Soutenance mémoire
Les ondes électromagnétiques sont des éléments physiques d’une importance extrême puisqu’elles nous permettent la communication entre les systèmes grâce à leurs propriétés de propagation dans une ligne de transmission. Les théories de l’onde électromagnétique furent inventées par James Clerck Maxwell en 1864.Il parvint à établir les équations qui portent son nom et qui sont la base des nombreuses études théoriques concernant sur les ondes électromagnétiques. Dans le domaine de télécommunication, le choix d’un système de transmission dépend de divers critères, principalement de nature économique. Aujourd’hui malgré la concurrence, de nombreux réseau d’infrastructure (téléphonie, diffusion d’émission radio ou télévision, radiocommunication système mobiles, boucle locale radio,…) utilisent encore le rayonnement d’onde électromagnétique pour assurer leur liaison. En outre la propagation des ondes radio via l’ionosphère est un moyen important des radiocommunications à longue distance car des milliers de radioamateurs et d’opérateurs commerciaux utilisent l’ionosphère (liaison transhorizon) chaque jour pour réaliser des contacts sur de vastes distances. Lesystème de transmission sans fil est devenue une pratique courante pour le transport d’informations à distances quelconques. Mais la mis en œuvre d’une telle transmission nécessite beaucoup l’étude des phénomènes et des paramètres intervenant dans le milieu de propagation de l’onde qui n’est que l’atmosphère. Cet ouvrage est axée sur ce domine et s’intitule : « Les phénomènes de propagationdes ondes radioélectriques dans l’atmosphère ».
GENERALITES SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
Les ondes électromagnétiques sont des éléments physiques d’une importance extrême dans le domaine de télécommunications et surtout en radiocommunications. Comme les ondes radioélectriques font partie des ondes électromagnétiques, ce chapitre illustre les théories de base sur les ondes électromagnétiques et leurs classements.
Concept de base
Définition d’une onde électromagnétique
Une onde traverse un milieu dans lequel elle se propage. Il existe une grande diversité d’ondes de toutes sortes. Les exemples les plus courants sont :
– les ondes mécaniques, comme celles résultant de la déformation de la surface d’un liquide, ou la vibration de la corde d’un instrument de musique
– les ondes sonores, qui résultent de variations de la pression de l’air .
Les ondes électromagnétiques se distinguent par le fait qu’elles n’ont besoin d’aucun milieu matériel pour exister. Comme on le verra par la suite, la propagation consiste en une variation simultanée de deux quantités vectorielles appelées champ. Ainsi, les ondes électromagnétiques se rattachent à des phénomènes électriques et magnétiques. Elles sont caractérisées par la présence de deux champs variables : l’un électrique noté E et l’autre magnétique noté B ou H . La notion de champ désigne toute la région de l’espace dans laquelle se manifeste l’action de forces électriques dans le cas du premier et forces magnétiques dans le second.
Les paramètres d’une antenne
Puisque les antennes sont les éléments qui permettent de transmettre et de capter des informations par des ondes électromagnétiques dans l’espace libre, rappelons alors les quelques paramètres essentiels d’une antenne. Les antennes sont des éléments permettant la transition entre une onde guidée (par une câble ou par guide d’ondes) et une onde rayonnée dans l’espace. Une antenne peut de plus servir à diriger le signal dans une direction donnée, par concentration des champs dans une région de l’espace. Les différents paramètres essentiels d’une antenne sont : sa résistance, son coefficient d’efficacité, son impédance, sa bande passante, sa largeur de faisceau ou angle d’ouverture, son gain de directivité et gain de puissance et son hauteur effective.
