Certes, nous abordons là un sujet qui semble plus "technique" mais il est important d'aborder ces quelques notions à ce stade du cours. Vous devez savoir situer le spectre de fréquences sur lequel nous sommes amenés à expérimenter ainsi que leurs caractéristiques de bases.

Préambule

Attention : ce chapitre est à l’origine de nombreux échecs à l’épreuve de réglementation : NE LE NEGLIGEZ PAS

Les quelques calculs demandés sont simples et doivent pouvoir être effectués “de tête” bien que l’utilisation d’une calculette soit autorisée.

• information confirmée par de nombreux témoignages.
• un seul candidat s’est vu refuser l’utilisation d’une calculette à Toulouse en septembre 2013, ce qui a semé le doute.
• nous verrons plus en détail ces connaissances dans la partie technique du cours.

Les questions portant sur ce chapitre forment 3 familles de questions de l’épreuve de réglementation, soit 6 questions.

Connaissances techniques de base 

Extraits de l’annexe I de l’arrêté du 21 septembre 2000 :

Chapitre 3 : Brouillages et protections

1. Brouillage des équipements électroniques :

Brouillage avec le signal désiré
Intermodulation
Détection par les circuits audio

2. Cause de brouillage des équipements électroniques :

Champ radioélectrique rayonné par une chaîne d'émission
Rayonnements non essentiels de l'émetteur
Effets indésirables sur l'équipement : par l'entrée de l'antenne, par d'autres lignes, par rayonnement direct, par couplage.

3. Puissance et énergie :

Rapports de puissance correspondant aux valeurs en dB suivantes : 0 dB, 3 dB, 6 dB, 10 dB et 20 dB (positives et négatives)
Rapports de puissance entrée/sortie en dB d'amplificateurs et/ou d'atténuateurs
Adaptation (transfert maximum de puissance)
Relation entre puissance d'entrée et de sortie et rendement : h = P entrée / P sortie x 100%
Puissance crête de la porteuse modulée [PEP]

4. Protection contre les brouillages :

Mesures pour prévenir et éliminer les effets de brouillage
Filtrage, découplage, blindage.

5. Protection électrique :

Protection des personnes et des installations radioamateurs
Alimentation par le secteur alternatif
Hautes tensions
Foudre
Compatibilité électromagnétique

Cet arrêté est inscrit au journal officiel

Chapitre 4 : Antennes et lignes de transmission

1. Types d'antennes :

Doublet demi-onde alimenté au centre, alimenté par l'extrémité et adaptations
Doublet avec trappe accordée, doublet replié
Antenne verticale quart d'onde [type GPA]
Aérien avec réflecteurs et/ou directeurs [Yagi]
Antenne parabolique

2. Caractéristiques des antennes :

Impédance au point d'alimentation
Polarisation
Gain d'antenne par rapport au doublet par rapport à la source isotrope
Puissance apparente rayonnée [PAR]
Puissance isotrope rayonnée équivalente [PIRE]
Rapport avant/arrière
Diagrammes de rayonnement dans les plans horizontal et vertical

3. Lignes de transmission :
Ligne bifilaire, câble coaxial
Pertes, taux d'onde stationnaire
Ligne quart d'onde impédance
Transformateur, symétriseur
Boîtes d'accord d'antenne

Ces deux chapitres sont extraits du programme HAREC (recommandation T/R 61-02 ), partie technique : chapitre 6 (antennes et lignes de transmission), chapitre 9 (brouillage et protection) et chapitre 10 (protection électrique).

5-1 - Puissances, rapports de puissance et décibels (dB)

• La puissance d’émission est issue d’amplificateurs successifs et s’exprime en watts (symbole W).

• Un amplificateur se représente par un triangle : l’entrée se trouve sur un côté (à gauche généralement) et la sortie se trouve sur la pointe opposée.

• Le décibel (dB) est une unité permettant d'exprimer un rapport entre deux grandeurs de même nature mesurées par exemple à l’entrée et à la sortie d’un circuit.

