Click here to load reader

Comment ça marche ? La propagation ionosphérique (1)blog.f6krk.org/wp-content/uploads/2013/03/Propagation_iono1.pdf · Considérons la figure 2. Figure 2. La distance de saut d

  • Upload
    vothien

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • Comment a marche ?

    La propagation ionosphrique (1)

    Par le radio-club F6KRK

    Aprs avoir vu la formation de l'ionosphre, le principe de la rflexion ionosphrique et l'influence du magntisme terrestre, nous allons aborder maintenant la propagation ionosphrique, l'allie de l'amateur de DX. Rsum des pisodes prcdents Lionosphre est la rgion la plus leve de latmosphre terrestre, entre 80 et 1000 km. Elle est constitue datomes ioniss par le rayonnement du soleil. Les atomes ioniss sorganisent en altitude selon trois couches principales : les couches D, E et F. La couche D disparat la nuit et peut tre perturbe par des vnements solaires provoquant des missions de protons et de rayons X. La couche E permet la circulation de courants lectriques, cause de perturbations du magntisme terrestre. La couche F est la plus ionise. Elle est fortement corrle lactivit solaire lie au cycle un dcennal des taches (densit moyenne proportionnelle au sunspot). Elle subsiste la nuit grce la magntosphre. Elle peut tre perturbe par des vnements solaires concernant la chromosphre et la couronne. Lionosphre a les proprits du plasma, concernant le rayonnement lectromagntique. Une rflexion ionosphrique a lieu ds que la densit ionosphrique permet un gradient d'indice de rfraction tel que la direction de propagation devient horizontale, ou que la vitesse de l'onde s'annule. Pour une couche et un angle incident donns, il existe une frquence maximale pour laquelle la rflexion n'a plus lieu : La MUF (Maximum Usable Frequency). Il existe galement une frquence minimale lie aux pertes par absorption ionosphrique : la LUF (Lower Usable Frequency). Absorption ionosphrique Lors de la traverse de londe dans lionosphre, la trajectoire des lectrons mis en oscillation va tre perturbe par des collisions avec des particules ionises ou neutres. Une partie de lnergie cintique des particules mises en mouvement par londe va se dissiper, et londe va subir une attnuation. Ce processus est appel "absorption ionosphrique". Elle est proportionnelle la densit ionique et au nombre de collisions entre ions et particules neutres. Elle est inversement proportionnelle la frquence et elle est maximum dans la partie infrieure de lionosphre. La majeure partie de labsorption se produit dans la couche D. Elle est directement proportionnelle au temps mis par londe pour traverser le milieu ionis (absorption dite "non dviative"). Une autre absorption se produit lorsque londe subit de fortes dviations (n faible) ce qui est le cas pour une frquence proche de la frquence critique (absorption dite "dviative").

  • Comportement de l'ionosphre en fonction des longueurs d'ondes ELF-ULF (0,3 3 kHz) : Les ondes se rflchissent sur les couches D le jour et E la nuit. Lionosphre et le sol forment une sorte de guide donde qui permet des liaisons grande distance avec des puissances leves. VLF-LF (3 300 kHz) : Absorption quasi permanente. MF (0,3 3 MHz) : De jour, les ondes sont absorbes par la couche D et la nuit, elles sont rflchies par la couche E rsiduelle. HF (3 30 MHz) : Contribution de lionosphre pour toute la bande. VHF (30 300 MHz) : Rflexions sporadiques pour le bas de la bande. UHF et au dessus : Pas de rflexion. Rflexion ionosphrique dans la bande HF En un lieu de lionosphre, une rflexion se fera pour une frquence infrieure la MUF de ce lieu qui dpend de :

    - La densit maxi de l'ionosphre selon le lieu gographique, l'heure locale, la saison et l'activit solaire (Nombre de Wolf ou SunSpot Number).

    - Langle lentre de lionosphre qui dtermine la distance de saut et la hauteur de rflexion.

