Antennes et propagation des ondes

1. Onde électromagnétique

2. La propagation des ondes

3. Spectre des ondes électromagnétiques

4. Introduction aux lignes

5. Les lignes de transmission électriques

6. Caractéristique d'une ligne de transmission

7. Types de lignes de transmission

3. Le rapport d'ondes stationnaires

4. Les antennes

5. Le satellite de radiodiffusion

Onde électromagnétique

 

La transmission des signaux s'effectue par émission d'onde électromagnétique. Une onde électromagnétique est une onde produite par un courant électrique variable dans le temps. Comme toutes les ondes, elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.

Une onde électromagnétique est la combinaison du champ électrique et du champ magnétique. Le champ électrique est dû au courant circulant dans l'antenne, le champ magnétique est quant à lui dû au déplacement des électrons dans l'antenne.

Le vecteur E représente l'onde électrique, Le vecteur H représente l'onde magnétique. Les 2 ondes sont en phase dans le temps et ont la même fréquence.

ÉMISSION D’UNE ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Le courant de l'antenne provoque la vibration des électrons, ils font donc des allers-retours très rapides, et cela crée un champ électromagnétique, qui se propage.

La propagation des ondes

C'est un sujet fascinant que d'apprendre à transmettre et à recevoir des ondes radio. Dans ce chapitre nous examinerons comment se propagent les ondes.

LES MODES DE PROPAGATION

Les ondes radio peuvent être propagées d'une antenne d'émission à une antenne de réception de diverses manières: en suivant la courbure du sol, en travers de l'atmosphère, ou par réflexion au moyen de réflecteurs naturels ou artificiels, et ce, en fonction de leur fréquence. On distingue:

• les ondes de sol,

• les ondes directes,

• la transmission par réflexion ionosphérique,

• les ondes réfléchies par diffraction troposphérique.

ATMOSPHÈRE

L’atmosphère qui nous enveloppe est une masse de gaz considérable. On a l’habitude de la diviser en trois parties :

-  La troposphère : partie de l’atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d’environ 8 à 15 Km. Cette couche atmosphérique contient 90% de la masse totale de l'atmosphère, elle est importante car on y trouve l'air qu'on respire.

-  La stratosphère est la seconde couche de l’atmosphère. Elle se situe à une altitude comprise entre 10 et 50 Km

L’ionosphère est une région de l'atmosphère située 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 haute température (-20 à +1000°C).

LES ONDES DE SURFACE

Ne concernant que les ondes ayant une fréquence inférieure à 3MHz, elles se propagent simultanément dans les basses couches atmosphériques et dans le sol, la propagation de l'onde dépend alors des caractéristiques du sol : suivant leur fréquence, elles peuvent subir une absorption dans certains milieux ou ne pas pouvoir se propager du tout. (Une fréquence inférieure à 10kHz permet des liaisons souterraines ou sous-marines).

L'onde de sol suit la courbure de la terre. La portée dépend de la nature du sol rencontré, de la fréquence et, bien sûr, de la puissance de l'émission.

Une partie de l'énergie de l'onde de surface est absorbée par le sol et y provoque des courants induits.

La conductivité du sol influe sur la portée des ondes de surface: la portée est beaucoup plus grande en mer qu’en terrain aride.

La présence de la terre cause des pertes qui dépendent du relief, de sa nature et du degré d'humidité.

À certaines fréquences, les ondes se propagent surtout à la surface du sol. C'est le cas, par exemple, des ondes transmises par les stations publiques AM qui ne peuvent être entendues, malgré leur grande puissance, à plus de 150 Km.

Les ondes de sol voyagent de trois façons: en ligne droite, par réflexion au sol, ou en longeant la surface du sol

Fig. #5. Propagation des ondes de sol.

L'intensité des ondes de sol dépend de la fréquence, de la puissance de l'émetteur, des caractéristiques de l'antenne à l'émetteur et des qualités électriques du sol. Quand les fréquences d'émission sont relativement basses, la plus grande partie de l'énergie émise est contenue dans l'onde de sol.

Puisque la terre est un mauvais conducteur, l'onde de sol s'atténue très vite et n'est pas efficace pour la transmission sur de grandes distances, à moins d'y mettre la puissance nécessaire.

LA TRANSMISSION PAR RÉFLEXION IONOSPHÉRIQUE

Les ondes ayant une fréquence comprise entre 3 MHz et 30MHz sont réfléchies par l'ionosphère.

Les conditions de propagations sont d'une grande variabilité tant temporelle que spatiale, on trouvera des zones de dispersion (l'onde se divise en plusieurs ondes similaires), de silence (zone au sol ne réceptionnant aucune onde), de fading (diminution temporaire de l'intensité de l'onde). S'il y a des réflexions multiples entre couches ou avec le sol, la distance atteinte peut être très importante

Les rayons ultraviolets du soleil transforment les molécules d'oxygène et d'azote en ions et électrons (fig. #6).

Fig. #6. L'action du soleil sur les diverses couches ionosphériques.

Ainsi se forment dans l'atmosphère des couches ionisées qui se comportent comme un miroir par rapport aux ondes de haute fréquence (HF) qui les atteignent: elles sont réfléchies vers la terre.

L'ionosphère se subdivise en sous-couches d'altitudes différentes (fig. #7):

• la couche D, 

• la couche E, 

• la couche F1, 

• la couche F2.

La hauteur de ces couches varie avec le temps de la journée (jour ou nuit) et avec la position du soleil par rapport à la terre. La nuit, les couches D et E disparaissent alors que les couches F1 et F2 se fondent en une seule (la couche F) tout en s'abaissant vers la terre.

Lorsqu'un signal radio est émis en sa direction, l'ionosphère sert de miroir et retourne le signal vers la terre souvent à des distances très éloignées du départ.

Fig. #7. Les couches ionosphériques de jour et de nuit.

Une double réflexion peut même avoir lieu dans certains cas, comme le montre la figure #8, ce qui augmente considérablement la portée des ondes.

Fig. #8. Réflexion ionosphérique des ondes:

(A) Réflexion simple.

(B) Réflexion double.

La propagation des ondes par l'ionosphère est particulièrement intéressante pour les radioamateurs qui veulent communiquer avec le monde entier. Ce mode de propagation est utilisé surtout pour les hautes fréquences (HF) allant de 3 à 30 MHz.

LA COUCHE D

La couche D est la plus basse et se situe à une hauteur moyenne de 70 kilomètres et a une épaisseur de 10 kilomètres environ; le degré d'ionisation dépend de l'activité solaire, ce qui fait que cette couche est pratiquement inexistante la nuit. Cette couche réfléchit certaines ondes VLF et LF mais laisse passer d'une façon atténuée les ondes HF.

LA COUCHE E

Les limites de la couche E se situent entre 80 et 140 kilomètres environ. Cette couche, plus imperméable que la précédente, ne laisse passer que des ondes dont la fréquence est supérieure à 25 MHz et, comme la couche D, disparaît pratiquement la nuit. Elle réfléchit les ondes HF durant le jour et permet une portée d'émissions de près de 1000 kilomètres.

LA COUCHE F1

La couche F1, d'une épaisseur de 20 kilomètres, se recombine avec la couche F2 la nuit. Elle réfléchit certaines ondes HF.

LA COUCHE F2

La couche F2 est la couche la plus réfléchissante et persiste la nuit; elle permet les transmissions éloignées en HF surtout.

Bien entendu, la séparation entre les différentes couches que nous venons de décrire n'est pas bien nette, vu la dépendance du degré d'ionisa­tion en fonction de l'heure de la journée ou de la nuit, ou même des saisons. Il ne s'agit que d'une approximation visant à schématiser le processus de propagation par réflexion ionosphérique.

RAYONNEMENT PAR LA TROPOSPHÈRE

Dans la troposphère (en-dessous de 10 km), les ondes sont déviées vers la terre, à cause de la variation graduelle de l'indice de réfraction.

Ce phénomène permet aux ondes de se propager plus loin que ne le permet la courbure de la terre, bien que les pertes soient très élevées, surtout aux basses fréquences.

Si les pertes sont plus faibles aux fréquence élevées, des distorsions de phase et d'amplitude se manifestent.

Les communications par réflexion troposphérique prennent de plus en plus d'importance dans les fréquences UHF.

À cause de changements dus à la présence adjacente de masses d'air à des températures et des degrés d'humidité différents, les ondes radio sont réfractées ou réfléchies souvent plus d'une fois avant de retomber dans diverses directions vers le sol.

De nombreux inconvénients résultent de ce mode de propagation dont le principal est l'évanouissement des ondes.

Ainsi, à cause des conditions atmosphériques variables, les diverses voies de propagation aboutissent au récepteur avec un décalage et une perte de puissance.

ONDES RÉFRACTÉES

Tout comme la lumière, les ondes radio peuvent être réfractées ou transmises à angle lorsqu'elles passent d'un médium à un autre ayant une densité différente. Par exemple, les ondes radio peuvent traverser diverses couches de l'atmosphère à densités différentes et être réfractées vers des endroits inhabituels.

DISTANCE D'UN SAUT

C'est la distance entre le signal transmis via l'ionosphère et le point de chute de ce signal sur la terre (fig. #9).

Fig. #9. La distance d'un saut et les zones de silence.

PROPAGATION PAR ONDES MULTIPLES

En radiocommunications, plusieurs sauts successifs peuvent être utilisés pour communiquer avec l'autre face de la terre. Quatre facteurs peuvent déterminer la distance entre les sauts:

• l'angle de l'onde qui entre dans l'ionosphère,

• la densité de l'ionosphère,

• la hauteur de l'ionosphère,

• la fréquence du signal.

LA ZONE DE SILENCE

La zone de silence est la distance entre l'extrémité de l'onde de sol et le point où la première onde réfractée retourne sur la terre. L'onde de sol n'est efficace que sur des distances très limitées.

Par conséquent, il existe une zone entre la limite d'efficacité de l'onde de sol et le point où la première onde ionosphérique est réfractée vers la terre.

Cette région où aucun signal radio n'est reçu s'appelle ZONE DE SILENCE

L'ANGLE D'INCLINAISON

C'est l'angle de l'onde qui entre dans l'ionosphère. L'angle exact d'inclinaison permet d'obtenir plusieurs rebondissements.

LA FRÉQUENCE CRITIQUE

Aux basses fréquences, l'énergie RF s'élève à angle droit de la terre vers l'ionosphère et revient vers la terre.

Mais lorsque la fréquence est plus élevée, elle atteint un angle limite: c'est le point où l'onde ne peut revenir vers la terre et continue sa course dans l'espace pour devenir une onde perdue. L'atteinte de ce point porte le nom de fréquence critique.

On définit la "fréquence critique" comme étant la plus haute fréquence de l'onde réfléchie jusqu'à la surface de la terre.

LA FRÉQUENCE MAXIMALE UTILISABLE

Ce terme indique la fréquence la plus haute que l'on peut employer pour communiquer entre deux points de la terre via l'ionosphère.

L'ÉVANOUISSEMENT DE L'ONDE

L'évanouissement d'une onde (disparition plus ou moins rapide d'une onde) peut être causée par des éruptions solaire, par des changements de température et d'humidité, etc.

On notera aussi qu'en opérant des stations maritimes, l'eau salée annule quelquefois les communications à vue et d'autres fois, elle les double.

LES TACHES SOLAIRES AFFECTENT L'IONOSPHÈRE

La présence des taches sur la surface du soleil a une grande influence sur les radiocommunications. Ces taches se groupent quelquefois pour atteindre un diamètre d'environ 150,000 Kilomètres.

Les taches sont des tempêtes solaires qui peuvent se développer en quelques heures et persister quelques semaines pour ensuite se désagréger en plusieurs petites taches. Sur terre, l'apparition de taches solaires occasionne une intensification et divers changements du champ magnétique.

Les taches solaires affectent l'intensité du rayonnement solaire, non pas en obscurcissant le soleil comme on pourrait le croire, mais en augmentant son rayonnement et en produisant une ionisation plus grande de l'ionosphère.

À intervalles de 11 ans, le nombre maximal de taches solaires passe d'environ 60 à 200. Le nombre minimal de taches solaires pour ce même intervalle est presque nul, c'est-à-dire qu'à certains moments on ne voit pas de taches à la surface du soleil.

Lorsqu'on dit que les taches solaires augmentent l'ionisation de l'ionosphère, on affirme par le fait même que la propagation des ondes est meilleure. C'est alors que les bande de 10 m, 11 m (CB), 15 m et 20 m fourmillent d'activité.

Les derniers cycles où il y a eu le maximum de taches solaires furent les années 1969, 1979 et 1990.

LES ONDES DIRECTES

Les ondes dont la fréquence est supérieure à 30MHz peuvent être transmises directement de l'émetteur au récepteur selon leurs situations géographique

Les ondes peuvent aussi se propager directement dans l'espace à condition qu'il y ait portée optique entre les antennes d'émission et de réception (fig. #10).

Fig. #10. L'onde directe et l'onde réfractée.

Les ondes se propagent en ligne droite et nécessitent donc une ligne de vue entre l'antenne d'émission et l'antenne de réception. La surface de la terre n'étant pas plane, la portée de telles ondes est limitée.

On remédie à cet inconvénient en se servant d'antennes aussi hautes que possible, ou d'antennes intermédiaires comme des répéteurs ou des satellites.

Cette méthode de propagation est employée par les radioamateurs à partir des très hautes fréquences (VHF), soit pour la bande de 2 mètres, la bande de 70 cm ou pour les communications par satellites.

La propagation d'ondes directes se fait généralement en ligne droite. Mais un changement brusque de conditions atmosphériques produit souvent des inversions de température et permet des communications à des distances très grandes.

Spectre des ondes électromagnétiques

 

 

Nomenclature des fréquences

Le spectre des fréquences radioélectriques est divisé en neuf bandes conformément au règlement des radiocommunications de l’U.I.T. (Union Internationale des Télécommunications), édité à Genève en 1959.

  

 Introduction aux lignes

 

Les lignes de transmission constituent un mal nécessaire. Elles coûtent cher, elles provoquent des pertes dans l'installation et elles compliquent la vie de la plupart des opérateurs radio.

Aussi, à moins que vous ne soyez en mesure d'installer votre émetteur à 15 mètres dans les airs ou d'amener l'antenne dans votre station, il vous faudra une ligne de transmission pour relier l'émetteur à l'antenne.

La ligne de transmission est un conducteur qui relie le récepteur ou l'émetteur à l'antenne. Indépendamment du type de ligne utilisé, la liaison entre l'antenne et l'appareil radio doit suivre certaines règles. Elle doit présenter la plus faible perte possible afin que le signal émis ou reçu ne soit pas atténué.

Ce texte se veut un outil pour initier l'étudiant(e) aux phénomènes associés aux ondes se déplaçant à l'intérieur d'un conducteur. Comme nous le verrons dans ce cours, il existe toujours un retard entre le départ et l'arrivée d'une onde et ce pour une onde optique, sonore, électrique ou électromagnétique. Bien qu'en général, nous négligeons ces phénomènes à très basse fréquence, nous verrons qu'il en est tout autrement à très haute fréquence.

Ce phénomène existe dans tous les liens de transmission tels les réseaux hydroélectriques, les réseaux électriques RF (coaxial, guides-ondes), les réseaux de fibre optique et les liens par onde radio. Mais pour l'instant nous concentrerons notre analyse sur le déplacement des ondes électriques dans une ligne de transmission RF.

Chacun de ces liens de transmission a son champ d'application et ses avantages. Les lignes de transmission “RF”, qui est le sujet abordé ici, et les guides d'ondes ont une atténuation de type exponentiel en fonction de la distance (figure #1).

Cependant l'énergie électromagnétique émise d'une antenne a une atténuation à l'inverse du carré de la distance ce qui les rend intéressantes pour de grandesdistances. Par contre les antennes et les guides d'ondes sont moins efficaces en basse fréquence à cause des grandes longueurs d'ondes en jeu. Bien entendu la fibre optique offre de bonnes performances mais nous y reviendrons plus loin.

Comme on peut voir chacun de ces véhicules d'ondes a ses caractéristiques d'atténuation. Par exemple, un câble coaxial standard a environ une perte de 10 dB par 100 pieds, un guide d'onde a une perte de 0.5 dB par 100 pieds tandis qu'il peut exister des gains de l'ordre de 1.5 à 30 dB pour une antenne.

Les lignes de transmission électriques

1. Éléments composant une ligne de transmission électrique

a) Partie résistive

Tout conducteur offre une certaine résistance au passage du courant. Alors selon le type de matériaux employés et selon ses dimensions, une ligne de transmission offrira ± de résistance. Cette résistance se traduit par une perte de l'énergie circulant dans la ligne. La figure #2 nous donne l'équation qui régie la résistance d'un conducteur électrique à basse fréquence. Le tableau #1 nous donne la résistivité de différents matériaux pour une température de 20°C. De plus la résistivité d'un conducteur croît avec la température, ce qui signifie qu'une ligne de transmission aura plus de perte si elle est exposée au soleil d'été.

