Physique de la réflexion ionosphérique
Comme vous le savez probablement, le rayonnement solaire ionise les atomes et les molécules de l'atmosphère à des altitudes d'environ 50 km et plus. Les densités d'électrons libres produits varient entre un milliard et un billion d'électrons par mètre cube, selon l'altitude et l'heure de la journée (voir ci-dessous).
Différentes régions de densité ionique sont identifiées par des lettres (D, E, F), mais les limites entre les régions ne sont pas clairement définies.
En première approximation, les différentes couches d'ions "peut être considéré comme des sortes de miroirs réfléchissants pour RF, mais ce modèle n'est vraiment pas adéquat pour décrire pourquoi différentes longueurs d'onde RF sont réfléchies différemment.
En général, la réflexion d'un électromagnétique (c'est-à-dire RF ) à n'importe quelle limite dépend de:
- Les permittivités de chaque côté de la frontière
- Les perméabilités de chaque côté de la frontière
- L'angle auquel l'onde incidente s'approche de la limite
Une description complète de la façon dont l'onde est réfléchie est fournie par le Équations de Fresnel, qui incluent des expressions pour l'amou nt d'énergie réfléchie par des ondes polarisées perpendiculairement et parallèlement au milieu réfléchissant. Un exemple de la réflectance (et de la transmittance) de Fresnel est montré ci-dessous pour une onde voyageant dans l'espace libre et frappant le verre, avec une permittivité 1,5 fois celle de l'espace libre:
La réflexion par l'ionosphère est plus complexe car, contrairement au verre, le milieu réfléchissant a des électrons libres qui se déplacent et se heurtent les uns aux autres. Cela fait varier la permittivité de l'ionosphère avec la fréquence. Une dérivation détaillée de la raison pour laquelle il en est ainsi peut être trouvée ici, mais il suffit de dire qu'au lieu d'être constante, la permittivité ($ \ epsilon $) en tout point de l'ionosphère est donnée par:
$$ \ epsilon = \ epsilon_0 \ left (1 - \ frac {f_p ^ 2} {f ^ 2} \ right) $$
où $ f_p $ est connu sous le nom de fréquence du plasma et $ \ epsilon_0 $ est la permittivité de l'espace libre. La fréquence du plasma dépend à son tour des densités d'ions locales décrites ci-dessus:
$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi} \ sqrt {\ frac {Ne ^ 2} {m_e \ epsilon_0} } \ approx 9 \ sqrt {N} $$
où $ N $ est la densité électronique discutée ci-dessus, $ e $ est la charge de l'électron (en Coulombs), et $ m_e $ est la masse de l'électron ( en kg).
Avec ces modèles, nous pouvons observer plusieurs choses:
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Lorsque $ f $ (notre fréquence de fonctionnement) est beaucoup plus élevée que la fréquence du plasma à tout moment couche dans l'ionosphère, cette couche "ressemble" à un espace libre. Par conséquent, la vague continue dans la direction dans laquelle elle se déplaçait. Au niveau de la couche F - la couche la plus dense en termes de densité électronique - la fréquence du plasma est d'environ 2 MHz, ce qui donnerait une permittivité effective seulement une petite fraction inférieure à celle de l'espace libre à 2 mètres, mais quelque chose de très différent à 80 mètres. Rappelons que c'est la discontinuité de la permittivité ou de la perméabilité qui entraîne généralement la réflexion d'une onde électromagnétique.
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Lorsque la fréquence du plasma est supérieure à la fréquence de fonctionnement, la constante diélectrique effective devient négative. Une description détaillée de ce que cela implique peut être trouvée dans la référence ci-dessus, mais il suffit de dire que cela conduit à la décroissance exponentielle de l'onde avec la distance et n'atteint jamais vraiment nulle part.
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Entre les deux extrêmes, une réflexion significative se produit et est décrite par les équations de Fresnel.
Ingénierie des communications pratiques
Dans l'ingénierie des communications RF, le plasma la fréquence est appelée fréquence critique . Il existe un certain nombre d'autres fréquences de référence auxquelles l'UIT fait référence:
Fréquence maximale utilisable (MUF)
Deux types différents de MUF sont discutés:
- Un MUF "opérationnel"
- Un MUF "basique"
Le MUF opérationnel qui peut fournir un service acceptable compte tenu des spécificités de la liaison RF (gains d'antenne, puissance d'émission, sensibilité du récepteur, etc.)
Le MUF de base est la fréquence la plus élevée par laquelle une onde radio peut voyager via la propagation ionosphérique seule, indépendante de la puissance.
Certaines définitions de MUF sont en termes de la disponibilité du canal sur un certain pourcentage du mois à un moment donné (par exemple 90%). Une règle empirique courante consiste à estimer la MUF à environ 3 fois la fréquence critique.
La carte ci-dessous (de spacew.com) montre un contour des MUF de couche F2 (en MHz) par emplacement pour le heure et date indiquées (302015 UTC nov 2017):
Fréquence utile la plus basse (LUF)
La fréquence la plus basse utilisable pour une période de temps spécifiée est la fréquence la plus basse pouvant être utilisée pour la communication 90% des jours du mois.
Fréquence de transmission optimale (FOT )
Le FOT se rapporte à la disponibilité d'un chemin géographique particulier. Il s'agit de la meilleure fréquence de travail qui devrait être utilisable pendant une durée spécifique (par exemple, 2000UTC) pour un pourcentage spécifié (par exemple 50%) des jours du mois.