De l’antenne à l’oreille : que devient la puissance des ondes ?

Émettre, recevoir : la longue odyssée de l’énergie ondulatoire

Les ondes portent nos voix, nos données, notre actualité. Elles traversent l’espace, franchissent les murs, font vibrer la surface d’un tympan ou celle d’un capteur. Mais entre l’instant où une onde quitte une antenne et celui où elle atteint un récepteur, que devient la puissance initialement diffusée ? Combien reste-t-il de cette énergie précieuse lorsqu’elle achève son trajet ?

Derrière ces questions apparemment simples se cache une myriade de phénomènes physiques, d’arbitrages techniques et de choix de société. Une odyssée moderne, jalonnée de pertes discrètes, d’atténuations inéluctables — et d’ingéniosités déployées pour en limiter l’impact.

Les bases : qu’appelle-t-on « puissance émise » et « puissance reçue » ?

Dans toute transmission électromagnétique, deux grandeurs cardinales s’opposent : la puissance émise, celle injectée par l’émetteur dans son antenne (exprimée en watts ou en dBm), et la puissance reçue, mesurée au niveau du récepteur, parfois à des kilomètres de distance.

• Puissance émise : énergie transmise par unité de temps à la sortie de l’émetteur.
• Puissance reçue : énergie effectivement captée par l’antenne ou le capteur du destinataire.

À la différence du fil de cuivre qui relie deux ampoules, les ondes voyagent par l’air (ou d’autres milieux), s’éparpillent en tous sens, subissent les frottements invisibles de la matière, heurtent des obstacles… La puissance s’amenuise, presque toujours, au fil du parcours.

Comprendre les pertes : le parcours semé d’embûches de la puissance

Pourquoi la puissance ne parvient-elle jamais intacte à destination ? Plusieurs phénomènes se conjuguent, que la physique a identifiés, mesurés et parfois même nommés à partir de savoureuses anecdotes scientifiques.

1. La perte de propagation « dans le vide » : la géométrie comme première cause

• Divergence géométrique (free-space path loss) : Dans un espace vide, sans obstacle, l’onde émise se dilue en s’étalant sur une sphère de rayon croissant. La surface de cette sphère croît comme le carré de la distance — la densité d’énergie reçue chute, elle, dans les mêmes proportions. La formule de Friis (1946) l’illustre :
  • Pertes (dB) = 20 log10(distance) + 20 log10(fréquence) + Constante
• À 900 MHz (fréquence GSM), une onde perd environ 90 dB sur 10 km, soit une baisse d’un facteur… un milliard ! (Radio-Electronics)

2. Les obstacles : la réalité urbaine des ondes “perdues”

• Absorption : tout matériau (béton, végétation, eau) absorbe une part de l’énergie incidente. Le béton armé peut réduire de 10 à 25 dB le signal — jusqu’à 99 % de perte pour certaines fréquences. (ScienceDirect)
• Diffraction et diffusion : les bords des immeubles, les feuilles des arbres, provoquent une « déviation » de l’onde hors de la trajectoire directe, dispersant l’énergie dans d’autres directions.
• Réflexion : le signal rebondit, se fragmente, provoquant des trajets multiples d’intensité variable. C’est le célèbre fading des communications mobiles : un signal peut varier de 20 à 30 dB sur quelques mètres, simplement à cause des trajets multiples.

3. L’air, la pluie, la brume : des pertes « invisibles » mais mesurables

• Effet de l’atmosphère : la vapeur d’eau, l’ozone ou le dioxyde de carbone absorbent petites quantités d’énergie. Très marginal en ondes hertziennes, ce phénomène devient majeur sur les faisceaux satellites (ex. ondes millimétriques), où la pluie peut faire perdre 10 dB sur quelques kilomètres par forte averse.
• Au-delà de 30 GHz, les phénomènes d’« atténuation atmosphérique » rendent certains espaces spectrals quasi impraticables pour de longues distances (cf. rapports ITU-R, ITU-R).

Rendement : l’obsession de chaque chaîne de transmission

Entre la puissance injectée d’un côté, et la puissance réellement captée de l’autre, le rendement de la transmission se calcule selon la formule :

• Rendement (%) = (Puissance reçue) / (Puissance émise) × 100

Dans la pratique, ce rendement peut tomber à des valeurs infimes si le trajet est long ou encombré :

• Un émetteur radio FM urbain de 2 000 W diffuse parfois moins de 1 μW/m² au niveau du récepteur domestique à 10 km, soit un rendement de l’ordre de 0,00000005 %.
• En Wi-Fi, la puissance reçue à 10 m d’une box (< 10 nW, soit -80 dBm) est typiquement 0,000001 % de ce qui a été émis — si l’on suppose un émetteur à 100 mW (20 dBm).

