Onde radio

Les ondes radio sont un type de rayonnement électromagnétique avec les longueurs d’ onde les plus longues du spectre électromagnétique , généralement avec des Fréquences de 300 gigahertz ( GHz ) et moins. [1] A 300 GHz, la longueur d’onde correspondante est de 1 mm (plus courte qu’un grain de riz) ; à 30 Hz, la longueur d’onde correspondante est de 10 000 km (plus longue que le rayon de la Terre). Comme toutes les ondes électromagnétiques, les ondes radio dans le vide voyagent à la vitesse de la lumière , et dans l’atmosphère terrestre à une vitesse proche, mais légèrement inférieure. Les ondes radio sont générées par des particules chargées qui subissent une accélération, tels que les courants électriques variant dans le temps . [2] Les ondes radio naturelles sont émises par la foudre et les objets astronomiques et font partie du Rayonnement du corps noir émis par tous les objets chauds.

Animation d’une antenne Dipôle demi-onde émettant des ondes radio, montrant les lignes de champ électrique . L’antenne au centre est constituée de deux tiges métalliques verticales reliées à un Émetteur radio (non représenté). L’émetteur applique un courant électrique alternatif aux tiges, qui les charge alternativement positive (+) et négative (-). Des boucles de champ électrique sortent de l’antenne et se propagent à la vitesse de la lumière ; ce sont les ondes radio. Dans cette animation, l’action est montrée énormément ralentie.

Les ondes radio peuvent également être générées artificiellement par des émetteurs et reçues par des récepteurs radio , à l’aide d’ antennes . Les ondes radio sont très largement utilisées dans la technologie moderne pour les communications radio fixes et mobiles , la radiodiffusion , les systèmes de radar et de radionavigation , les satellites de communication , les réseaux informatiques sans fil et de nombreuses autres applications. Différentes Fréquences d’ondes radio ont des caractéristiques de propagation différentes dans l’atmosphère terrestre ; les ondes longues peuvent se diffracter autour d’obstacles comme les montagnes et suivre le contour de la terre ( ondes de sol), des ondes plus courtes peuvent se refléter sur l’ ionosphère et revenir sur terre au-delà de l’horizon ( ondes célestes ), tandis que des longueurs d’onde beaucoup plus courtes se plient ou se diffractent très peu et se déplacent sur une ligne de visée , de sorte que leurs distances de propagation sont limitées à l’horizon visuel.

Pour éviter les interférences entre différents utilisateurs, la génération et l’utilisation artificielles d’ondes radio sont strictement réglementées par la loi, coordonnée par un organisme international appelé l’ Union internationale des télécommunications (UIT), qui définit les ondes radio comme « des ondes électromagnétiques de Fréquences arbitrairement inférieures à 3 000 GHz ». , propagé dans l’espace sans guide artificiel”. [3] Le spectre radio est divisé en un certain nombre de bandes radio sur la base de la fréquence, attribuées à différentes utilisations.

Schéma des champs électriques (E) et magnétiques (H) des ondes radio émises par une antenne d’émission radio monopôle (petite ligne verticale foncée au centre). Les champs E et H sont perpendiculaires, comme l’indique le diagramme de phase en bas à droite.

Découverte et exploitation

Les ondes radio ont été prédites pour la première fois par des travaux mathématiques effectués en 1867 par le physicien mathématicien écossais James Clerk Maxwell . [4] Sa théorie mathématique, maintenant appelée les équations de Maxwell , a prédit qu’un champ électrique et magnétique couplé pourrait voyager à travers l’espace comme une « Onde électromagnétique ». Maxwell a proposé que la lumière se composait d’ondes électromagnétiques de très courte longueur d’onde. En 1887, le physicien allemand Heinrich Hertz a démontré la réalité des ondes électromagnétiques de Maxwell en générant expérimentalement des ondes radio dans son laboratoire, [5] montrant qu’elles présentaient les mêmes propriétés ondulatoires que la lumière : les ondes stationnaires, réfraction , diffraction et polarisation . L’inventeur italien Guglielmo Marconi a développé les premiers émetteurs et récepteurs radio pratiques vers 1894–1895. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1909 pour ses travaux sur la radio. La Communication radio a commencé à être utilisée commercialement vers 1900. Le terme moderne ” Onde radio ” a remplacé le nom original ” onde hertzienne ” vers 1912.