- pour l’épreuve de réglementation, seuls sont à connaître les 9 rapports en puissance suivants :

Caractéristiques des décibels

• C'est Alexander Graham Bell (1847 - 1922) qui crée cette unité de mesure (dB). Il crée également la "Bell Telephone Company" en 1877.

Alexander Graham Bell (1847 - 1922)

• un nombre de décibels positif indique un gain

• un nombre de décibels négatif indique une perte

• les gains successifs s’additionnent

• les pertes successives se soustraient des gains

- toutes ces caractéristiques viennent du fait que les décibels sont définis à partir de logarithmes (notion approfondie dans la partie technique du cours).

• Les décibels permettent d’exprimer aussi des niveaux relatifs (par rapport à une référence connue) :

- le gain d'une antenne se définit par rapport à une antenne de référence (dBd ou dBi, doublet ou antenne isotropique)
- le gain avant/arrière définit la directivité des antennes Yagi
- les atténuations des rayonnements parasites sont données en dBc (par rapport à la puissance de l’émission fondamentale).

• Certains décibels expriment une puissance (puissance en dBW : par rapport à 1 watt ; en dBm : par rapport à 1 milliwatt).

Exemples de calcul sur les décibels

Puissance crête de la porteuse modulée

• En modulation d’amplitude, la puissance d’émission varie au cours du temps. Dans ce cas, la mesure de la puissance se fera sur les pointes d’amplitude ce qui amène à définir la puissance crête appelée aussi puissance de pointe de l’enveloppe (PEP en anglais).

• Le rendement détermine la qualité du transfert de puissance. Le rendement est :

- exprimé en %
- toujours inférieur à 100%
- égal au rapport obtenu en divisant la puissance utile (puissance émise) par la puissance consommée totale.

• Exemples de calcul de rendement :

Question
Un émetteur consomme 100 watts. Sa puissance de sortie est de 60 watts. Quel est son rendement ?

Réponse
Rendement = Puissance utile / Puissance consommée = 60 / 100 = 0,6 soit 60 %.

5-2 - Types et caractéristiques des antennes

Relation longueur d’onde / fréquence

• La longueur d’onde (λ, en mètres) est la distance parcourue dans le vide (ou dans l’air) par l’onde au cours d’une durée égale à la période du signal.

- Dans le vide (ou dans l’air), les ondes radio se déplacent à la vitesse de la lumière (300.000 km/s)

• La fréquence (F en hertz, Hz) est le nombre de période (ou cycle) du signal par seconde.

- la fréquence peut être donnée dans un multiple du hertz :
> 1 kHz (kilohertz) = 1.000 Hz
> 1 MHz (mégahertz) = 1.000 kHz
> 1 GHz (gigahertz) = 1.000 MHz

F(MHz) = 300 / λ(m)

λ(m) = 300 / F(MHz)

• Exemples de conversion longueur d’onde/fréquence :

Question
Quelle est la longueur d'onde de la fréquence 150 MHz ?

Réponse
300 / 150 = 2 mètres

Question
A quelle fréquence correspond la longueur d'onde 10 mètres ?

Réponse
300 / 10 = 30MHz

• Méthode applicable pour trouver la fréquence d’une bande à partir de sa longueur d’onde :

- Q : quel est le statut de la bande des 40 mètres ?
- R : la bande des 40 mètres est aussi celle des 7 MHz (300/40 = 7,5)

Les gammes d’ondes

• les gammes d’ondes sont à connaître dans le cadre de la déclaration PAR prévue par le décret du 17/12/07 modifié.

• ces questions ont été classées par l’ANFR dans l’une des trois familles de technique de l’épreuve de réglementation.