Le tableau #2 nous donne le coefficient de variation de la résistivité de divers matériaux par rapport à l'écart de température au-dessus ou au-dessous de 20°C.

De plus, nous verrons que la résistance augmentera en fonction de l'augmentation de la fréquence du courant qui circule dans la ligne.

b) Partie inductive

Si une variation de courant circule dans un conducteur électrique, des lignes de champ magnétique seront générées à l'intérieur comme à l'extérieur du conducteur. Ceux-ci créent une force contre-électromotrice dans le conducteur de façon à créer de l'opposition au courant qui l'a créé. En d'autres mots ceci signifie qu'un conducteur possède un certain effet inductif.

c) Partie capacitive

Soit deux conducteurs électriques placés à une certaine distance l'un de l'autre. Si les deux conducteurs ne se touchent pas et qu'ils sont séparés par de l'air très sec c'est donc qu'ils sont isolés électriquement l’un de l'autre.

L'air qui les sépare agit alors comme isolant. Alors qui dit isolant, dit capacité. On peut donc affirmer qu'il existe un certain effet capacitif entre les conducteurs. Cet effet capacitif varie selon le diamètre des conducteurs, la distance entre les conducteurs et finalement selon le type d'isolant qui les sépare. Ainsi chaque isolant à ses caractéristiques qui lui sont propres.

La permittivité relative e_r est la principale caractéristique qui permet de déterminer l'effet capacitif d'un isolant. La permittivité est la caractéristique qui représente la facilité avec laquelle un champ électrique peut s'établir dans l'isolant. e₀ représente la permittivité du vide. La figure #4 nous montre l'équation de base qui régie la capacité entre deux surfaces "A" séparées par une distance "d".

 

2. Perte diélectrique

Bien qu'il soit un bon isolant, le diélectrique laisse toujours passer un certain courant de fuite. De plus lorsque la fréquence du signal augmente le diélectrique absorbe de plus en plus d'énergie ce qui se traduit par un échauffement ou une perte dans le diélectrique. En d'autres mots, le diélectrique a tendance à devenir un moins bon isolant lorsque la fréquence augmente. Ceci se traduit donc comme étant l'équivalent d'une résistance qui serait en parallèle avec la capacité formée par le diélectrique ou la résistance symbolise la perte (l'absorption) du diélectrique. 

Évidement cette perte devient ± importante selon le type de diélectrique utilisé. Par exemple le mica est un très bon isolant mais il s'agit d'une substance rigide qui ne peut être utilisée dans les lignes de transmission. Les substances plastiques offrent de moins bonnes performances que le mica mais sont cependant facilement malléables. Pour cette raison des mélanges de différents plastiques sont utilisés pour fabriquer les lignes de transmission.

 

3. Circuit équivalent d'une ligne de transmission

a) Ligne sans perte

Dans le cas d'une ligne où la perte causée par la résistance des conducteurs et du diélectrique serait négligeable on n'aurait alors presque aucune atténuation. On peut alors considérer la ligne comme étant formée seulement d'inductance série L représentant l'inductance équivalente de ligne par unité de longueur (Ex: 200 nH/mètre). La capacité parallèle C représente l'effet capacitif de la ligne exprimée par unité de longueur (Ex: 50 pF/mètre). Ce réseau L/C ne provoquera pas d'atténuation dans la ligne, mais plutôt un délai de propagation. Ceci signifie que l'énergie prendra un certain temps pour parcourir toute la ligne.

b) Ligne avec perte

Dans ce cas les pertes dues aux résistances des conducteurs (effet pelliculaire) et du diélectrique ne sont plus négligeables.

Donc cette ligne de transmission est formée d'une résistance série R symbolisant la perte du conducteur, d'une inductance série L, d'une capacité parallèle C et enfin d'une résistance parallèle G (G = 1 /R = conductance) représentant la perte du diélectrique.

Ainsi la perte dans une ligne de transmission croît en fonction de deux paramètres :

- La longueur de la ligne. En effet plus la ligne sera longue plus la résistance totale augmente donc plus la perte augmente.

- L'augmentation de la fréquence. En effet plus la fréquence augmente plus l'effet pelliculaire augmente et plus la perte du diélectrique augmente. Ceci signifie une augmentation de résistance de la ligne avec l'augmentation en fréquence donc une augmentation des pertes.

En résumé, une ligne de transmission atténuera et retardera l'information véhiculée de l'entrée vers la sortie.

 

Le Tableau #4 de la page suivante représente l'atténuation de diverses lignes de transmission RF d'une longueur de 100 pieds en fonction de la fréquence. Comme on peut le voir, pour tous les câbles l'atténuation est directement proportionnelle à la fréquence.

Caractéristique d’une ligne de transmission

 

a) Impédance instantanée ou caractéristique d'une ligne de transmission Zo

Imaginons une ligne de transmission RF infiniment longue. Comme illustré à la figure #8, celle-ci est reliée par un interrupteur à une pile. Alors, aussi longtemps que l'interrupteur S1 est ouvert aucun courant n'est injecté dans la ligne de transmission. Ceci signifie que la capacité équivalente de la ligne ne contient aucune charge.

Que se passera t-il à la fermeture de S1 ?

Aussitôt que S1 est fermé la capacité équivalente de la ligne commence à se charger de même que la partie inductive de la ligne. Ceci signifie qu'une certaine quantité de voltage et de courant est injectée dans la ligne. Puisque dans notre exemple la ligne est infiniment longue ceci signifie que la ligne fait une demande constante de tension et de courant, un peu comme un tuyau très long qui se remplit graduellement d'eau. Ainsi on dit qu'un front d'onde de tension, de courant et par conséquent de puissance sont injectés dans la ligne.

Alors la pile fournit la tension et le courant nécessaire pour charger la ligne. Si on fait le rapport de cette tension et de ce courant nous obtiendrons une valeur de résistance. Ainsi la pile à la nette impression d'être reliée à une résistance pure. Ceci se produit lors de la fermeture de l'interrupteur et demeure ainsi tant et aussi longtemps que la ligne n'est pas entièrement chargée. On parle alors de l'impédance instantanée de la ligne. Par exemple imaginons que lors de la fermeture de S1, on mesure instantanément une tension de 5 volts et un courant de 100 mA qui sont injectés dans la ligne. Si on calcule le rapport entre cette tension et ce courant on obtient une impédance instantanée de 50 Ω.

Z instantanée = V inst / I inst = 5 V / 100 mA = 50 Ω

Ainsi l'impédance instantanée de la ligne dépend de l'inductance série et de la capacité parallèle (si la composante résistive est négligeable). Alors une ligne de transmission est composée d'une infinité de réseaux de bobines en série et de condensateurs en parallèle (Voir figures #9 et #10). Alors si on change les dimensions d'une ligne de transmission on change la capacité et l'inductance donc on change l'impédance instantanée de la ligne. Dans les caractéristiques du manufacturier, cette impédance est appelée “impédance caractéristique” que l'on identifie par Zo ou Zc. Dans les caractéristiques du manufacturier on retrouve également la capacité de la ligne exprimée par unité de longueur. Comme on peut le voir dans l'équation ci-dessous l'inductance et la capacité de la ligne déterminent l'impédance caractéristique Zo ou Zc.

L = inductance de la ligne par unité de longueur.

C = capacité de la ligne par unité de longueur.

Comme on peut le voir sur la figure #14, une ligne de transmission possède des effets inductif et capacitif qui agissent comme une infinité de réseau L/C identiques sur toute la longueur de la ligne et qui de par leur valeur régissent l'impédance caractéristique Zo ou Zc.

 

En résumé l'impédance caractéristique représente l'impédance instantanée vue par une source et par conséquent ne peut être mesurée par un ohmmètre.

On peut se rappeler trois conclusions fondamentales.

- L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission ne dépend pas de sa longueur.

- L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission est purement résistive. (R ± J0).

- L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission ne dépend que de la perméabilité des conducteurs employés et de la permittivité du diélectrique du matériel utilisé comme isolant entre les conducteurs. Comme, généralement on utilise du cuivre ou de l'aluminium comme conducteurs, donc des matériaux diamagnétiques (μ_R = 1) on peut donc dire que l'impédance caractéristique d'une ligne ne dépend presque exclusivement du diélectrique utilisé comme isolant !!!

Cependant, le point important est que si la capacité se manifeste entre les deux conducteurs du câble, la résistance et la bobine, elles se trouvent placées en série avec ces mêmes conducteurs.

C'est à partir de ces notions que l'on définit l'impédance d'un câble. Dans le cas d'un câble de 50 ohms, on peut prendre une longueur quelconque de câble, brancher à une extrémité une impédance connue, de 50 ohms, et faire une mesure d'impédance à l'autre extrémité: on trouvera toujours 50 ohms (figure suivante).

b) Terminaison d'une ligne de transmission

En réalité il est impossible d'avoir une ligne de longueur infinie. Ceci signifie que l'énergie arrive à un certain moment au bout de la ligne. Alors que devient l'énergie accumulée dans la ligne et que devient l'impédance d'entrée vue par la source?

Qu'arrive t-il avec un tuyau que l'on remplie d'eau dont une extrémité est bouchée? Lorsque le tuyau est plein et que l'on persiste à verser de l'eau et bien alors ça déborde. Lorsqu'une ligne de transmission est ouverte ou court-circuit c'est un peu le même phénomène qui se produit. Comme nous le verrons un peu plus loin l'énergie émise dans la ligne va retourner littéralement vers la source!!!

Dans une ligne infiniment longue, toute l'énergie émise dans la ligne ne revient pas à la source. Il suffit donc de simuler la même chose avec une ligne de faible longueur.

Pour ce faire, on termine la ligne par une charge résistive de valeur égale à l'impédance caractéristique de la ligne. Alors l'énergie émise par la source dans la ligne atteindra la charge et alors l'énergie sera totalement dissipée sous forme de chaleur par celle-ci.

Donc toute l'énergie est absorbée tout comme une ligne infiniment longue. Il est impératif que la terminaison soit égale à l'impédance caractéristique du câble car la quantité d'énergie qui retourne vers la source est proportionnelle à l'écart existant entre la valeur de la terminaison et l'impédance Zo du câble.

En conclusion pour éviter tout retour d'énergie on termine toujours la ligne par une charge résistive pure "Dummy Load" dont la valeur est égale à Zo.

Lorsque la charge est une antenne, pour obtenir un rendement optimal, il est indispensable que la totalité de l'énergie HF soit rayonnée et captée. Il importe donc, à l'émission, que celle-ci soit intégralement évacuée dans l'espace et n'occasionne pas de pertes calorifiques. Cette exigence ne peut être satisfaite que si les impédances de l'émetteur-récepteur et de l'antenne sont rigoureusement égales.

c) Vitesse de déplacement d'une onde électrique dans une ligne

La vitesse de propagation dans une ligne de transmission dont le diélectrique est l'air, correspond environ à celle de la lumière c'est-à-dire 3 * 10⁸ mètre/sec. Par contre dans une ligne employant un diélectrique solide la vitesse de propagation est inférieure. Elle est en fait à peu près égale à:

Et comme la plupart des diélectriques utilisés comme isolants sont non magnétiques (m_R = 1) alors

 

 

 

 

 

V = vitesse de propagation dans le milieu.

C = vitesse de la lumière.

μ_R = perméabilité relative = 1 (pour diélectrique non-magnétique).

ε_R = permittivité relative (constante diélectrique).

 

 

Cependant on peut éviter ces calculs en utilisant les spécifications du manufacturier qui nous indiquent pour un modèle de ligne donnée le pourcentage de vélocité par rapport à la vitesse de la lumière. Par exemple un % vel = 66% signifie que l'énergie se propagera à 66% de la vitesse de la lumière soit 66% de 3 x 10⁸ m/sec c'est-à-dire 1.98 x 10⁸ m/sec.

Habituellement on nous donne cette spécification sous forme de pourcentage de la vitesse de la lumière.

Le Tableau #5 nous donne une liste de câbles les plus fréquemment utilisés avec leurs caractéristiques principales. Tout d'abord nous avons le numéro de la ligne, l'impédance caractéristique, la capacité par pied, le diamètre extérieur de la ligne en pouces, le type de diélectrique utilisé et finalement la tension maximale "RMS" pouvant être supportée.

 

- Les câbles à enveloppe extérieure en polychlorure de vinyle (polyvinyl chloride) (PVC).

En raison précisément de cette enveloppe, ils ne sont pas faits pour des usages extérieurs. En moins d'une année, ils commenceront à montrer des signes de craquelures, laissant ainsi pénétrer l'humidité.., ou l'eau.

En outre, très rapidement, cette enveloppe extérieure aura tendance à "émigrer" vers le centre du câble, à écraser la tresse de masse... et à attaquer le diélectrique qui protège le conducteur central.

Le résultat de ces deux "transformations" sera un changement complet de l'impédance du câble.

- Les câbles à enveloppe extérieure en résine synthétique.

Ces câbles dont l'enveloppe est plus rigide, sont appelés "non contaminants" et ont une durée de vie élevée (généralement une dizaine d'années selon les constructeurs). Ce type d'enveloppe de câble a été conçu pour résister aux effets prolongés des intempéries et des rayons solaires ultra violets.

- Câble en mousse de polyéthylène

Le câble dont le diélectrique est constitué de mousse de polyéthylène est très populaire en raison de ses faibles pertes notamment en VHF et UHF. Sa qualité est en effet nettement supérieure au câble dont le diélectrique est fait de plastique dur semi transparent. Cependant le câble en mousse exige certains soins particuliers lors de son installation.

En effet, ce diélectrique contient une multitude de minuscules poches d'air qui peuvent facilement retenir l'eau et l'humidité. Il y aura donc lieu de sceller hermétiquement le câble dans son extrémité faisant face aux intempéries.

d) Puissance de transmission maximale

À cause des pertes précitées, on peut comprendre qu'on ne peut transmettre plus qu'une certaine puissance maximale pour un câble donné. Par exemple, du RG8 peut transmettre généralement jusqu'à 1 KW, tandis que du RG58 ne peut transmettre plus de 500 W et du RG174, 100 W seulement.

 

Types de lignes de transmission

 

Il existe aux moins trois familles de lignes de transmission:

- Les lignes de transmission électrique (câble à deux conducteurs parallèles, ligne coaxiale, strip-fine, etc.)

- Les lignes de transmission électromagnétique (guide d'onde rectangulaire, circulaire, hélicoïdale, etc.)

- Les lignes de transmission optique (fibre optique de tout genre.)

Dans le présent document nous étudierons seulement les lignes de transmission électrique.

a) Les lignes parallèles

Les lignes à deux conducteurs (Figure #14) sont les plus utilisées pour le transport d'énergie (60 Hz) ou de ligne téléphonique. L'impédance de ces lignes varie de 150Ω à 600Ω (300Ω et 600Ω standard) (voir figure #14a, b et c).

Ces lignes sont des lignes balancées en ce sens que chaque conducteur formant la ligne à la même impédance par rapport à la terre, (“ground”) ce qui diffère des câbles coaxiaux qui ont une enveloppe de blindage reliée au commun (“ground”) et qui entoure l'autre conducteur (le “vivant”).

La ligne parallèle a plus de perte par irradiation électromagnétique car elle n'est pas blindée (en générale) mais a une perte électrostatique plus faible à cause du diélectrique utilisé qui est généralement l'air. Ainsi la vitesse de propagation dans les lignes parallèles est généralement plus élevée que dans les lignes coaxiales. Il est possible d'utiliser une ligne balancée avec blindage pour éviter les pertes par irradiation. Cependant on obtient alors un compromis entre la ligne parallèle et coaxiale. (voir figure #14d).

Or, toute ligne de transmission possède une certaine résistance, une certaine capacité et une certaine inductance.

Ensuite, elle doit avoir une impédance telle que l'adaptation entre l'antenne et l'équipement soit parfaite.

Enfin, elle doit être de construction symétrique ou asymétrique suivant que l'antenne et que l'appareil radio possèdent une entrée/sortie symétrique ou asymétrique.

Il existe des lignes symétriques et des lignes asymétriques. Le câble-ruban utilisé en télévision est du type symétrique; le câble coaxial utilisé entre autre en radioamateur est du type asymétrique. La différence apparaît clairement à la figure #15.

Fig. 15. Ligne symétrique et ligne asymétrique.

La ligne symétrique est constituée de deux conducteurs espacés régulièrement l'un de l'autre, présentant par rapport à la masse des tensions déphasées entre elles de 180 degrés. Si l'une de ces conditions n'est pas remplie, la symétrie est perturbée, ce qui entraîne diverses conséquences techniques: pertes, modification du diagramme de rayonnement de l'antenne alimentée, etc.