Génération et réception

Schéma animé d’une antenne Dipôle demi-onde recevant une Onde radio. L’antenne est constituée de deux tiges métalliques reliées à un récepteur R . Le champ électrique ( E , flèches vertes ) de l’onde entrante pousse les électrons dans les tiges d’avant en arrière, chargeant les extrémités alternativement positive (+) et négative (-) . Comme la longueur de l’antenne est la moitié de la longueur d’ onde de l’onde, le champ oscillant induit des ondes stationnaires de tension ( V, représenté par la bande rouge ) et le courant dans les piquets. Les courants oscillants (flèches noires) circulent le long de la ligne de transmission et à travers le récepteur (représenté par la résistance R ).

Les ondes radio sont émises par des particules chargées lorsqu’elles sont accélérées . Les sources naturelles d’ondes radio comprennent le bruit radio produit par la foudre et d’autres processus naturels dans l’atmosphère terrestre, et les sources radio astronomiques dans l’espace telles que le Soleil, les galaxies et les nébuleuses. Tous les objets chauds émettent des ondes radio à haute fréquence ( micro -ondes ) dans le cadre de leur rayonnement de corps noir .

Les ondes radio sont produites artificiellement par des courants électriques variables dans le temps , constitués d’ électrons circulant dans un conducteur métallique de forme spéciale appelé antenne . Un appareil électronique appelé Émetteur radio applique un courant électrique oscillant à l’antenne, et l’antenne rayonne la puissance sous forme d’ondes radio. Les ondes radio sont reçues par une autre antenne reliée à un récepteur radio . Lorsque les ondes radio frappent l’antenne de réception, elles poussent les électrons dans le métal d’avant en arrière, créant de minuscules courants oscillants qui sont détectés par le récepteur.

D’après la mécanique quantique , comme d’autres rayonnements électromagnétiques tels que la lumière, les ondes radio peuvent également être considérées comme des flux de particules élémentaires non chargées appelées photons . [6] Dans une antenne transmettant des ondes radio, les électrons de l’antenne émettent l’énergie en paquets discrets appelés photons radio, tandis que dans une antenne réceptrice, les électrons absorbent l’énergie sous forme de photons radio. Une antenne est un émetteur cohérent de photons, comme un laser , donc les photons radio sont tous En phase . [7] [6] Cependant, d’après la relation de Planck E = h v {displaystyle E=hnu } l’énergie des photons radio individuels est extrêmement faible, [6] de 10 −22 à 10 −30 joules . Il est si petit que, à l’exception de certains processus de Transition électronique moléculaire tels que les atomes dans un maser émettant des photons micro-ondes, l’émission et l’absorption des ondes radio sont généralement considérées comme un processus classique continu , régi par les équations de Maxwell .

Propriétés

Les ondes radio dans le vide voyagent à la vitesse de la lumière c {displaystyle c} . [8] [9] Lors du passage à travers un milieu matériel, ils sont ralentis en fonction de la perméabilité et de la permittivité du milieu . L’air est suffisamment mince pour que, dans l’atmosphère terrestre, les ondes radio se déplacent très près de la vitesse de la lumière.

La longueur d’onde λ {displaystylelambda} est la distance d’un pic (crête) du champ électrique de l’onde à l’autre, et est inversement proportionnelle à la fréquence F {displaystyle f} de la vague. La relation entre la fréquence et la longueur d’onde d’une Onde radio se déplaçant dans le vide ou l’air est

λ = c F , {displaystyle lambda ={frac {;c;}{f}}~,}

c ≈ 299.79 × 10 6 m/s . {displaystyle cenviron 299,79fois 10^{6}{text{m/s}}~.}

De manière équivalente, c {style d’affichage ;c;} la distance parcourue par une Onde radio dans le vide, en une seconde, est de 299 792 458 mètres (983 571 056 pieds), soit la longueur d’onde d’un signal radio de 1 hertz . Une Onde radio de 1 Mégahertz (bande mi- AM ) a une longueur d’onde de 299,79 mètres (983,6 pieds).