Quatre antennes sont à connaître

• doublet demi-onde (dipôle)

• doublet demi-onde replié (trombone)

• antenne verticale quart d’onde (GP)

• antenne Yagi (directive, beam en anglais)

• le programme cite aussi l’antenne parabolique, le doublet à trappes et le doublet alimenté à une extrémité mais aucune question n’a été recensée

Pour chacune de ces antennes, il faut connaître

• sa longueur théorique

• son impédance

• ses spécificités de fonctionnement

• son diagramme de rayonnement

la répartition tension/intensité le long du brin rayonnant n’est pas au programme de l’épreuve de réglementation (partie technique de l’examen).

Doublet demi-onde (dipôle)

• antenne de base

• alimentée par son milieu > formée de 2 quarts d’onde

• isolée dans l’espace et loin du sol

• longueur
- λ/2

• impédance

- 73Ω : les 2 brins ont un angle de 180°
- 52Ω : les 2 brins ont un angle de 120°
- 36Ω : les 2 brins ont un angle de 90°

Doublet demi-onde replié (trombonne)

• longueur

- λ/2
- la longueur totale du fil mesure une longueur d’onde entière

• impédance

- 300 Ω
- le fil « retour » doit être proche du fil du dipôle
- lorsque la forme se rapproche d’un carré (dont le côté mesure un quart d’onde), l’impédance de l’antenne en espace libre tend vers 140 Ω

Antenne quart d’onde verticale (GP)

• la partie manquante du dipôle (2ème quart d’onde) est remplacé par :

- le sol ou une masse métallique (contrepoids)
- plan de sol (radiants)

• longueur

- λ/4

• impédance

- 36Ω
- 52Ω lorsque les radiants sont à 120°

• GP signifie Ground Plane (« plan de sol » en anglais).

• on préfèrera utiliser un sol conducteur (glaise humide plutôt que granit sans végétation) ou on le rendra plus performant en enterrant des radiants.

Antenne directive Yagi (beam) 

• en ajoutant des éléments parasites, on déforme les lobes de rayonnement du brin rayonnant en concentrant l’énergie dans une direction.

- les brins les plus courts sont devant (brins directeurs)
- les brins les plus longs sont les réflecteurs

• impédance

- dans une antenne Yagi, plus il y a d’éléments parasites, plus son gain est important, plus son impédance est faible.
- la distance entre les éléments joue un rôle important dans la mise au point de l’antenne

• Le gain d'une antenne se mesure dans la direction maximum de rayonnement (vers l’avant où les éléments sont plus courts).

• Le gain d’une antenne se mesure en dB

- par rapport à l'antenne doublet (dBd)
- ou par rapport à l'antenne isotropique (dBiso)
- ou encore par rapport à la puissance émise vers l’arrière de l’antenne (gain avant/arrière d’une antenne directive)

• L’antenne isotropique est une antenne idéale et n’existe que dans la tête des physiciens :

- c’est un point qui rayonne uniformément
- son diagramme de rayonnement est une sphère
- le doublet demi-onde a un gain de 2,15 dB par rapport à l'antenne isotropique.

Antenne directive Yagi (beam)

• La puissance apparente rayonnée (P.A.R.) est :

- la puissance d'alimentation de l'antenne
- multipliée par le rapport arithmétique correspondant au gain de l’antenne par rapport au doublet (il faut transformer préalablement les dBd en rapport de puissance).
- égale à la puissance qu'il faudrait appliquer à un dipôle pour avoir la même puissance rayonnée dans la direction la plus favorable de l'antenne.

• La puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) prend pour référence l'antenne isotropique.

- des calculs (simples) de PAR et de PIRE seront présentés dans le prochain cours. Patience !

• la PAR est à déclarer dans le cadre du décret du 17/12/07 modifié.

• L’angle d'ouverture d'une antenne est l’écart d'angle entre les directions pour lesquels la puissance rayonnée est la moitié (–3 dB) de la puissance rayonnée dans la direction la plus favorable.

• Rapport avant/arrière

- se mesure en dB (pour les antennes directionnelles)

• Polarisations : selon la position du brin rayonnant, l’onde rayonnée est polarisée verticalement ou horizontalement.