La figure #16 montre quatre types de lignes de transmission. A est formé de fils parallèles, B est un câble coaxial, C est ce qu'on appelle le câble coaxial rigide, D est un guide d'onde rectangulaire

b) Le câble coaxial

La figure #17 montre un câble coaxial. Dans ce câble, le revêtement extérieur qui constitue le second conducteur de la ligne est relié à la masse. Il n'y a donc qu'une seule tension entre le conducteur central et le conducteur extérieur. Il ne peut être question de symétrie dans ce cas. Les lignes de ce type sont asymétriques.

Le câble coaxial de la figure est composé d'un fil conducteur central placé à l'intérieur d'un autre qui l'entoure. Ces deux conducteurs sont concentriques et séparés par un isolant de plastique ou de mousse de polythène.

Le conducteur central est soit monobrin soit multibrins et le conducteur externe forme une gaine de blindage constituée par une tresse en fils fins.

Une enveloppe de matière plastique (PVC) ou de résine synthétique protège les deux conducteurs.

Il ne viendrait à l'esprit de personne de tenter de remplir une piscine avec un tuyau... crevé. Il en va de même en ce qui concerne les câbles coaxiaux!

Si l'image peut porter à rire dans le cas de la piscine, elle sera nettement moins drôle lorsque votre voisin constatera que vos ondes radio débordent allègrement chez lui...

Le choix d'un bon câble coaxial est donc crucial, tant pour l'efficacité de vos émissions... que pour votre tranquillité!

c) Câble « RG »

À l'origine, les câbles de qualité recevaient dénomination « RG » pour « Radio Government ». Les lettres signifiaient que ces câbles correspondaient à des spécifications militaires précises de qualité supérieure.

Le « U » signifiait de son côté que le câble était universel dans ses applications.

Si la plupart des câbles coaxiaux ont toujours une dénomination commençant par les lettres “RG”, il est préférable aujourd'hui d'oublier critère de qualité qui s'y rattachait!

Comme les équipements de radioamateur présentent généralement une impédance d'entrée/sortie de 50 ohms, les câbles coaxiaux RG8, RG213 (ou RG58 pour une courte distance) sont les plus employés.

Le rapport d'ondes stationnaires

 

La présence d'ondes stationnaires provient du retour de l'énergie ou d'une partie de l'énergie qui n'a pu être employée en fin de ligne. Tout se passe comme dans le cas d'un rayon lumineux qui frappe un miroir et qui revient en sens inverse suivant une loi connue. Ce phénomène s'appelle “réflexion”.

 

1- Onde incidente ou émise "Ve", “Ie”, “Pe”

L'énergie émise instantanément par une source de signal dans une ligne de transmission dépend de l'impédance instantanée vue par la source. Comme nous l'avons vu dans « ligne de transmission », l'impédance instantanée vue par la source sera l'impédance caractéristique de la ligne de transmission “Zo”. Alors la tension instantanée émise par la source dans la ligne sera “Ve”. L'indice (e) est le symbole que l'énergie se déplace de la source vers la charge donc ce signe donne le sens de propagation et non la polarité. Ce symbole est utilisé aussi bien pour la tension, que pour le courant et la puissance.

Ve = onde incidente en tension

Vs = tension de source

Zs = impédance de source

Zo = impédance caractéristique de la ligne

        Vs x Zo

Ve = ----------

         Zs + Zo

De la même façon ...

Ie = onde incidente en courant = Ie = Ve/Zo

Pe = onde incidente en puissance = Ve x Ie = Ve²/Zo

2- Onde réfléchie “Vr”, “Ir”, “Pr”

Comme on le sait maintenant la source pousse dans la ligne de transmission un niveau d'énergie instantanée “Pe” qui ne dépend pas de la charge qui termine la ligne mais plutôt de Zo.

Ceci est causé par le délai de propagation c'est-à-dire que la source ne voit pas instantanément la charge qui termine la ligne de transmission. Alors l'énergie instantanée ainsi transmise dans la ligne ne correspond peut-être pas à ce que la charge aurait demandée si elle aurait été branchée directement sur la source.

Il est donc possible que la source ait débité trop d'énergie instantanément par rapport à l'énergie qui aurait été demandée par la charge.

 D'après le théorème du transfert maximum de puissance, il existe un seul cas où la charge ne débitera pas un surplus d'énergie c'est-à-dire le cas où l'impédance de charge “Z_L” sera égale à l'impédance caractéristique de la ligne “Zo”. Alors seulement dans ce cas l'énergie émise dans la ligne correspondra à ce que la charge aurait demandée si elle aurait été branchée directement sur la source.

C'est pour cette raison qu'il est très important de terminer la ligne par une charge “Z_L” égale à l'impédance caractéristique de la ligne “Zo”.

Que se passera-t-il si Z_L est différent de Zo ?

Ceci signifie que si Z_L est supérieure où inférieure à Zo la source débitera un surplus d’énergie. Étant donné que la charge ne dissipera seulement ce qui lui est dû, le surplus d’énergie retournera vers la source. Il s'agit alors de l'énergie réfléchie “Pr”. Ainsi il y aura réflexion en tension que l'on identifie par “Vr” et une réflexion en courant que l'on identifie par “Ir”.

L'indice (r) symbolise que l'énergie se déplace de la charge vers le générateur donc ce signe symbolise le sens de propagation et non la polarité. Ce symbole est utilisé pour la tension, le courant et la puissance.

Plus la charge sera différente de Zo, plus il y aura d'énergie réfléchie. Donc la quantité d'énergie réfléchie dépend de la différence entre Z_L et Zo.

                                                    ZL-Zo

Vr = onde réfléchie en tension = Ve x ----------

                                                       ZL+Zo

 

                                                        Zo-ZL

                                                 Ir = onde réfléchie en courant = Ie x ----------

                                                        ZL+Zo

Pr = onde réfléchie en puissance = Vr x lr

3- Coefficient de réflexion « ᴦ = Gamma » (ou « ρ = Rho »)

De façon générale le coefficient de réflexion en tension est le rapport entre ce qui est réfléchie et ce qui a été injecté initialement dans la ligne. On peut donc dire que l'on peut exprimer le coefficient de réflexion de trois façons c'est-à-dire en tension, en courant et en puissance. Zéro est la valeur recherchée car elle représente l'absence de réflexion, cependant la valeur du coefficient de réflexion maximum peut-être de ± 1. Ainsi la valeur du coefficient de réflexion ne peut excéder ± 1 car ce qui est réfléchie ne peut être supérieur à ce qui a été transmis. Car un câble n'est pas un amplificateur! Les pires cas étant le court-circuit et le circuit ouvert.

Le coefficient de réflexion en tension ᴦv , est définie comme étant le rapport entre la tension réfléchie V^- et la tension incidente Ve.

ᴦv = Vr/Ve

                       ZL-Zo                          ZL-Zo

Vr=Ve x ------------, Donc  ᴦv = ----------

              ZL+Zo                         ZL+Zo

Le coefficient de réflexion en courant ᴦi est définie comme étant le rapport entre le courant réfléchi Ir et le courant incident Ie.

ᴦi = Ir/Ie

                         Zo-ZL                       Zo-ZL

Ir= Ie x ------------ Donc   ᴦi = ---------- = -ᴦv

                         ZL+Zo                       ZL+Zo

    Le coefficient ᴦv peut être exprimé en % ou en dB.

    ᴦv exprimé en % est appelé TOS (taux d’ondes stationnaires)

   TOS = ᴦv x 100

    ᴦv exprimé en dB est appelé “Return Loss”

    Return Loss = 20 Log ¦ᴦv¦

Le coefficient de réflexion en puissance ᴦp est définie comme étant le rapport entre la puissance réfléchie Pr et la puissance incidente Pe. On peut aussi dire que le coefficient de réflexion en puissance ᴦ_p est le produit du coefficient en courant ᴦi par le coefficient en tension ᴦv

ᴦp = ᴦi x ᴦv 

mais puisque ᴦi  = - ᴦv

on peut dire que ᴦ_p = - ᴦv x ᴦv

Donc   ᴦ_p = -(ᴦv²)

Exprimé en pourcent, ᴦ ou Rho représente le pourcentage de la tension réfléchie, du courant réfléchi ou de l’énergie perdue.

4- Mode de propagation dans une ligne infiniment longue

Supposons une source de signal reliée à une ligne de transmission infiniment longue. Au tout début, la source donne d'abord un signal à la ligne dont l'amplitude en tension et en courant sont déterminés par le diviseur de potentiel formé entre l'impédance de la ligne Zo et l'impédance de la source. Ainsi un front d'onde est injecté dans la ligne. Ce front d'onde en tension ou en courant se déplace vers l'extrémité qui est situé à l'infini. Si les caractéristiques physiques et électriques sont constantes le long de la ligne ceci signifie que le front d'onde voit toujours la même impédance le long de la ligne.

C'est à peu près comme si la source se déplacerait sur la ligne un peu comme un train sur un rail de chemin de fer.

Figure #2

Faisons un petit calcul:

Figure #3

Si S1 est fermé on peut calculer la tension immédiate présente à l'entrée de la ligne.

                  Zo                      50

Ve= Vs x ---------- = 10V x ----------- = 5V

                      Zs + Zo               50 + 50

De la même façon on peut évaluer le

le = Ve / Zo = 5V / 50Ω = 100mA

Alors un front d'onde en tension de 5 V et en courant de 100 mA parcourt la ligne vers l'infini car au fur et à mesure que le front d'onde avance il voit toujours la même impédance. L'énergie n'est pas dissipée si la ligne n'est constituée que de bobines et de condensateurs c'est-à-dire sans perte. Pratiquement ce n'est pas le cas puisque la ligne possède une perte qui a pour conséquence d'atténuer progressivement le signal jusqu'à son extinction complète.

On peut comprendre un peu mieux ce système par un système de boulier. Théoriquement l'énergie communiquée par la première boule se véhiculera aux autres entièrement sans atténuation vers l'infini.

Figure #4

5- Mode de propagation dans une ligne terminée var une charge égale à Zo

Figure #5

Ainsi...

         ZL-Zo

ᴦv = ---------

         ZL+Zo

Donc ᴦv = 0

ᴦi = -ᴦv = 0

ᴦp =-(ᴦv²) = 0

Donc il n'y a aucune réflexion.

Figure #6

Puisque la charge qui termine la ligne est exactement de la même valeur que l'impédance caractéristique le front d'onde ne s'aperçoit pas de ce changement lorsqu'il atteint l'extrémité de la ligne. Dans ce cas, on simule une ligne infiniment longue car il n 'y a pas d'énergie qui revient vers la source.

Toute l'énergie émise dans la ligne sera dissipée par la charge. Ceci est normal puisque l'énergie injectée dans la ligne par la source correspond exactement à ce que la charge aurait demandée si elle aurait été reliée directement sur la source.

Mis à part le délai de propagation, on est dans une situation idéale. Comme il n'y a aucune forme de réflexion alors toute l'énergie transmise par la source est totalement dissipée par la charge si la ligne est sans perte.

6- Dans une ligne terminée par un circuit ouvert (Z_L = ∞ Ω)

Si la ligne est terminée par un circuit ouvert la source ne le sait pas tout de suite, car le front d'onde généré par la source dans la ligne va mettre un certain temps à parcourir la ligne. En d'autres mots, au temps t_o la source ignore que la ligne est terminée par un circuit ouvert et débite alors un front d'onde en tension et en courant qui dépend de l'impédance caractéristique de la ligne. Si on poursuit toujours avec notre même exemple, c'est-à-dire un front d'onde en tension de 5 V et en courant de 100 mA.

Que se passera-t-il lorsque ce front d'onde atteindra l'extrémité ouverte de la ligne?

Pour répondre à cette question passons à la source qui se déplace sur la ligne. La charge vue par la source à l'extrémité de la ligne sera un circuit ouvert. Donc si la source aurait été branchée directement au circuit ouvert la tension développée aurait été de 10 V et le courant égal à 0 A donc une puissance nulle.

Qu'advient-il de l'énergie véhiculée initialement dans la ligne?

L'énergie qui a été instantanément injectée ne correspond pas à ce que le circuit ouvert aurait demandé soit 10 v avec 0 A. On lui envoie en fait 5 v avec 100 mA. Ainsi dans ce que la source a envoyé il manque +5 v et il y a 100 mA de trop. Comme nous allons le voir aux figures suivantes une onde de +5 v et de -100 mA sera réfléchie. Dans ce cas il y aura un maximum de réflexion car toute l'énergie transmise jadis par la source revient vers elle.

Figure #7                           Figure #8

Par exemple si le front d'onde incident V⁺ est positif alors l'onde réfléchie V^- est aussi positive mais se dirige dans une direction inverse. Vérifions ceci avec le boulier.

Figure #9

Ainsi :

          ZL-Zo

ᴦv = ---------

          ZL+Zo

 

        ∞-Zo

ᴦv= -------- = 1

        ∞+Zo

ᴦi =-ᴦv=-1

ᴦp =-(ᴦv²) = -(1²) = -1

 

D'après les relations mathématiques précédentes le front d'onde réfléchi en tension revient en phase par rapport au front d'onde initial. Cependant le front d'onde réfléchi en courant ou en puissance revient inversé de 180^o. Cette énergie n'est pas dissipée et retourne à la source à la même vitesse. En effet on peut observer à la figure #10 une inversion du courant mais aucune inversion pour la tension.

Par exemple si le front d'onde incident en tension Ve est de +5 v et en courant Ie de + 100 mA il y aura un front d'onde réfléchi en tension Vr de +5v et en courant Ir de -100 mA. Évidemment comme le montre le boulier l'onde réfléchie a un sens de propagation contraire à l'onde incidente.

Figure #10

7- Dans une ligne terminée par un court-circuit (ZL = 0)

Tout comme le cas précédent, la source ne sait pas immédiatement que la ligne est terminée par un court-circuit. Si on utilise la même pile et la même ligne que l'exemple précédent, la source injectera initialement dans la ligne un front d'onde en tension de 5 v et en courant de 100 mA.

Si on utilise encore le modèle de la source qui se déplace vers l'extrémité de la ligne on peut dire que la tension à l'extrémité de la ligne c'est-à-dire aux bornes du court-circuit sera zéro volt. Donc si la source aurait été branchée directement au court-circuit la tension développée aurait été de 0 v et le courant égal à 200 mA donc une puissance nulle car la puissance délivrée dans le court-circuit sera P = V x I = 0 v x 200 mA = 0 Watt. Encore une fois l'énergie fournie par la source qui était de 0.5 W n'est pas absorbée.

L'énergie qui a été instantanément injectée ne correspond pas à ce que le court-circuit aurait demandé. En effet le court-circuit aurait demandé 0 volt avec 200mA et on lui envoie 5v avec 100mA. Il y a + 5v de trop et il manque 100mA pour faire 200mA. Comme nous allons le voir une onde de -5v et de + 100mA sera alors réfléchie.

Figure #11

Alors cette tension retourne vers la source à la même vitesse mais cette fois inversée de 180° par rapport à ce que la source avait transmis.

Comme analogie c'est un peu comme si dans notre modèle, la pile effectuait une rotation de 180° à l'extrémité de la ligne avant de revenir.

Pour mieux visualiser ce phénomène on peut étudier le comportement du déplacement d'une onde pulsée sur la ligne. Si l’impulsion en tension initiale est positive celle qui sera réfléchie sera négative.

Figure #12                                  Figure #13

À la page suivante nous allons faire une analyse différente de ce point de vue avec le modèle à réseaux LC.

Figure #14

Comme dans le cas précédent il y aura un maximum de réflexion car aucune énergie n'est dissipée par le court-circuit. Ainsi toute l'énergie transmise jadis par la source revient vers elle.

Ainsi ...

         ZL-Zo

ᴦv = ---------

         ZL+Zo

       0-Zo

ᴦv= -------- = -1

           0+Zo

 ᴦi =-ᴦv=+1

ᴦp =-(ᴦv²) = -(-1²) = -1

 

D'après les relations mathématiques précédentes le front d'onde réfléchi en tension revient déphasé de 180⁰ par rapport au front d'onde initial.

Cependant le front d'onde réfléchi en courant revient en phase, tandis que la puissance revient encore inversée de 180^o car l'énergie n'a pas été absorbée par le court-circuit. Vérifiez sur la figure #14. En effet on peut observer une inversion de la tension mais aucune inversion pour le courant.

Par exemple si le front d'onde incident en tension Ve est de + 5 v et en courant Ie de + 100 mA il y aura un front d'onde réfléchi en tension Vr de -5 v et en courant Ir de + 100 mA.

