Chapitre 6 Transmission atmosphrique

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Chapitre 6Transmission atmosphérique
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Plan du chapitre 6 - 2ème partie
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Systèmes de communication - bilan
de liaison
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Canal de transmission
Le canal de transmission est le support
permettant de transmettre linformation - cables
coaxiaux - paires téléphoniques - guides donde -
fibres optiques - troposphère - vide On
sintéressera ici à tout ce qui concerne
latmosphère et lespace.
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Le concept despace libre
Transmission dans un canal - dépourvu de
perturbations (absorption, réflexion, réfraction,
diffraction) - infiniment loin de la terre (son
coefficient de réflexion est négligeable) - le
signal arrivant au récepteur est uniquement
fonction de la distance à lémetteur (loi de
rayonnement en fonction de linverse du carré de
la distance - optique)
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Propagation des ondes radio en espace libre
En labsence de charges et de courants, les
champs électrique et magnétique sont solutions de
léquation de Helmholtz avec k2 w2
em Solutions ondes planes uniformes ondes
sphériques ondes cylindriques
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Ondes planes TEM
Ondes planes TEM
avec
Dans un milieu sans pertes
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Ondes planes TEM
Les surfaces à phase constante sont des plans
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Ondes planes TEM
Impédance donde
Espace libre
Vitesse de phase
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Ondes planes TEM
Milieu à pertes
a est la constante datténuation m-1 k est la
constante de propagation m-1 g ajk
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Ondes planes
Propagation dans un milieu à pertes (conducteur
ou diélectrique à pertes)
La seconde équation devient
Et peut sécrire
avec
Deux cas particuliers
Bon diélectrique
Bon conducteur
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Ondes planes
Constante datténuation
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
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Ondes planes
Nombre donde
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
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Ondes planes
Impédance donde
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
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Ondes planes
Vitesse de phase
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
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Polarisation
Lalignement du vecteur champ électrique dune
onde plane relativement à la direction de
propagation définit la polarisation de londe.
Polarisation verticale
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Polarisation
horizontale
verticale
circulaire
elliptique
Rapport axial
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Polarisation
Représentation mathématique de la polarisation
(phaseurs)
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Propagation dans la troposphere
Comment modéliser la troposphère? Les
constituents sont les gaz (vapeur deau,
oxygène, azote,) milieu diélectrique
uniforme hydrométéores nuages pluie neige
grêle, milieu diélectrique uniforme
(dltltl) ???? ou distribution de diffuseurs
(dgtgtl) d est la dimension caractéristique des
diffuseurs
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Propagation dans les gaz
Milieu diélectrique uniforme
Polarisation dipolaire
O2-
H
H
Tendance à saligner avec le champ électrique
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Propagation dans les gaz
Milieu diélectrique uniforme
polarisation ionique et électronique
Effet résonant
Ions ou electrons
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Propagation dans les gaz
Les pertes sont dues à la présence dune partie
imaginaire de la permittivité diélectrique (même
en labsence de conductivité)
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Propagation dans les gaz
Atténuation spécifique (dB/km) due aux gaz
troposphériques
ga
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Propagation dans les gaz
Le pic de loxygène autour de 60 GHz est en fait
composé dun grand nombre de pics rapprochés dans
la bande 57-64 GHz. Latténuation totale due aux
gaz se calcule par
rT correspondant à la longueur totale parcourue
dans la troposphère. En pratique, la
concentration des gaz décroissant
exponentiellement, on prend comme hauteur
équivalente 2 km pour la vapeur deau et 6 km
pour loxygène.
