Théories personnelles - Propagation HF

[VE2PID Pierre]

... Voici une interprétation  personnelle du phénomène de la propagation en HF. Je pense ici aux contacts que l'on effectue normalement en utilisant l'ionosphère comme miroir pour atteindre des points éloignés par rebond(s). Il peut y  avoir des exceptions, mais ce qui suit décrit ce qui se produit généralement.

Premier point: Ce qui sort de nos antennes, ce sont des photons, c'est-à-dire des petites boules qui ont de l'énergie. Et il est important de savoir ceci: L'énergie que contient un photon émis ne dépend que de la fréquence. En fait, les équations de la physique montrent que cette énergie est directement proportionnelle à la fréquence. Pour une fréquence donnée fixe, la puissance d'émission ne change pas l'énergie de chaque photon. Autrement dit, si vous émettez disons à 7 MHz, chaque photon aura strictement la même énergie, que vous émettiez à 1 W ou à 1000 W! (En passant, ça explique pourquoi le QRP est possible ... )

Par contre, si vous émettez à 1 W à la fréquence de 14 MHz, chaque photon aura plus d'énergie que pour la combinaison 1 W/7 MHz. Capiche ?

Second point: Le miroir (ionosphère) est d'autant plus réfléchissant que la couche est ionisée. Et cette ionisation dépend directement de l'activité solaire. Aux sommets des cycles, le miroir est très réfléchissant, et inversement au creux des cycles, il devient très poreux.

Il est donc évident que plus on monte en fréquence, plus les photons auront la possibilité de traverser facilement l'ionosphère sans rebond. Et cette possibilité sera d'autant plus grande que le miroir est poreux. Et plus haut que 30 MHz, pratiquement tous les photons passent tout droit en perçant le miroir, car ils sont très énergisés. C'est la fin des bandes HF.

Conclusion: Dans le haut des cycles solaires (miroir épais et réfléchissant), les rebonds sont fréquents jusqu'à 30 MHz. On dit alors que les bandes hautes sont "ouvertes". Par contre, aux creux des cycles, il ne faut pas que les photons soient trop 'énergiques' si l'on souhaite qu'ils rebondissent vers le sol pour favoriser le DX. Les 20/17 mètres sont souvent la frontière supérieure.

Conclusion 2: Il est possible de faire du DX aux creux des cycles, mais ce sera via les bandes basses. Des fréquences trop élevées produiront des photons qui traverseront facilement le miroir (devenu poreux) et se perdront dans l'espace.

Une dernière conclusion: Pourquoi une augmentation de puissance pour une fréquence fixe favorise-t-elle les contacts, puisque cette augmentation ne change rien à l'énergie de chaque photon? Ma 'spéculation' est qu'en augmentant la puissance, on augmente le nombre de photons émis par unité de temps, donc on aura plus de "chance" d'être entendu à l'autre bout.

Voilà, et commentez si vous le souhaitez.

On dit souvent qu'il n'y a pas de propagation. C'est faux. Les ondes se propagent toujours de la même manière en ligne droite quelle que soient les périodes. Ce qui change, ce sont les conditions de réfractions ou de réflexions.

[VE2LH Sylvain]

Salut Pierre,
Il y a deux façons de considérer les ondes radio: ondulatoires et particules.

Je préfère le modèle ondulatoire. Je connais peu de chose des particules...
Dans ce cadre, la réfraction de l'ionosphère s'explique par la différence de vélocité d'une onde par rapport à sa position dans l'ionosphère. Lors d''une réfraction, l'onde qui voyage à une altitude supérieure est plus rapide que celle qui navigue à une altitude plus faible. D'où la courbure de l'onde se propageant (E X H) et son retour vers la terre.

Je n'ai jamais rencontré d'explications par le modèle de particules.

Y-a-til un physicien qui pourrait nous éclairer?

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Sylvain

[VE2PID Pierre]

Salut Sylvain ...