Évidemment comme le montre le boulier l'onde réfléchie a encore un sens de propagation contraire à l'onde incidente.

8- Conclusion sur les réflexions dans une ligne de transmission

Comme nous l'avons constaté précédemment, il est possible d'avoir des réflexions sur une ligne de transmission un peu comme lorsqu'on lance une pierre dans un étang. Pour obtenir une réflexion, la charge Z_L doit être différente de Zo. Ainsi deux conditions sont possibles, c'est-à-dire lorsque Z_L < Zo et lorsque Z_L > Zo.

9- Calcul du taux d'ondes stationnaires

L’intensité des ondulations du courant de long de la ligne dépend du rapport : impédance terminale de la ligne ZL sur impédance caractéristique Zo. Ce rapport qui joue un rôle très important dans l'étude des lignes est ce que nous appellerons :

rapport d'ondes stationnaires, taux d’ondes stationnaires ou coefficient d'ondes stationnaires. Pour simplifier, nous le désignerons par ses initiales R.O.S. ou T.O.S.

Ainsi l'amplitude de l'onde stationnaire dépend du niveau de désadaptation de la charge donc du coefficient de réflexion en tension Gv. Le rapport ou taux d'ondes stationnaires R.O.S. ou T.O.S. (en anglais “Standing Wave Ratio, S.W.R.” ou “Voltage Standing Wave Reverse” VSWR) peut donc se calculer à partir du coefficient de réflexion Gv.

        ZL-Zo

ᴦv = --------

        ZL+Zo

 ZL= impédance de la charge

Zo = impédance caractéristique du câble

              1 + |ᴦv|                         R.O.S. – 1

R.O.S. = ---------       et    |ᴦv| = -----------

              1 - |ᴦv|)                        R.O.S. + 1

N.B. |ᴦv| = valeur absolue de ᴦv

Si une charge purement résistive est placée à la fin d'une ligne de transmission on peut calculer le R.O.S. comme ci-dessous.

Il y a deux possibilités de calcul, selon la valeur qui est la plus élevée par rapport à l'autre. Ceci pour garder le R.O.S. supérieur ou égal à 1.

               ZL                                     Zo

R.O.S. = ------ si ZL > Zo ; R.O.S. = -------  si ZL < Zo

               Zo                                    ZL

Contrairement au coefficient de réflexion G qui peut varier de -1 à + 1, le R.O.S. est un coefficient dont la valeur est toujours comprise entre 1 et l'infini. S'il est égal à 1, c'est qu'il n'y a pas d'ondes stationnaires, donc pas d'onde réfléchie et que l'impédance de charge ZL est parfaitement égale à l'impédance du câble Zo. Si, par contre, sa valeur est ∞, c'est que l'amplitude minimum est égale à zéro; c'est donc que la charge est soit un court-circuit, soit un circuit ouvert et qu'il n'y a aucune adaptation d'impédance.

De la même façon que le coefficient de réflexion ᴦ, le coefficient d'onde stationnaire R.O.S. sera donc une façon de mesurer l'adaptation existante entre une charge et une ligne de transmission. Cependant le rapport d'onde stationnaire R.O.S. ne nous indique pas si la charge est inférieure ou supérieure à l'impédance Zo du câble mais seulement de combien de fois elle est différente de Zo.

Par exemple, un R.O.S. de 2 ne nous dit pas si la charge est deux fois plus petite ou deux fois plus grande car peut importe qu'elle soit plus petite ou plus grande, elle provoque le même R.O.S. donc les mêmes dommages.

Le rapport d’ondes stationnaire peut aussi être exprimé en fonction des puissances réfléchie et émise. En effet dans la pratique, nous pouvons mesurer la puissance émise et la puissance réfléchie à l’aide d’un wattmètre.

 Exercice: Complétez le tableau ci-dessous.

 Une adaptation parfaite des impédances se traduit par un facteur de réflexion idéalement nul. Ce facteur est obtenu en évaluant la proportion d'énergie non rayonnée sous forme de rapport d'ondes stationnaires ROS. Ce ROS doit s'approcher le plus possible de la valeur 1, soit l'absence totale de phénomène de réflexion. Le ROS est donc le ratio de la tension maximum (ou courant) sur la tension minimum (ou courant) des ondes stationnaires résultantes.

           Imax         Vmax      Ve + Vr

ROS=---------= --------- = -----------

            Imin         Vmin       Ve —Vr

Ve = tension de l'onde émise (celle qui va de l'émetteur à l'antenne).

Vr = Tension de l'onde réfléchie.

 

Si la valeur du ROS est de 3 (voir tableau #1), le pourcentage de pertes lors de l'émission sera de 25% par rapport à l'énergie délivrée. Si le ROS est ramenée à 1.5, la perte ne représente plus que 4% (soit 0,08 W pour une puissance de sortie de 2 W), ce qui est négligeable.

Rho = (ROS –1) / (ROS +1) , Énergie perdue (%) = Rho x Rho x 100

Énergie transmise en % = 100 – Énergie perdue en %

Exercice : une ligne d'impédance caractéristique 100 Ω fermée sur une résistance de 900 Ω.

Calculer le R.O.S. et le facteur de réflexion.

Quelle est le pourcentage de l’énergie réfléchie et celui de l’énergie absorbée par la charge.

ROS = 900/100= 9

Facteur de réflexion : ᴦ = (9—1) / (9 + 1) = 0.8

Il y aura donc 80 % du courant qui sera réfléchi et 80 % également de la tension, soit une énergie réfléchie égale à 64 % de l'énergie totale circulant dans la ligne; 36 % seulement de l'énergie sera absorbée par la charge de 900 Ω.

 

10- Effets produits par la présence d'ondes stationnaires

Voyons quel peut être l'effet du R.O.S., c'est-à-dire de la présence d'ondes stationnaires sur le fonctionnement d'une ligne.

Prenons comme exemple une ligne ayant une impédance caractéristique Zo de 100 Ω et alimentée par un générateur fournissant 100 watts d'énergie haute fréquence.

l^er cas : ZL = Zo = 100Ω. La ligne est adaptée. Le courant est constant le long de la ligne et égal à : I = (P/Zo)^1/2 = (100/100)^1/2 = 1 ampère

V=1x100=100 volts.

L'énergie à la sortie de la ligne est égale à celle qu'on applique à l'entrée, ce qui est normal puisque nous supposons la ligne sans pertes.

2^e cas. La ligne est chargée par 25 Ω ou 400 Ω. Le R.O.S., dans les deux cas, est 4

400/100 =4 ou 100/25=4

Le coefficient de réflexion ᴦ est :

 

ᴦ = (4-1)/(4+1)=3/5=0.6=60/100

 

Cela signifie que le courant et la tension réfléchis seront les 60/100^e du courant et de la tension qui existeraient dans une ligne bien adaptée, dissipant la même énergie dans sa charge. Le rapport de l'énergie réfléchie à l'énergie totale est égal au carré du rapport du courant réfléchi au courant dans la ligne adaptée.

 

Vréfl

------- = (0,6)² = 0,36

Vtot

 

Donc, 36 % de l'énergie retourne au générateur et 64 % est utilisé sur la charge finale. Dans la ligne adaptée, le courant est 1 ampère et la tension 100 volts. Le courant réfléchi sera:

Iréfl =1 A x 0,6 = 0,6 A

La tension réfléchie sera :

Vréfl=100V x 0,6 = 60V

 

Le courant oscillera donc entre :

1 A + 0,6 A et 1 A — 0,6 A, soit entre 1,6 ampère et 0,4 ampère. 

La tension oscillera entre :

100 + 60 = 160 volts et 100 - 60 = 40 volts.

Dans une ligne bien adaptée, le courant aurait été pour 64 watts utilisables

I = (64/100)^1/2 = 0.8 A

et la tension

 

V = 0,8 X 100 = 80 volts

On remarque que le rapport I_max/I_min est égal au R.O.S. 1,6/0,4 = 4. Il en est de même pour les tensions.

Ainsi, si la ligne est mal adaptée, on ne pourra utiliser toute la puissance fournie par le générateur et la partie utilisable sera d'autant plus petite que le R.O.S. sera plus élevé.

Au lieu d'avoir un courant constant de 0.8 A, on aura un courant qui atteindra en pointe 1.6 ampère ; il faudra donc des conducteurs plus gros pour supporter ce courant plus élevé.

La tension, au lieu d'être constante et égale à 80 volts, atteindra en pointe 160 volts. Il faudra donc prévoir de meilleurs isolants. La ligne convenable coûtera donc plus cher, pour une même quantité d'énergie transportée, si elle est le siège d'ondes stationnaires que si elle est adaptée.

Si la charge de la ligne est une antenne et si cette charge est très différente de l'impédance caractéristique de la ligne, l'énergie recueillie par l'antenne pour être rayonnée est très faible.

Si nous nous imposons de transmettre à la charge ZL une puissance donnée, voyons un peu ce qui va résulter de la présence d'ondes stationnaires.

Utilisons une ligne de Zo = 90 Ω fermée sur une charge de 10 Ω et supposons que nous voulions dissiper sur cette charge une énergie de 90 watts. Si la ligne était adaptée, c'est-à-dire fermée sur 90 Ω, le courant serait 1 ampère et la tension 90 volts, et nous aurions 90 watts sur la résistance terminale de 90 Ω . Mais la charge n'est que de 10 Ω. Le R.O.S. est 90/10 = 9.

Le coefficient de réflexion est :

(9-1)/(9+1) = 0.8 = 80/100

L'énergie réfléchie est 64/100 de l'énergie à l'entrée.

L'énergie utilisable n'est donc que 36/100 de l'énergie à l'entrée. Pour avoir 90 W à la sortie, il faudra à l'entrée :

90 watts/(36/100)= 250 watts

Sur ces 250 W, 90 seront utilisables et 160 retourneront vers le générateur.

Avec 250 W, le courant et la tension dans une ligne de Zo = 90 Ω bien adaptée seraient

I = (250/90)^1/2 = 1.66 A.

V = 1,66 X 90 = 150 volts

 

Le courant et la tension réfléchis sont 80/100 de ces valeurs: I_réfl = 1,66 x (80/100) = 1,33 A

Vréfl = 150 x (80/100) = 120 V 

La tension oscillera donc entre :

150 + 120 = 270 volts et 150 — 120 = 30 volts

Le courant oscillera entre :

1,66 + 1,33 = 3 A et 1,66 - 1,33 = 0,33 A

On constate encore que les tensions maximale et minimale sont dans un rapport 9 égal au R.O.S. Il en est de même des courants.

La présence d'ondes stationnaires fait donc monter le courant à 3 ampères au lieu de 1 dans la ligne bien adaptée, et la tension à 270 V au lieu de 90. On voit les surintensités et les surtensions provoquées par les ondes stationnaires à égalité de puissance utilisable.

Il y a donc le plus grand intérêt à annuler le R.O.S. ou le réduire au minimum. Si dans notre dernier exemple on avait intercalé entre la ligne de Zo = 90 Ω et la charge de 10 Ω un quart d'onde de Zo = (90 x 10)^1/2 = 30 Ω, on aurait fait fonctionner la ligne correctement puisqu'elle aurait été terminée sur une impédance égale à Zo. Il existe d'autres méthodes d'adaptation d'impédance.

 

On ne peut manquer de faire le rapprochement entre les effets du R.O.S. sur le fonctionnement d'une ligne parcourue par du courant haute fréquence, et les effets du facteur de puissance (le fameux cos j, des électriciens) sur la transmission de l'énergie électrique. La similitude est complète, tous deux conditionnent le rapport entre énergie active et énergie réactive et ceux qui sont familiarisés avec les phénomènes électriques causés par le cos j seront plus aptes à saisir les effets dus au R.O.S.

11- Lignes avec pertes

Dans toute cette étude, nous avons négligé les pertes dans la ligne. Elles existent obligatoirement dans toute ligne et sont dues à plusieurs causes.

a) Résistance des conducteurs en haute fréquence

D'abord la résistance ohmique des conducteurs, on le sait, n'est pas la même en haute fréquence qu'en courant continu, les courants haute fréquence n'utilisant pour circuler que la partie périphérique des conducteurs. C'est l'effet pelliculaire. 

Un fil de cuivre de 2 mm de diamètre a une résistance en courant continu de 5.6 Ω par km. À 225 MHz sa résistance est de 62.4 Ω par km. On voit que la résistance augmente dans des proportions énormes avec la fréquence.

Si on avait affaire à des conducteurs en aluminium, il faudrait multiplier les chiffres donnés ci-dessus par 1.56 ; la résistivité de l'aluminium étant 1.56 fois celle du cuivre.

b) Pertes dans les isolants

La deuxième cause de pertes est constituée par les courants de fuite dans les isolants. Plus l'épaisseur de l'isolant sera grande entre les deux conducteurs, plus les pertes seront petites. Le meilleur isolant est l'air, mais comme il n'a pas de consistance, on est obligé de lui substituer partiellement ou totalement des isolants solides afin de maintenir constant l'écartement entre les conducteurs, Une ligne pourvue d'une bonne épaisseur de bon isolant aura peu de pertes, mais sa construction sera coûteuse.

c) Pertes par rayonnement

Enfin, il est une troisième cause de pertes, c'est le rayonnement de la ligne. Si l'écart entre les deux conducteurs de la ligne est faible vis-à-vis de la longueur d'onde du courant qui parcourt la ligne, les pertes par rayonnement seront faibles, car les deux conducteurs de la ligne étant parcourus par des courants en opposition de phase, leurs effets se détruiront presque complètement.

Ces pertes qui existent dans une ligne bien adaptée seront considérablement augmentées par la présence d'ondes stationnaires dans la ligne, car le courant y sera plus grand et la tension plus élevée.

12- Ligne non adaptée à l'entrée et à la sortie

Nous avons supposé dans notre étude sur les ondes stationnaires que toute l'énergie réfléchie était retournée au générateur. Du point de vue des ondes réfléchies, c'est le générateur qui est la charge terminale puisque ces ondes parcourent la ligne en sens inverse. Pour que toute l'énergie réfléchie soit absorbée par le générateur, il faut que son impédance soit égale à l'impédance caractéristique de la ligne. S'il n'en est pas ainsi, il va y avoir à nouveau réflexion de l'onde réfléchie à l'entrée de la ligne et une partie de l'énergie réfléchie sera réabsorbée par le générateur tandis qu'une autre partie reprendra le chemin primitif de l'énergie dans la ligne ; le rapport entre la partie de l'énergie re-réfléchie (!) à l'entrée et celle qui était réfléchie à la sortie sera conditionné par le facteur de réflexion ou le R.O.S. Zg/Zo (Zg étant l'impédance du générateur). Ainsi, si une ligne de Zo = 100 Ω est alimentée par un générateur d'impédance Zg = 50 Ω et est fermée sur une charge ZL = 300 Ω, le phénomène suivant aura lieu.

Le R.O.S. d'entrée est 100/50 = 2

et le ᴦ d'entrée: (2 — 1)/(2 + 1) = 1/3

Le R.O.S. de sortie est 300/100 = 3

et le G de sortie: (3 — 1)/(3 + 1) = 1/2

Si le générateur fournit 100 W, 25 W seront réfléchis en fin de ligne; sur ces 25 W: 1/9 soit 2,8 W seront réfléchis à l'entrée et ainsi de suite...

On imagine la complexité des phénomènes qui se produiront dans la ligne par la superposition de ces différents régimes d'ondes stationnaires de phases différentes.

Ce que nous venons de dire nous montre que quand la ligne est adaptée, l'impédance du générateur n'a aucune importance du point de vue du fonctionnement de la ligne. Il n'en est pas de même s'il y a réflexion.

13- Fonctionnement correct d'une ligne

Dans une antenne d'émission, l'énergie provient de l'émetteur et c'est l'antenne qui est la charge terminale. Il importe donc avant tout que l'impédance de l'antenne soit égale à l'impédance caractéristique de la ligne.

Dans une antenne de réception, le générateur est l'antenne et la charge terminale est le récepteur. Il faudra donc que l'impédance d'entrée du récepteur soit égale à l'impédance caractéristique de la ligne.

Pour d'autres raisons, rendement maximum, couplage correct de la ligne à l'émetteur dans l'antenne d'émission et couplage correct de la ligne à l'antenne dans l'antenne de réception, le fonctionnement de l'ensemble ne sera parfait que si la ligne est adaptée aux 2 extrémités.

14- La mesure

Afin de déterminer le ROS présent dans une installation, il existe des appareils que l'on appelle des TOSMÈTRES. Ils se placent selon le schéma ci-dessous :

Figure #15

Il existe globalement 3 sortes de Tosmètres : 

- Les calibrables 

- Les automatiques 

- Les lectures directes 

On ne s'intéressera pas aux automatiques, qui comme leur nom l'indique ... sont automatiques.