Polarisation

Comme les autres ondes électromagnétiques, une Onde radio possède une propriété appelée polarisation , qui est définie comme la direction du champ électrique oscillant de l’onde perpendiculaire à la direction du mouvement. Une Onde radio polarisée plane a un champ électrique qui oscille dans un plan le long de la direction du mouvement. Dans une Onde radio polarisée horizontalement , le champ électrique oscille dans une direction horizontale. Dans une onde polarisée verticalement , le champ électrique oscille dans une direction verticale. Dans une onde polarisée circulairement , le champ électrique en tout point tourne autour de la direction de déplacement, une fois par cycle. Une onde à polarisation circulaire droite tourne dans une main droitesens de la direction de déplacement, tandis qu’une onde polarisée circulairement à gauche tourne dans le sens opposé. Le champ magnétique de l’onde est perpendiculaire au champ électrique, et les champs électrique et magnétique sont orientés dans le sens de la main droite par rapport à la direction du rayonnement.

Une antenne émet des ondes radio polarisées, la polarisation étant déterminée par la direction des éléments métalliques de l’antenne. Par exemple, une antenne dipôle est constituée de deux tiges métalliques colinéaires. Si les tiges sont horizontales, elles émettent des ondes radio polarisées horizontalement, tandis que si les tiges sont verticales, elles émettent des ondes polarisées verticalement. Une antenne recevant les ondes radio doit avoir la même polarisation que l’antenne émettrice, sinon elle subira une grave perte de réception. De nombreuses sources naturelles d’ondes radio, telles que le soleil, les étoiles et le Rayonnement du corps noir provenant d’objets chauds, émettent des ondes non polarisées, constituées de trains d’ondes courtes incohérents dans un mélange égal d’états de polarisation.

La polarisation des ondes radio est déterminée par une propriété mécanique quantique des photons appelée leur spin . Un photon peut avoir l’une des deux valeurs possibles de spin ; il peut tourner dans le sens de la main droite autour de sa direction de mouvement, ou dans le sens de la main gauche. Les ondes radio à polarisation circulaire droite sont constituées de photons tournant dans le sens de la main droite. Les ondes radio à polarisation circulaire gauche sont constituées de photons tournant dans le sens de la main gauche. Les ondes radio à polarisation plane sont constituées de photons dans une superposition quantique d’états de spin droit et gauche. Le champ électrique consiste en une superposition de champs tournants droit et gauche, résultant en une oscillation plane.

Caractéristiques de propagation

Les ondes radio sont plus largement utilisées pour la communication que les autres ondes électromagnétiques, principalement en raison de leurs propriétés de propagation souhaitables , dues à leur grande longueur d’ onde . [10] Les ondes radio ont la capacité de traverser l’atmosphère par tous les temps, le feuillage et la plupart des matériaux de construction, et par diffraction peuvent se plier autour des obstacles, et contrairement aux autres ondes électromagnétiques, elles ont tendance à être dispersées plutôt qu’absorbées par des objets plus gros que leur longueur d’onde.

L’étude de la propagation radio , la façon dont les ondes radio se déplacent dans l’espace libre et sur la surface de la Terre, est d’une importance vitale dans la conception de systèmes radio pratiques. Les ondes radio traversant différents environnements subissent réflexion , réfraction , polarisation , diffraction et absorption . Différentes Fréquences connaissent différentes combinaisons de ces phénomènes dans l’atmosphère terrestre, rendant certaines bandes radio plus utiles à des fins spécifiques que d’autres. Les systèmes radio pratiques utilisent principalement trois techniques différentes de propagation radio pour communiquer : [11]