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Propagation dans les gaz
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Propagation dans la pluie et les nuages
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Propagation dans la pluie et les nuages
Diffusion par une goutte de pluie
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Propagation dans la pluie et les nuages
Taille des hydrométéores
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Propagation dans la pluie et les nuages
Attenuation due à la pluie (ITU-R)
La puissance reçue par une antenne Pr diminue
exponentiellement avec la distance parcourue dans
la zone de pluie r
La perte de transmission en dB sexprime
On exprime souvent latténuation spécifique
(dB/m) par
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Propagation dans la pluie et les nuages
où N(D) est la distribution de la taille des
gouttes de pluie, par exemple la distribution de
Marshall-Palmer
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Propagation dans la pluie et les nuages
La section efficace datténuation des gouttes
dépend de la fréquence. Pour les gouttes de
faible diamètre (par rapport à l), l atténuation
est due majoritairement à labsorption par la
goutte, elle se calcule par la théorie de Rayleigh
A fréquence plus élevée, latténuation croît
moins vite avec la fréquence et tend vers une
valeur limite ( optical limit ). La diffusion
forme la majeure partie de latténuation. La
section efficace est calculée en utilisant la
théorie de Mie. La longueur donde est de lordre
de grandeur de la taille des gouttes de pluie et
des phénomènes de résonance se produisent.
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Propagation dans la pluie et les nuages
Diagramme de diffusion par les gouttes de pluie
utilisant la théorie de Mie (C(D), effective
attenuation cross-section)
Ex
10 GHz
5 GHz
20 GHz
15 GHz
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Propagation dans la pluie et les nuages
140 GHz
150 GHz
130 GHz
160 GHz
180 GHz
170 GHz
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Propagation dans la pluie et les nuages
400 GHz
500 GHz
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Propagation dans la pluie et les nuages
attenuation spécifique en dB/km, pour divers taux
de chute de pluie (mm/h)
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Propagation dans la pluie et les nuages
Un modèle empirique est couramment utilisé afin
déviter le calcul de lintégrale g est supposé
dépendre directement de R (mm/h), la quantité
deau tombée au sol.
Les coefficients a et b dépendent de la fréquence
et de la température moyenne de la pluie. Ce
modèle est recommandé par l ITU-R (Rec ITU-838).
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Propagation dans la pluie et les nuages
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Propagation dans la pluie et les nuages
Il reste à calculer la longueur du trajet dans la
troposphère.
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Propagation dans la pluie et les nuages
hR est la hauteur effective de la pluie
F est la latitude de la station au sol hs est
laltitude de la station au sol
La longueur de pluie traversée est donnée par
(ITU 618)
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Propagation dans la pluie et les nuages
Si langle délévation est beaucoup plus faible
que 90, il est nécessaire de tenir compte de
lextension finie de la zone de pluie à laide du
paramètre s.
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Propagation dans la pluie et les nuages
Le taux de chute de pluie nest pas une valeur
unique R varie en fonction du temps et de la
situation géographique. Le taux de chute de pluie
(mm/h) nest pas la quantité deau tombée
(mm)!!! - variation géographique le taux de
chute de pluie dépend du climat de la zone
géographique (par ex. tempéré maritime en
Belgique). Les variations temporelles sont liées
au climat. - variations journalières pluies plus
intenses pm (convection) - saisonnières pluies
les plus intenses en été - annuelles le taux
maximum peut varier fortement dune année à
lautre Conclusion utilisation de la statistique
de taux de chute de pluie
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Propagation dans la pluie et les nuages
Le paramètre préconisé par lITU est
latténuation L0.01 non dépassée pendant 0.01 du
temps. Elle sexprime en terme de R0.01 qui est
le taux de chute de pluie dépassé pendant 0.01
du temps (dune année).
(dB)
Et la relation suivante donne s0.01
On peut calculer latténuation dépassée pendant
un autre pourcentage de temps par la formule
suivante (0.001ltPlt1)
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Propagation dans la pluie et les nuages
Réfraction due à la variation dindice de
réfraction en fonction de laltitude
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Propagation dans la pluie et les nuages
Scintillation due à la présence de turbulences
troposphériques
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Propagation dans la pluie et les nuages
Evaluation de la variance due à la scintillation
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Propagation dans la pluie et les nuages
Atténuation dans les nuages expression semblable
à la pluie
Expression simplifiée recommandée par l ITU-R
K1 est le coefficient spécifique d atténuation
par la pluie (dB/km)(g/m3) (courbe donnée par
ITU-R) w est le contenu en eau liquide du nuage
(g/m3)
Le calcul du contenu en eau liquide des nuages
peut seffectuer à partir des profils verticaux
de température et dhumidité disponibles dans les
radiosondages (ECMWF).