Les calibrables  nécessitent une petite manipulation qui consiste à :

- mesurer (et calibrer) l'onde émise

- basculer un commutateur et lire les informations sur l'onde réfléchie.

Exemple de TOSMÈTRE simple : Le wattmètre Bird

Figure #16

Lorsqu'on a un doute de la puissance de sortie d'un émetteur, et que l'antenne est vraiment désadaptée ou que l'installation est déficiente, il peut y avoir des retours HF qui perturbent la lecture de la puissance réelle. Afin de lever le doute, il est très utile de remplacer l'antenne par une charge fictive (dummy load). Celle-ci fait 50 ohms et le ROS est obligatoirement de 1 car la charge est adaptée. On a alors une lecture réelle de la puissance de transmission.

 

Exemple de charge fictive (dummy load):

Figure #17

Conseils : Bien faire attention à ce que le TOSMÈTRE et la charge, puissent supporter la puissance que délivre votre installation d'émission. (Ceci est aussi valable pour les antennes).

Les liaisons entre appareils doivent être de bonnes qualités, les connecteurs mal installés et les câbles abîmés doivent être remplacés.

15- Conclusion 

En installant des systèmes de communications et des systèmes d'antennes, il sera pratique de pouvoir vérifier correctement leur fonctionnement pour qu’un maximum de puissance soit transmis dans l'antenne.

À ce propos, vous pouvez utiliser l’abaque ROS qui, à partir de la puissance émise et la puissance réfléchie, montre la valeur du  ROS sur la ligne.

Les antennes

 

1.    Introduction aux antennes

Une source de courant alternatif à haute fréquence qui alimente une antenne d’émission crée un champ électromagnétique qui se propage dans l’espace.

Ce champ électromagnétique crée à son tour, dans une antenne de réception, un courant de même nature que celui qui lui a donné naissance

Par conséquent une antenne est avant tout un transformateur d’énergie.

Les antennes d’émission transforment l’énergie électrique en ondes électromagnétiques aussi appelées ondes Hertziennes qui se propagent à la vitesse de la lumière.

Les antennes de réception convertissent les ondes électromagnétiques qu’elles interceptent en énergie électrique que les circuits du récepteur vont utiliser.

Une antenne a la propriété d’être utilisée aussi bien en émission qu’en réception. Cette propriété est appelée réciprocité. Elle établie une liaison radio entre l’émetteur et le récepteur.

Dispositif permettant de rayonner ou de capter à distance les ondes électromagnétiques dans un appareil ou une station d'émission ou de réception. Historiquement, l'antenne a été découverte par Alexandre Popov.

POPOV Aleksandr Stepanovitch (1859-1906), ingénieur russe. Il étudiait les émissions électromagnétiques des orages quand il eut l'idée d'améliorer la sensibilité du récepteur équipé d'un cohéreur (détecteur d’ondes radio) d’Edouard Branly en y raccordant le fil d'un paratonnerre. Il venait d'inventer l'antenne. Cette découverte permit à Guglielmo Marconi de réaliser des liaisons radiotélégraphiques à longue distance.

BRANLY Edouard (1844-1940) Physicien français - inventa le cohéreur, premier détecteur efficace d'ondes radio.

HERTZ Heinrich (1857-1894) - physicien allemand.

MARCONI Guglielmo (1874-1937) physicien et homme d'affaire italien.

2.    Définition

L'antenne est un conducteur électrique plus ou moins complexe généralement placé dans un endroit dégagé. Elle se définit par les caractères suivants :

        Bande de fréquences d'utilisation

        Polarisation

        Directivité, gain avant et diagramme de rayonnement

        Dimensions et forme

        Type d'antenne

        Mode d'alimentation et impédance au point d'alimentation

        Puissance admissible en émission

        Résistance mécanique

3.    Bande de fréquences d'utilisation

L'antenne est un dipôle électrique qui se comporte comme un circuit résonant. Comme son nom l’indique, l’antenne dipôle a deux pôles : le signal et la masse. C’est l’antenne la plus simple, l’élément horizontal de longueur (λ / 2) que l’on a coupé au milieu pour le raccordement à la prise d’antenne 75 Ω du récepteur ou de l’émetteur.

La fréquence de résonance de l'antenne dépend d'abord de ses dimensions mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés.

Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, on peut tolérer un certain affaiblissement (généralement 3 décibels) qui détermine la fréquence minimum et la fréquence maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences est la bande passante de l’antenne.

Il est fréquent qu'une antenne soit utilisée en réception largement en dehors de sa bande passante, c'est le cas des antennes d'autoradios dont la fréquence de résonance se situe souvent à plus de 200 Mhz et que l'on utilise pour l'écoute de la bande de radiodiffusion commerciale “FM” vers 100 Mhz.

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde λ\2 horizontal a donc une polarisation horizontale. 

Certaines antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire (antenne hélice ou double Yagi dont les plans sont perpendiculaires).

4.    Directivité et diagramme de rayonnement

L'antenne isotrope est un modèle théorique qui sert de référence pour le calcul du gain des antennes. On la représente comme un point dans l'espace qui rayonnerait de la même façon dans toutes les directions. Son gain est de 1 ou, exprimé en décibel, il est de 0 dBi (décibel par rapport à l'antenne isotrope).

L’antenne isotrope est un modèle théorique irréalisable dans la pratique. En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées : ce sont les lobes de rayonnement.

Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser ces lobes dans les trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus important. La proximité et la conductibilité du sol ou des masses conductrices environnant l'antenne peuvent avoir une influence importante sur le diagramme de rayonnement.

Directivité

Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres ; elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. Si la station radio captée ne se trouve pas toujours dans la même direction il peut être nécessaire d'orienter l'antenne en la faisant tourner avec un moteur.

Certaines antennes de poursuite de satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au dessus de l'horizon). Les antennes directives sont utilisées en radiogoniométrie.

Une antenne omnidirectionnelle rayonne de la même façon dans toutes les directions du plan horizontal.

Gain

Le gain d'une antenne par rapport à l'antenne isotrope est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse d'une bougie peut être concentrée grâce à un miroir ou une lentille convergente. Il s'exprime en “dBi” (décibels par rapport à l'antenne isotrope). La figure #8 montre le diagramme de rayonnement d’une antenne (pattern).

Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde. Voir figure ci-après.

Fig # 9 : Exemple de chambre anéchoïde

 

Une chambre anéchoïde est une salle d'expérimentation dont les murs et le plafond sont totalement absorbants aux ondes sonores ou électromagnétiques, donc ne provoquent aucun écho venant perturber les mesures.

On utilise de telles chambres pour mesurer des ondes acoustiques ou électromagnétiques dans des conditions de champ direct, c'est-à-dire en l'absence de composantes ayant subi une réverbération sur des parois.

une chambre anéchoïde électromagnétique est une cage de Faraday dont les parois sont recouvertes de carreaux de ferrite et / ou de pyramides de mousse de polyuréthane chargée d'un complexe à base de carbone, absorbant les ondes électromagnétiques et empêchant leur réverbération. Une telle chambre sert notamment à mesurer les perturbations électromagnétiques par rayonnement, d'appareils électroniques. Ces mesures sont nécessaires afin de vérifier les niveaux de champ électromagnétique émis par tous les matériels fonctionnant avec de l'électricité.

5.    Forme et dimensions

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable se limite à une petite excroissance sur le boîtier de l'appareil tandis que la parabole d’un radiotélescope peut dépasser 100 m de diamètre. Très grossièrement on peut dire que pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé, à cause de l'utilisation d'éléments réflecteurs, comme pour l'antenne parabolique, par exemple.

Fig # 10 : Radio télescope de 75 mètres

L'antenne demi-onde, comme son nom l'indique, a une longueur presque égale à la moitié de la longueur d'onde pour laquelle elle a été fabriquée.

6.  Types d'antennes

Il existe des dizaines de types d'antennes, différents par leur fonctionnement, leur géométrie, leur technologie...

Quelques exemples :

   Antenne en parapluie ou en nappe pour ondes kilométriques (300 KHz)

Un pylône rayonnant vertical le plus souvent inférieur au quart d'onde est alimenté par le haut à l'aide de plusieurs câbles tendus verticalement et isolés du sol. À l'extrémité du pylône plusieurs câbles sont connectés directement sur celui-ci, espacés de 120°, ils descendent en oblique vers le sol et sont isolés du sol.

 

On distingue les trois câbles verticaux d'alimentation du pylône et les haubans. La capacité de tête est formée de câbles obliques isolés du sol et connectés au sommet du pylône. Réglages impédance pointus - Coût important de mise en œuvre - Boîte d'accord - Convient aux petites et moyennes puissances.

La capacité de tête réduit la hauteur physique mais augmente la hauteur efficace.

   Antenne boucle (loop) de différentes formes (carré, triangle, losange...), verticale ou horizontale.

Une antenne cadre (loop antenna) consiste en une grande spire qui peut prendre différentes formes dont la plus performante est celle du cercle parce qu'elle présente la plus grande surface possible avec un périmètre donné. La forme en triangle ou delta loop peut être orientée avec la pointe en haut ou en bas. Le carré est une des formes les plus performantes. Le rectangle n'est pas exclu mais ne sera utilisé qu'en dernier recours.

Comme le dipôle, c'est une antenne monobande, c'est à dire qu'il faudra tailler une boucle par bande, en les installant éventuellement sur le même support. Toutefois certaines dispositions permettent de travailler sur plusieurs bandes.

   Antenne doublet filaire ou dipôle pour ondes décamétriques.

¨      Antenne Yagi-uda à éléments parasites, très directive et à gain important.

 

C'est vers 1924 que l'ingénieur japonais Shintaro UDA de l'université Tohoru de Sendai (Japon), conçut l'antenne directive qui allait immortaliser le nom de son professeur de l'époque : Hidetsugu YAGI

L'antenne yagi est une antenne directive dont le gain est supérieur à celui du dipôle dans la direction avant et inférieur dans la direction arrière.

Elle se compose de :

Un dipôle demi onde, alimenté comme il se doit en son milieu, c'est l'élément radiateur

Un (ou plusieurs) élément(s) réflecteur(s), non alimenté(s)

Un (ou plusieurs) élément(s) directeur(s), non alimenté(s)

Les éléments non alimentés sont qualifiés de "parasites"

La configuration minimum pour une antenne yagi correspond à un dipôle accompagné d'un seul élément parasite, un réflecteur (le plus souvent) ou un directeur.

Le tableau suivant est purement indicatif, il permet simplement de se faire une idée des dimensions (longueur du boom et nombre d'éléments) pour obtenir un gain donné. L'antenne est supposée être isolée dans l'espace. Le gain est exprimé par rapport à l'antenne isotrope.

On constate que le gain augmente rapidement avec le nombre d'éléments lorsque ce nombre est faible et qu'il plafonne vers 17 ou 18 dBi quand on atteint une longueur dépassant 7λ ou une vingtaine d'éléments.

On remarque qu'en doublant le nombre d'éléments on améliore le gain d'environ 3 décibels. Cette règle est très approximative, car elle suppose qu'on double également la longueur du boom en conservant un espacement entre éléments du même ordre de grandeur (par exemple 0.2λ). En pratique, on se limite à des longueurs de boom ne dépassant guère 7 longueurs d'onde sur les fréquences inférieures à 200 MHz.

On peut aussi " doubler" le nombre d'éléments en groupant deux antennes Yagi identiques. Par exemple, un groupement de 2x9 éléments sera pratiquement équivalent, du point de vue du gain, à une 18 éléments mais la rigidité mécanique sera meilleure avec le groupement.

   Antenne quart d'onde verticale omnidirectionnelle pour très hautes fréquences (THF ou VHF).

Cette antenne constituée d'une moitié de dipôle nécessite un plan de sol ou plan de masse afin de reconstituer électriquement le deuxième brin de l'antenne.

On peut utiliser un brin plus court que le quart d'onde, mais il faut dans ce cas rallonger artificiellement l'antenne grâce à une bobine (habituellement positionnée à la base du brin ou au milieu de celui-ci) ou par une capacité terminale. Le quart d'onde raccourci présente une impédance plus faible à sa résonance.

Les antennes verticales demi onde sont, en général, encombrantes et difficiles à ériger. On sait que le sol agit comme un réflecteur quand il est bon conducteur, si bien qu'une antenne quart d'onde ayant sa base sur un sol idéal, forme, avec son image, une antenne demi onde.

 Il est donc possible de raccourcir l'aérien de moitié. Cependant, comme la conductibilité du sol varie avec le lieu et les conditions atmosphériques, il est préférable de constituer une surface réfléchissante horizontale formant, en somme, un sol artificiel dont la conductibilité et les propriétés réfléchissantes restent invariables et bien définies.

On constitue ce sol artificiel simplement par quatre conducteurs faisant entre eux un angle de 90°, et réunis au pied de l'antenne verticale, comme l'indique les figures #18 et #19. Ces conducteurs doivent avoir une longueur d'au moins un quart d'onde, mais celle-ci n'est nullement critique. En outre, pour respecter la symétrie, il est bon de prendre quatre fils horizontaux de longueurs égales.

Cette antenne rayonne suivant un angle voisin de l'horizontale, que l'on sait favorable aux liaisons lointaines. Elle n'est pas directive comme les autres antennes verticales. En ondes très courtes, les quatre conducteurs sont constitués par des tubes horizontaux.

L'impédance au point d'attaque est à peu près la moitié de celle de l'antenne verticale, soit 36 Ω. On alimente l'antenne ground plane par les moyens habituels, aux points A et B, en l'adaptant aux feeders usuels par un quart d'onde d'impédance convenable. La figure #19 donne un exemple d'adaptation à une ligne de 600 Ω.

Le coaxial 52 Ω peut servir pour attaquer une antenne «ground plane». Il est évident que l'adaptation ne sera pas parfaite, mais le ROS égal à 52/36, soit à peine 1.5, occasionnera des pertes supplémentaires inférieures à 1dB, certainement pas plus importantes que celles que causerait un système d'adaptation, qui, en outre rendrait la fréquence d'accord beaucoup plus critique.

Exemple : Quelle est la longueur d'une antenne quart d'onde fonctionnant sur 144 MHz ?

Réponse : la longueur d'onde de la fréquence 144 MHz est :

300 / 144 = 2.083 m.

Cette antenne fonctionnera sur la bande dite des 2 mètres.

Elle aura pour longueur :

2.083 / 4 = 0.52 m = 52 cm

F= 1/[2π (LC)^1/2]

N.B. : Dans la pratique des antennes on a l'habitude de diminuer de 5% la longueur théorique calculée pour tenir compte des capacités par rapport au sol.

Si C augmente, la fréquence diminue ce qui augmente la longueur de l’antenne car :

λ        = c/F

avec        c = célérité de la lumière en mètre/seconde

              F = fréquence en Hz

              λ = longueur d’onde en mètre

   Antennes longues

On appelle antennes longues des antennes dont la longueur représente plusieurs longueurs d'onde. Plus le nombre de longueurs d'onde augmente, plus la résistance de rayonnement augmente (résistance aux ventres de courant) et plus le gain dans la direction privilégiée (qui est voisine de celle du fil) augmente.

Ainsi, une antenne de dix longueurs d'onde donne un gain en puissance voisin de 6, soit 8 décibels environ, ce qui donne théoriquement un point et demi de gain en plus, comparativement à une demi onde ; en pratique, l'amélioration est plus grande. Pour le favorisé qui dispose d'un grand « espace vital » et d'une bonne botte de fil, le jeu en vaut la chandelle, car il n'est pas négligeable de transformer en émetteur de 300 watts (!), un émetteur de 50 watts rien qu'en allongeant le brin rayonnant et cela sans que le compteur électrique s'en ressente le moins du monde.

On peut attaquer ces antennes soit en tension à une extrémité, soit à un ventre de courant, par une ligne à ondes progressives d'impédance caractéristique convenable ou par des feeders accordés.

Une antenne onde entière a une résistance de rayonnement de 90 ohms; une antenne trois demi ondes fait 102 ohms ; une antenne double onde est voisine de 110 ohms; enfin, une antenne de dix longueurs d'onde atteint environ 160 ohms.

Nous donnons ci-après un tableau indiquant les gains en puissance, en décibels et les résistances de rayonnement en fonction de la longueur, n étant le nombre de demi-longueurs d'onde, R la résistance de rayonnement et A le gain.

Tableau donnant le gain et la résistance de rayonnement des antennes en fonction de leur longueur

   Antenne cadre magnétique, de dimensions réduites.

Ce type d’antenne n’est autre qu’un circuit accordé de grande dimension par rapport aux circuits accordés classiques.