    Mais la frquence devra tre suprieure la LUF du circuit qui dpend de : - L'absorption ionosphrique, fonction de la dure du trajet dans l'ionosphre et des

    couches traverses. - Laffaiblissement maximum tolrable pour, en fonction de la PIRE mission, obtenir

    un rapport S/B minimum la rception (PIRE = puissance qui serait fournie une antenne isotrope pour rayonner un champ identique dans la direction du circuit).

    Tout ceci est montr sur la figure 1.

    Figure 1. Circuit de communication Un circuit qualifie la possibilit dune liaison radiolectrique entre deux points gographiques distants. Pour une frquence de travail FT donne, un circuit est ouvert quand un ou plusieurs modes de propagations sont possibles compte tenu des caractristiques de lionosphre sur le parcours (FT < MUFmin) et des diagrammes des antennes aux extrmits. Il faut aussi que l'affaiblissement de propagation soit compatible avec la puissance de la station mettrice (bilan de liaison positif). Modes de propagation 1) Une seule rflexion.

  • Considrons la figure 2.

    Figure 2.

    La distance de saut d est maximum pour = 0 et augmente avec la hauteur de rflexion. Si celle-ci a lieu dans la couche E (mode 1E), dmax 2400 km. Si elle a lieu dans la couche F2 (mode 1F2), dmax 4000 km. Laffaiblissement de propagation est fonction de la longueur du trajet, des conditions de rflexion et de ladaptation des ariens au circuit (diagrammes, polarisations). 2) Plusieurs rflexions. Laffaiblissement de propagation sera augment des pertes de rflexion par le sol. Considrons deux cas :

    - Rflexions dans la mme couche : Nous avons les modes nE et nF2 (en pratique, n = 2 pour la couche E et de 2 6 pour la couche F).

    - Rflexions mixtes : voir deux possibilits sur la figure 3.

    Figure 3. 3) Multi trajets. Les multi trajets occasionnent du fading et de la distorsion. En lvation : Nous pouvons avoir une interfrence entre le rayon bas et le rayon de Pedersen ou plusieurs modes ouverts simultanment comme sur la figure 4.

    Figure 4. La parade consiste, soit utiliser une frquence de travail plus proche de la MUF, soit avoir l'angle correspondant au mode non dsir dans un creux du diagramme de rayonnement. En azimut : Nous pouvons avoir deux trajets par les deux arcs de cercle (stations quasi antipodales). La parade consiste utiliser des antennes directives dans le plan H. 4) Zones de silence Pour une frquence comprise entre la frquence critique et la MUF, il existe sur le trajet plusieurs zones o la rception est impossible. Ces zones sont appeles "zones de silence" et vont en rtrcissant avec le nombre de rflexions. Exemple sur la figure 5.

  • Figure 5. Les zones de silence sont dautant plus grandes que la frquence de travail est proche de la MUF (angle de dpart nul). Bilan de liaison Il consiste calculer le niveau attendu du signal la rception et le comparer au niveau ncessaire pour une qualit acceptable. Il sera fonction de :

    - La PIRE rayonne dans la direction du circuit (site et azimut) - Moins laffaiblissement de propagation en espace libre - Moins les pertes des rflexions successives, sol et ionosphre - Plus le gain de lantenne de rception pour langle darrive

    A comparer la somme du bruit attendu (industriel et atmosphrique) et du rapport signal sur bruit (fonction du type de modulation). La liaison sera possible si le bilan de liaison est positif. Problme : Incertitude sur les valeurs qui oblige prendre une marge denviron 10 dB. La PIRE est calcule dans la zone de Fraunhofer pour langle de dpart correspondant au circuit, et ramene au niveau de lantenne. Elle est gale : P(out) G(,), avec G = gain du systme antennaire dans la direction (,) (par rapport l'isotrope). Laffaiblissement en espace libre est gal :

