Les hyperfréquences : propriétés et applications

A. Le domaine hyperfréquence ou micro-onde

Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ? C'est la propagation, à la vitesse de la lumière, d'une déformation harmonique des propriétés électriques et magnétiques de l'espace. L'amplitude de cette déformation est ce que l'on appelle la longueur d'onde. On définit également une onde par sa fréquence, c'est-à-dire le rapport entre sa vitesse et sa longueur d'onde. La fréquence (en Hertz) représente la quantité d'ondes passant en un point donné en une seconde.

La figure I-1 décrit les différentes radiations du spectre électromagnétique. Leur dénomination tient à des raisons historiques mais également à la façon dont elles ont été générées. Les frontières entre les différentes radiations sont toutes artificielles. En allant des ondes radio vers les rayons gamma, la longueur d'onde devient plus courte (les ondes deviennent plus pénétrantes), la fréquence augmente (les oscillations nécessaires pour les produire deviennent plus rapides), et l'énergie devient plus élevée (cela demande plus d'énergie pour produire des rayons gamma que cela n'en demande pour les ondes radio). Notons qu'au-delà des rayons gamma se trouvent les rayons cosmiques dont la longueur d'onde est de l'ordre de 10³⁰ Hertz.

Intéressons nous plus en détail au domaine qui nous concerne, celui qui se situe à cheval entre les ondes radio et l'infrarouge : le domaine micro-onde. Bien que la définition du domaine des micro-ondes puisse prêter à contestation, nous le situerons comme appartenant à une bande de fréquences comprises entre 300 MHz et 300 GHz, soit des longueurs d'onde dans l'air ou le vide comprises entre 1 m et 1 mm. Analysons la place qu'occupent les micro-ondes dans le spectre des fréquences des ondes électromagnétiques. On peut y distinguer trois zones pour lesquelles ces ondes, pour être de même nature, ne se distinguent pas moins dans leur manifestation physique. De ce fait, le paramètre d'usage pour caractériser les ondes en question peut varier. De la fréquence de distribution de l'énergie électrique (50 Hertz) jusqu'à celle des télécommunications, on utilise effectivement le terme de fréquence. Dans le domaine de l'infrarouge et de l'optique en revanche, jusqu'aux rayons X, c'est la longueur d'onde dans le vide que l'on considère. Enfin, l'énergie quantique associée à l'onde est plus volontiers utilisée pour caractériser les rayonnements ionisants.

A ces trois domaines, sont bien sûr associées deux frontières qui, loin d'être des ruptures, sont de larges zones de recouvrement. En effet, de même que l'ultraviolet et les rayons X relèvent de la double description de l'optique et des rayonnements ionisants, les micro-ondes se situent à une autre frontière, celle des ondes électriques et de l'optique. Cette double appartenance confère aux micro-ondes une richesse particulière : des caractéristiques électriques pour leur production par exemple, des propriétés qui relèvent de l'optique pour leur propagation.

L'image populaire des micro-ondes restera sans doute celle du four du même nom apparu en 1950 dont le principe est de générer des ondes capables de faire vibrer des molécules d'eau assez rapidement pour les échauffer (L'interaction des micro-ondes avec la matière est largement dominée par le mécanisme d'absorption diélectrique, celle-ci étant due aux interactions entre les molécules ou éléments polaires). Ainsi seul les aliments contenant de l'eau sont concernés [1]. Ces fours fonctionnent dans la gamme de fréquence 915 MHz -2,45 GHz.

Les différentes sources de génération d'ondes électromagnétiques sont illustrées sur la figure I-1. Les micro-ondes peuvent quant à elles être créées par le mouvement des électrons dans une petite boîte en métal sous vide. C'est ce qu'on appelle un magnétron, élément présent dans tous les fours micro-ondes.

Un découpage plus précis du domaine hyperfréquence a été réalisé : ce sont les bandes IEEE (Institute of Electrotechnical and Electrical Engineers) données par le tableau I-1. Notons qu'il existe d'autres désignations, moins utilisées, comme celles du département de la défense américaine.

 

B. Particularités des ondes hyperfréquences

Mais pourquoi utiliser des micro-ondes pour les télécommunications et la détection ? Les diverses raisons, qui incitent à l'utilisation d'ondes courtes, peuvent être illustrées par l'exemple de la détection radar [2], dont le principe est d'illuminer une "cible" par des impulsions électromagnétiques pour en récupérer l'écho. Tout d'abord, il y a la concentration de l'énergie rayonnée : plus la longueur de l'onde est faible par rapport aux dimensions de l'aérien, plus le faisceau est étroit, c'est-à-dire meilleure est la directivité de l'onde et donc sa "précision". Le second point a été évoqué précédemment : des obstacles ne peuvent être détectés que si leurs dimensions sont au moins comparables à la longueur d'onde, sinon, l'énergie rayonnée devient trop faible. Pour déceler des éléments petits, les micro-ondes sont donc très appropriées. D'une façon générale, les micro-ondes sont appréciées pour leur large bande passante, leur résolution spatiale élevée et leur grande immunité aux interférences.

Toutefois, une conséquence pratique importante de l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière et les différents composés de l'atmosphère est que, seuls certains domaines d'ondes peuvent pénétrer facilement l'atmosphère. Ces régions sont appelées des fenêtres atmosphériques. La figure I-2 illustre cette absorption pour différentes longueurs d'ondes dans l'atmosphère. Ces fenêtres correspondent aux régions où l'altitude de demi-absorption (ou l'atténuation) de l'atmosphère est très faible. Les fenêtres dominantes dans l'atmosphère sont dans le domaine visible, le domaine radio et micro-onde, alors que les rayons X et ultraviolet sont fortement absorbés, et les rayons gamma et l'infrarouge le sont un peu moins.

figure I-2 : absorption des ondes électromagnétiques par l'atmosphère.

Les micro-ondes apparaissent donc comme très intéressantes pour les télécommunications, la détection, etc. Soulignons toutefois que ce domaine possède ses propres fenêtres atmosphériques, données en médaillon de la figure I-2. Ces fenêtres vont déterminer les fréquences utilisées pour diverses applications.

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Chapitre II