Constituée d’une forme circulaire, rectangulaire, octogonale ou carrée, en général une spire, dont la longueur doit être inférieure à 1/3 d’onde de la fréquence la plus élevée, pour être efficace, sinon l’antenne ne fonctionne plus en magnétique, mais comme un mauvais dipôle.

D’après les calculs la forme circulaire serait la meilleure à retenir, par rapport au carré d’une même périphérie, le rendement est de 10 % de mieux sur les fréquences les plus basses.

Son alimentation est constituée soit d’un gamma match ou une spire de couplage.

Gamma match

Longueur : λ/10 de la périphérie

Hauteur : 4 à 6 cm peu critique

Tube de cuivre 4 à 6mm

Le satellite de radiodiffusion

 

Introduction

L'utilisation des faisceaux hertziens permet de couvrir de grandes régions sur la terre. Par contre, lorsqu'on arrive au bord de l'océan, on ne peut plus utiliser cette technique pour communiquer de l'autre côté, car la distance est trop grande. 

On peut utiliser un câble sous-marin. La transmission par satellite offre une autre solution à ce problème. Un satellite n'est en fait qu'un répéteur puissant semblable à ceux qu'on retrouve dans les réseaux à faisceaux hertziens.

Comme dans les réseaux hertziens, la transmission se fait en vue directe. Les ondes de très hautes fréquences sont capables de traverser les hautes couches de l'atmosphère.

Figure #1 – Liaisons par faisceaux hertziens

Polarisation des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques rayonnées par un émetteur sont caractérisées par leur fréquence et leur polarisation. Celle-ci définit l'orientation des composantes champs électrique et magnétique (qui sont orthogonales entre elles) du champ électromagnétique; elle est déterminée par les caractéristiques du dispositif rayonnant de l'antenne d'émission.

On utilise deux formes de polarisations différentes en diffusion par satellite.

Polarisation linéaire

Elle est caractérisée par une orientation fixe des vecteurs orthogonaux champ électrique et champ magnétique, eux-mêmes orthogonaux à la direction de propagation (voir figure #2).

Figure #2 - Illustration de la polarisation linéaire.

La polarisation de l'onde est définie par l'orientation du vecteur champ électrique. 

On peut ainsi émettre deux ondes de même fréquence et de polarisations orthogonales (ex. horizontale et verticale) sans qu'elles se perturbent, car on     pourra les séparer à la réception au moyen d'une orientation précise du dispositif collecteur d'ondes (LNB) autour de l'axe de propagation. 

En utilisant la polarisation horizontale et verticale, la  fréquence peut être utilisée deux fois.

On utilise donc les polarisations orthogonales dites X et Y (qui ne correspondent à l'horizontale et à la verticale du lieu de réception que s'il se trouve sur le même méridien que le satellite) afin de doubler (ou presque) la capacité de transmission dans une bande de fréquences données.

Polarisation circulaire

Dans ce cas, l'orientation des vecteurs champs n'est plus fixe par rapport à l'axe de propagation, mais elle varie tout au long de cet axe à raison d'un tour (360^o) par longueur d'onde (voir figure #3), les deux vecteurs étant toujours orthogonaux entre eux à tout endroit.

Figure #3 - Illustration de la polarisation circulaire.

Selon le sens de rotation autour de l'axe, on parle de polarisation circulaire droite ou gauche. Ces deux polarisations peuvent de la même manière être séparées par le dispositif collecteur d'ondes à la réception, permettant également de doubler la capacité de transmission.

L'avantage de la polarisation circulaire par rapport à la polarisation linéaire est qu'elle ne nécessite pas d'orientation précise du collecteur d'ondes, la séparation entre les deux polarisations étant déterminée par la seule précision de réalisation de celui-ci.

En bande Ku, elle souffre cependant d'une dépolarisation plus importante que la polarisation linéaire en cas de fortes intempéries, ce qui réduit alors la séparation entre les deux polarisations (cross-polarization).

C'est l'une des raisons (mais pas la principale) qui fait que la polarisation circulaire a tendance à disparaître pour les nouvelles émissions européennes numériques en bande Ku. 

L'antenne parabolique

Métallique, elle a la forme d'une coupole parabolique ce qui la rend très directionnelle; que ce soit en transmission ou en réception. Certaines sont en plastique dur recouvert d'une peinture réfléchissante.

Sa surface peut être pleine ou trouée. Cette dernière laisse passer le vent mais pas les signaux de longueur d'ondes correspondant aux signaux du satellite.

Alignée sur un satellite, elle capte les signaux de tous les transpondeurs de celui-ci. Cependant, elle ne peut recevoir les signaux de 2 satellites à la fois même si ceux-ci ne sont espacés que d'environ 4 degrés. (dessiner puis calculer la distance approximative entre 2 satellites: 22300 miles x tan 4'= 1560 miles)

Figure #4

On lui ajoute souvent un contrôle motorisé (actuateur) permettant de l'orienter d'un satellite à l'autre.

Le gain en signal est proportionnel à la surface de l'antenne. Des valeurs typiques vont de 1000 à 10000.

Figure #5

Le convertisseur à faible bruit (LNB)

L’antenne à foyer centré ou « prime focus » : c’est la mise en application directe de la théorie (voir figure #6) et historiquement la première utilisée en réception individuelle.

Le LNB (Low Noise Block) est placé au foyer principal au moyen d’un tripode fixé sur le pourtour du réflecteur et l’axe de l’antenne est orienté directement vers le satellite à recevoir.

 

De ce fait, le LNB et le tripode font une certaine ombre sur le réflecteur, ce qui réduit l’efficacité de l’antenne, et ce d’autant plus qu’elle est de petites dimensions. C’est pourquoi on ne l’utilise pratiquement pas pour des diamètres inférieurs à 1 mètre.

Par ailleurs, le réflecteur fait un angle par rapport à la verticale égal à l’élévation du satellite; de ce fait, l’hiver, l’antenne peut accumuler de la neige, ce qui peut réduire son gain au point de la rendre inopérante. C’est pourquoi on lui préfère le plus souvent une variante à foyer décalé.

L’antenne à foyer décalé ou « offset » utilise en fait un réflecteur découpé dans un miroir parabolique « prime focus » de plus grande dimension, de telle sorte que le LNB se trouve hors du trajet du faisceau incident sur le réflecteur, sur lequel il ne porte ainsi pas d’ombre (voir figure #7)

 

La découpe du réflecteur est en général de section ovale (plus haute que large) et le LNB est fixé au-dessous au moyen d’un seul bras.

Un autre avantage de cette antenne est que l’angle du réflecteur avec la verticale est plus faible que pour une antenne à foyer centré, ce qui réduit la rétention de neige par le réflecteur.

C’est actuellement l’antenne la plus répandue et la plus économique pour des dimensions inférieures à 1 mètre.

Le LNBF est composé d’un guide d’ondes (figure #8), d'une sonde de réception, d'un amplificateur à faible bruit (Low Noise Amplifier ou LNA) pour hyperfréquences, de filtres de bande et d'un convertisseur de fréquence abaissant la gamme de fréquence reçue, impropre au transport par câble coaxial, vers une gamme de fréquence beaucoup plus basse appelée BIS (Band Intermediate Satellite = Satellite dans la bande intermédiaire, de l'ordre de 1 à 2 GHz), qui est appliquée au récepteur via un câble coaxial de longueur appropriée (quelques dizaines de mètres).

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LNBF : Low Noise Block down converter with “ Feedhorn"

Le LNB utilise des semi-conducteurs de haute technologie en arséniure de gallium (AsGa), il y a peu de temps encore réservés aux applications de pointe (télécommunications militaires et civiles).

L'alimentation, généralement 13 à 18 V (200 mA environ) est également fournie par le câble coaxial.

Le LNB apporte un gain généralement compris entre 45 et 55 dB (30000 à 300000) entre la puissance qu'il reçoit de la parabole et celle disponible en sortie vers le récepteur. Son facteur de bruit est compris entre 0,6 dB pour les meilleurs et 1,5 dB pour les moins bons, celui de la plupart des LNB courants étant compris entre 1,1 et 1,3 dB.

Les fréquences BIS étaient comprises il y a quelques années entre 950 et 1750 MHz, puis, avec l'augmentation des transmissions par satellite, sont passées dans la bande 950 à 2050 MHz, puis dans la bande 950 à 2150 MHz.

La conversion de fréquence est effectuée via un oscillateur local (OL) pour les LNB (convertisseur à faible bruit) simple bande ou deux oscillateurs locaux pour les LNB double bande.

Les fréquences d'émission en bande Ku sont situées entre 10.700 et 12.750 GHz, soit un écart de 2050 MHz. Le tuner du récepteur, dans le meilleur des cas, peut accepter une différence de fréquence de 2150 MHz - 950 MHz, soit 1200 MHz.

Si l'on désire recevoir l'intégralité de la bande Ku, la largeur de bande du tuner n'est pas suffisante. Pour pallier ce problème, les fréquences sont donc partagées en deux groupes, la bande basse (Low) et la bande haute (High).

Bande basse (Low) : 10.7 GHz à 11.7 GHz

Bande haute (High) : 11.7 GHz à 12.75 GHz

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Pour sélectionner un des deux oscillateurs, un signal 0 ou 22 KHz permet de faire la permutation entre l’un et l’autre :

0 => Oscillateur local 1

22KHz => Oscillateur local 2

La commutation entre les deux bandes peut se faire par deux moyens : Pour un LNB universel, le récepteur envoie un signal de commutation de 22 KHz via le câble coaxial (OL=9750 MHz en bande basse, OL=10600 MHz en bande haute); la polarisation est gérée par un voltage de 13 V à 14 V en vertical et de 18 V en horizontal.

Pour un LNB large bande, les fréquences de l’oscillateur sont : OL 9750 ou 10000 en bande basse, 10750 ou 11000 en bande haute. La polarisation est gérée par un polariseur (magnétique ou mécanique) séparé. Ces oscillateurs ont des caractéristiques différentes selon les fréquences que l'on désire recevoir.

Remarque : Un signal DC de 13 V à 14 V sélectionne la polarisation verticale, 18 V commute sur une polarisation horizontale.

Note : FSS : Fixed Satellite Service (Service de satellite fixe)

        DBS : Direct Broadcast Satellite (Radiodiffusion directe par satellite)

 

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Vous trouverez ci-dessous la méthode de calcul fréquence réelle (FR)/BIS pour chaque LNB.

LNB avec Oscillateur local 9750 MHz (Bande Ku basse, LNB Universel, FSS ou full-band)

BIS = FR en MHz - 9750

Exemple : FR = 11.020 GHz = 11020 MHz

BIS : 11020 - 9750 = 1270 MHz

LNB avec Oscillateur local 10600 MHz (Bande Ku haute, LNB Universel avec signal 22 kHz)

BIS = FR en MHz - 10600

Exemple : FR = 12.420 GHz = 12420 MHz

BIS : 12420 - 10600 = 1820 MHz

LNB avec Oscillateur local 10000 MHz (Bande Ku basse, LNB FSS ou triple bande)

BIS = FR en MHz - 10000

Exemple : FR = 11.420 GHz = 11420 MHz

BIS : 11420 - 10000 = 1420 MHz

LNB avec Oscillateur local 10750 MHz (Bande Ku haute, LNB DBS, triple bande ou full-band)

BIS = FR en MHz - 10750

Exemple : FR = 12.420 GHz = 12420 MHz

BIS : 12420 - 10750 = 1670 MHz

LNB avec Oscillateur local 11000 MHz (Bande Ku haute, LNB Telecom ou triple bande)

BIS = FR en MHz - 11000

Exemple : FR = 12.420 GHz = 12420 MHz

BIS : 12420 - 11000 = 1420 MHz

LNB avec Oscillateur local 11475 MHz (Bande Ku haute, LNB Telecom)

BIS = FR en MHz - 11475

Exemple : FR = 12.522 GHz = 12522 MHz

BIS : 12522 - 11475 = 1047 MHz

LNB avec Oscillateur local 5150 MHz (Bande C)

Dans le cas de la bande C, les fréquences d'émission couvrent la bande de 3.650 à 4.200 GHz. Pour obtenir la valeur de la bande intermédiaire satellite, il convient donc d'effectuer l'opération inverse :

BIS = 5150 (fréquence de l'OL) - FR en MHz

Exemple : FR = 3.847 GHz = 3847 MHz

BIS : 5150 - 3847 = 1303 MHz

Il existe plusieurs types de convertisseurs qui sont à même de traiter les hyperfréquences (Full band, triple bande, Marconi, Universel…). Ils ont pour nom LNB ou LNC. LNA + LNC = LNB

Low Noise Feed. Cette expression anglaise désigne une source à faible bruit. Cet ensemble, comprenant la source, le polariseur et le LNB, est couramment dénommé « Marconi », du nom de l'industriel qui l'a utilisé le premier.

Certains guides d'ondes (figure #10) incluent un polariseur qui permet de décaler les ondes de 90^o. Ce polariseur est commandé par le récepteur.

Un autre type de guide d'ondes supporte 2 LNA (ou LNB) décalés de 90^o.

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Dans le récepteur satellite il y a un étage d'entrée, le tuner, couvrant la gamme de fréquences 950-2150 MHz. Il est suivi d'un démodulateur capable de décoder le signal QPSK (Quadrature Phase Shift Keying.)

Bandes de fréquences satellites

Il faut savoir qu'il existe plusieurs bandes de fréquences attribuées à la transmission par satellite.

Chacune de ces bandes offre des avantages précis pour la radiodiffusion. La bande C a été la fréquence de choix des radiodiffuseurs en raison de la grande couverture du faisceau qui convient bien à la radiodiffusion et du faible affaiblissement dû à la pluie.

La bande Ku est celle qui est utilisée davantage au Canada et aux États-Unis parce qu'elle est moins sensible aux interférences terrestres. De plus, les émissions transmises dans la bande Ku par compression vidéo numérique peuvent être captées au moyen d'antennes beaucoup plus petites (la taille de certains modèles ne dépasse pas 60 cm). Cette caractéristique est très intéressante pour les radiodiffuseurs qui souhaitent transmettre leurs émissions directement au domicile de l'abonné.

 

Bande L

La bande L occupe une fourchette comprise entre 1 GHz et 2 GHz. Elle est utilisée pour les communications par satellite et les communications terrestres entre les équipements des satellites. Les hautes fréquences utilisées par les bandes C, Ku et Ka souffriraient d'une forte perte de signal lorsqu'elles sont transportées sur un câble coaxial en cuivre alors un LNB (Low Noise Block) est utilisé pour les convertir à la bande L pour qu’elles puissent être traitées par un récepteur. Certains satellites tels que les satellites GPS transmettent sur la bande L.

 

Bande S

S est une bande de fréquence allant de 2 GHz à 4 GHz qui est utilisée par le DARS (Digital Audio Radio Satellite), les systèmes de radionavigation par satellite tels que Sirius Satellite Radio et XM Satellite Radio. La bande S est également utilisée par certaines stations météorologiques et par des satellites de communication.

 

Bande C

C est la bande originale d'attribution des fréquences pour les communications satellites. La bande C utilise la gamme 3.7 à 4.2 GHz en liaison descendante et 5.9 GHz à 6.4 GHz en liaison montante.

 

Dans des conditions météorologiques défavorables, la bande C a de meilleures performances que les bandes Ku ou Ka.

 

Coupole en bande C

La bande C nécessite l'utilisation d'une grande coupole, le plus souvent 6’ de diamètre (1.8 m). Les coupoles en bande C varient entre 3 et 9'de diamètre (90 cm à 2.7 m) en fonction du signal. Parce que la coupole en bande C est beaucoup plus grande que celle de la bande Ku et Ka, elle est parfois appelée à la blague “Sympathique BUD” (Big Ugly Dish).

 

Bande Ku

La bande Ku (Kurtz) est principalement utilisée pour les communications par satellite, en particulier pour l'édition et la diffusion de télévision par satellite. Cette bande est divisée en plusieurs segments, ventilés en régions géographiques, tels que déterminés par l'ITU (International Telecommunication Union).

La bande Ku est une portion du spectre électromagnétique dans la gamme des micro-ondes : fréquences allant de 10.7 à 12.75 GHz. (Downlink frequencies) et 14 à 14.5 GHz (uplink frequencies).

La bande Ku est la plus courante pour le format de réception numérique DVB (Digital Video Broadcast).

Le premier réseau de télévision commerciale à utiliser largement la bande Ku est NBC en 1983. L’antenne nécessaire va de 80 cm à 1.5 m. Les transpondeurs (douze à vingt quatre) consomment de 20 à 120 watts chacun, pour une réception claire.

Difficultés de la bande Ku Lorsque les fréquences supérieures à 10 GHz sont transmises et reçues dans une zone où il y a de fortes pluies (supérieures à 100 mm par heure), une dégradation notable du signal se produit. C’est ce qu'on appelle communément “rain fade”.