Les ondes électromagnétiques et les réseaux sans fil
Intérêt du sans fil
Le besoin de communiquer plus rapidement et plus intensément est à la base des progrès de l’industrie de l’information. Les services multimédias consécutifs imposent des contraintes en terme de débit et de bande passante. Le réseau filaire (paire torsadée, câble) a montré ses limites, il était donc indispensable de proposer une alternative en aval des inforoutes pour garantir une bonne qualité de services aux utilisateurs finaux. Les réseaux sans fil offrent un énorme potentiel à cet effet. Cette contribution explique le lien entre la demande croissante haut débit et le développement des TIC (Technologies de l’information et de la communication). Puis l’intérêt des réseaux sans fil locaux comme supports est présenté au travers les exemples des WLAN (Wireless Local Area Network) et des WLL (Wireless Local Loop) ou BFWA (Broadband Fixed Wireless Access). Les services susceptibles d’être fournis sont un atout essentiel dans différents secteurs. Ainsi les intérêts d’un réseau sans fil sont :
• Utilisation croissante des terminaux portables en milieu industriel et logistique,
• Besoin d’un accès permanent des populations nomades au système d’information de l’entreprise.
• Réaliser des installations temporaires (réunions),
• Mettre en place des réseaux en un temps très court,
• Eviter le câblage de locaux, de liaisons inter-bâtiments
• Désengorger les réseaux d’accès et les connexions des utilisateurs souvent sous dimensionnés à l’origine de la lenteur ou des ruptures de services.
• Désenclaver les zones isolées à faible ou à moyenne densité de population peu rentables pour les opérateurs de réseaux filaires.
• Desservir des zones à géographie accidentée et difficiles d’accès à cause du coût exorbitant et de la pénibilité particulière des travaux de génie civil sur ce type de sites.
Les ondes électromagnétiques
Ces réseaux fonctionnent sur le principe de la propagation des ondes électromagnétiques. Un réseau sans fil utilise par erxemple une station de base (BTS) avec une couverture de type Point à Point ou Point – Multipoint dit cellulaire. Ce dernier type utilisé dans le plus part des réseaux locaux permet de desservir un ensemble d’abonnés d’une zone prédéfinie. Les liaisons hertziennes de la BTS vers les abonnées sont dites voies descendantes tandis que les voies montantes désignent les liaisons des abonnés vers la BTS. En outre, l’évolution technique permet aujourd’hui d’envisager les technologies radio comme une alternative au réseau filaire traditionnel. Tous les industriels promettent que les technologies radio permettront d’offrir des services aussi perfectionnés que ceux proposés sur un réseau « filaire » (voix, Internet, vidéocommunication), C’est pourquoi la boucle locale radio constitue un enjeu important du développement des télécommunications.
Dans les infrastructures hertziennes, les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite à partir de l’antenne pour assurer l’interconnexion à distance des équipements du réseau et la liaison aux terminales d’abonnées. Dans ce cas, il faut tenir compte de la différence nette entre le bruit ambiant et le signal, de l’atténuation par les obstacles et aux perturbations associés comme la réflexion ; la réfraction ; la diffraction et la diffusion de l’onde. Selon la technologie et l’architecture du réseau, le choix de fréquence de travaille reste encore important pour assurer la liaison.