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Propagation dans la pluie et les nuages
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Propagation dans la pluie et les nuages
Dépolarisation due à la pluie
t
Discrimination de polarisation Isolation de
polarisation
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Propagation dans la pluie et les nuages
Dépolarisation due à la pluie
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Propagation dans la pluie et les nuages
XPD calculée par la recommendation ITU-R
f est la fréquence q est langle délévation t
est le tilt angle (polarisation parf rapport à
lhorizontale) km dépend de la distribution du
canting angle des gouttes de pluie
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Propagation dans lionosphère
Lionosphère est un plasma, sa fréquence de
plasma est de lordre de 7 MHz. Dans le cas dun
milieu ionisé stationnaire (vitesse moyenne
nulle), on trouve une conductivité équivalente
où q est la charge de lélectron m est sa
masse r est la densité moyenne de charge
délectrons
La permittivité équivalente vaut dès lors
où
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Propagation dans lionosphère
Le premier cas est celui des ondes
transverses pour lesquelles on trouve un exposant
de propagation avec
Cest la même expression que celle dun guide
donde qui aurait comme pulsation de coupure la
pulsation de plasma. Le deuxième cas est celui
dondes longitudinales pour lesquelles on trouve
e0 il sagit alors doscillations se produisant
à la fréquence de plasma.
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Propagation dans lionosphère
Un plasma peut être magnétisé par une induction
magnétique, on trouve alors un tenseur de
permittivité
avec
Le plasma se comporte donc comme un ferrite
magnétisé.
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Propagation dans lionosphère
Ses propriétés sont donc semblables à celles du
ferrite - résonance à la fréquence cyclotron (au
lieu de la fréquence de Larmor) - permittivités
différentes pour des champs polarisés
circulairement en sens opposés - rotation de
Faraday pour une onde se propageant le long du
champ magnétique DC. Une onde se propageant dans
lionosphère subit donc une rotation de Faraday
due au champ magnétique terrestre.
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Propagation dans lionosphère
Lorsque le milieu nest plus stationnaire mais se
déplace à la vitesse moyenne v, on peut évaluer
leffet de la vitesse sur la propagation des
ondes ( interaction entre une onde em et un
faisceau délectrons). Se limitant aux ondes
longitudinales, on trouve une conductivité
scalaire conduisant à deux solutions pour
lexposant de propagation
Il existe donc deux ondes, appelées onde lente et
onde rapide. Elles ont la même vitesse de groupe
Et des vitesses de phase différentes
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Propagation dans lionosphère
Région située entre 50 et 2000 km
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Propagation dans lionosphère
Le paramètre important est la concentration en
électrons N (électrons libres/m3), qui détermine
lindice de réfraction.
et fc est donnée par
Une réflexion apparente peut survenir si fltfc.
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Propagation dans lionosphère
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Propagation dans lionosphère
Rotation de Faraday une onde polarisée
linéairement tournera durant son passage à
travers lionosphère due à la présence combinée
de N et du champ magnétique terrestre. Langle
de rotation est donné par
avec f en Hz, BavmHav champ magnétique terrestre
moyen (valeur typique Bav7 10-21 W/m2) et NT est
le TEC (Total Electron Content)
NT varie, au zénith, entre 1016 et 1018.
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Propagation dans lionosphère
La variation dindice de réfraction impose une
variation de vitesse de londe et donc une
variation apparente de la distance
Ce qui équivaut à une délai de groupe
Comme il dépend de la fréquence, il génère une
dispersion