Faisceau hertzien - Définition

Facteurs pouvant affecter la propagation

Pour élaborer avec précision l'ingénierie de liaisons hertziennes en vue directe, il convient de suivre la recommandation UIT-R P.530-8 (ou supérieure), laquelle définit les paramètres de propagation les plus significatifs.

Lorsqu'elle se propage, l’onde hertzienne subit principalement trois types d’atténuations :

• Celle correspondant à son rayonnement en espace libre, laquelle est inévitable et toujours fixe (de l'ordre de 140 dB en général) et parfois aggravée par la présence d'obstacles.
• Celle provenant des variations aléatoires des conditions climatologiques : guidage et précipitations (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB).
• Celles engendrées par certains phénomènes d’interférences, conséquences de la réflexion principale ou de multi-trajets, de perturbations electromagnétiques, brouillages, fadding... (déperditions pouvant atteindre une trentaine de dB).

Propagation en espace libre et dégagement

La station émettrice rayonne. Les ondes électromagnétiques véhiculent une énergie par unité de surface qui décroît comme le carré de la distance.

De plus, sur l’ensemble du trajet parcouru par l’onde, il est impératif de veiller au dégagement de la liaison. Relief, végétation, bâtiment interceptant le faisceau entraînent des pertes dont il faut tenir compte.

L’essentiel de l’énergie est concentrée dans la zone que l’on appelle « premier ellipsoïde de Fresnel ». L’étendue de cette zone (quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres) varie proportionnellement avec la longueur d'onde et la longueur de la liaison. On veille donc au dégagement de ce volume.

Réfraction atmosphérique

Ce volume toutefois n’est pas fixe. Comme on le remarque sur le schéma suivant, il faut tenir compte pour la définition de cette zone des conditions de l’atmosphère le long du trajet de l’onde. En effet, les rayons ne se propagent pas en ligne droite, mais suivent préférentiellement les zones de fort indice électromagnétique, soit les couches de l’atmosphère les plus denses. C'est la réfraction atmosphérique.

En fonction des paramètres climatiques, la disposition de ces couches change. Les rayons hertziens sont donc plus ou moins courbés vers la terre (super réfraction), ou au contraire, « pointent » vers le ciel (infra réfraction). Dans ce dernier cas, le dégagement de la liaison est rendu plus difficile.

Il est donc nécessaire de mener des études statistiques pour quantifier la durée au cours de laquelle ces phénomènes pourront nuire à la qualité de la liaison, et avec quelle intensité.

On remarque que pour l’ensemble des calculs, cela revient à donner une courbure moyenne au rayon. Une représentation commode, utilisée dans la figure suivante, est de faire comme si les rayons voyageaient toujours en ligne droite, et de courber en conséquence le profil des liaisons. Cela facilite notamment la description de la géométrie des rayons réfléchis.

On introduit donc un « rayon terrestre apparent », tenant compte de la déformation virtuelle de la terre vis-à-vis des ondes propagées. Il est déduit du rayon réel par un paramètre, appelé «facteur K», traduisant le gradient vertical de coïndice de réfraction. Sa valeur médiane en Europe est d’environ 4/3.

Dégagement / diffraction

L’ellipsoïde de Fresnel est parfois partiellement obstrué par un obstacle. On distingue habituellement trois types d’obstacle :

• lame, pour des obstacles « minces »,
• rugueux, pour une paire d’obstacles de type « lame »
• sphérique, pour des obstacles obstruant le faisceau sur une distance importante.

Pour chacun, des méthodes de calcul permettent de prévoir l’atténuation supplémentaire à prendre en compte dans les bilans.

Dans le cas où l’obstacle obstrue sur une portion trop importante le rayon, la liaison peut toujours être établie, mais cette fois-ci par diffraction (méthode de calcul spécifique).

Guidage et précipitations

Certaines caractéristiques du milieu propagateur sont donc « aléatoires ». Pour celles-ci, on a recours à des statistiques climatologiques (par ex. la concentration moyenne en vapeur d’eau). Il convient de considérer principalement deux phénomènes :

Phénomènes de guidage

Pendant un certain temps, les conditions atmosphériques peuvent entraîner un guidage du faisceau, généralement en super réfraction. Le résultat est alors similaire à un dépointage d’antenne. La probabilité d’occurrence, sur le mois quelconque, de ces «évanouissements non sélectifs» est donnée dans l'UIT-R P.530-8 par un paramètre statistique appelé facteur PL (de 2% à 30% en France). Dans les dernières versions des avis UIT-R P.530, un autre paramètre est utilisé : le gradient dN1.

Ce phénomène de guidage est dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande fréquence est inférieure à 15GHz. Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données.

Atténuations dues aux hydrométéores

Pour les FH de fréquence supérieure à 8 GHz, les précipitations entraînent des pertes également considérables, d’autant plus que le taux de précipitation (en mm/h) et la fréquence sont élevés. De plus, la phase de ces précipitations influence également l'atténuation du signal. Ainsi la neige, qui a une très petit constante diélectrique, a beaucoup moins d'influence que des gouttes de pluie de même masse. La neige fondante, d'autre part, allie le large diamètre des flocons et le coefficient de la pluie pour créer un obstacle plus important que les deux séparément que l'on nomme la bande brillante. Ainsi le passage d'une onde de 3 cm dans cette bande rencontre de trois à cinq fois plus d'atténuation que dans la pluie sous la bande.

En France, l'intensité de pluie varie de 22 à 60 mm/h, 0,01% de l'année moyenne. Ce phénomène de précipitation est donc dimensionnant dans l'ingénierie des liaisons dont la bande fréquence est supérieure à 8 GHz. Il réduira la longueur possible du bond pour des exigences de disponibilité données. L'onde est également partiellement dispersée sur la polarisation croisée (phénomène de transpolarisation). Atténuation et transpolarisation sont plus marquées pour un signal en polarisation H (horizontale).

Réflexion, trajets multiples

Le signal reçu est la somme du signal principal, et de tous les signaux réfléchis (sur le sol, la végétation, et surtout les étendues d’eau). Les interférences générées entre tous ces signaux entraînent des sur-champs et des sous-champs parfois extrêmement importants mais également des distorsions (évanouissements sélectifs).

La réflexion principale est le phénomène de multi-trajet dominant. Il existe cependant d’autres cas d’importance.

• Les réflexions multiples dans une couche de guidage, le conduit atmosphérique jouant un rôle semblable à un guide d’onde : l’onde « rebondit » sur les « bords » du conduit.
• La scintillation : lors du survol d’une forêt par exemple, une partie de l’onde se propage à travers les arbres, subissant de fortes transpolarisations, et déphasages. Le champ d’interférence résultant est très instable.