- il existe aussi des polarisations circulaires (droite ou gauche) et obliques

• Couplage d’antennes :

- coupler idéalement 2 antennes permet de doubler la PAR (gain de +3 dB)
- coupler idéalement 3 antennes multiplie par 3 la PAR
- coupler idéalement 4 antennes multiplie par 4 la PAR (gain de +6 dB)

• Vous pouvez également tourver sur ce site, bon nombre d'informations complémentaires concernant les différents types d'antennes, pour parfaire votre culture. Il est bien entendu, qu'il n'y aura pas de questions à l'examen concernant les informations qui se trouvent hors de ce cours.

Voici les liens pour accéder directement à ces pages :

- Les dipôles

- Les antennes Verticales Ground Plane

5-3 - Lignes de transmissions

La ligne de transmission est un dispositif utilisé pour transférer l'énergie de l'émetteur vers l'antenne ou de l'antenne vers le récepteur.

La ligne de transmission peut être :
• asymétrique (coaxial)
• symétrique (ligne bifilaire)

Le transfert d’énergie (ou de puissance) est maximal lorsque les impédances de la charge (antenne) et du générateur (émetteur) sont égales.

La ligne de transmission a des caractéristiques propres :

•son impédance (exprimée en ohms, Ω)
• son affaiblissement linéique (exprimée en décibels par mètre, dB/m)
• sa vélocité : dans une ligne de transmission, les ondes se propagent moins vite que dans le vide (ou dans l’air), la vitesse dépend du diélectrique dont est constituée la ligne de transmission (mais ceci n’est pas au programme de l’épreuve de réglementation…).

Calcul d’affaiblissement linéique

• affaiblissement linéique à partir des puissances d'entrée et de sortie.

Réponse : 5 / 10 = 1/2 > -3dB ; -3dB/20 = 0,15 dB/m

• Puissance de sortie

Réponse : 0,3 dB/m x 10 m = 3 dB > x 1/2 ; 25 W /2 = 12,5 W

Calcul d’affaiblissement linéique et PAR

• notion indispensable pour déclarer la PAR (arrêté du 17/12/07 modifié)
• Calcul de la PAR

Réponse : Perte câble = 0,3 dB/m x 10 m ; gain total = -3 dB + 9 dB = +6 dB > x 4 ; PAR = 10 W x 4 = 40 W

• Calcul de la PIRE

Réponse : Perte câble = -6 dB, gain antenne = +6 dB, total = 0 dB > pas de gain ni de perte > PIRE = 20 W

Exemple
Soit un câble de 20 mètres ayant une perte de 0,1 dB/m, quel est l’affaiblissement de ce câble ?

Réponse
Perte dans le câble = longueur du câble x affaiblissement linéique = 20 m x 0,1 dB/m = 2 dB

Si ce morceau de câble alimente une antenne d’un gain de 8 dBd, l’ensemble câble + antenne aura un gain de 6 dB (gain de l’antenne de 8 dB – perte dans le câble de 2 dB : 8 – 2 = 6).

Si cet ensemble (câble + antenne) est alimenté par un émetteur d’une puissance de 50 W, la puissance apparente rayonnée de l’ensemble sera de 200 W (6 dB correspondent à un rapport de 4 ; 50 x 4 = 200).

Ce genre de question est fréquent mais les calculs devront être simples comme ici.
La question ne pourra pas porter ici sur le calcul de la puissance à la sortie du câble puisque -2 dB n’est pas un des 9 rapports en puissance à connaître. En revanche, le calcul de la PAR (ou de la PIRE si le gain de l’antenne est donné en dBiso) peut être demandé puisque le rapport de puissance correspondant à +6 dB doit être connu.

TOS et désadaptation

• Lorsque l'impédance de la ligne de transmission n'est pas la même que celle de la charge (l'antenne, par exemple), le transfert d’énergie n’est pas optimal :
  - il apparaît des ondes stationnaires sur la ligne
  - une partie de l’énergie émise retourne à l’émetteur.

