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PROPAGATION VHF/UHF/SHF

PROPAGATION VHF/UHF/SHF. Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014. Spectre radioélectrique. Bandes VHF-UHF-SHF. page 1. page 1. page 1. Télécom Bretagne/Dépt MO. Télécom Bretagne/Dépt MO. SOMMAIRE. Problématique Propagation en espace libre

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  1. PROPAGATION VHF/UHF/SHF Rolland FLEURY Télécom Bretagne 2014

  2. Spectre radioélectrique • Bandes VHF-UHF-SHF page 1 page 1 page 1 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  3. SOMMAIRE • Problématique • Propagation en espace libre • Propagation radioélectrique en visibilité directe • Propagation radioélectrique en non visibilité • L’atmosphère terrestre • Influence de la troposphère sur la propagation • L’ionosphère • Influence de l'ionosphère sur la propagation page 2 page 2 page 2 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  4. Problématique En se propageant (complexité des environnements ), la puissance d’une onde électromagnétique diminue. L’affaiblissement total de propagation : Espace libre Dispositifs entre E et R (lignes, antennes,…) Facteurs d’environnement (gaz, hydrométéores, pluie, brouillard, nuages, …) Effets de masques dus aux obstacles (relief, bâtiment, végétation, …) Réflexion sur le sol Interférences Ionosphère (liaisons transiono), … page 3 page 3 page 3 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  5. Problématique • A quoi sert un modèle de propagation ? • Estimer la portée d’un émetteur radio • Déterminer la qualité du signal reçu en fonction de la distance et de l’environnement • Calculer le niveau d’interférence lorsque plusieurs émetteurs coexistent • Déterminer et configurer les équipements nécessaires pour assurer une couverture radio avec une capacité et une qualité de service suffisante. • Un modèle de propagation permet de déterminer la perte de propagation, qui relie la puissance reçue PR et la puissance émise PE, à partir de la fréquence, de la distance et des caractéristiques de l’environnement de propagation page 4 page 4 page 4 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  6. SOMMAIRE Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation page 5 page 5 page 5 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  7. Propagation en espace libre • Propagation antre A et B au sol • Puissance rayonnée par A: • Au dessus de l’horizon  vers l’espace • Suivant l’Horizon  propagation avec absorption • Au dessous de l’horizon  absorption ou diffusion vers l’espace • Définition d’un horizon radioélectrique D(km) • h altitude de l’émetteur • Géométrique • Géométrie + atmosphère (4/3 RT) • Ex: A = pylône de 36m  D=24.7km • Ex: A = station de montagne à 1200m  D=142.7km B reçoit de l’énergie de A ? page 6 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  8. Propagation en espace libre • Propagation au-delà de l’horizon: phénomènes créant une modification de la direction de propagation de l’onde (polarisation) • Réfraction: le signal s’incurve vers le sol (ex: troposphère) • Diffusion: à partir du milieu (irrégularités) ou d’objets (bâtiments, végétation) – modifications désordonnées ou aléatoires • Diffraction: par des obstacles obstruant sur le trajet • Absorption: interaction avec le milieu - conversion de l’énergie EM en énergie thermique Diffusion page 7 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  9. Propagation en espace libre • Exemple de propagation INDOOR page 8 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  10. Propagation en espace libre • Exemple de propagation OUTDOOR page 9 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  11. Propagation en espace libre • Onde radioélectrique page 10 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  12. Propagation en espace libre • Equation fondamentale des télécommunications (formule de FRIIS) • Ge, Gr gains antennes émission et réception • Pr puissance reçue et Pe puissance émise • λ longueur d’onde • d distance émetteur-récepteur • Affaiblissement en espace libre (‘AEL’ ou ALE) avec f (Mhz) et d (km) • Application: • d=1 km: +20 dB quand f*10 • f=1 GHz: +20 dB quand d*10 page 11 page 11 page 11 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  13. Propagation radioélectrique en visibilité directe • ‘Line of Sight’ (LOS) = Phénomène de diffraction négligeable Solution: famille d’ellipsoïde avec E et R comme foyers EM + MR = ER + nλ/2 (phase stationnaire) n=nb entier qui caractérise l’ellipsoïde de Fresnel (n=1 est la première) λ=longueur d’onde page 12 page 12 page 12 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  14. Propagation radioélectrique en visibilité directe • Exemple de modèle LOS page 13 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  15. Propagation radioélectrique en visibilité directe • Le rayon de la 1ére ellipsoïde r1(m) • Valeur maximale Le rayon est inversement proportionnel à la fréquence: il faut élever d’autant plus les antennes que les fréquences sont basses Propagation en visibilité directe (LOS) : Aucun obstacle ne doit se trouver à l’intérieur de la 1ère ellipse de Fresnel • Exercice: d=50 km page 14 page 14 page 14 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  16. Propagation radioélectrique en non visibilité • Diffraction par une arête vive • Arête sans épaisseur au sommet, de hauteur h par rapport à la ligne droite ER • Variable • puissance reçue : Po en espace libre et P avec l’arête page 15 page 15 page 15 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  17. Propagation radioélectrique en non visibilité • Rapport des puissances ξ(ν) et η(ν) : intégrales de Fresnel Atténuation due à la diffraction par une arête page 16 page 16 page 16 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  18. Propagation radioélectrique en non visibilité • Commentaires • ν=0 E, sommet arête, R alignés : P/Po=-6dB (et pas -3dB) (0.25 en linéaire) • ν >0 obstruction P/Po décroit régulièrement lorsque l’obstruction augmente • ν <0 sommet de l’arête au dessous de ER P/Po tend en oscillant vers Po • Existence de d’autres modèles : Millington, Epstein-Peterson, Deygout, arêtes multiples, sommets arrondis, … page 17 page 17 page 17 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  19. SOMMAIRE Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation page 18 page 18 page 18 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  20. L’atmosphère