C'est la propagation VHF qui offre le plus d'aspects intéressants (à mes yeux) au radioamateur tant elle est riche et diversifiée. Le nouveau radioamateur qui ne connaît la plupart du temps que le trafic par le relais du coin, ce qui revient, pour un être raffiné, à ne manger et boire que du pain et de l'eau, n'utilise que la propagation à portée optique et c'est très réducteur. Souhaitons que ce voyage dans la troposphère lui ouvre de nouveaux horizons.

Vue de l'atmosphère terrestre depuis la navette spatiale au lever su soleil

C'est presque un mythe mais cela sert de base de départ à tout calcul. Rappelons que notre objectif de radioamateur est de délivrer suffisamment de puissance à l'entrée du récepteur de notre correspondant pour que les informations que nous voulons véhiculer puissent être démodulée. 
Nous allons quantifier les pertes que nos pourrions rencontrer sur un hypothétique trajet, exempt de tout obstacle susceptible d'absorber, réfracter, réfléchir ou diffuser l'énergie émise; ce pourrait être par exemple un trajet de développant dans le vide.

Pour calculer ceci, nous allons considérer un émetteur de puissance Pt, couplé à une antenne qui rayonne de manière identique dans toutes les directions (l'aérien isotrope).
A une distance d de l'émetteur, la puissance est distribuée uniformément sur une surface 4pd² (surface de la sphère). La densité de puissance vaut la puissance  divisée par la surface, soit en d'autres termes :

Nota : Sur la figure à droite, l'antenne émettrice est une antenne à gain puisque seulement une partie de la sphère est illuminée.

Pour l'aérien isotrope Ar vaut :

Grâce à ce monogramme, vous pouvez en un clin d'oeil déterminer l'atténuation en espace libre en fonction de la fréquence. Il suffit d'utiliser une règle et  de joindre les axes distance et fréquence et de lire l'atténuation sur la colonne du milieu.

• nous savons calculer l'atténuation de parcours (Lp loss path)
• nous allons introduire les pertes (câbles coaxiaux) qui pénalisent la puissance émise/reçue
• nous allons introduire les gains des antennes émission-réception
• nous allons introduire la puissance d'émission

et nous serons capables de déterminer la puissance théoriquement reçue par l'entrée d'un récepteur situé à une distance "d" sur une fréquence "f"

Pr = Pt - Lp + Gt + Gr - Lt - Lr

"t" pour transmit
"r" pour receive 

Attention aux unités lors des calculs, soyez cohérents, utilisez soit des dbm soit des dbW mais toujours la même untité pour un calcul donné.

Un exemple maintenant :
Soit à déterminer la puissance reçue par le récepteur d'une station distante de 100 km d'un émetteur délivrant une puissance de 10W. Les antennes utilisées ont un gain unitaire (soit 0dB), les pertes dans les lignes sont égales à 1 dB de chaque côté. Fréquence 144 MHz.

• calculons l'atténuation de parcours
  Lp = 32,4 + 20 Log f + 20 Log d
  Lp= 32,4 + 20 Log (144) + 20 Log (100) = 116 dB (valeur arrondie)
• calculons la puissance reçue
  Pr = Pt - Lp + Gt + Gr - Lt - Lr
  Pr = 40 -116 +1 + 1 - 1 - 1 = -76 dbm

Telle est la puissance théoriquement reçue à l'entrée du récepteur en espace libre. Seulement entre la théorie et la pratique il y a souvent une différence notable et telle liaison, qui sur la papier ne pose pas problème, s'avère irréalisable alors que telle autre, impossible théoriquement, se concrétise par une belle QSL en couleur. Alors quid ?

Puisque nous allons utiliser ses propriétés, autant la connaître un peu non ? Et si cela vous pompe l'air (je suis en verve aujourd'hui), passez au chapitre suivant.
Nos signaux VHF vont utiliser une faible partie de l'atmosphère, en gros entre le sol et 5 km d'altitude pour la propagation troposphérique. Comme vous avez déjà pu le remarquer, il se produit dans l'atmosphère des phénomènes météorologiques qui vont du plus agréable (beau temps, ciel bleu, douce brise) au plus désagréable (ouragan, tornades, précipitations, gel, neige, bourrasques etc.). C'est d'ailleurs pourquoi cette partie s'appelle la troposphère, c'est la "partie changeante" (grec ou latin, je ne sais plus).

• température
• pression
• humidité relative
• point de rosée
• indice de réfraction
• tension de vapeur d'eau
• et j'en passe...

