Introduction : communiquer en utilisant la Lune comme réflecteur
Établir une liaison radio en faisant rebondir ses ondes sur la Lune peut sembler relever de la science-fiction. Pourtant, cette technique, appelée EME (Earth-Moon-Earth) ou Moonbounce, est pratiquée depuis plusieurs décennies par les radioamateurs.
Si les bandes 144, 432 et 1 296 MHz sont les plus connues pour cette activité, la bande des 10 GHz (3 cm) présente un intérêt particulier : elle permet d’expérimenter les hyperfréquences, les antennes paraboliques à grand gain et la réception de signaux extrêmement faibles.
Mais comment débuter ? Quel matériel utiliser ? Quelle dimension de parabole choisir ? Et surtout, comment déterminer si une liaison est réalisable ?
Découvrons les principes essentiels avant de calculer un premier bilan de liaison.
1. Le principe d’une liaison EME
Une liaison EME utilise la surface lunaire comme réflecteur naturel.
Le signal radio parcourt environ 384 400 km jusqu’à la Lune, puis revient vers la Terre après réflexion. La distance totale approche donc 770 000 km, avec des variations liées à l’orbite lunaire.
À cette distance, le signal subit une atténuation considérable.
Sur 10 GHz, l’affaiblissement global du trajet EME est de l’ordre de 289 dB, dans des conditions géométriques moyennes.
Cette valeur tient compte de la réflexion lunaire et ne doit pas être confondue avec la simple perte en espace libre sur un trajet terrestre.
La réussite dépend principalement de quatre paramètres :
- La puissance effectivement rayonnée.
- Le gain des antennes d’émission et de réception.
- La sensibilité du système de réception.
- La précision du pointage vers la Lune.
Les modes numériques permettent aujourd’hui de décoder des signaux qui seraient pratiquement inaudibles en télégraphie ou en phonie.
Deux stations équipées de paraboles communiquent par réflexion sur la surface lunaire. Le schéma présente le trajet aller-retour et la distance parcourue.
2. Quelle fréquence utiliser ?
En Europe, les expérimentations EME sur cette bande se déroulent notamment autour de :
10 368 MHz (10,368 GHz).
Cette fréquence correspond à une longueur d’onde d’environ :
λ = 300 / 10 368 = 0,0289 m, soit 2,89 cm.
À cette longueur d’onde, une antenne parabolique relativement compacte peut produire un gain important.
Cependant, la stabilité en fréquence devient essentielle.
Un oscillateur insuffisamment stable peut provoquer une dérive compromettant le décodage des signaux faibles.
L’utilisation d’une référence GPSDO, ou d’un oscillateur de haute stabilité, constitue donc un avantage important.
3. Le matériel nécessaire pour débuter
Une station EME 10 GHz comprend plusieurs éléments.
L’antenne parabolique
Une parabole constitue généralement le meilleur compromis entre gain, dimensions et facilité de construction.
Voici quelques valeurs théoriques pour un rendement d’ouverture de 60 % :
| Diamètre | Gain approximatif |
|---|---|
| 60 cm | 34 dBi |
| 90 cm | 37 dBi |
| 120 cm | 40 dBi |
| 180 cm | 43 dBi |
| 240 cm | 46 dBi |
| 300 cm | 48 dBi |
Ces valeurs supposent une illumination correcte et une surface suffisamment précise.
Pour une première expérience en réception, une parabole de 90 à 120 cm représente une solution intéressante.
Pour envisager des contacts bilatéraux, une parabole de 180 à 240 cm offre davantage de possibilités.
Le système de réception
La chaîne de réception comprend généralement : Parabole → Source 10 GHz → LNA → Convertisseur → Récepteur SDR.
Le LNA (Low Noise Amplifier) doit présenter un facteur de bruit aussi faible que possible.
Une valeur inférieure à 1 dB constitue un objectif intéressant.
Il doit être installé au plus près de la source afin de limiter les pertes précédant l’amplification.
Un LNB satellite modifié et stabilisé peut également permettre de réaliser une première installation de réception.
Le système d’émission
Pour émettre, il faut ajouter :
- Un transverter adapté à 10 368 MHz.
- Un amplificateur de puissance hyperfréquence.
- Un dispositif de commutation émission/réception.
- Une protection efficace du préamplificateur de réception.
Une puissance de 10 à 50 W peut permettre des expérimentations sérieuses, selon le gain des antennes et les performances de la station correspondante.
À 10 GHz, les pertes dans les câbles deviennent importantes : l’amplificateur final doit idéalement être installé près de la source.
4. Le pointage : une difficulté majeure
La Lune possède un diamètre apparent d’environ 0,5°.
Or, une parabole de 2,4 mètres présente, à 10 GHz, une largeur de faisceau à mi-puissance d’environ 0,9°.
Une erreur de pointage de quelques dixièmes de degré peut donc réduire sensiblement le signal reçu.
Une installation performante nécessite :
- Une monture azimut/élévation.
- Un suivi précis de la position lunaire.
- Une correction régulière du pointage.
- Une mécanique suffisamment rigide.