    est la longueur d'onde et d la longueur du trajet(mmes units). On tient compte de la rotondit de la Terre et des hauteurs virtuelles de rflexion. Le gain de lantenne de rception est aussi calcul dans la zone de Fraunhofer pour langle darrive du circuit (le mme que langle de dpart si le circuit est symtrique). Pertes dues l'ionosphre Trois causes : 1) Partage entre londe ordinaire et londe extraordinaire : Il dpend du lieu gographique de lentre dans lionosphre, de langle quy fait la direction de propagation avec le champ magntique terrestre et de la polarisation de lantenne mission. 2) Absorption ionosphrique : Elle est proportionnelle la densit rsiduelle de latmosphre et la dure du trajet dans l'ionosphre. Elle est inversement proportionnelle la frquence et augmente plus vite pour londe extraordinaire. 3) Polarisation de l'antenne de rception : La perte est de 3 dB dans le cas gnral dune polarisation caractristique circulaire, mais elle peut augmenter ou diminuer dans le cas dune polarisation caractristique elliptique. Pertes par rflexion sur le sol Londe qui se rflchit sur le sol est le plus souvent compose de londe ordinaire et de londe extraordinaire polarisations quasi circulaires inverses. Si la rflexion a lieu sur la mer, il ny a pas de modification de polarisation, et la perte est faible, de lordre de 0,5 2 dB (le coefficient de rflexion est proche de 1, quelle que soit la polar). Si la rflexion a lieu sur le

  • sol, les pertes seront dautant plus grandes que le coefficient de rflexion sera faible (dsert). Mais elles seront limites pour la polarisation H et maxi pour la polarisation V. En consquence, la polarisation de londe rflchie sera modifie, ce qui entranera un nouveau partage entre les ondes ordinaire et extraordinaire. En principe londe X serait favorise. Ce phnomne est appel dpolarisation, et peut amener 3 dB de pertes, ajouts aux 2 6 dB de pertes de rflexion en polarisation H. Bruits la rception Nous laisserons tomber les brouillages (QRM) pour nous intresser aux bruits "naturels" que sont les bruits industriels (parasites), les bruits atmosphriques (QRN) et le bruit galactique. Pour des raisons de simplification, les sources de bruit sont considres comme isotropes, bien que le bruit atmosphrique provienne surtout des rgions tropicales (orages) et le bruit industriel des grandes mtropoles. Celui-ci est aussi irrgulirement rparti en altitude (plus faible prs du sol). Avec un bruit isotrope, la puissance de bruit lentre du rcepteur est indpendante du gain du systme antennaire. Bruit atmosphrique Il provient essentiellement des orages tropicaux. Il varie avec la frquence, mais aussi selon la zone gographique, la saison et l'heure dans la journe. Des cartes mondiales de FA moyen (Fam) 1 MHz ont t dresses 4 heures d'intervalle pour les quatre saisons. Nous avons un extrait sur la figure 6, ainsi que les courbes dtailles pour la France.

    Figure 6. FA est quivalent un facteur de bruit gnr par l'antenne. Pour avoir le bruit aux autres frquences, on reporte les valeurs de la fig.6 sur l'chelle "1 MHz" de la figure 7. Bruit industriel On lvalue pour trois types de zones, savoir les zones urbaines, suburbaines et rurales. La puissance de bruit industriel (isotrope) est donne par les courbes de la figure 7 (bruit moyen). Bruit galactique C'est le bruit radiolectrique en provenance des toiles de notre galaxie. Il est maximum dans la direction de la voie lacte (cliptique de la galaxie). Dans le haut de la bande HF, le bruit galactique peut dpasser le bruit atmosphrique dans les rgions "calmes", en particulier dans les minima des cycles solaires. Voir la figure 7.

  • Figure 7. Facteur de bruit (fb) du rcepteur Il est li au bruit thermique gnr par le rcepteur. En HF, un facteur de bruit infrieur 12 dB nest ncessaire qu'avec des systmes antennaires faible rendement, et dans les minima des cycles solaires. A suivre dans le prochain "Comment a marche". La Rubrique "Comment a marche" est une activit collective du radio-club F6KRK (http://www.f6krk.org). Pour une correspondance technique concernant cette rubrique : "[email protected]".