L'air a une distribution verticale quasi-linéaire de la température et de la vapeur d'eau. En d'autre termes, plus vous montez, moins il fait chaud, moins c'est humide. (Au fait vous savez pourquoi il fait moins chaud ? C'est parce qu'il y a moins de molécules, donc moins de collisions, donc moins de chaleur dégagée et c'est le poids de la masse d'air qui fait la pression atmosphérique, lumineux non ?). 

Il a une autre propriété intéressante, c'est son indice de réfraction. Vous vous souvenez, nous avons vu quelques exemples comme le bouchon de pêcheur à la ligne dont la partie immergée semble incurvée; ceci est dû au fait que la lumière ne voyage pas à la même vitesse dans les milieux transparents.
Vous avez déjà remarqué certains phénomènes optiques dans l'atmosphère, citons :

• les mirages
• les arcs en ciel
• le diamètre apparent du soleil ou de la lune en augmentation par rapport à la normale
• des couleurs rougeâtres certaines soirées au coucher du soleil

La majorité de ces phénomènes sont dus à l'indice de réfraction de l'air qui n'est pas constant et décroît au fur et à mesure que l'on s'élève. Nous venons de parler d'indice de réfraction ce qui nous amène sur une première piste. Les signaux que nous allons envoyer dans la troposphère et qui sont en tout point comparables à la lumière vont eux aussi subir des phénomènes de réfraction et ceci en respectant les lois de l'optique.

Pas de déviation de trajectoire quand l'angle d'incidence vaut 90° même si les deux milieux sont différents.

La lumière passe d'un milieu - réfringent à un + réfringent. L'angle réfracté est inférieur à l'angle incident

La lumière passe d'un milieu + réfringent à un - réfringent.
L'angle réfracté est supérieur à l'angle d'incidence

J'aurais dû faire ces dessins dans l'autre sens pour tenir compte de la réalité physique, car quand nous sommes au sol et transmettons, nos signaux passent d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent du moins pour la partie montante. Regardez la tête en bas... Ceci nous amène vers la célèbre formule que tous les élèves ont un jour ou l'autre eu à manipuler et qui dit :

n1 = indice de réfraction du milieu 1
n2 = indice de réfraction du milieu 2

On considérait, il y a longtemps, que la distance maximum de liaison en VHF était limitée à la portée optique entre deux stations. On peut aisément calculer cela en appliquant la formule que vous trouverez ci-dessous.
Fort heureusement, dans la pratique, cela fonctionne beaucoup mieux. L'avantage d'un tel calcul, c'est qu'il permet d'estimer votre portée radio en ligne droite quand vous êtes en point haut sur une montagne par exemple sachant que la portée radio est estimée à 4/3 de la portée optique.


Calcul de la portée optique :

Nous venons de le voir, l'air est caractérisé par un indice de réfraction. Cet indice de réfraction évolue principalement en fonction des caractéristiques de température, pression, et vapeur d'eau de l'atmosphère. 
Comme dans l'atmosphère ces paramètres décroissent d'une manière quasi monotone avec la hauteur, l'indice de réfraction diminue graduellement en fonction lui aussi de la hauteur.
Si l'on relie les points d'indice de réfraction identique entre eux en fonction de l'altitude, on obtient en condition standard à peu près ceci. On peut faire figurer en abscisse soit une durée soit un parcours.

Maintenant, en imaginant que nous émettions un fin pinceau d'énergie haute fréquence, voire un faisceau lumineux (nous sommes loin de la réalité), observons ce qui se passe entre deux stations terrestres avec le schéma ci-dessous :

Si nous souhaitons communiquer, il faut qu'à un moment ou à un autre nos signaux retombent sur terre et ceci va être merveilleusement réalisé par la nature qui à mis en place un indice de réfraction décroissant avec l'altitude... En conditions normales, notre signal va avoir le parcours suivant :

J'ai représenté trois strates d'air ayant des indices de réfraction différents, ceci n'est qu'un schéma sensé démontrer le mécanisme, les irrégularités d'indice sont beaucoup plus marquées dans la réalité.

Notre rayon (appelons le comme cela) passe d'un milieu d'indice n1 plus réfringent à un milieu d'indice n2 moins réfringent. La théorie optique nous indique que dans ce cas de figure l'angle du rayon réfracté par rapport à la normale (la verticale) est supérieur à l'angle d'incidence, ce que j'ai tenté de détailler sur ce schéma ci-contre. Tout ceci fait que le rayon est peu à peu rabattu vers le bas et revient sur terre.

Et voilà comment fonctionne le mode troposphérique. C'est grâce aux variations de pression, température, vapeur d'eau et humidité relative que l'air change d'indice de réfraction au fur et à mesure que l'altitude croît. Les ondes VHF sont réfractées de proche en proche jusqu'à revenir sur terre.