Ce problème peut être combattu, cependant, en déployant une stratégie budgétaire et un lien approprié lors de la conception du réseau satellite en affectant une plus grande consommation d'énergie.

Un phénomène similaire, appelée “neige fondue" (lorsque l'accumulation de neige modifie de manière significative le point focal de votre coupole) peut également se produire pendant la saison d'hiver.

Aussi, la bande Ku  exige généralement beaucoup plus de puissance de transmission que la bande C. Toutefois, les bandes Ku et Ka utilisent des antennes paraboliques plus petites (la taille varie de 2' à 5' de diamètre = 60 cm à 1.5 m.)

 

Bande Ka (Kurtz-above)

Elle est utilisée notamment pour l’Internet par satellite.

La liaison descendante en bande Ka utilise des fréquences entre 17.3 GHz et 21.2 GHz. La liaison montante utilise des fréquences comprises entre 27.5 GHz et 31 GHz.

La coupole de la bande Ka peut être beaucoup plus petite que celle de la bande C. Elle varie de 2' à 5' de diamètre.

Les satellites de la bande Ka transmettent généralement avec beaucoup plus de puissance que les satellites en bande C.

Les plus hautes fréquences de la bande Ka sont beaucoup plus vulnérables aux problèmes de qualité de signal causés par la pluie par le phénomène rain fade.  

Orbite géostationnaire

Un satellite tourne autour de la Terre en plus ou moins de temps, cela dépend de sa vitesse et de sa hauteur dans l'espace. À une distance d'environ 36 000 km, un satellite (quelle que soit sa masse) possède une vitesse suffisante pour exécuter un tour de la Terre en 24 heures. Donc pour une personne au sol, le satellite semble ne pas bouger; on dit qu'il se situe sur une orbite géostationnaire. Cette position spatiale permet au satellite de toujours «voir» ses stations terrestres attitrées et la communication peut alors être permanente sans déplacement des antennes terrestres.

L'idée de placer des satellites en orbite géostationnaire n'est pas très récente, puisque l'écrivain et ingénieur anglais Arthur C. Clarke avait indiqué dès 1945, dans un article dans Wireless World, comment une couverture mondiale de radiocommunications serait possible au moyen de trois satellites « fixes » disposés à 120^o l'un de l'autre sur une orbite circulaire, à environ 36000 km d'altitude au-dessus de l'équateur (figure #16) :

Le satellite est le produit technique le plus avance crée jusqu'ici pour transmettre les communications sans tenir compte de l'espace ou des frontières terrestres.

Liaison montante (uplink), liaison descendante (downlink)

Un signal est émis depuis la terre vers le satellite qui le reçoit sur un transpondeur donné (fréquence Uplink). Un transpondeur est une association de “émetteur” et de “répondeur”. Un transpondeur est donc composé d'un émetteur et d'un récepteur. Il reçoit le signal provenant de la terre (émetteur terrestre), lui change de fréquence (nouvelle porteuse), l’amplifie et le retransmet grâce à une de ses antennes vers le récepteur terrestre (fréquence Downlink).

La moitié des transpondeurs d’un satellite sont en polarisation horizontale, l’autre moitié est en polarisation verticale.

La liaison montante est modulée de la même manière et occupe la même largeur de bande que la liaison descendante, chaque transpondeur étant en quelque sorte transparent et effectuant un simple changement de fréquence suivi d'une amplification en puissance de la portion de spectre du faisceau montant correspondant au canal à retransmettre vers la Terre (figure #17)

Le transpondeur est identifié par ses fréquences d'Uplink/Downlink et par sa polarisation (horizontale/verticale).

La bande de basse fréquence sert pour la liaison satellite — Terre et la bande de haute fréquence pour la liaison Terre — satellite

Figure #17 - Représentation schématique d'un système de télévision par satellite

Le satellite sert de “station relais” entre les stations terrestres émettrices (uplink) et réceptrices (downlink) (figure #18). Les signaux reçus de la terre sur une gamme de fréquences sont amplifiés et retransmis vers la terre sur une autre gamme de fréquences. Un signal met entre 1/4 et 1/3 de secondes pour aller de la Terre au satellite et en revenir.

Certains transpondeurs servent pour la communication interne du satellite

La figure #19 explique le fonctionnement d'un satellite à l'aide des techniques de multiplexage.

Figure #19 – Techniques de multiplexage.

Caractéristiques des satellites

Le satellite classique est équipé de réémetteurs (répétiteurs) dotés chacun d'un canal de communication de grande puissance. Chaque répétiteur possède un récepteur réglé sur un canal de fréquence permettant de relayer les signaux de la Terre au satellite, un variateur de fréquence pour ramener à une basse fréquence les signaux captés, un filtre accordé à la fréquence du répétiteur et un amplificateur de puissance pour relayer les signaux jusqu'à la Terre.

La capacité de transmission d'un satellite est fonction du nombre de canaux réémetteurs et du volume de signaux qui peuvent être émis sur chaque canal. Quoique ces facteurs varient d'un satellite à l'autre, la majorité des satellites en service en 1995 possèdent chacun 24 répétiteurs. Chaque répétiteur peut relayer les signaux de la télévision en couleurs (ou 6 signaux, de télévision, comprimés sous forme numérique) ou retransmettre au moins 1200 signaux téléphoniques dans une direction. Chaque nouvelle génération de satellites possède une capacité de transmission supérieure à la précédente.

Il existe deux types de stations émettrices et réceptrices de la Terre (stations terrestres). D'une part, les stations sophistiquées, très coûteuses, qui transmettent et reçoivent tous les types de signaux, et d'autre part, les stations de coût moins élevé (antennes paraboliques) conçues pour recevoir les signaux de télévision. La taille et le coût des stations terrestres sont fonction de la puissance du satellite et des fréquences utilisées. Plus le signal émis par le satellite est puissant, plus la station réceptrice sera petite et peu coûteuse. Les satellites de diffusion directe sont conçus tout spécialement dans le but de réduire le coût et la taille des stations réceptrices.

Avantages et contraintes

Comparé aux autres techniques de transmission, telles que la câblodistribution et les lignes terrestres hyperfréquences, le satellite possède plusieurs avantages dans certains domaines des communications.

Les coûts de transmission ne sont pas affectés par la situation ou la distance, à condition que l'émetteur et le récepteur soient dans la portée optique du satellite (environ le tiers de la surface de la Terre). Les satellites permettent d'établir des lignes de communication avec des régions isolées qui ne pourraient être rejointes autrement.

De tous les procédés de transmission à très longue distance, le satellite est le moins onéreux quand il s'agit d'acheminer un petit volume de communications. Le signal transmis par un satellite sera capté simultanément par plusieurs récepteurs. Il est sans conteste le procédé le plus efficace pour la retransmission des images de télévision et la communication point à multipoint. Le satellite est de plus un instrument de communication très souple, puisque la position de l'émetteur ou du récepteur peut être modifiée rapidement à la demande de l'utilisateur.

En ce qui concerne la transmission de la voix, les satellites exigent un plus long délai que les systèmes de transmission terrestre. Il faut en effet près de 0,3 seconde pour que le signal parvienne au satellite et revienne à la Terre. L'écho de la voix est entendu 0,6 seconde après son émission. Il est toutefois possible d'éliminer l'écho d'un interlocuteur en utilisant un suppresseur d'écho.

Un autre inconvénient vient du fait qu'un nombre limité de satellites peuvent être envoyés dans l'espace à cette altitude, La proximité de deux satellites peut produire des interférences s'ils utilisent les mêmes plages de fréquences

Historique

Les premières expériences en matière de satellites de télécommunications sont financées par le gouvernement des États-Unis.

   18 décembre 1958 : lancement du premier satellite de télécommunications par la National Aeronautics and Space Administration (NASA), dans le cadre du projet SCORE (Signal Communication by Orbiting Relay Equipment). Celui-ci fonctionne pendant 13 jours.

  12 août 1960 : est lancé Echo 1, un satellite réflecteur dont la fonction se limite à réfléchir les signaux émis par des stations terrestres.

  10 juillet 1962 : lancement de Telstar, premier satellite actif doté d'un émetteur et d'un récepteur hyperfréquences.

  14 février 1963 : le premier satellite géosynchrone, Syncom 1, est lancé. Tombé en panne au bout de quelques jours.

  26 juillet 1963 : lancement de Syncom 2, une version améliorée de Syncom 1.

Au cours de cette période, l'URSS entreprend elle aussi un programme de mise au point de satellites, bientôt suivie par le Canada.

En 1962, le Congrès américain adopte une loi sur les satellites de télécommunications, créant ainsi la Comsat Corporation, société qui se voit confier le monopole des satellites américains de télécommunications internationales.

Intelsat, une organisation internationale fondée en août 1964, réunit 11 pays occidentaux qui ont décidé de conjuguer leurs efforts pour établir un système mondial de satellites de télécommunications.

Dès le début des années 80, plus de 100 pays ont déjà adhéré à Intelsat. L'organisation possède des stations terrestres dans quelque 150 pays et a lancé avec succès 24 satellites. (Un certain nombre de ces satellites ne sont plus en service, car la durée moyenne de fonctionnement d'un satellite de télécommunications à cette époque était de 8 à 10 ans. De nos jours, un satellite classique a une durée de vie de 12 à 15 ans.)

Du côté soviétique, les satellites de télécommunications relèvent d'une organisation appelée Interspoutnik. En 1980, les Soviétiques ont déjà lancé 14 satellites géosynchrones (Stationar) et au moins 75 Molniya, satellites placés en orbite elliptique afin de desservir le grand nord, où les satellites géosynchrones se trouvent au-dessous de l'horizon.

 

Initiatives canadiennes

Le premier satellite canadien est mis en orbite par la NASA le 29 septembre 1962. Le Canada devient ainsi le troisième pays à faire son entrée dans l'espace.

Alouette 1 est mis au point et construit par le “Defence Research and Telecommunications Establishment” (qui fait maintenant partie de l'Agence spatiale canadienne), et il est utilisé pour des recherches scientifiques dans l'ionosphère. De 1963 à 1969, le Canada participe à un programme expérimental conjoint avec les États-Unis appelé ISIS (satellite international d'étude de l'ionosphère). L'un des principaux objectifs de ce programme est d'effectuer un transfert de technologie. Les scientifiques et les techniciens du gouvernement communiquent à leurs confrères de l'industrie privée les connaissances acquises au cours de la première phase de leurs recherches sur les communications spatiales.

RCA Victor, de Havilland Aviation et Spar Aérospatiale Ltée sont les principales sociétés participant à ce programme (voir Technologie Spatiale). À partir de 1967, le Canada passe de l'expérimentation à l'application et met l'accent sur les télécommunications intérieures et la cueillette de données sur les ressources naturelles du pays. En 1969, Ottawa crée Télésat Canada afin d'exploiter un système commercial national de télécommunications par satellite.

Le Canada fait alors figure de pionnier dans l'utilisation du satellite aux fins de communications intérieures.

  Novembre 1972 : lancement du satellite Anik A-1.

  Avril 1973 : lancement de Anik A-2.

  Mai 1975 : un troisième satellite, Anik A-3, est mis en orbite. Spar Aérospatiale et Northern Telecom, deux entreprises canadiennes, participent au projet comme sous-traitants. Chaque satellite est muni de 12 canaux réémetteurs sur la bande de fréquence 6/4 GHz. Plus de 100 stations terrestres sont établies à l'échelle du Canada.

Parallèlement à ce système commercial, on procède à l'élaboration d'un satellite technologique de télécommunications, nommé Hermes, un système expérimental de satellites de télécommunications.

On veut élargir le champ d'application de la bande de haute fréquence radio 14/12 GHz, jusque-là réservée à l'usage exclusif des services de télécommunications spatiales. Les fréquences plus élevées nécessitent cependant l'utilisation de nouvelles techniques, de nouveaux composants ainsi que des satellites plus puissants, afin de compenser l'affaiblissement des signaux causé notamment par la pluie. La mise au point de nouvelles composantes et le poids supplémentaire engendrés par des dispositifs plus puissants supposent que d'importantes dépenses devront être faites pour un satellite qui n'a pas encore été mis à l'épreuve. Puisque l'entreprise privée ne veut pas courir ce risque, le gouvernement fédéral décide de se charger du projet.

Le programme Hermes (1970-1979) est une entreprise conjointe Canada - États-Unis. La conception, la construction et la mise en service de l'engin spatial sont effectuées par le ministère des Communications. De son côté, la NASA se charge du lancement et d'autres aspects techniques dans lesquels elle est spécialisée, et elle met aussi au point un tube émetteur à grande puissance. L'utilisation du satellite est répartie également entre les deux pays. L'Organisation européenne de recherche spatiale adhère au programme en 1972.

17 janvier 1976 : Hermes, le satellite de télécommunications le plus puissant à l'époque, est lancé. Il est le premier à fonctionner sur la bande de fréquences 14/12 GHz. Grâce à cette bande et à la plus grande puissance de ses répétiteurs, le satellite rend possible l'utilisation d'antennes paraboliques (soucoupe) de 0,6 m de diamètre conçues spécialement pour la diffusion directe de signaux de télévision dans les foyers.

Le programme Hermes comprend aussi des expériences dans les domaines de la télésanté, de la télééducation, de la télévision communautaire, de la prestation de services gouvernementaux et des applications scientifiques.

Figure #20: Satellite de télécommunications "Hermes"

Dans l'avenir, les satellites de télécommunications permettront de continuer à réduire les distances et à éliminer les barrières géographiques. Ils joueront aussi un rôle de premier plan alors que les industries et les économies nationales s'ouvrent aux marchés mondiaux.

Satellites de Télésat Canada

a) Satellites Anik : “Petits frères” canadiens...dans l'espace

Dans la langue inuktitut, le mot Anik veut dire “petit frère” et les satellites géostationnaires de Télésat sont ainsi nommés pour rendre hommage aux peuples des premières nations en Amérique.

Les satellites sont lancés afin d'offrir aux canadiens, même en région éloignée, des services de téléphonie, de radio et de télévision. Le premier volet du programme lors de sa création dans les années 1970 est de minimiser les coûts et frais d'exploitation des compagnies pétrolières installées dans le grand nord canadien. Le second volet est d'offrir des moyens de communication aux communautés présentes dans le grand nord.

Anik A

La série Anik A est la première génération de satellites Anik. Conçus et construits par l'entreprise Hughes Aircraft en Californie (États-Unis), la série A est devenue la première série de satellite domestiques nationaux. Il s'agit aussi du premier satellite non militaire à être placé en orbite géostationnaire.

Les trois satellites Anik A sont munis de 12 voies de communication (répéteurs) sur une bande de 6-4 GHz. Les signaux sont transmis à environ une centaine de stations terrestres au Canada qui font la rediffusion locale.

Anik A1

Delta 1914 avec Anik 1, Cape Canaveral, novembre 1972.

Lancée le 9 novembre 1972 à Cape Canaveral Air Force Station (alors sous le nom de Cape Kennedy) en Floride (États-Unis), Anik A1 de Télésat Canada fait partie de la génération Hughes 333. D'une durée de vie estimée de 7 ans, Anik A1 restera en fonction près de 10 ans. Anik A1 viendra apporter pour plusieurs communautés du Nord du Canada leurs premières émissions télévisées en direct.

Du fait qu'il s'agisse du satellite en orbite géostationnaire, il demeure stationnaire au-dessus d'un point du globe et la communication est possible en pointant une antenne parabolique dans la bonne direction.

Après le lancement, des régions éloignées canadiennes telles que les Territoires du Nord-Ouest ont développé des systèmes de rediffusion locale en installant notamment des antennes parabolique dans les villes. Six ans plus après sa mise en orbite, soit en 1978, la ville de Yellowknife verra d'ailleurs l'ouverture des premières installations de production télévisée.

Anik B

Anik B1 (ou Anik B) vient augmenter la puissance de répéteurs de 6-4 GHz à 14-12 GHz. Cette innovation est réalisée suite aux expériences effectuées avec le satellite Hermès en 1976. Ces nouveaux répéteurs, en plus d'être miniaturisés, permettent aux récepteurs terrestres plus petits de capter le signal.

Il s'agit du premier satellite hybride (qui émet sur deux bandes de fréquences différentes) au monde puisqu'il conserve également des répéteurs 6-4 GHz. La bande 6-4 est réservée à des fins commerciales, alors que la bande 14-12 est louée au Ministère des communications du Canada. Les essais de ce dernier concluent qu'il est possible d'obtenir un signal en direct dans une région éloignée avec un antenne parabolique de petit diamètre (environ la taille d'un parapluie).

Des expériences de télé-enseignement sont réalisées au Québec et en Alberta. L'Université Memorial de St. John's continue ses expériences de télémédecine d'abord testées avec le satellite Hermès, cette fois jusqu'aux plates-formes de forage situées au large des côtes de l'île de Terre-Neuve.