• Cette désadaptation se mesure par le coefficient de réflexion, noté ρ (rhô), qui est égal au rapport
  - du courant (tension ou intensité) réfléchi
  - divisé par le courant émis (ou courant incident)
  - ces deux valeurs étant exprimées en volts ou en ampères.
ρ = Uréfléchie (V) / Uémise (V) = Ir (A) / Ie (A)

  - si la mesure est exprimée en watts, le calcul fera intervenir une racine carrée (ce qui rend cette formule hors programme de réglementation) :
ρ = √[Pr (W) / Pe (W)]

• Le TOS est égal à 100 fois ρ : TOS (%) = 100 x ρ
  - Attention : le TOS n’est pas le taux de puissance réfléchie

Cette désadaptation se mesure aussi par le Rapport d'Ondes Stationnaires (ROS). Ce nombre est le rapport des impédances caractéristiques de la ligne (câble) et de la charge (antenne). Le ROS est toujours supérieur à 1/1 si bien qu’il faut placer la plus forte impédance au numérateur (en haut de la fraction).

ROS (/1) = Z plus forte (Ω) / Z plus faible (Ω)

Dans le programme de l’examen, seul le TOS est cité. Cependant, le projet de modification de l’arrêté du 21/09/00 envisage de remplacer TOS par ROS dans le programme.

Formules de transformation :
ROS = (1 + ρ) / (1 – ρ) ρ = (ROS – 1) / (ROS + 1)

Voici les rapports les plus courants

Pourquoi appelle-t-on ce phénomène "ondes stationnaires" ?

• Parce que l’onde incidente (ou émise) et l’onde réfléchie sont de sens contraire et se superposent. L’endroit où sont les maxima (ventres) et les minima (noeuds) ne bougent pas par rapport à l’endroit de la désadaptation. Les ventres et les noeuds se répètent tous les quarts d’onde et bougent donc avec la fréquence de l’onde.

• Vous trouverez toutes les informations utiles pour mettre en évidence ce phénomène en cliquant ici.

Calcul de ROS et de TOS

• ROS

Réponse : Z plus forte / Z plus faible = 100 / 50 = 2/1

• TOS

A l’entrée d’un câble, on mesure une tension incidente de 20 V et une tension réfléchie de 5 V.
Quel est le TOS présent dans le câble ?

Réponse : ρ = Uréfléchie(V) / Uémise (ou incidente)(V) = 5/20 = 0,25
TOS (%) = 100 x ρ = 100 x 0,25 = 25 %

Pour adapter les impédances, on utilisera

• entre l’émetteur et la ligne de transmission
- une boîte de couplage (ou boîte d’accord).

• entre le câble et l’antenne, on peut insérer

  - un balun qui permet
    > l’adaptation symétrique/asymétrique de la connexion
    > l’adaptation des impédances si son rapport est différent de 1/1

  - une "ligne quart d’onde" (cette notion sera vue plus en détail dans la partie Technique. Quelques questions d’examen de classe 3 ont été relevées sur ce sujet mais sont, normalement, hors programme).
    > dans ce cas, le morceau de câble utilisé aura pour impédance :
Zcâble= √(Zentrée x Zsortie)
    > pour le calcul de la longueur du câble, tenir compte de son coefficient de vélocité

EXEMPLE

Réponse : Zcâble = √(Zentrée x Zsortie) = √(25 x 100) = √(2500) = 50 Ω

5-4 - Brouillage et protections des équipements électroniques

La directive européenne 2014/30/CE définit ainsi la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) :

• Aptitude d’équipements à fonctionner dans leur environnement électromagnétique de façon satisfaisante sans produire eux-mêmes de perturbations électromagnétiques intolérables pour d’autres équipements dans cet environnement.

• Un équipement est un appareil ou une installation mis dans le commerce en tant qu’unité fonctionnelle indépendante.