Effectivement, il y a deux approches: Le corpusculaire et l'ondulatoire. Ce qui est encore plus déroutant, c'est que les deux points de vue seraient valables simultanément. L'énergie est aussi bien une onde qu'une corpuscule (dixit A Einstein ...).

Pour ce qui est de l'approche photons, la 'bible' des Antennes (Antennas 3e éd 2002 de John D. Kraus W8JK) présente le sujet dans cette page que je reproduit ici. Phrases-clé: "... Antennas convert electrons to photons or vice-versa... radiation is produced by accelerated (or decelerated) charge." Noter aussi en bas de page la note 1 où l'équation E=hf dit bien que l'énergie est fonction de la fréquence.

Une particule accélérée (ou ralentie) produit de l'énergie qui est transmise sous forme de photons.



Pour lire le chapitre duquel c'est tiré, voir:

http://pages.videotron.ca/ve2pid/sample_chapter.pdf

...

[VE2LH Sylvain]

Pierre,

Merci pour l'information. Les électrons qui sont changés en photons... jamais entendu parler. De toutes évidences ça manquait à ma culture!

Un truc que je me souviens: l'énergie est une abstraction. Cela ne se mesure pas. Seulement la puissance (qui est manifestation de cette abstraction) est mesurable: (E X H).  Je ne vois pas comment la magnitude du vecteur de Poynting dépend de la fréquence...

Sylvain
PS Le chapitre  me rappelle les explications du Pr Nachman. Il nous expliquait qu'une antenne est un adapteur d'impédance entre l'impédance du guide d'ondes  et l'impédance de l'air libre.

[VE2PID Pierre]

Je ne vois pas comment la magnitude du vecteur de Poynting dépend de la fréquence...

Concernant le vecteur de Poynting, la page 15 (équation 2) du document de Kraus montre que son module S(θ,ϕ) est directement proportionnel à l'intensité (puissance) du champs E.
De plus en page 12, on dit bien que le " ... radiated power is proportionnal to the square of IL or Qv."
Or v est l'accélération de la charge qui est elle-même évidemment reliée et directement proportionnelle à la fréquence.

Donc, le module (ou l'intensité) du vecteur de Poynting est proportionnel à la fréquence.

Tout se tient ... 

[VE2LH Sylvain]

Pierre,
Ok mais ça tient pour une longueur donné.

IL=QV

Dans la réalité disons que l'on utilise une antenne résonnante (dipole):
Si on double la fréquence, I double. Cependant, L diminue de moitié. Le produit IL est le même.



Sylvain

[VE2PID Pierre]

Si on double la fréquence, I double. Cependant, L diminue de moitié. Le produit IL est le même.

... Pas sûr de bien comprendre ?

En utilisant une simulation via EZNEC+, et en prenant comme départ un dipôle résonnant à 14,45 MHz (longueur de 10,1895 m), pour une injection de 1A au centre, le courant suit une demi-sinusoide. Au centre, le courant est de 1 A, au milieu des branches de 0,64 A et aux extrémités de 0,09 A.

Ensuite, si je double la fréquence (à 28,9 MHz), et simule un dipôle résonnant à cette nouvelle fréquence, l'injection restant à 1 A , alors au centre, le courant est toujours de 1A, au milieu des branches et aux deux bouts, le courant est exactement le même (à des poussières-près.

[VE2LH Sylvain]

Pierre,
IL=QV
I = time-changing current, A s−1
L'équation du livre de Krauss réfère à un courant en A/s (Ampère par seconde) pas en Ampère.

Tu as changé la fréquence mais tu as gardé le courant I (en ampère/s) constant.

Sylvain
PS Tu me fais travailler :-) . Je me souviens que le vecteur de Poynting ne dépend pas de la fréquence mais je serai incapable maintenant d'en faire la démonstration....