La réception du bruit solaire peut servir à vérifier et optimiser l’alignement de l’antenne.
5. Calculer le bilan d’une liaison EME
Le bilan de liaison permet d’estimer la puissance reçue en fonction des caractéristiques des deux stations.
Une première approximation s’écrit :
Pr = Pt + Gt + Gr − L
Avec :
- Pr : puissance reçue en dBm.
- Pt : puissance émise en dBm.
- Gt : gain de l’antenne émettrice en dBi.
- Gr : gain de l’antenne réceptrice en dBi.
- L : affaiblissement global du trajet EME en dB.
Prenons un exemple théorique.
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Fréquence | 10 368 MHz |
| Puissance émise | 20 W |
| Puissance en dBm | +43 dBm |
| Parabole émission | 2,4 m |
| Gain émission | +46 dBi |
| Parabole réception | 2,4 m |
| Gain réception | +46 dBi |
| Affaiblissement EME | 289 dB |
Le calcul donne : Pr = 43 + 46 + 46 − 289
Soit : Pr = −154 dBm
La puissance reçue est extrêmement faible !
Il s’agit d’un bilan simplifié : les pertes de câbles, de pointage, de polarisation, les pertes atmosphériques et les variations de distance lunaire ne sont pas encore comptabilisées.
[ILLUSTRATION 2 — Bilan de liaison EME sur 10 GHz]
Légende : Schéma pédagogique présentant la puissance d’émission, les gains des deux paraboles, l’affaiblissement du trajet lunaire et la puissance reçue.
6. Le signal est-il décodable ?
La puissance reçue ne suffit pas à déterminer si une liaison est possible.
Il faut également connaître le bruit du récepteur.
La puissance de bruit thermique s’exprime par : N = −174 + 10 log₁₀(B) + NF
Avec :
- N : puissance de bruit en dBm.
- B : bande passante en Hz.
- NF : facteur de bruit du récepteur en dB.
Prenons une bande passante de 2 500 Hz et un facteur de bruit de 1 dB.
Nous obtenons : N ≈ −139 dBm
Avec un signal reçu de −154 dBm, le rapport signal/bruit est donc : SNR ≈ −15 dB
Ce résultat ne signifie pas nécessairement que la liaison est impossible.
Des modes numériques spécialisés, comme Q65, permettent de décoder des signaux présentant un rapport signal/bruit négatif.
Toutefois, les performances dépendent du sous-mode, de la durée d’intégration, de la stabilité du signal et des conditions réelles.
Le calcul précédent constitue donc une estimation, et non une garantie de décodage.
7. L’importance du Doppler
Le déplacement relatif de la Terre et de la Lune provoque un décalage Doppler.
À 10 GHz, ce décalage peut atteindre plusieurs dizaines de kilohertz selon la géométrie considérée.
Il varie également pendant la communication.
Un logiciel capable de prévoir et de compenser cette variation facilite considérablement la réception.
WSJT-X propose des fonctions adaptées aux communications EME, notamment avec le mode Q65.
La stabilité des oscillateurs reste indispensable pour conserver un signal exploitable.
8. Première expérience : recevoir une balise lunaire
Avant de construire une station complète, une excellente approche consiste à recevoir une émission EME existante.
La balise allemande DL0SHF, située près de Kiel, constitue une référence historique pour les expérimentateurs.
Elle utilise notamment la fréquence : 10 368,025 MHz.
Son antenne parabolique de grande dimension et sa puissance d’émission permettent d’envisager une réception avec des installations relativement modestes.
Pour commencer, il est possible d’utiliser :
- Une parabole satellite adaptée.
- Un LNB modifié et stabilisé.
- Un récepteur SDR.
- Un logiciel de décodage compatible.
- Un dispositif de suivi lunaire.
Il faudra vérifier les conditions et les modes d’émission effectivement utilisés par la balise avant chaque tentative.
Cette expérience permet de valider progressivement le pointage, la stabilité et la sensibilité de la chaîne de réception.
9. Quelques conseils pratiques
La réussite d’une première expérience repose davantage sur la méthode que sur la puissance.
Il est préférable de commencer par optimiser la réception, vérifier les pertes et mesurer les performances de l’antenne.
La pluie peut provoquer une atténuation supplémentaire sensible à 10 GHz. Les essais par temps sec sont donc préférables.
Il faut également tenir compte de la polarisation, de la distance Terre-Lune et des conditions de visibilité simultanée entre les stations.
Enfin, toute émission doit respecter les conditions réglementaires applicables à la bande utilisée.
Conclusion
L’EME sur 10 GHz représente une activité particulièrement passionnante pour les amateurs d’hyperfréquences.
Contrairement aux idées reçues, il n’est pas indispensable de disposer immédiatement d’une installation gigantesque pour commencer.
La réception d’une balise lunaire avec une parabole satellite adaptée constitue déjà un excellent premier objectif.
Le passage à l’émission demandera davantage de moyens, mais surtout une bonne maîtrise du bilan de liaison, du pointage et du bruit de réception.
Une belle occasion de réunir radioastronomie, hyperfréquences et expérimentation radioamateur autour d’un même projet !