Tout se qui précède a été défini comme "conditions normales" et on entend par là une distribution monotone de l'indice de réfraction en fonction de la hauteur. Ce sont les conditions qui existent en permanence en VHF.  Fort heureusement, pour rompre la monotonie, la nature nous offre des spectacles grandioses et les VHF ne font pas exception car il arrive que l'on passe de QSO à 500-700 km à des QSO à 1500 km. Sur 144 MHz c'est plaisant, sur 432, 1296 MHz et au dessus c'est franchement excitant.
Nous allons tenter de décrire les causes qui amènent les évènements.

Nous savons que tout cela ne fonctionne que grâce à lui, donc fort logiquement, quand il y aura bonne tropo, l'indice jouera un rôle important. Voici à gauche un monogramme tiré du VHF-UHF manual  et qui laisse apparaître la situation le 21 janvier 1974. A gauche les pressions, donc les hauteurs, à droite la valeur de N, l'indice de réfraction et en abscisse, un parcours qui débute en Grande Bretagne et qui se termine à Berlin, en Allemagne.
La chose intéressante à observer  c'est que vers le milieu du parcours, on observe un tassement marqué des lignes iso-indiciaire (néologisme) et que c'est un gradient resserré de ces lignes qui permet d'avoir une bonne tropo. Si vous avez l'occasion de tomber sur ces relevés, notez bien qu'une bonne tropo est probable quand le gradient est resserré. Ces informations ne sont pas hélas à la portée de tous et leur détermination expérimentale à grande echelle est impossible.
Pour mémoire le gradient correspond au taux de variation de la variable, en l'occurrence, l'indice de réfraction dans notre cas. Fort taux de variation pour une variation d'altitude donnée équivaut à gradient élevé, faible taux de variation pour la même variation d'altitude égale gradient faible.

A droite, la situation un jour de bonne tropo avec l'enregistrement du signal d'une station TV VHF dans la gamme 170 MHz (partie supérieure du dessin). On mesure clairement la corrélation entre fort gradient d'indice de réfraction et fort signal.
Les hauteurs sont spécifiées en millibars (maintenant en hecto Pascal). En faisant une légère approximation, on perd 1 HPa pour 9 m en conditions normales, c'est la décroissance de pression en fonction de la hauteur. Partant d'une pression au niveau du sol de 1013 HPa (par convention) le point 700 mb (ou 700 HPa) sera situé à :
1013 - 700 = 313 mb de différence
313 x 9 = 2817 m.
Attention, ce sont des calculs approchés,  seulement utiles pour situer l'ordre de grandeur.  De même 1 mb n'équivaut pas tout à fait 1 HPa mais la différence est minime.

L'obtention d'un gradient d'indice de réfraction tel que celui présenté ci-dessus n'est possible que lors de circonstances météorologiques bien particulières et qui provoquent : L'inversion de température.

Voici une coupe verticale de la troposphère. Partant du sol, on constate une diminution normale de la température liée à l'augmentation d'altitude. A partir d'un certain point, la température de l'air, au lieu de continuer sa décroissance, inverse la tendance et plus l'altitude croît, plus la température augmente. Nous sommes dans la couche d'inversion. Si nous poursuivons, nous constatons que l'inversion prend fin et que la température de l'air décroît de nouveau tandis que croît l'altitude. Nous quittons la couche d'inversion de température. Et justement dans la couche d'inversion le gradient de l'indice de réfraction est très élevé, c'est exactement ce dont nous avons besoin.

• Dans des conditions anti-cycloniques stables, la masse d'air est pesante (haute pression) et peut localement mais à relativement grande échelle s'effondrer par son propre poids créant une inversion car l'air froid va descendre rapidement (sa masse) et sera remplacé par de l'air plus chaud au dessus créant ainsi une inversion à grande échelle.
  

• L'advection est le déplacement horizontal d'une masse d'air (plus généralement en météorologie tout déplacement horizontal).
  Pour nous radioamateurs, il faut que cette masse d'air circule sur des surfaces de différentes températures. Un cas typique est le brouillard d'advection synonyme souvent de bonne propagation. Ce brouillard se forme quand de l'air relativement chaud et humide (comme il en circule sur l'atlantique) arrive sur une surface  froide (terre) et se refroidit à la base. Le brouillard est dû à la condensation de la vapeur d'eau. On se trouve donc en présence d'une base près du sol froide et d'un sommet chaud, cas typique d'une inversion.  
  