[VE2PID Pierre]

... Mon argument est que pour une même injection de courant, l'intensité du photon (ou l'énergie contenue) augmente avec la fréquence. C'est en accord avec E=hf
Pour ce qui est des "par seconde", si on prend le côté droit de l'équation IL=QV, le terme QV va obligatoirement augmenter avec la fréquence pour une même charge (ampérage constant). V est l'accélération de la charge par seconde² qui sera plus élevée en montant en fréquence.
C'est aussi cohérent avec ce que la modélisation donne.

.... and the radiated power is proportional to the square of IL or QV ...

PS: Faire une recherche à savoir si le module du vecteur de Poynting dépend de la fréquence donne des réponses variées (oui ou non selon le point de vue). Et c'est complexe à démêler !
Mais pour en revenir au début, c'était une tentative pour expliquer avec une approche corpusculaire ce que l'on constate en 'propagation'. Je ne prétends aucunement que ma 'théorie' est valable ... 

[VE2LH Sylvain]

Pierre,
Recherche sur le web quelle est l' expression de puissance irradiée par une antenne dipole.

Elle est fonction de L la longueur, au numérateur et de lambda au dénominateur. Pour une antenne résonnante, le quotient L/lambda est constant (.5).
Bref, un dipole demi-onde, quelque soit sa fréquence de résonnance, aura la même puissance irradiée si alimenté par une même source de courant.

Maintenant prenons la même dipole et multiplions la fréquence en 2. l'impédance sera très élevée. Si tu injectes 1 ampère tu auras Ri2. Plus de puissance irradiée que dans le cas d'une demi-onde car R est très élevé.

Maintenant si tu multiplies la fréquence par 3, l'impédance diminue par rapport au cas précédent. Si tu injectes 1 ampère tu auras une puissance plus faible.

Je ne vois pas en quoi la puissance émise est proportionnelle à la fréquence. Peut-être que l'énergie l'est mais pas la puissance.

J'ai l'impression que l'expression IL est valide pour des antennes très courtes par rapport à la longueur d'ondes. Pour des antennes plus longues, il faut intégrer la somme des IL.

Sylvain

[VE2PID Pierre]

Sylvain, tout ce que mentionnes dans le message précédent est exact. Je l'ai vérifié en modélisation et c'est corroboré par de nombreuses équations dans Kraus et ses centaines de pages.
***
Mais je constate que la discussion a dévié (subtilement) vers un autre sujet. Au départ, je mentionnais que ce sont des photons qui sont émis par toute antenne, et que chaque photon a une énergie propre qui n'est fonction que d'un seul paramètre: La fréquence d'émission. Plus on monte en fréquence, plus chaque photon individuel a de l'énergie. C'est une loi de la nature E=hf, un fait indéniable.

La dérivation a été de déduire que le champ EM créé par la synthèse du vecteur de Poynting aurait le même comportement. Il ne faut pas conclure à priori qu'avec des photons plus énergisés, le champ EM sera obligatoirement plus intense. Pour reprendre ton point de vue, il est même possible qu'il soit indépendant de la fréquence ...

Ce vecteur est en fait le résultat d'un produit vectoriel des champs E et de H. Son module dépend directement des modules de E et de H. La meilleure réponse (à mon avis) que j'ai trouvée sur le web est très logique: Poynting sera dépendant de la fréquence dans la mesure où E et H le sont:

The Poynting vector is NOT the momentum density of the field. It is the intensity and represents the energy per unit time per unit area transmitted by the fields. It depends on the frequency only to the extent that E and B do. As usually used, the Poynting vector is averaged over time, much like the power in an AC circuit, so any frequency dependence averages out.

Référence: https://www.physicsforums.com/threads/is-the-poynting-vector-frequency-dependent.402264/

Finalement, il n'y aurait possiblement pas d'incompatibilité entre des photons à énergie variable d'une part, et d'autre part 'invariance' ou non du module de Poynting peu importe la fréquence (pour une même injection de signal en Ampère).

[VE2LH Sylvain]

Pierre,

Oui. Je suis bien d'accord avec toi.

Au plaisir,

Sylvain