Lors de sa mise hors service, le trafic commercial d'Anik B1 est transféré sur Anik D2, lancé deux ans auparavant et en attente. Lors du transfert, 84 stations terrestres doivent réorienter leur antenne vers Anik D2. Le même transfert est réalisé vers Anik C3 pour le seul canal réservé aux émissions francophones.

Anik C

La série Anik C est composée de trois satellites lancés entre novembre 1982 et novembre 1985. Chaque satellite de cette série est muni de 16 voies de communication sur une bande 16-14 GHz puisque les anciennes expériences ont su démontrer l'efficacité de cette technologie.

Comme cette technologie permet aux plus petites antennes de recevoir le signal, on lance alors « le premier système commercial de télédiffusion directe par satellites au monde » lors de la mise en oeuvre de la série Anik C.

Le déploiement d'Anik C2  le 18 juin 1983

Anik C2 est le « premier satellite canadien consacré aux services commerciaux de liaison directe.

Anik D

La série Anik D, lancée dans les mêmes années que la série Anik C est plutôt équipée de voies de communication sur une bande de 6-4 GHz. Cette série est donc destinée à transmettre le signal aux stations terrestres permanentes et non directement aux utilisateurs.

Leurs principales fonctions sont :

 Retransmettre en direct des évènements spéciaux;

 Permettre une réalisation centralisée des bulletins de nouvelles à l'échelle nationale;

 Retransmettre lesdits bulletins à chaque heure et dans toutes les régions;

 Retransmettre des émissions et reportages locaux ou régionaux aux autres régions.

La retransmission des émissions et reportages locaux et régionaux se fait grâce à un système de stations terrestres mobiles qui a été mis au point par le Ministère des communications du Canada. Ce système permet aux journalistes d'émettre en moins de 20 minutes après leur arrivée sur les lieux.

Les satellites assurent également la télédiffusion des émissions de la société Cancom (aujourd'hui Services de Radiodiffusion Shaw) qui est alors spécialisée dans les services offerts aux Canadiens vivant en région éloignée. Les émissions de Cancom sont alors destinées à des entreprises privées ou communautaires de télédistribution et de rediffusion ainsi que quelques individus.

Initialement prévu pour assurer le service de télédiffusion jusqu'en 1990, Anik D2 restera en service jusqu'en 1995.

Anik E

Anik F

Anik F2 fut après son lancement le plus gros satellite de communication du monde. Il est canadien et a été lancé dans la nuit du 17 au 18 juillet 2004 par le lanceur Ariane 5 G.

Il s'agit d'une plate-forme Boeing 702 appartenant à Télésat Canada qui assurera la première commercialisation d’un accès Internet haut débit aller-retour sur la bande Ka destiné principalement aux zones rurales d'Amérique du Nord. Il est équipé de 94 transpondeurs actifs.

80 millions de dollars canadiens ont été investis par l'Agence spatiale canadienne dans ce projet.

Le 6 octobre 2011, suite à une mise à jour du logiciel, le satellite est tombé en panne à 6 h 36 causant des pannes de téléavertisseurs, de téléphonie, d'Internet et de télévision. Dans le Grand Nord, 48 vols ont été annulés en raison de la panne. Les services sont rétablis le lendemain matin.

Anik G

La série Anik G a été annoncée pour la seconde moitié de l'an 2012. Anik G1, qui devrait être situé à un orbite géostationnaire de 107.3 °W devrait être fabriqué par la compagnie Loral Space and Communications de New York et devrait avoir une masse aux environs de 5 000 kg.

b) Satellites Nimiq

La flotte des satellites Nimiq de Télésat est utilisée exclusivement par la société canadienne Bell TV, ils fournissent des services de radiodiffusion directe à domicile aux consommateurs en Amérique du Nord. “Nimiq” est un mot en inuktitut signifiant un objet ou une force qui unit les choses ensemble.

Le premier de cette série, Nimiq 1, a été lancé en mai 1999, suivi en décembre 2002 par Nimiq 2. Antérieurement, le satellite DirecTV qui opère maintenant sous le nom de Nimiq 3 a été lancé en juin 1995 et Nimiq 4iR a été lancé en décembre 1993.

Quatre (4) satellites SRD en orbite

 Nimiq 1 à 91 W

 Nimiq 2 à 91 W

 Nimiq 3 à 82 W et Nimiq 4i à 91 W sont utilisés par DIRECTV mais situés dans les créneaux orbitaux de Télésat et utilisés par Télésat.

Nimiq 1

Type: LM A2100AX

Poids: 3600 kg

Transpondeurs: 32 Bande Ku

Lancement: 20 mai 1999

Lancé par: Proton D-1-e

Statut: En opération

Vie utile: 12 ans

Nimiq 2

Type: LM A2100AX

Poids: 3600 kg

Transpondeurs: 32 Bande Ku; 2 Bande Ka

Lancement: 29 décembre 2002

Lancé par: Proton Breeze M

Statut: En opération

Vie utile: 12 ans

Nimiq 4

Le satellite fournit des services vidéo évolués tels que TVHD, canaux spécialisés et programmation en langue étrangère.

Type: EADS Astrium - E3000

Poids: 4850 kg

Transpondeurs: 32 Bande Ku; 8 Bande Ka

Lancement: septembre 2008

Lancé par: Proton Breeze M

Statut: En opération

Nimiq 5

Télésat annonce que l'arrivée en opération du satellite Nimiq 5 est prévue pour le début 2010:

Type: Loral FS1300

Transpondeurs: 32 Bande Ku

Lancement: 2009

Lancé par: Proton Breeze M

Statut: En opération

Remarque :

Les satellites sont alimentés à partir d’une batterie, laquelle reçoit son énergie de panneaux solaires orientés vers le soleil. Le système de charge et décharge de la batterie et les poussières de l’espace ne permettent pas à cet ensemble de dépasser les dix à 15 années d’usage.

Le satellite dispose d’une réserve de gaz liquéfié et des télécommandes d’ouverture et de fermeture de vannes permettent de replacer le satellite à sa bonne position et de corriger ainsi ses dérives éventuelles. Un satellite géostationnaire est placé à 35 887 Km environ de la surface terrestre (sur l’orbite dite de Clark), où la gravité est équilibrée par la force centrifuge laquelle est liée à sa vitesse de rotation.

L’UIT définit les positions orbitales des satellites souhaitées par les exploitants ainsi que leurs fréquences d’exploitation (ITU Regulations). L’écart entre deux satellites voisins ne doit être inférieur à 1° environ.

 

Les satellites transmettant au Canada sont positionnés entre 65^o et 145^o de longitude ouest.

Figures #22 - Le signal transmis par le satellite couvre une grande surface du globe appelée "contour type" (footprint).

Figure #23 - Le système électronique du satellite est alimenté par des cellules solaires et l'énergie emmagasinée dans ses accumulateurs en assure le fonctionnement pendant les éclipses solaires.

À l'aide d'une fusée porteuse, le satellite est placé sur une orbite géostationnaire i.e. à 22300 miles (35887 km) au-dessus de l'équateur. La période de révolution sur son orbite égale celle de la rotation de la terre sur son axe, soit 24 heures. Il semble donc immobile pour un observateur terrestre.

 

 

Les bases de lancement

Les sites choisis pour les lancements de véhicules spatiaux correspondent à des impératifs technologiques et politiques.

Du point de vue technologique, parmi les facteurs importants à prendre en  considération, citons :

  les conditions de sécurité pour les populations voisines : Au cours du lancement, il y a émission de grandes quantités de gaz, chutes successives des étages largués, risques de destruction du lanceur. La proximité de grands espaces terrestres peu peuplés ou de zones maritimes écartées des voies de circulation est donc recherchée.

  la situation en latitude : plus la base est proche de l'équateur, plus le bénéfice issu de la vitesse de rotation de la terre est important pour le lancement de satellites sur des orbites équatoriales.

Une vingtaine de bases de lancement de véhicules spatiaux existent dans le monde, dont les plus importantes sont :

     Pour l'Europe : Le CSG (Centre Spatial Guyanais), situé à Kourou, en Guyane française.

      Pour les USA : Cap Canaveral en Floride, et Vandenberg en Californie.

      Pour la Russie : Baïkonour, au Kazakhstan et Plessetsk, en Sibérie.

      Pour le Japon : Tanegashima, sur l‘île du même nom, utilisée par la NASDA (National Space Development Agency of Japan).

      Pour la Chine : Jiuquan (proche du lieu de mise sur orbite du premier "taïkonaute" chinois).

       Pour l'Inde : Sriharikota (80 Km au nord de Madras)

Une fois en position, le satellite éjecte les couvertures protectrices des panneaux solaires qui sont alors déployés. Ces panneaux comportent 27000 piles solaires d'une puissance totale de 1 KW.

Orbite basse

Un nouveau réseau basé sur des satellites à basse altitude est devenu actif commercialement en 1998. Le projet Iridium, formé à partir d'un consortium de 19 grandes compagnies de communication à travers le monde, rend possibles les liaisons directes pour le téléphone cellulaire et le télé-avertisseur. Ce système permet de rejoindre une personne n'importe où à travers le monde. Il élimine également les problèmes d'incompatibilité qui existent entre les réseaux actuels.

Le projet Iridium utilise 66 satellites placés en orbite basse autour de la Terre (780 km comparé à 36 000 km pour les satellites actuels). Ceux-ci sont suffisamment près pour recevoir un signal d'un téléphone portable et ils agissent comme des antennes de téléphone cellulaire placées directement dans le ciel (au lieu d'être sur la Terre comme dans les réseaux actuels). Plusieurs passerelles sont disposées stratégiquement autour du monde pour faire le lien entre la constellation de satellites et le réseau téléphonique.

Les constructeurs du projet se servent du canal de 1 616 MHz à 1 626,5 MHz (bande « L») pour la communication satellite - téléphone et de la bande « Ka» (17 GHz — 30 GHz) pour les communications entre les satellites et les postes terrestres. Le canal de 19,4 GHz à 19,6 GHz sert pour la liaison satellite — Terre tandis que le canal 29,1 GHz — 29,3 GHz sert pour la liaison Terre-satellite.

Installation de l’antenne parabolique

La parabole doit être orientée vers le sud, en direction des satellites. Pour que l'antenne puisse recevoir correctement les signaux des différents satellites répartis d'est en ouest, il faut que le champ de "vision" de l'antenne ne rencontre aucun obstacle sur une trentaine de degrés, à gauche et à droite de l'axe visé, plein sud. La distance à l'obstacle doit être supérieure à 0,8 fois la hauteur de celui-ci.

 

Il ne faut pas négliger l'esthétique pour autant. Une parabole placée sur le toit n'est pas toujours du meilleur effet. A ce titre, son installation mérite un peu de réflexion. Lorsque le site s'y prête, mieux vaut opter pour une pose plus discrète sur le sol. En bordure de terrasse, ou derrière une haie... les solutions préservant l'environnement ne manquent pas. En appartement, on n'a pas trop le choix : l'antenne sera placée sur le balcon ou la façade. En toutes circonstances, la parabole doit être installée à l'extérieur.

Il faut premièrement déterminer l'emplacement idéal. Le satellite doit être bien en vue, sans aucun obstacle entre lui et la coupole. Pour minimiser l'interférence terrestre, on place l'antenne le plus bas possible, à l'abri des bâtiments avoisinants.

L'interférence terrestre provient de signaux micro-ondes (de fréquences proches de nos signaux utiles dans la bande "C") dont le chemin de propagation passe par le site de notre antenne.

Ex.: Bell transmet des signaux à partir du Mont-Bélair en direction de Place D'Youville à Québec.

Principaux modes de fixation de l'antenne

a) Sur un pôle ancré le long d'un mur

b) Au sol, sur un pôle coulé dans une fondation de ciment (fig. #25). Le trou de fondation doit être plus creux que la profondeur de gel. Au Canada cela implique un minimum de 1,5 à 2 m. Le pôle descend jusqu'à environ 15 cm du fond du trou.

Il est recommandé de souder 4 barres de métal au pôle, à 90 degrés, pour s'assurer que celui-ci ne tournera pas.

On doit aussi tenir compte du vent, surtout pour les coupoles pleines. Les dimensions de la fondation varient selon la vitesse des vents enregistrés dans la région. La fig. #26 donne la carte des vents pour le Canada.

 

 

 

c) Sur un toit, en surface sans ancrage (fig. #28). Les pattes du support d'antenne sont faites pour recevoir des blocs de ciment. La masse total requise pour stabiliser l'antenne dépend de son inclinaison et de la vitesse des vents.

On doit s'assurer que le toit peut supporter le poids total de l'antenne Pour ne pas endommager le toit, on place un rang de "styrofoam", un rang contre-plaqué et ensuite le support

Dès qu'il peut y avoir risque de chute, l'installateur doit porter un harnais de sécurité ancré à une partie fixe de la charpente.

 

Figure #28

Azimut et élévation des satellites géostationnaires

Rappelons tout d'abord brièvement les notions de latitude et de longitude.

Afin de se repérer sur le globe, celui-ci a été « gradué » au moyen de cercles imaginaires.

Les parallèles sont des cercles parallèles à l'équateur, dont la position, appelée latitude, est définie par l'angle (compris entre 0 et 90°) entre le plan équatorial et la ligne joignant ce parallèle et le centre de la terre. La latitude d'un lieu s'exprime en degrés de latitude Nord ou Sud (par rapport à l'équateur) selon l'hémisphère où il se trouve. Un degré de latitude correspond à une distance d'environ 111 km sur le méridien, ce qui fait que pour la France, la latitude est comprise entre environ 41° Nord (41° N) pour le Sud de la Corse et  51° pour l'extrême Nord de la France.

Les méridiens sont des cercles passant par les pôles dont la position, appelée longitude, est définie par l'angle (compris entre 0 et 180^o) qu'il fait avec à un méridien origine, le Méridien de Greenwich (banlieue de Londres). La longitude d'un lieu s'exprime en degrés de longitude Est ou Ouest par rapport au Méridien de Greenwich.

Figure #29 - Latitude et longitude, méridiens et parallèles.

Pour Montréal la latitude est de 45^o 31’ Nord, la longitude est de 73^o 34’ Ouest.

On appelle élévation du satellite l'angle de la ligne imaginaire entre la station de réception et le satellite par rapport au sol (plan horizontal au lieu de la station), et azimut l'angle que fait la projection horizontale de la ligne imaginaire station-satellite avec le plan méridien (Nord-Sud) passant par la station. L'angle est compté à partir de la direction Nord (figures #30 et #31).

La position des satellites géostationnaires est définie par leur longitude par rapport au méridien de Greenwich (qui à cet endroit correspond à l'azimut), leur latitude étant bien sûr 0° du fait de leur situation dans le plan équatorial.

 

 

 

Pour un observateur situé dans l'hémisphère Nord, tous les satellites géostationnaires se trouvent situés sur un arc centré sur le Sud, dont la « hauteur» dépend de la latitude où il se trouve (figure #34).

 

Figure #34 - Élévation d'un satellite géostationnaire en fonction de son azimut.

 

L'élévation maximale d'un satellite (azimut 180°) est d'environ 41° en Corse et 31° dans le Nord.

L'azimut des satellites théoriquement « visibles » (situés au-dessus de l'horizon) s'étage environ de 70° à l'Est à 70° à l'Ouest de la ligne Nord-Sud pour une latitude de 45^o.

Pose

La pose s'effectue à l'aide d'un support spécifique suivant l'endroit où l'on désire installer l'antenne. Pour installer une parabole dans un jardin il faut préalablement couler un plot de béton de 30 x 30 x 30 cm au minimum.

Cet élément doit être fixé solidement car il sera soumis à de dures contraintes les jours de grand vent. Il est primordial de placer le support bien d'aplomb et parfaitement à la verticale. En effet, ainsi la parabole se trouvera parfaitement dans l'axe et cela vous permettra de régler correctement son élévation à l'aide des repères gradués sur l'élément de fixation.

On assemble d'abord séparément au sol les éléments du kit : parabole, bras offset, têtes selon la brochure explicative livrée avec le kit.

Reste à fixer alors les éléments sur le support, puis à procéder au raccordement du câble coaxial. Une opération à réaliser avec le plus grand soin. Le moindre fil de tresse touchant l'âme centrale peut, en effet provoquer un court-circuit.

Le câble coaxial et les fiches vont vous permettre de faire toutes les connexions nécessaires.

Les câbles doivent être maintenus avec des colliers. Mieux vaut ne pas trop les tendre mais leur faire suivre des courbes douces.

Suivre la procédure pour réglez ensuite l'élévation requise par rapport aux graduations gravées sur l'élément de fixation. Cette élévation varie selon le lieu de résidence.

 

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