Station d'émission-réception expérimentale           F6CRP   IN96KE        46°11'02" N  - 1°09'57" W


Le NVIS ou Near Vertical Incidence Skywave


Version 01 - 18/04/2004



La problématique : 


Le NVIS ou Near Vertical Incidence Skywave que l'on pourrait traduire par Onde de Ciel à Incidence Quasi Verticale est avant tout un concept qui vise à éliminer la zone de silence existante quand une communication est établie en utilisant l'onde de ciel et que les stations distantes sont hors de portée de l'onde de sol. Voici un schéma très classique que nous connaissons bien et qui est le reflet (très schématisé) d'une liaison HF. On utilise une couche ionisée pour réfracter un signal incident émanant d'une antenne, cette antenne ayant son lobe de rayonnement principal à une certaine élévation au-dessus de l'horizon. Pour le trafic longue distance, on cherche à produire un angle aussi faible que possible. 

L'antenne créée une onde de sol utilisable sur quelques dizaines de km et une onde de ciel utilisable cette fois à quelques centaines de km. 

Le problème vient de la zone comprise entre la fin de l'onde de sol et le début de l'onde de ciel, il existe en effet une zone d'ombre dans laquelle aucune réception n'est possible. Cette zone, comme le montre l'image, est variable, l'angle de départ de l'antenne constituant un élément majeur. 

Ci-contre la trace au sol.



NVIS : La théorie :

Le concept vise à rayonner de l'énergie ayant une fréquence inférieure à la fréquence critique à un angle très élevé, proche de la verticale (entre 75 et 85°). 

Le signal est réfracté par la couche F et couvre la zone de skip. Le NVIS a été étudié puis expérimenté avec rigueur par l'armée américaine au Vietnam. 

On note cependant que l'armée allemande en 1940 utilisait déjà ce concept pour ses communications tactiques, cette dernière assertion est basée sur l'étude de photographies de véhicules de commandement allemands. 

Le bilan de liaison sera d'autant favorable que les deux installations distantes seront caractérisées NVIS.




Fréquence critique :

Avant d'aborder quelques considérations pratiques, il est nécessaire de revenir sur la notion de fréquence critique.

 - l'indice de réfraction est proportionnel à la concentration d'électrons
 - l'indice de réfraction est inversement proportionnel à la fréquence de l'onde transmise.

L'ionisation de l'ionosphère se réalise sous forme de plusieurs strates plus ou moins horizontales, la densité électronique et donc l'indice de réfraction varient en fonction de la hauteur.

La fréquence à laquelle une onde électromagnétique  pénètre  la couche et n'est plus réfractée est appelée Fréquence critique. La fréquence critique se détermine par la relation :

 
Avec Fc en Hz, Ne concentration électronique par m3.
Cette relation qu'il n'est vraiment pas important de retenir montre toutefois que plus l'ionisation croît (forte période d'activité solaire), plus la fréquence critique croît.


D'une manière schématique :

Toute fréquence au-dessus de Fc pénétrera la couche sans être réfractée
Toute fréquence en dessous de Fc sera réfractée 



Choix de la fréquence :

D'après ce qui vient d'être écrit plus, il est évident que ce concept ne fonctionne que dans la mesure ou l'onde émise retourne sur terre, pour ce faire il faut donc choisir soigneusement la fréquence d'établissement de la liaison. 

D'une manière très schématique, on pourra dire qu'en cours de journée la bande adaptée sera celle des 40 m et le soir il sera préférable d'utiliser le 80m. 

Cette carte disponible sur Internet, fournit toutes les heures une image de la fréquence critique. Cette dernière sera indiquée comme étant fcF2.

Rappelez-vous que la fréquence critique est mesurée pour un signal envoyé verticalement, ce qui ne sera pas tout à fait le cas du NVIS, on dispose donc d'une marge de manoeuvre vis à vis des informations affichées.


Cliquer ici pour obtenir la carte actualisée


Mise en oeuvre :

Cette dernière est très simple et consiste seulement à installer l'antenne qui est souvent un vulgaire dipôle demi-onde à une hauteur par rapport au sol très faible. D'ailleurs on préférera s'exprimer en longueur d'onde. Les simulations et retours d'expérience dans le domaine font état d'une hauteur optimale comprise en 0,1  et 0,2 l.
  