  • Ligne de mire : Il s’agit des ondes radio qui voyagent en ligne droite de l’antenne émettrice à l’antenne réceptrice. Il ne nécessite pas nécessairement un chemin de vue dégagé; à des Fréquences plus basses, les ondes radio peuvent traverser les bâtiments, le feuillage et d’autres obstacles. C’est la seule méthode de propagation possible à des Fréquences supérieures à 30 MHz À la surface de la Terre, la propagation en ligne de mire est limitée par l’ horizon visuel à environ 64 km (40 mi). C’est la méthode utilisée par les téléphones portables , FM , la télédiffusion et les radars . En utilisant des antennes paraboliques pour transmettre des faisceaux de micro-ondes, un relais micro -ondes point à pointdes liaisons transmettent des signaux téléphoniques et de télévision sur de longues distances jusqu’à l’horizon visuel. Les stations au sol peuvent communiquer avec des satellites et des engins spatiaux à des milliards de kilomètres de la Terre.
    • Propagation indirecte : les ondes radio peuvent atteindre des points au-delà de la ligne de visée par diffraction et réflexion . [11] La diffraction provoque la courbure des ondes radio autour d’obstacles tels qu’un bord de bâtiment, un véhicule ou un virage dans un hall. Les ondes radio sont également partiellement réfléchies par des surfaces telles que les murs, les sols, les plafonds, les véhicules et le sol. Ces méthodes de propagation se produisent dans les systèmes de Communication radio à courte portée tels que les téléphones portables , les téléphones sans fil , les talkies-walkies et les réseaux sans fil . Un inconvénient de ce mode est la propagation par trajets multiples, dans lequel les ondes radio voyagent de l’antenne émettrice à l’antenne réceptrice via plusieurs chemins. Les ondes interfèrent , causant souvent des évanouissements et d’autres problèmes de réception.
  • Ondes de sol : à des Fréquences inférieures à 2 MHz, dans les bandes des ondes moyennes et, en raison de la diffraction , les ondes radio polarisées verticalement peuvent se plier au-dessus des collines et des montagnes et se propager au-delà de l’horizon, se déplaçant comme des ondes de surface qui suivent le contour de la Terre. Cela permet aux stations de radiodiffusion à ondes moyennes et longues d’avoir des zones de couverture au-delà de l’horizon, jusqu’à des centaines de kilomètres. Lorsque la fréquence diminue, les pertes diminuent et la plage réalisable augmente. Militaire très basse fréquence (VLF) et extrêmement basse fréquence(ELF) les systèmes de communication peuvent communiquer sur la majeure partie de la Terre et avec des sous-marins à des centaines de mètres sous l’eau.
  • Ondes célestes : aux longueurs d’onde des ondes moyennes et des ondes courtes , les ondes radio se reflètent sur les couches conductrices de particules chargées ( ions ) dans une partie de l’atmosphère appelée ionosphère . Ainsi, les ondes radio dirigées à un angle dans le ciel peuvent retourner sur Terre au-delà de l’horizon ; c’est ce qu’on appelle la propagation “skip” ou “skywave”. En utilisant plusieurs sauts, la communication à des distances intercontinentales peut être réalisée. La propagation des ondes célestes est variable et dépend des conditions atmosphériques ; il est plus fiable la nuit et en hiver. Largement utilisé au cours de la première moitié du 20e siècle, en raison de son manque de fiabilité, la communication par ondes célestes a été pour la plupart abandonnée. Les utilisations restantes sont par radar militaire au-dessus de l’horizon (OTH)systèmes, par certains systèmes automatisés, par des radioamateurs et par des stations de radiodiffusion à ondes courtes pour diffuser vers d’autres pays.

Aux Fréquences micro- ondes, les gaz atmosphériques commencent à absorber les ondes radio, de sorte que la portée des systèmes de Communication radio pratiques diminue avec l’augmentation de la fréquence. En dessous d’environ 20 GHz, l’atténuation atmosphérique est principalement due à la vapeur d’eau. Au-dessus de 20 GHz, dans la bande des ondes millimétriques , d’autres gaz atmosphériques commencent à absorber les ondes, limitant les distances de transmission pratiques à un kilomètre ou moins. Au-dessus de 300 GHz, dans la bande térahertz , la quasi-totalité de la puissance est absorbée en quelques mètres, l’atmosphère est donc effectivement opaque. [12] [13]

