Une introduction la physique des ondes radio - WNDW

1 2 Une introduction laphysique des ondes radioLes communications sansfil font usage d ondes lectromagn tiques pourenvoyer des signaux sur de longues distances. Du point de vue de l usager,les connexions sansfil ne sont pas particuli rement diff rentes de cellesd autres connexions de r seau: votre navigateur Internet, courriel et autresapplications fonctionnent toutes de la m me fa on. Mais les ondes radio ontcertaines propri t s inattendues compar es au c ble Ethernet. Par exemple,il est tr s facile de voir le chemin pris par le c ble Ethernet: localisez la prisesortant de votre ordinateur, suivez le c ble jusqu l'autre extr mit , et vousl'aurez trouv ! Vous pouvez aussi tre certain que de faire fonctionnerplusieurs c bles Ethernet c t les uns des autres ne causera pas de pro-bl mes, puisque les c bles conservent efficacement leurs signaux au sein dufil lui-m comment pouvez-vous savoir o vont les ondes manant de votre cartesansfil?

2 Que se produit-il quand ces ondes rebondissent sur des objetsdans la salle ou sur d'autres b timents s il s agit d un lien ext rieur? Com-ment plusieurs cartes sansfil peuvent-elles tre employ es dans le m mesecteur sans interf rer les unes avec les autres?Afin de construire des liens sansfil stable et haute vitesse, il est importantde comprendre comment les ondes radio se comportent dans le monde r el. Qu'est qu'une onde?Nous connaissons tous des vibrations ou des oscillations prenant diversesformes: un pendule, un arbre balan ant dans le vent, la corde d'une guitaresont tous des exemples d qu'ils ont en commun est que quelque chose, un certain milieu ou un ob-jet, se balance d'une fa on p riodique, avec un certain nombre de cycles parunit de temps. Ce genre d onde est parfois appel une ondem canique,puisqu'elle est d finie par le mouvement d'un objet ou de son milieu de telles oscillations voyagent (c'est- -dire, quand l'oscillation nereste pas attach e un endroit) nous parlons alors d ondes sepropageantdans l'espace.

3 Par exemple, un chanteur cr e des oscillations p riodiquesdans ses cordes vocales. Ces oscillations compriment et d compriment p ri-odiquement l'air, et ce changement p riodique de pression atmosph riqueabandonne alors les l vres du chanteur pour entreprendre un voyage, lavitesse du son. Une pierre plongeant dans un lac cause une perturbation, quivoyage alors travers le lac comme une onde a une certainevitesse,fr quenceetlongueur. Celles-ci sontunies par une simple relation: Vitesse = Fr quence * Longueur d ondeLa longueur d'onde (parfois nomm lambda, ) est la distance s parantdeux cr tes successives d une onde p riodique. La fr quence est le nombred ondes enti res qui passent par un pointfixe en une seconde. La vitesse estmesur e en m tres/secondes, la fr quence est mesur e en cycles par sec-onde (ou Hertz, abr g Hz), et la longueur d'onde est mesur e en m exemple, si une onde voyage sur l'eau un m tre par seconde, et oscillecinq fois par seconde, alors chaque onde aura une longueur de vingt cen-tim tres:1 m tre/seconde = 5 cycles/seconde * O = 1/5 m tresO = 0,2 m tres = 20 cmLes ondes ont galement une caract ristique nomm eamplitude.

4 Celle-ciest la distance entre le centre d une onde et l extr mit d une de ses cr tes,pouvant tre illustr e comme tant la hauteur d une vague d eau. La rela-tion entre fr quence, longueur d onde et amplitude est illustr e par la est facile d apercevoir des ondes sur l'eau. Laissez simplement tomber unepierre dans un lac et vous pouvez voir les vagues pendant qu'elles se d pla-cent sur l'eau avec le temps. Dans le cas des ondes lectromagn tiques, cequi pourrait tre plus difficile comprendre est: qu est ce qui est en traind osciller? .10 Chapitre 2: Une introduction la physique des ondes radioAfin de comprendre ceci, nous devons en premier lieu comprendre les forces lectromagn d'onde ( )Longueur d'onde ( )Temps: 1 secondeFigure : Longueur d'onde, amplitude, et fr quence. Pour cette onde, la fr quenceest de 2 cycles par seconde, ou 2 lectromagn tiquesLes forces lectromagn tiques sont les forces entre les charges lectriqueset les courants.

5 Nous y sommes d j habitu s par exemple lorsque notremain touche une poign e de porte apr s avoir march sur un tapis synth -tique, ou lorsque nous fr lons une barri re lectrique. Un exemple plus fortdes forces lectromagn tiques est la foudre que nous voyons pendant lesorages. Laforce lectriqueest la force entre les charges lectriques. Laforce magn tique est la force entre les courants lectrons sont des particules qui portent une charge lectrique n existe aussi d'autres particules, mais les lectrons sont responsables del'essentiel de ce que nous devons conna tre sur la fa on dont les ondes radiose ce qui se produit sur un morceau defil de fer droit dans lequelnous enfon ons les lectrons d un c t puis de l autre, p riodiquement. uninstant donn , le dessus dufil est charg n gativement - tous les lectrons ysont recueillis.