terrestre > 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques) 80-600 km THERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE 30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone 11-30 km STRATOSPHERE Turbulence 0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques page 19 page 19 page 19 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  21. L’atmosphère terrestre • Atmosphère standard • Équilibre hydrostatique p = pression m= masse des particules g = accélération de la pesanteur h = altitude k= constant de Boltzmann T= temperature np = concentration des particules (nb particules/m3) dp h + dh h S=1 - npmg dh page 20 page 20 page 20 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  22. L’atmosphère terrestre • Hypothèse des gaz parfaits : = Hauteur d’échelle • Approximation : H indépendant de h = hauteur réduite page 21 page 21 page 21 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  23. L’atmosphère terrestre • Réfraction • Indice de réfraction: très proche de l’unité (ex. au sol n=1,000315) • Coindice de réfraction terme sec terme humide • n= indice de réfraction de l’air • T= température absolue (en K) • p= pression totale (en hPa) • e= pression partielle de vapeur d’eau (en hPa) page 22 page 22 page 22 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  24. L’atmosphère terrestre • Variation avec l'altitude • Le modèle exponentiel h= altitude au-dessus du niveau de la mer H0= 7,6 km = Hauteur d’échelle Au niveau de la mer : N0 = 315 (n0 = 1,000315) • Gradient vertical page 23 page 23 page 23 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  25. SOMMAIRE Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation page 24 page 24 page 24 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  26. Influence de la troposphère sur la propagation • Courbure des rayons Les rayons s'éloignent de la normale vers les altitudes croissantes Courbure positive : concavité orientée vers la surface de la terre Erreurs de dépointage faibles Ex.: Δθ < 0,1° pour θ = 10° n=1 n>1 Direction apparente Direction réelle Horizontale page 25 page 25 page 25 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  27. Influence de la troposphère sur la propagation • Allongement apparent du trajet • Courbure du rayon (négligeable) • Vitesse de propagation v < c Retard de propagation Allongement dû à l'air sec pour un trajet zénithal : ΔL ≈2,3 m Allongement dû à la vapeur d'eau pour un trajet zénithal : variable, de l'ordre de 10 cm Oblique : 3-4 m à 50°, 12-15 m à 10°, ≈100 m à 0° L0 page 26 page 26 page 26 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  28. Influence de la troposphère sur la propagation • Trajectoire des ondes radioélectriques en fonction du gradient du co-indice La courbure est proportionnelle au gradient d’indice (au signe prés) • Gradient = -39u atmosphère standard Rayon de courbure = 8500 km (Rt*4/3) • Gradient > -39u  infra-réfraction Si =0  atmosphère linéaire  trajectoires=droites • Gradient < -39u  super-réfraction • Gradient = -157u : trajectoires // Terre • Gradient < -157u : propagation guidée (réflexions au sol) (brouillages) r=Rt • Q : faire la représentation avec r=(4/3) Rt, en terre plate. page 27 page 27 page 27 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  29. Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissement dû au gaz atmosphériques • Absorption par la vapeur d'eauAlignement des molécules d'eau polarisées dans la direction du champ électrique de l’onde em • Absorption par l'oxygènemoléculaire (air sec)Présence d'un moment magnétique • Dépendance en fréquence • L'absorption moyenne croît avec la fréquence • Pics d'absorption (résonances avec les modes propres de vibrations des molécules) 0-- E H+ H+ page 28 page 28 page 28 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  30. Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissement linéique  (dB/km) • Air sec (O2) : o • Vapeur d'eau : w Q : Affaiblissement linéique dus aux gaz de l’atmosphère à 10 et 60 GHz ? [UIT-R P676] Réponse: 0.01 dB/km à 10 GHz, 15 dB/km à 60 GHz • Variations de  avec l’altitude Modèle exponentiel Ho = 6 km Hw= 2 km  (dB/km) f (GHz) page 29 page 29 page 29 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  31. Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissement total • Cas général • Affaiblissement total dans la direction du zénith • Atmosphère équivalente Atmosphère homogène d'épaisseur H h H (0) page 30 page 30 page 30 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  32. h h/sin  Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissement sur un trajet oblique Loi de la sécante : = angle d’élévation ( > 5°) page 31 page 31 page 31 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  33. 0 dB 0 dB -8 dB 0 1h 2h 3h 4h 5h 6h Evanouissements d’amplitude (dB) à 30 GHz dus à la pluie (Olympus) Pluie stratiforme et convective -10 dB -20 dB -30 dB Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissement dû aux hydrométéores • Hydrométéores : Pluie, neige, grêle, brouillard, nuages • Mécanismes d'affaiblissement • Absorption (pertes ohmiques) • Diffusion de l'onde par les gouttes d'eau page 32 page 32 page 32 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  34. Influence de la troposphère sur la propagation Affaiblissement linéique (dB/km) fonction de la fréquence en polarisation circulaire (Paramètre : Intensité de pluie R) • Affaiblissement dû à la pluie Dépend des caractéristiques des gouttes d'eau en chaque point du trajet • Statistique de pluie (dépend du lieu) • Intensité de pluie dépassée p% du temps : R p (mm/h) [UIT-R P837] • Hauteur de pluiehR (altitude du sommet de la zone de pluie) [UIT-R P839] • Taille moyenne des cellules de pluie • Modèle empirique d'affaiblissement dû à la pluie [UIT-R P838] k et α = f(fréquence, polarisation) page 33 page 33 page 33 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  35. Influence de la troposphère sur la propagation • Calcul de l'affaiblissement sur un trajet oblique On pose : Le(L, R) = longueur équivalente du trajet glace hR L Pluie x  0 page 34 page 34 page 34 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  36. Influence de la troposphère sur la propagation • UIT-R P.618:calcul de l’affaiblissement suivant 9 étapes pour un trajet oblique, un emplacement donné, f < 55 GHz, avec les statistiques d’intensité de pluie pour 0.01% d’une année moyenne … Télécom Bretagne/Dépt MO