Sécurité des communications
L’arrivée des solutions de réseaux locaux sans fil sur le marché de consommation a bouleversé le monde des réseaux informatiques. Il a été possible pour les entreprises d’installer des réseaux rapidement et facilement sans devoir passer par un fil encombrant. Du jour au lendemain, les informations voyageaient dans l’air ambiant sans pour autant s’arrêter aux limites des propriétés. Plusieurs antennes AP (Access Points) livrées avec une configuration de base sans protection ont été installées dans des environnements corporatifs, diffusant des ondes à qui voulait bien les écouter. Ceci donna lieu au nouveau phénomène de « Wardriving » qui consiste à se déplacer en voiture avec une antenne réceptrice afin de détecter les réseaux actifs. Une des techniques les plus célèbres est celle décrivant comment fabriquer avec une boite de « Pringle » une antenne qui amplifie les signaux pour épier les communications « Wireless sniffing » à une distance allant jusqu’à 3, 23 Km. En faisant de l’écoute passive des ondes, il est possible d’identifier l’emplacement des antennes et certaines informations fort intéressantes.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. GENERALITES SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
1.1 Concept de base
1.1.1 Définition d’une onde électromagnétique
1.1.2 Caractéristiques d’une onde électromagnétique
1.1.2.1 Fréquence et longueur d’onde
1.1.2. 2 Classification des ondes électromagnétiques
1.2 Les paramètres d’une antenne
1.2.1 La résistance d’une antenne
1.2.2 Coefficient d’efficacité
1.2.3 Bande passante
1.2.4 Diagramme de rayonnement
1.2.5 Angle d’ouverture, lobe principale et lobe secondaire
1.2.6 Gain de directivité et gain de puissance
1.2.7 Longueur effective et hauteur effective
1.2.8 Densité surfacique de puissance
1.3 Types d’ondes
1.3.1 Onde plane
1.3.2 Onde sphérique
1.4 Modèles mathématiques
1.4.1 Notions des postulats de l’électromagnétisme
1.4.2 Grandeurs introduite en électromagnétisme
1.4.3 Les équations de Maxwell
1.4.3.1 Equations de Maxwell sous forme intégrale
1.4.3.2 Equations de Maxwell sous forme différentielle
1.5 Polarisation d’une onde électromagnétique
1.5.1 Polarisation rectiligne
1.5.1.1 Polarisation parallèle
1.5.1.2 Polarisation perpendiculaire
1.5.2 Polarisation elliptique
1.5.3 Polarisation circulaire
1.6 Les ondes électromagnétiques et les réseaux sans fil
1.6.1 Intérêt du sans fil
1.6.2 Les ondes électromagnétiques
1.6.3 Sécurité des communications
CHAPITRE 2. PROPAGATION DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES DANS DIFFERENTS MILIEUX
2.1 Les paramètres d’un milieu
2.1.1 Permittivité électrique
2.1.2 Perméabilité magnétique
2.1.3 Conductivité
2.1.4 L’indice de réfraction
2.1.4.1 L’indice comme caractéristique de propagation
2.1.4.2 Dépendance de l’indice en fonction des conditions liées au milieu
2.2 Les différents milieux
2.3 Ondes électromagnétique dans un milieu conducteur
2.4 Ondes électromagnétique dans un milieu diélectrique
2.4.1 Cas d’un milieu isotrope
2.4.2 Cas d’un milieu anisotrope
2.5 Propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu semi-conducteur
2.5.1 Fréquence critique
2.5.2 Equation de propagation
2.6 Réflexion et réfraction des ondes électromagnétiques
2.6.1 Conditions aux limites
2.6.2 Incidence normale
2.6.3 Incidence oblique
2.6.3.1 Polarisation parallèle
2.6.3.2 Polarisation orthogonale
2.6.4 Réflexion normale sur un diélectrique pur
2.6.5 Réflexion totale et onde de surface
2.7 Interférence des ondes électromagnétiques
2.8 La diffraction des ondes
CHAPITRE 3. LES FACTEURS ATMOSPHERIQUES LIES A LA PROPAGATION
3.1 Définition
3.2 Caractéristiques de la basse atmosphère
3.2.1 Pression atmosphérique
3.2.1.1 Le modèle troposphérique
3.2.1.2 Modèle stratosphérique
3.2.2 Température atmosphérique
3.2.3 La pluie
3.2.4 Permittivité relative de la pluie
3.2.5 Humidité
3.2.6 Les gaz
3.2.7 Les nuages
3.3 Caractéristiques de la haute atmosphère
3.3.1 Les couches
3.3.1.1 La couche D
3.3.1.2 La couche E
3.3.1.3 La couche F
3.3.2 Densité des électrons
3.3.3 La fréquence critique
3.3.4 Indice de réfraction du milieu ionisé
CHAPITRE 4. PROPAGATION DES ONDES RADIOELECTRIQUES DANS L’ATMOSPHERE
CONCLUSION