6 Ceci cr e un champ lectrique du positif au n gatif le long dufil. l'instant suivant, les lectrons ont tous t conduits l'autre extr mit ,et le champ lectrique va dans l'autre sens. Lorsque ceci se produit plusieurs reprises, les vecteurs de champ lectrique (fl ches du positif aun gatif) abandonnent lefil de fer, pour ainsi dire, et sont irradi s en-dehors,dans l'espace autour du que nous venons de d crire est connu sous le nom de dip le (en raisondes deux p les, le plus et le moins), ou plus commun mentantenne dip le. Chapitre 2: Une introduction la physique des ondes radio 11C'est la forme la plus simple d'antenne omnidirectionnelle. Le mouvement duchamp lectrique est g n ralement nomm onde lectromagn la relation:Vitesse = Fr quence * Longueur d ondeDans le cas d ondes lectromagn tiques, la vitesse est la vitesse de la lu-mi re, not e = 300 000 km/s = 300 000 000 m/s = 3*108 m/sc = f * Les ondes lectromagn tiques sont diff rentes des ondes m caniques en cequ elles ne requi rent aucun medium pour se propager.

7 Les ondes lectro-magn tiques peuvent m me se propager travers le vide de l de dixEn physique et en math matiques, il est souvent question de puissances dedix pour exprimer les nombres. Nous utiliserons galement ces termes, parexemple dans le gigahertz (GHz), les centim tres (cm), les microsecondes( s), et ainsi de suite. Voici un petit rappel sur les puissances de dix:Puissances de dixNano-10-91/1000000000nMicro-10-61/100 0000 Milli-10-31/1000mCenti-10-21/100cKilo-10 31 000kMega-1061 000 000 MGiga-1091 000 000 000 GEn connaissant la vitesse de la lumi re, nous pouvons calculer la longueurd onde pour une fr quence donn e. Prenons par exemple la fr quence duprotocole de r seautage sans fil , qui est:12 Chapitre 2: Une introduction la physique des ondes radiof = 2,4 GHz = 2 400 000 000 cycles / secondeLongueur d'onde lambda ( ) = c / f = 3*108 / 2,4*109 = 1,25*10-1 m = 12,5 cmLa fr quence et la longueur d onde d terminent globalement le comporte-ment d une onde lectromagn tique: des antennes que nous construisonsaux objets qui se trouvent dans le chemin des r seaux que nous auront un impact sur les diff rents standards que nouspouvons choisir.

8 Il est donc tr s utile de comprendre les id es de base con-cernant la fr quence et la longueur d onde pour entreprendre le travail dansle domaine du sans fil. PolarisationUne autre caract ristique importante des ondes lectromagn tiques est lapolarisation. La polarisation d crit la direction du vecteur de champ vous imaginez une antenne dip le align e verticalement (le morceau droitdufil), les lectrons se d placent seulement vers le haut et vers le bas, maisnon vers les c t s (parce qu'il n'y a aucun espace pour se d placer) et leschamps lectriques pointent donc uniquement vers le haut ou vers le bas,verticalement. Le champ abandonnant lefil et voyageant comme une onde aune polarisation strictement lin aire (et dans ce cas-ci, verticale). Si nousmettions l'antenne plat sur le sol (de fa on horizontale), nous trouverionsune polarisation lin aire de propagationChamp magn tiqueChamp lectriqueFigure : Les deux composantes compl mentaires d'une onde lectromagn tique:son champ lectrique son champ magn tique.

9 La polarisation d crit l'orientation du champ lectrique. Chapitre 2: Une introduction la physique des ondes radio 13La polarisation lin aire n est qu un cas particulier, et n'est jamais aussi par-faite: en g n ral, il y aura toujours certaines composantes du champ pointantaussi vers d'autres directions. Le cas le plus typique est la polarisation ellip-tique, avec les extr mes des polarisations lin aires (seulement une direction)et circulaires (les deux directions force gale).Comme nous pouvons l imaginer, la polarisation devient importante au mo-ment d aligner les antennes. Si vous ignorez tout de la polarisation, vouscourrez le risque d obtenir un tr s faible signal m me avec la plus puissantedes antennes. On dit alors que cette polarisation est en d s quilibre (mis-match polarization en anglais). Le spectre lectromagn tiqueLes ondes lectromagn tiques utilisent un large ventail de fr quences (et,en cons quence, de longueurs d' ondes ).

10 Nous nommons cette gamme defr quences et de longueurs d' ondes , lespectre lectromagn tique. La par-tie du spectre la plus connue par les humains est probablement la lumi re, lapartie visible du spectre lectromagn tique. La lumi re se trouve approxima-tivement entre les fr quences de 7,5*1014hertz et 3,8*1014hertz, correspon-dant aux longueurs d' ondes comprises entre 400 nm (violet/bleu) 800 nm(rouge).Nous sommes galement r guli rement expos s d'autres r gions du spec-tre lectromagn tique, y compris leCA(courant alternatif) ou r seau lectri-que 50/60 hertz, rayons X, rayonnement Roentgen, ultraviolet (du c t desfr quences plus lev es de la lumi re visible), infrarouge (du c t des plusbasses fr quences de la lumi re visible) et plusieurs autres. Laradioest leterme utilis pour la partie du spectre lectromagn tique dans lequel desondes peuvent tre produites en appliquant le courant alternatif une an-tenne soit une plage allant de 3 hertz 300 gigahertz, mais dans un sensplus troit du terme, la limite sup rieure de fr quence serait 1 nous parlons de radio , la plupart des gens pensent la radio FM,qui utilise une fr quence d autour de 100 MHz.