• On rencontre cela essentiellement l'été, quand le soleil échauffe fortement le sol. La nuit, surtout quand elle est sans nuages qui pourraient confiner le rayonnement, le sol se refroidit ainsi que l'air en contact immédiat. Ce processus se poursuit toute la nuit tant et si bien que l'inversion se produit car le sol et les basses couches se refroidissent plus vite que les hautes couches. Le lever su soleil accroît ce phénomène en réchauffant d'abord les hautes couches puis les basses, le contraste thermique est accru ce qui occasionne un sursaut de propagation troposphérique. L'effet diminue jusqu'à s'annuler rapidement. En cas de bonne inversion matinale, ne traînez pas lors des essais UHF et >, faites vite, cela ne va pas durer longtemps. Souvenez-vous que la température la plus basse au sol est obtenue juste après le lever du soleil.
  

• Cas typique des fronts quand la masse d'air chaud, légère et humide est poussée par une masse d'air froid et dense. L'air chaud passe au dessus de l'air froid créant une inversion. Ce cas de figure qui est le début d'une belle dégradation du temps n'occasionne malheureusement pas systématiquement une belle tropo.
  Ces conditions développent en général pour un temps assez mesuré une amélioration nette de propagation sur la partie avant du front en progression. Pour détecter l'arrivée d'un front chaud, observez le ciel, la présence de nuages élevés est révélatrice de ce phénomène.
  
  

Remarquez au passage que de bonnes conditions sont toujours accompagnées de hautes pressions mais que l'établissement de hautes pressions ne signifie pas systématiquement l'arrivée de bonnes conditions.

• Il est très difficile à mon sens de distinguer le tropo scatter du fonctionnement normal de propagation troposphérique par réfraction tant les deux modes sont étroitement et intimement liés. Mais comme partout dans la littérature on trouve le distinguo et ne voulant pas me distinguer, voici quelques explications.
  

• Le tropo scatter est caractérisé par la dispersion dans l'atmosphère des ondes électromagnétiques, cette dispersion étant elle-même liée aux irrégularités de températures, pression, humidité etc. Certains auteurs parlent parfois d'impureté, poussières, nuages etc. Ce dont on est plus sûrs en revanche c'est que pour établir une liaison par ce mode les deux stations doivent illuminer un volume commun. Graphiquement cela se présente comme suit:
  

• On reconnaît parfois le tropo scatter à la modulation entachée d'un effet d'écho ou chevrotement. Le TS est limité par la géométrie car les deux stations doivent simultanément voir un volume commun. On considère que 700 à 800 km constituent une limite pour des stations moyennes (100W - 12 dBd). Le TS existe tous les jours de l'année et conserve la polarisation et c'est certainement le mode responsable du plus de qso en conditions standards.
  

• Vous entendrez parler de ducting, ce que l'on pourrait traduire par "conduit" ou propagation guidée. Il s'agit simplement d'un cas de super réfraction à grande échelle qui semble "guider" les signaux à longue distance en préservant un signal conséquent, bref un belle ouverture.
  

• Tous ceux qui ont fait au moins 10 QSO en BLU auront remarqué ce phénomène dont l'amplitude et la période évoluent à des rythmes divers et variés. Un opérateur averti et expérimenté sait que sur un QSO, il y a des moments favorables et d'autres pas et que la patience est souvent récompensée.
  Ces variations de puissance du signal sont dues à des instabilités de l'indice de réfraction ayant pour origine des variations météorologiques comme les turbulences, nuages, pluie, mouvements  ascendants et descendants plus prononcés des masses d'air. Au fait, notez qu'il n'y a pas de trous dans l'air (les fameux trous d'air des voyageurs aériens), seulement des mouvements ascendants/descendants, l'un n'allant pas sans l'autre.
  
  Autre origine que QSB, le trajet multiple des signaux sur des couches d'indice de réfraction ou de diffusion différentes. Le récepteur voit des signaux déphasés, tantôt en phase (augmentation du signal) tantôt en opposition (affaiblissement) et toute la gamme intermédiaire. Cela s'accompagne parfois d'un étalement en fréquence faisant ressembler la modulation à celle d'un canard au point qu'il est difficile de se syntoniser correctement (étalement de spectre dû au doppler). N'accusez pas immédiatement votre correspondant, mais plutôt la propagation, ce phénomène est très caractéristique en VHF.
  
