verticale ou horizontale. On peut naturellement polariser l'onde électromagnétique en polarisation circulaire droite ou gauche. On parlera alors de RHCP (right hand circular polarization) et de LHCP (left hand circular polarization) selon le sens de rotation des vecteur H et E. Ces dernières polarisations sont utilisées pour les communications spatiales, car plus efficaces face à des objets mobiles (terre + satellite) ayant du mal, pour des raisons mécaniques à maintenir une polarisation constante.

Vitesse de propagation

Tout le monde le sait, la vitesse de la lumière dans le vide vaut 300 000 km/s. En d'autre termes ceci équivaut à 3 . 108 m/s (mètres par seconde). Vous pourrez retrouver également cette notation plus fréquemment : 3 . 108   ms-1

en espace libre (le vide) on pourra écrire :

          C
f =  _______
        
  l

avec C=  vitesse de la lumière dans le vide
        f =  fréquence en Hz
   
     l=   longueur d'onde en mètres
Dans tout autre milieu, la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique décroît et la décroissance est fonction du milieu. Par exemple la lumière se propage 1,33 fois moins vite dans l'eau que dans le vide tandis que la différence air/vide est pratiquement négligeable.

Atténuation 

Au fur et à mesure qu'une onde électromagnétique s'éloigne de sa source, son amplitude diminue. Cette décroissance est due à la dispersion spatiale. Vous constatez le même phénomène avec les phares de votre voiture et vous en tirez la conclusion qu'il faut concentrer au maximum le faisceau au départ pour augmenter la portée. Parallèlement plus on concentre, plus on est directif. Sur le schéma ci-contre, on mesure que plus on s'éloigne plus la surface interceptée augmente donc la densité de puissance diminue.

On peut quantifier cela facilement :
E =  Densité de puissance du flux
P =  Puissance en W
d =  distance

       P
E =   __________
             4 p d2

On pourra définir un nouveau terme appelé  "Atténuation de parcours en espace libre" par :
Path loss (perte de parcours) en dB
d = distance en m
l longueur d'onde en mètres

                        4 p d 
Ploss = 10 Log ( ____)2
                       
l


Absorption 

Dès lors que l'on quitte le vide, l'atténuation croît par absorption. L'onde électromagnétique qui voyage rencontre des électrons qu'elle va exciter. Ceux-ci vont réemettre à leur tour du rayonnement mais ce processus ne s'effectue pas sans perte et le rendement est inférieur à 1 d'où la dégradation citée plus haut. Plus la fréquence augmente et naturellement plus ce phénomène est accentué, plus particulièrement dans la troposphère. On arrive dans certains cas à une absorption totale par la vapeur d'eau pour des fréquences de l'ordre de la dizaine de GHz.

Réfraction 

Même si le nom ne vous dit rien, c'est un phénomène que vous avez observé une multitude de fois dans de nombreuses circonstances. Prenons le cas le plus courant, la pêche à la ligne!
Il vous est arrivé d'observer un pêcheur à la ligne et de suivre son bouchon des yeux attentivement. Vous n'êtes pas sans voir remarqué que la partie émergée du bouchon était bien droite tandis que la partie immergée semblait inclinée d'un angle a. Cette illusion d'optique est une facétie de la réfraction.
Quand une onde électromagnétique (la lumière dans notre exemple) change de milieu de propagation (air ---> eau), sa vitesse change au passage du second milieu, et sa direction s'incurve.
Le rapport entre la vitesse dans le vide et la vitesse dans un milieu "m" s'appelle l'indice de réfraction "n" et vaut
         c
n = _____
         v
c = vitesse de la lumière
n = indice de réfraction
v = vitesse dans le milieu m
Tout ceci pour dire qu'une onde électromagnétique traversant différents milieux change de direction  et ce proportionnellement à l'indice de réfraction des milieux traversés.

Voici le classique exemple de lycée dans lequel un rayon lumineux traverse différents milieux et change de direction à chaque fois

Réflexion 

Toute onde électromagnétique peut être réfléchie totalement ou en partie, c'est d'ailleurs grâce à cela que vous pouvez voir les autres et les objets qui vous entourent. (et pour les plus narcissiques leur propre image dans un miroir...). Les immeubles, montagnes, avions, obstacles de toutes natures peuvent se comporter en réflecteurs d'ondes électromagnétiques.
Les radioamateurs qui habitent près de hautes montagnes les utilisent souvent comme réflecteurs pour réaliser des liaisons, plus particulièrement en VHF, qu'ils ne pourraient pas effectuer "en direct". 
Dans ce schéma ci-contre, un rayon (nous prenons des analogies "lumineuses", car ce que nous émettons à le même comportement que la lumière puisque de même nature) dit rayon incident est réfléchi par une surface plane d'un angle "i". Le rayon réfléchi l'est d'un angle identique "r". La différence angulaire entre le rayon incident et le rayon réfléchi est donc de 2 i, ou 2r.

Diffusion (Scatter en Anglais)

La dispersion est un phénomène souvent observable, toujours avec vos phares de voiture, quand il y a un épais brouillard. L'eau en suspension dans l'air, renvoie dans toutes les directions, y compris la vôtre, l'énergie lumineuse provenant de votre éclairage.  Ce phénomène sera exploité d'une manière très particulière par les radioamateurs, nous y reviendrons.

Diffraction

Il s'agit de zones d'interférences entre l'onde directe d'une source et l'onde dont la direction est modifiée par un obstacle tel que montage ou immeuble. Ces deux ondes, issues de la même source, interfèrent entre elles de manière à ce que l'on se retrouve soit avec  une augmentation importante liée au couplage en phase, soit à une diminution, voire une annulation totale.
En fait, nous avons affaire à la modification du trajet d'une onde lorsqu'elle passe à proximité d'un obstacle. Par exemple, dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. Après traversée d'une ouverture, cette onde plane ne se propage plus selon la même direction. La diffraction, qui existe pour toutes les ondes électromagnétiques, s'observe dans les cas où les dimensions de l'ouverture sont petites devant la longueur d'onde

Effet Doppler : 

Si un émetteur se déplace d'un point d1 vers un point d2, on constate qu'un observateur immobile verra la fréquence du signal observé croître quand l'émetteur se rapproche et décroître au fur et à mesure que l'objet s'éloigne. Il s'agit de l'effet Doppler Fizeau que l'on rencontre dans les communications spatiales quand au moins un des éléments (RX ou TX) est mobile. Ceci est dû au fait que l'on observe une compression des ondes électromagnétiques due au déplacement par unité de temps. En d'autres termes, en une seconde, il y en plus, inversement, on constate une décompression lors de l'éloignement qui s'accompagne d'une baisse de fréquence.
Inutile de faire de la radio pour constater ce phénomène, postez-vous près d'une voie ferrée ou sur une route et écoutez les avertisseurs sonores des machines sus-citées. Vous constaterez que lors de l'approche de la locomotive, le son "monte" (devient plus aigu) et qu'il "descend" à l'éloignement.
Nous retrouverons ce phénomène assez fréquemment en radioélectricité.

Spectre :

 

Nos émissions sont positionnées sur le spectre électromagnétique, cette vue vous donne un aperçu de son étendue.


Nous en savons assez sur les propriétés des ondes électromagnétiques pour entrer dans le vif du sujet. Rendez-vous pour la suite.