Les ondes radioélectriques ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons : dans l'espace libre (propagation rayonnée, autour de la Terre par exemple) dans des lignes (propagation guidée, dans un câble coaxial ou un guide d'ondes) Le domaine des fréquences des ondes radio s'étend de à .
Pour la partie théorique, on se reportera à l'article Établissement de l'équation de propagation à partir des équations de Maxwell .
Intérêt de l'étude de la propagation des ondes radio
Il est essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un satellite L'ionosphère et ses effets sur la propagation des ondes radioélectriques.
Cela permet par exemple : Le calcul de la puissance minimale d'un émetteur de radiodiffusion afin d'assurer une réception confortable sur une zone déterminée ; la détermination de la position d'un relais pour la radiotéléphonie mobile ; l'estimation des chances d'établissement d'une liaison transcontinentale sur ondes courtes ; l'étude des phénomènes d'interférence entre émetteurs ; le calcul du champ électromagnétique à proximité d'un équipement d'émission (radar, relais, tour de transmission...) pour déterminer les risques encourus par la population se trouvant à proximité. l'anticipation de la transmission par calcul de la couverture de l'émetteur, des phénomènes de propagation qui ont lieu à travers le canal (guidage d'onde, réflexions, diffractions, etc.).
Le niveau du signal reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable en fonction de la fréquence d'émission, l'époque par rapport au cycle solaire, la saison, l'heure du jour, la direction et la distance entre l'émetteur et la station réceptrice, etc. L'étude des lignes de transmission et des phénomènes de propagation d'un signal dans une ligne peut aider à optimiser les câbles utilisés dans l'établissement d'un réseau de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne.
Dans l'espace
thumb|right|300px|Rayonnement radioélectrique d'une antenne verticale.
Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace
Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang se propagent comme des cercles concentriques. L'onde radio émise par l'antenne isotrope (c'est-à-dire rayonnant de façon uniforme dans toutes les directions de l'espace) peut être représentée par une succession de sphères concentriques. On peut imaginer une bulle se gonflant très vite, à la vitesse de la lumière c, très proche de . Au bout d'une seconde, la sphère a de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une sphère.
Dès que l'onde électromagnétique s'est suffisamment éloignée de sa source (à une distance de l'ordre de la longueur d'onde), on peut la considérer comme constituée par l'association d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H. Ces deux champs oscillants sont orthogonaux entre eux et orthogonaux à la direction de propagation. Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à (aussi appelé impédance caractéristique du vide). La connaissance de l'un entraine la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit en général l'amplitude de l'onde par l'amplitude de son champ électrique.
Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura parcouru une distance notée lambda et appelée longueur d'onde. La longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation ; pour une fréquence donnée, elle dépend de la vitesse de propagation de l'onde.
On appelle polarisation d'une onde radio la direction du champ électrique. Par exemple, une antenne filaire verticale émettra une onde polarisée verticalement, c'est-à-dire avec un champ E vertical. Mais on peut trouver des ondes dont le sommet du vecteur E décrit une ellipse: La polarisation est elliptique. Une onde à polarisation elliptique peut être considérée comme la superposition des deux ondes "linéaires" polarisées à 90° l'une de l'autre.
Variations du champ électrique Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène, dans le vide, par exemple. Dans ce cas, la puissance transportée par l'onde par unité de surface est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source (dès que l'on atteint une distance dite de Fraunhofer). Le champ électrique de l'onde est, lui, inversement proportionnel à la distance : le champ est divisé par deux si on se trouve deux fois plus loin. Pour calculer le champ à une distance D de l'antenne, il est important de définir si E désigne l'amplitude maximale du champ, ou bien la valeur efficace du champ. Il faut également définir l'antenne : doublet électrique élémentaire, dipôle demi-onde, antenne isotrope, etc.
Si P est la puissance (non modulée) appliquée à un doublet électrique élémentaire, la valeur maximum du champ électrique E rayonné en un point situé à une distance D de cette antenne, perpendiculairement à l'antenne (sens du vecteur de Poynting), est donnée par la relation :
avec k = 90, E en V/m ; P en W ; D en m.
(Voir bibliographie : Goudet)
Ainsi, une puissance de 10 W appliquée à ce doublet produira un champ d'amplitude maximum de à une distance de , ce qui, en radioélectricité, n'est pas un champ négligeable.
Si on considère non plus un doublet électrique élémentaire (qui n'a pas d'existence réelle) mais un dipôle demi-onde, le coefficient k sera égal à 98. Si on considère une antenne isotrope (voir ci-dessous), alors k = 60.