  On a remarqué que le QSB ne se produisait pas d'une manière identique au même moment et avec la même amplitude entre deux stations. Si vous écoutez un de vos voisins faire un QSO, il est certain que vous n'observerez pas la même chose au même moment et vous serez surpris quand il annoncera 59 au dernier tour alors que vous perdiez la station distante. Les professionnels ont trouvé une solution élégante quoique coûteuse pour limiter ce phénomène en installant deux stations de réception distantes de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres et en commutant sur le récepteur qui à la plus de signal. Cela s'appelle la réception en diversité et est particulièrement utilisée pour les faisceaux hertziens. On imagine difficilement la transposition de cela dans le domaine amateur.
  

• L'oxygène et la vapeur d'eau absorbe sous certaines conditions les ondes électromagnétiques. On considère que le phénomène devient gênant à partir de 3 GHz. Pour ce qui concerne le bas du spectre V/UHF, on peut l'ignorer.
  

• Utilisé en hyper, ce mode de propagation permet de réaliser de magnifiques QSO les jours de grosses pluies ou de fronts orageux. Je ne suis pas spécialiste et les seuls compte-rendus que j'ai pu lire traitaient du 10 GHz ou des QSO de plus de 600 Km sont réalisés.
  
  Grossièrement les gouttes de pluie, excitées par l'énergie HF, ré-émettent  une partie de l'énergie d'excitation. Pour pouvoir trafiquer dans ces conditions, les deux stations doivent viser un point commun de diffusion. Le signal est fortement déformé et en pratique comme c'est souvent le cas, seule la CW est réellement pratique, l'étalement de spectre rendant la SSB quasi incompréhensible. Désolé les gars mais voilà une bonne raison de plus d'apprendre la CW, par pour pouvoir faire du bruit sur des bandes déjà bien occupées mais pour faire quelque chose de réellement intéressant.
  

• Même un pseudo radioamateur qui ne trafique en VHF qu'en FM, pour peu qu'il soit affublé d'un permis de conduire, s'est rendu compte qu'il recevait mieux le relais distant de 3 kilomètres quand il se dégageait des obstacles. (De là à en tirer des conclusions...). Plus on monte, plus on augmente son horizon radio (à la condition d'être dégagé, bien sûr!), plus on réduit les différentes causes d'absorption d'énergie du champ proche rayonné par l'antenne.
  
  Toutefois ceci a une limite si la propagation se décide à devenir bonne, car le cas le plus défavorable serait de passer au dessus de la couche d'inversion auquel cas les signaux des stations en plaine ne seraient plus perçus car réfractés en dessous. Seuls les QSO en portée optique seraient alors réalisables. Rassurez-vous, il faut quand même monter très haut pour en arriver là mais je me souviens d'une expérience faite dans les années 70 par une équipe à qui je tire mon chapeau et qui avait tenté le trafic depuis le Mont-Blanc. Les résultats avaient été très décevants en raisons des causes évoquées ci-dessus.
  

• Elles sont dans le futur est c'est bien là leur difficulté !
  C'est un sujet délicat, car pour établir de bonnes prévisions, même à très court terme, il faut disposer de tonnes de données météo et ... pouvoir les analyser pour pouvoir estimer le pouvoir de réfraction de l'atmosphère, l'étendue du phénomène etc.
  
  Seule l'expérience de quelques années de trafic peut vous aider car vous aurez engrangé dans votre mémoire des situations météo favorables et serez capable d'établir des comparaisons.  
  
  Si un bon brouillard s'établit en cours de journée, vous saurez que des chances d'ouverture se présentent, ce n'est pas une certitude mais une probabilité. Vous savez que c'est en été que les inversions de rayonnement se produisent ce qui n'interdit pas d'en avoir au printemps, vous savez également que c'est en automne que les grandes tropos préfèrent s'établir en Europe. Là aussi, c'est une statistique. Vous savez que si le vent souffle à 80 km/h, que la pluie tombe et qu'un front chaud traverse le pays, les chances de bonne tropo sont nulles mais qu'en revanche vous pouvez peut-être faire des qso en rain scatter sur 10 GHz. Vous savez que si de grandes masses anticycloniques recouvrent l'Europe en se décalant légèrement, mieux vaut aller à la station que de rester devant la télé, sachant que la bière peut se consommer aux deux endroits.
  En résumé, bien que ce conseil ne vous aide guère à boucler votre DDFM, soyez actif, car seule l'activité paie sur les bandes V/UHF. Il faut être là et essayer.
  

Bon, nous avons fait un petit pas vers la connaissance de la propagation troposphérique. Il reste encore beaucoup à dire et certainement à découvrir. Le prochain chapitre sera consacré aux autres modes que l'on rencontre en V/UHF.  Nous y passerons en revue la FAI, l'ES, le MS, L'EME , La TE, l'Aurore. A tout à l'heure...