Hauteur au-dessus du sol en mètres en fonction de la longueur d'onde
  40 80
0,1  l 4 m 8 m
0,2 l 8m  16 m

A la lecture de ce tableau, on s'aperçoit que beaucoup d'amateurs pratiquent le NVIS sans le savoir... Ce n'est d'ailleurs pas forcément un inconvénient majeur car comme nous le verrons, il est souhaitable que les deux stations d'une liaison point à point soient configurées NVIS pour obtenir le meilleur signal possible.



Simulations du dipôle demi-onde à différentes hauteurs :



               
Figure 1 Figure 2 Figure 3

Ci-dessus un dipôle demi-onde placé à 0,5  l, l'angle de rayonnement maximum est bas sur l'horizon ce qui favorise les liaisons longues distances.

Le même dipôle est abaissé à une hauteur équivalente à 0,25  l. On note que les lobes s'élèvent sensiblement.   

Le dipôle est maintenant placé à 0,12  l. Le rayonnement est maintenant orienté principalement vers les angles élevés favorables au NVIS.      

Tout le secret du NVIS réside ici, placer l'antenne à une hauteur faible au-dessus du sol de manière à obtenir un lobe de rayonnement maximal orienté vers le haut. On comprend aussi que le système fonctionne d'autant mieux que les deux composantes de l'installation (les deux stations) sont optimisées pour ce type de trafic. Si votre correspondant émet avec un angle d'incidence élevé et que vous ayez de votre côté un angle d'incidence faible, (cas entre figure 1 et 3), le signal n'aura pas l'amplitude maximum chez vous, loin s'en faut.


Quelques remarques :

Le NVIS comme le reste d'ailleurs est fonctionnellement dépendant de trois critères :
 - Le niveau de puissance de l'émetteur
 - La fréquence utilisée 
 - L'antenne utilisée et sa hauteur au-dessus du sol

Il semble d'après les nombreuses expérimentations menées dans le domaine amateur que le critère le plus important soit le choix de la fréquence. Cette dernière en fonction de l'heure et de l'ionisation (voir les données SFI) peut évoluer entre 2 et 10 MHz. Concernant les antennes, les amateurs américains ont expérimenté tout et n'importe quoi, il arrive fréquemment de voir des dipôles placés à 40 cm centimètres du sol. 
 Si une telle configuration est envisageable dans le cadre de situations d'urgence, elle n'est pas optimum pour une exploitation continue en station fixe.

Sur cette image est reporté le gain en fonction de la distance par rapport au sol notée en longueur d'onde, la hauteur de 0,1 l semble être un excellent compromis entre gain et commodité d'installation.
Cette vue présente l'angle de rayonnement maximal en fonction de la distance par rapport au sol notée en longueur d'onde. 0,25 l semble représenter la limite supérieure à ne pas dépasser sous peine de voir le lobe s'aplatir inconsidérément.

Avantages du NVIS :
  • couvre une zone normalement qui reçoit ni l'onde de ciel ni l'onde de sol.
  • est très facile à mettre en oeuvre avec des moyens matériels limités (antenne à proximité du sol)
  • peu sujet au QSB (pas de problème avec les trajets multiples)
  • contournement du problème du relief, on peu le pratiquer depuis le fin fond d'une vallée
  • réduction du bruit, rapport signal sur bruit nettement amélioré du fait de l'angle d'incidence élevé en réception
Inconvénients du NVIS :
  • nécessité pour un bilan de liaison optimal d'utiliser deux stations NVIS
  • limité en fréquence (2-10 MHz max), il faut choisir soigneusement sa bande de fréquence

 


Note pour les opérateurs pratiquant le mobile :

Il est tout à fait possible de pratiquer le NVIS avec une installation mobile, la seule contrainte consiste à faire basculer le fouet en position horizontale (ce qui interdit le trafic roulant). Cette disposition est fréquemment utilisée par l'armée américaine.


Et pour conclure ...

Vous avez peut-être découvert pourquoi vous receviez magnifiquement bien les stations françaises sur 40 m et pratiquement jamais autre chose... Hormis l'anecdote, les contraintes environnementales, plus particulièrement en milieu urbain, font qu'il n'est pas toujours aisé d'installer les antennes pour les bandes basses à des hauteurs favorisant des angles de rayonnement bas sur l'horizon. Il est alors utile de bien comprendre comment se produit le rayonnement, c'est aussi peut-être l'occasion d'essayer une antenne verticale.


 

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