Communication radio

Dans les systèmes de Communication radio , les informations sont transportées dans l’espace à l’aide d’ondes radio. A l’émission, l’information à émettre, sous la forme d’un signal électrique variable dans le temps, est appliquée à un Émetteur radio . [14] L’information, appelée signal de modulation , peut être un signal audio représentant le son d’un microphone , un signal vidéo représentant des images animées provenant d’une caméra vidéo ou un signal numérique représentant des données provenant d’un ordinateur . Dans l’émetteur, un oscillateur électronique génère un courant alternatifoscillant à une fréquence radio , appelée onde porteuse car elle crée les ondes radio qui “transportent” l’information dans l’air. Le signal d’information est utilisé pour moduler la porteuse, en en modifiant certains aspects, en « superposant » les informations sur la porteuse. La porteuse modulée est amplifiée et appliquée à une antenne . Le courant oscillant pousse les électrons dans l’antenne d’avant en arrière, créant des champs électriques et magnétiques oscillants , qui irradient l’énergie de l’antenne sous forme d’ondes radio. Les ondes radio transmettent les informations à l’emplacement du récepteur.

Au niveau du récepteur, les champs électriques et magnétiques oscillants de l’Onde radio entrante poussent les électrons dans l’antenne de réception d’avant en arrière, créant une minuscule tension oscillante qui est une réplique plus faible du courant dans l’antenne d’émission. [14] Cette tension est appliquée au récepteur radio , qui extrait le signal d’information. Le récepteur utilise d’abord un filtre passe-bande pour séparer le signal radio de la station de radio souhaitée de tous les autres signaux radio captés par l’antenne, puis amplifie le signal pour qu’il soit plus fort, puis extrait enfin le signal de modulation porteur d’informations dans un démodulateur . Le signal récupéré est envoyé vers un haut- parleur ouun écouteur pour produire du son, ou un écran de télévision pour produire une image visible, ou d’autres appareils. Un signal de données numériques est appliqué à un ordinateur ou à un microprocesseur , qui interagit avec un utilisateur humain.

Les ondes radio de nombreux émetteurs traversent l’air simultanément sans interférer les unes avec les autres. Ils peuvent être séparés dans le récepteur car les ondes radio de chaque émetteur oscillent à une fréquence différente, c’est-à-dire que chaque émetteur a une fréquence différente , mesurée en kilohertz (kHz), Mégahertz (MHz) ou gigahertz (GHz). Le filtre passe-bande du récepteur consiste en un circuit accordé qui agit comme un résonateur , de la même manière qu’un diapason. [14] Il a une fréquence de résonance naturelleà laquelle il oscille. La fréquence de résonance est réglée égale à la fréquence de la station de radio souhaitée. Le signal radio oscillant de la station souhaitée fait osciller le circuit accordé par sympathie, et il transmet le signal au reste du récepteur. Les signaux radio à d’autres Fréquences sont bloqués par le circuit accordé et ne sont pas transmis.

Effets biologiques et environnementaux

Les ondes radio sont des rayonnements non ionisants , ce qui signifie qu’elles n’ont pas assez d’énergie pour séparer les électrons des atomes ou des molécules , les ioniser ou rompre les liaisons chimiques , provoquant des réactions chimiques ou des dommages à l’ADN . L’absorption des ondes radio par les matériaux a pour principal effet de les chauffer, à l’ instar des ondes infrarouges émises par des sources de chaleur telles qu’un radiateur ou un feu de bois. Le champ électrique oscillant de l’onde fait vibrer les molécules polaires d’avant en arrière, augmentant la température; c’est ainsi qu’un four à micro-ondescuisine la nourriture. Cependant, contrairement aux ondes infrarouges, qui sont principalement absorbées à la surface des objets et provoquent un échauffement de surface, les ondes radio sont capables de pénétrer la surface et de déposer leur énergie à l’intérieur des matériaux et des tissus biologiques. La profondeur de pénétration des ondes radio diminue avec leur fréquence, et dépend également de la résistivité et de la permittivité du matériau ; elle est donnée par un paramètre appelé profondeur de peau du matériau, qui est la profondeur à l’intérieur de laquelle 63 % de l’énergie est déposée. Par exemple, les ondes radio de 2,45 GHz (micro-ondes) dans un four à micro-ondes pénètrent la plupart des aliments d’environ 2,5 à 3,8 cm (1 à 1,5 pouces). Les ondes radio sont appliquées au corps depuis 100 ans dans le traitement médical de la diathermiepour le chauffage en profondeur des tissus corporels, pour favoriser l’augmentation du flux sanguin et la guérison. Plus récemment, ils ont été utilisés pour créer des températures plus élevées dans le traitement de l’ hyperthermie et pour tuer les cellules cancéreuses. Regarder une source d’ondes radio à courte distance, comme le guide d’ondes d’un Émetteur radio en état de marche, peut endommager le cristallin par échauffement. Un faisceau d’ondes radio suffisamment puissant peut pénétrer dans l’œil et chauffer suffisamment le cristallin pour provoquer des cataractes . [15] [16] [17] [18] [19]