  37. Influence de la troposphère sur la propagation UIT-R P.837: R, taux de pluie (mm/h) dépassé pendant 0.01% de l’année moyenne page 36 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  38. Influence de la troposphère sur la propagation UIT-R P.839: hR, altitude moyenne de pluie au dessus du niveau de la mer (isotherme 0°C) page 37 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  39. Influence de la troposphère sur la propagation Exemples d’affaiblissements fonction intensité de pluie R R=73.2mm/h R=9.3mm/h page 38 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  40. f (GHz) 3 10 30 100 300 A (dB) 0,009 0,09 0,77 5,5 10,2 Influence de la troposphère sur la propagation • Affaiblissements dû aux autres hydrométéores • Nuages – brouillard M= concentration en eau liquide • Neige – glace • Affaiblissement faible • Transpolarisation Découplage de polarisation : Ec = champ copolaire Ac = Affaiblissement copolaire Ex = champ contrapolaire page 39 page 39 page 39 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  41. Influence de la troposphère sur la propagation • Scintillations troposphériques • Scintillations : fluctuations rapides (  seconde) du signal reçu en amplitude, phase et direction d'arrivée • Origine : Variations locales de n dues à la turbulence • Dépendances L'amplitude des scintillations augmente quand: • f croît • L croît • L'ouverture de l'antenne diminue temps (s) Scintillations d’amplitude (dB) à 30 GHz (Olympus) page 40 page 40 page 40 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  42. SOMMAIRE Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation page 41 page 41 page 41 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  43. L’atmosphère terrestre > 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques) 80-600 km THERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE 30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone 11-30 km STRATOSPHERE Turbulence 0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques page 42 page 42 page 42 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  44. L'ionosphère • Morphologie • Profil vertical d'ionisation • Région F la plus ionisée • Nmax = qq 1012 el/m3 • hmax = 200-400 km • Constituant principal : O+ • Variabilité L'ionisation dépend du rayonnement solaire  cycles diurne, saisonnier, activité solaire F E D page 43 page 43 page 43 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  45. L'ionosphère • Variations géographiques • Influence du champ géomagnétique • Profil latitudinal en double bosse ("Anomalie" équatoriale) • Zones aurorales : précipitations de particules en provenance du vent solaire page 44 page 44 page 44 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  46. SOMMAIRE Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation page 45 page 45 page 45 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  47. Influence de l'ionosphère sur la propagation • Fréquence plasma Séparation électrons-ions d'une lame de plasma : Condensateur plan Equation du mouvement d'un électron Oscillations de relaxation Fréquence plasma :  = Neex x eE page 46 page 46 page 46 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  48. Influence de l'ionosphère sur la propagation • Effet de la réfraction • Indice de réfraction Equation du mouvement d'un électron : Equations de Maxwell : Courant de déplacement : Courant de conduction : page 47 page 47 page 47 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  49. Influence de l'ionosphère sur la propagation Identification à un milieu diélectrique de permittivité  : Indice de réfraction : Pourf > 100 MHz : a= 40.3m3Hz2 page 48 page 48 page 48 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

  50. Influence de l'ionosphère sur la propagation Remarques : n=n(f) : l'ionosphère est un milieudispersif en fréquence n< 1 v > c page 49 page 49 page 49 Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO Télécom Bretagne/Dépt MO

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