• Une perturbation électromagnétique peut être :

  - un bruit électromagnétique
  - un signal non désiré
  - ou une modification du milieu de propagation lui-même

Appliqué à notre activité, la CEM est la faculté :

• d'un émetteur de ne pas perturber son environnement

• d'un récepteur de ne pas être perturbé par son environnement

Un récepteur a un certain niveau d'immunité par rapport aux perturbations causées par son environnement électromagnétique.

• lorsque les perturbations dépassent ce niveau, le seuil de susceptibilité du récepteur est atteint.

• dans ce cas, des mesures de durcissement seront prises.

• une perturbation est conduite lorsqu'elle est véhiculée par l'intermédiaire des conducteurs.

• une perturbation est rayonnée lorsqu'elle se propage dans l'espace environnant par un champ électromagnétique.

Intermodulation

• Créée par un mélange de fréquences au niveau d'un étage (ou d'un composant) non linéaire aussi bien à la sortie d'un émetteur que sur l'entrée d'un récepteur.

• L’amplificateur non linéaire fait apparaître des mélanges égaux à la somme et la différence des fréquences fondamentales et de leurs harmoniques.

  - Exemple : soient A et B, deux fréquences à amplifier. A la sortie de l’étage défaillant, en plus des deux fréquences amplifiées (A et B), on peut trouver :
    > [A + A] et [B + B], soit (2 x A) et (2 x B)
    > [A + B] et [A – B], les mélanges "classiques"
      >> issus de distorsions quadratiques (paires, produits de 2nd ordre)
    > et des produits du troisième ordre comme (3 x A), (3 x B), [(2 x A)+B], [(2 x B)+A] et des mélanges très perturbants comme [(2 x B)–A] et [(2 x A)–B], difficiles à filtrer si A et B sont proches.
      >> issus de distorsions cubiques (impaires, 3ème ordre)

Transmodulation

• Problème lié au récepteur uniquement.

• Lorsqu’un signal de fréquence voisine du signal que l’on veut recevoir est un signal puissant de forte amplitude, celui-ci va provoquer une surcharge de l’étage d’entrée du récepteur qui va alors manquer de linéarité (saturation).

• Ce signal puissant, non désiré, va alors interférer avec le signal que l’on veut recevoir et moduler ce dernier.

• En conséquence, sera entendue non seulement la modulation du signal désiré mais également la nouvelle modulation

• Remarques :

  - dans le cas d’une intermodulation, les fréquences sont liées par une relation mathématique (produits d’ordre N).
  - la transmodulation est liée à un signal perturbateur modulé en amplitude.

5-5 - Protections électriques

Protection des personnes et du matériel

• Règles de sécurité

  - montage et maintenance des aériens sur un pylône
    > être équipé d’un harnais ou d’un baudrier
    > jeux de mousquetons toujours attachés à la ligne de vie
  - dangers de la haute fréquence (UHF et au-delà)

Baudrier et longe

• dangers de l’électricité

  - tension de sécurité (< 50 V en milieu sec)
  - brûlures (peau)
  - électrisation (muscles)
    > contraction locale des muscles
    > contraction des muscles respiratoires avec risque d’asphyxie
    > fibrillation du coeur qui peut entraîner un arrêt circulatoire
      >> électrocution = décès par électrisation
      >> Attention : LA HAUTE TENSION EST MORTELLE
  - moyens de protection
    > compartiments fermés
    > mise à la terre de toutes parties métalliques

La mise à la terre, une protection

• Caractéristiques et dangers de la foudre

  - qu’est ce que la foudre ?
    > décharge électrique entre les nuages et le sol
    > électricité statique dans l’antenne (situation orageuse)

Les dégâts de la foudre

  - réduire le risque de foudroiement
    > débrancher les câbles
    > disposer les câbles de manière à faire des coudes francs
  - installation d’un parafoudre
    > si le bâtiment est équipé d’une protection contre la foudre
    > relier l’antenne au plus droit à l’équipement du bâtiment.