Étant donné que l’effet de chauffage n’est en principe pas différent des autres sources de chaleur, la plupart des recherches sur les risques possibles pour la santé de l’exposition aux ondes radio se sont concentrées sur les effets «non thermiques»; si les ondes radio ont un effet sur les tissus en plus de celui causé par le chauffage. Les champs électromagnétiques de radiofréquence ont été classés par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) comme ayant des “preuves limitées” de leurs effets sur les humains et les animaux. [20] [21] Il existe de faibles preuves mécanistes du risque de cancer via l’exposition personnelle aux RF-EMF des téléphones mobiles. [22]

Les ondes radio peuvent être protégées par une tôle ou un écran conducteur, une enceinte de tôle ou d’écran est appelée cage de Faraday . Un écran métallique protège contre les ondes radio ainsi qu’une feuille solide tant que les trous dans l’écran sont inférieurs à environ 1 ⁄ 20 de la longueur d’ onde des ondes. [23]

La mesure

Étant donné que le rayonnement radiofréquence a à la fois une composante électrique et une composante magnétique, il est souvent pratique d’exprimer l’intensité du champ de rayonnement en termes d’unités spécifiques à chaque composante. L’unité de volts par mètre (V/m) est utilisée pour le composant électrique, et l’unité d’ ampères par mètre (A/m) est utilisée pour le composant magnétique. On peut parler d’un champ électromagnétique , et ces unités sont utilisées pour fournir des informations sur les niveaux d’intensité des champs électriques et magnétiques à un emplacement de mesure.

Une autre unité couramment utilisée pour caractériser un champ électromagnétique RF est la densité de puissance . La densité de puissance est utilisée avec plus de précision lorsque le point de mesure est suffisamment éloigné de l’émetteur RF pour être situé dans ce que l’on appelle la zone de champ lointain du diagramme de rayonnement. [24] Plus près de l’émetteur, c’est-à-dire dans la zone de “champ proche”, les relations physiques entre les composants électriques et magnétiques du champ peuvent être complexes, et il est préférable d’utiliser les unités d’intensité de champ décrites ci-dessus. La densité de puissance est mesurée en termes de puissance par unité de surface, par exemple, milliwatts par centimètre carré (mW/cm 2). Lorsque l’on parle de Fréquences dans la gamme des micro-ondes et plus, la densité de puissance est généralement utilisée pour exprimer l’intensité, car les expositions qui pourraient se produire seraient probablement dans la zone de champ lointain.

Voir également

  • Radioastronomie
  • Émetteur de télévision

Références

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  • Rawer, Karl (1993). Propagation des ondes dans l’ionosphère . Développements en théorie électromagnétique et séries d’applications. Dordrecht : Kluwer Académique. ISBN 9780792307754. OCLC 26257685 .

Liens externes

Wikiquote a des citations liées à: Onde radio
Recherchez les ondes radio dans Wiktionary, le dictionnaire gratuit.
  • “Les ondes radio” . Direction des missions scientifiques. NASA .
Wikimedia Commons a des médias liés aux ondes radio .

Portails : Radio Télécommunication

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