Les ondes électromagnétiques

Le spectre des ondes électromagnétiques

A) Une brève histoire des télécommunications

L’histoire des télécommunications a commencé avec le télégraphe optique de Claude Chappe en 1794 : deux tours d’observations éloignées de plusieurs dizaines de kilomètres s’échangent des messages codés par les différentes positions d’un bras articulé placé en haut de la tour.

Vers la fin du XIX^e siècle, le physicien allemand Heinrich Hertz développe la transmission d’informations sans fil grâce à la découverte de l’existence des ondes électromagnétiques. Ensuite, la radio s’est développée, suivie par la télévision, les deux recevant des ondes sans fil.

Depuis le début du XXI^e siècle, l’évolution des communications sans fil s’est poursuivie, d’abord avec le téléphone mobile, puis avec le Wi-Fi grâce auquel nos ordinateurs communiquent. L’Internet des objets est en pleine explosion et envahit notre quotidien.

B) Les domaines fréquentiels

a) Définitions

La fréquence d’une onde électromagnétique est notée ν (« nu ») ou f. Elle s’exprime en hertz (Hz).

La période T, exprimée en seconde (s), est l’inverse de la fréquence : $T=\frac{1}{\nu }$.

La longueur d’onde λ (« lambda ») est la distance en mètre parcourue par l’onde en une période T. Si le milieu de propagation est le vide, elle est notée λ₀ :

On peut aussi écrire, avec la fréquence ν exprimée en hertz (Hz) : ${\lambda }_0=\frac{c}{\nu }$.

Exemple

Une station radio de la bande FM émet sur la fréquence de 103,5 MHz.

Dans l’air, la vitesse de propagation des ondes radio est très proche de celle observée dans le vide. La période sera $\text{T}=\frac{1}{\mathrm{103,5}\times {10}^6}=\mathrm{9,66}\text{ ns}$.

La longueur d’onde mesurera $\lambda =\frac{\mathrm{3,00}\times {10}^8}{\mathrm{103,5}\times {10}^6}=\mathrm{2,90}\text{ m}$.

b) Utilisation

Les domaines d’ondes électromagnétiques auxquels ont recours les télécommunications sont les ondes radioélectriques et les infrarouges :

les ondes radioélectriques occupent la bande de fréquence du spectre s’étendant de 30 kHz à 300 GHz (Giga = 10⁹). Cela correspond à des longueurs d’onde qui s’échelonnent de 1 mm à 10 km, soit un rapport de 10⁶. Cette bande de fréquence, bien que très large, est en pratique très encombrée ;

les infrarouges occupent la bande de fréquence du spectre s’étendant de 300 GHz à 380 THz (Téra = 10¹²), pour des longueurs d’onde allant de 800 nm à 1 mm.

La répartition sur une échelle de fréquence et de longueur d’onde est donc :

Le réseau 5G est disponible depuis 2020. Il a un débit 50 fois plus important que la 4G, avec un temps d’acheminement des données plus court qu’actuellement. La 5G occupe des bandes de fréquence entre 800 MHz et 56 GHz : l’atténuation des ondes avec la distance parcourue est plus importante.

La transmission d’informations

A) Préambule

Les ondes électromagnétiques, utilisées en télécommunications, se propagent dans l’air ou le vide à grande vitesse et servent de support à l’information à transmettre. Elles ne sont pas déformées lors de la transmission.

L’information à transmettre s’étend sur une bande B1 de fréquences composant le signal, qui peut être de nature variée : voix, sons captés par un microphone et numérisés, signal audio et vidéo de nature analogique ou numérique, etc.

La modulation consiste à transposer un signal de largeur de bande B1, représentant une information, vers un autre signal, dans un autre domaine de fréquences, sans modifier sensiblement l’information transportée. Cette information va alors être « portée » par une onde électromagnétique. Par exemple, dans le cas d’une modulation d’amplitude (voir juste après), on obtient :

B) L’onde modulée

Une onde peut être modifiée pour transporter une information : c’est alors une onde porteuse. L’émetteur modifie l’onde à l’aide d’un modem (modulateur démodulateur) qui la déforme soit en amplitude, soit en fréquence.

a) La modulation d’amplitude

b) La modulation de fréquence

c) Exemple : la modulation d’un signal électrique délivré par un microphone

Voici la chaîne complète : l’émetteur module le signal électrique délivré par un microphone avant de l’émettre sous forme d’une onde radio. Cette onde radio est captée par un récepteur qui va démoduler le signal et le transmettre à un haut-parleur.

Utilisation des courants porteurs des prises électriques

C) La dimension des antennes utilisées

La taille L des antennes de smartphone est en général voisine du quart de la longueur d’onde reçue ou émise : L = λ/4. Dans le cas d’une onde utilisée en 4G de fréquence f = ν = 2 600 MHz, la longueur d’onde vaut λ = $\frac{\text{c}}{\nu }$ = $\frac{\mathrm{3,00}\times {10}^8}{2600\times {10}^6}=\mathrm{0,115}\text{ m}$. L’antenne aura donc une taille voisine de 3 cm.

Les antennes en 5G sont plus petites que celles utilisées pour la 4G.