On utilise souvent, notamment en CEM, le concept d'antenne isotrope. Les calculs de champ sont d'abord effectués en fonction de l'antenne isotrope. On corrige ensuite le calcul en tenant compte du gain réel, en dB/iso, de l'antenne. Si on considère une source isotrope rayonnant une puissance P (on dit alors que P est la P.I.R.E.), et si on considère le champ efficace (champ max divisé par racine de 2) alors on a la relation suivante :
Ainsi, une puissance non modulée de 10 W appliquée à une antenne isotrope produira un champ E efficace de à une distance de .
Toutes ces relations ne sont valables que pour D suffisamment grand, dans la zone dite zone de Fraunhofer des éléments rayonnants. Cette zone commence à une distance de l'ordre de la longueur d'onde pour les antennes petites, mais peut être nettement plus éloignée pour les antennes à fort gain.
Dans les conditions réelles de propagation, on aura presque toujours des obstacles à proximité du trajet de l'onde, ou des éléments qui pourront provoquer des réflexions. En particulier, comme la Terre est ronde, il y aura toujours une distance à laquelle la source d'émission n'est plus en visibilité de l'antenne de réception. Par exemple, en terrain plat, si les antennes d'émission et de réception sont distantes de , il faudra qu'elles soient à au-dessus du sol pour obtenir la visibilité optique. Et même dans ce cas, il y aura déjà une atténuation aux fréquences basses, du fait que l'ellipsoïde de Fresnel n'est pas dégagé aux fréquences basses.
Il faudra alors compter sur le phénomène de diffraction pour recevoir un signal, à moins que l'on soit dans le cas de réflexions ionosphériques (voir plus loin).
Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimale de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain de l'antenne et du confort d'écoute souhaité. Dans le cas des transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le taux d'erreur requis pour la transmission.
Atténuation entre deux antennes Dans le cas de la propagation en espace libre, c'est-à-dire ellipsoïde de Fresnel dégagé, et si les deux antennes ont la même polarisation, il est possible de connaître le niveau de puissance reçu par une antenne de réception, en fonction de la distance à l'antenne d'émission et de la puissance de l'émetteur. Si l'antenne d'émission et l'antenne de réception sont isotropes (gain ), l'atténuation entre les deux antennes est :
(où D=distance entre émetteur et récepteur et λ = longueur d'onde du signal transmis)
Ces formules avec l'antenne isotrope hypothétique permettent les calculs avec des antennes réelles, en tenant alors compte du gain/iso de celles-ci.
Pour plus de précisions, voir équation des télécommunications.
Phénomènes de propagation des ondes radio
Une onde radio se distingue d'un rayonnement lumineux par sa fréquence : quelques dizaines de kilohertz ou gigahertz pour la première, quelques centaines de térahertz pour la seconde. Évidemment, l'influence de la fréquence de l'onde est déterminante pour sa propagation, mais la plupart des phénomènes d'optique géométrique (réflexion...) s'appliquent aussi dans la propagation des ondes hertziennes. Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe.
Réflexion des ondes radio
Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau, un mur ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux le ferait sur un miroir. Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère. La réflexion d'une onde est plus généralement diffuse, l'onde se réfléchissant dans plusieurs directions ainsi qu'un rayon lumineux frappant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de façon similaire..
Réfraction des ondes radio
Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfraction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la propagation ionosphérique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.
Diffraction des ondes radio
Lorsqu'une onde rencontre un obstacle de grande dimension par rapport à la longueur d'onde, celle-ci pourra être arrêtée par cet obstacle. Ce sera le cas d'une colline, d'une montagne, etc. Cependant, dans une certaine mesure, l'onde pourra contourner l'obstacle et continuer à se propager derrière celui-ci, à partir des limites de cet obstacle. Ainsi, une onde ne sera pas entièrement arrêtée par une montagne, mais pourra continuer à se propager à partir du sommet de la montagne, vers la plaine qui se trouve derrière... Ce franchissement de l'obstacle se fera avec une atténuation, parfois très importante.
Pour connaître l'atténuation supplémentaire apportée par l'obstacle, il faudra considérer "l'ellipsoïde de Fresnel"
En pratique, les calculs sont difficiles, et on utilise des logiciels de prévision de propagation.
La diffraction sera plus importante pour les fréquences basses : une émission kilométrique (de quelques centaines de kHz) n'aura pas de difficulté pour franchir une montagne, alors qu'une émission décimétrique sera pratiquement arrêtée. Une émission centimétrique sera arrêtée même par une petite colline.
Diffusion des ondes radio