Ce « mauvais rendement » n’est pas un défaut : il traduit surtout la dilution de l’énergie dans l’environnement, la liberté (et la limite) de la communication sans fil.

Aller plus loin : où « part » la puissance perdue ?

Ce qui s’évapore n’est jamais annihilé. Selon la loi de conservation de l’énergie, la puissance « perdue » sous forme de rayonnement, d’échauffement ou de réverbération, disparaît pour l’émetteur… mais pas pour l’univers.

• Une fraction nourrit le bruit de fond électromagnétique omniprésent. L’Institut National de l’Information Géographique et Forestière a mesuré en France une densité de fond comprise entre 0,002 et 0,1 μW/m² dans les zones rurales, bien au-dessus du bruit thermique naturel.
• Dans un réseau mobile, la puissance non captée par l’utilisateur rejoint ce « bruit d’ambiance », parfois réutilisé par d’autres récepteurs (ex. Wi-Fi mesh).
• L’effet thermique des rayonnements absorbés (ex. sur un mur) demeure infime à l’échelle du quotidien, mais mesurable en laboratoire : une paroi bétonnée soumise à 2 W/m² d’ondes à 2,4 GHz s’échauffe de 0,01 °C/h (Montreux–Berne, ScienceDirect).

Comprendre : propagation dirigée ou omnidirectionnelle ?

• Antennes directives : les faisceaux hertziens ou les réseaux satellites ajustent leur émission pour « viser » précisément le récepteur — réduisant les pertes.
• Émission omnidirectionnelle : la radio FM, le Wi-Fi domestique, envoient l’énergie inégalement dans l’espace, d’où un rendement naturellement faible.

Dans tous les cas, l’idée de “gaspillage énergétique” doit être lue à l’aune de l’utilité du service, et de la densité du maillage (cellulaire, Wi-Fi). Il n’existe pas de bonne valeur de rendement universelle. Tout dépend des usages.

Zoom : quelques exemples, du quotidien à l’extrême

La chaîne du smartphone

Lorsque vous passez un appel, l’antenne de votre téléphone émet typiquement entre 0,01 W (10 mW) et 2 W (dans les zones rurales, où l’antenne relais est lointaine).

• À 500 mètres d’une antenne-relais, la puissance reçue par celle-ci depuis votre appareil se situe rarement au-delà de quelques femtowatts (1 fW = 10⁻¹⁵ W).
• Réduction de plus de 10 millions de fois — la puissance initiale, éclatée, a nourri l’immense espace autour de vous.

L’exemple du radar : voir (presque) sans énergie reçue

Les radars (météo ou aéronautiques) émettent de 1 à 2 MW de pics de puissance, mais la fraction d’énergie de retour captée par antenne, parfois après réflexion sur un nuage, frôle les attowatt (10⁻¹⁸ W).

• Malgré ce rendement dérisoire, la précision du récepteur et le traitement du signal rendent l’observation possible.
• Le “rendement” apparent y tutoie parfois un zéro suivi de quinze décimales.

Optimiser : techniques, limites et arbitrages d’aujourd’hui

• L’adaptation d’impédance : permet d’éviter les pertes par réflexion entre émetteur, câble et antenne. Un défaut d’impédance peut conduire à plus de 50 % de perte d’énergie dans un seul composant — d’où l’attention portée au “SWR” (rapport d’ondes stationnaires) dans les transmissions pro (ARRL).
• Le « beamforming » : dans la 5G et le Wi-Fi 6, l’onde est orientée dynamiquement en direction de l’utilisateur, améliorant le rendement local sans augmenter la puissance d’émission globale.
• Réseaux maillés : multiplier les “petites” cellules urbaines, rapprocher physiquement source et récepteur, limite les pertes par propagation… mais complexifie l’infrastructure (ARCEP).
• Cryptographie et encodage : limiter la puissance nécessaire grâce à l’efficacité des protocoles. Les erreurs de transmission sont compensées par des codes correcteurs robustes, permettant de réduire l’énergie émise pour un résultat identique.

Ouverture : un levier majeur pour l’avenir des réseaux sobres ?

Derrière ces questions de rendement, ce sont les enjeux de sobriété énergétique des réseaux qui se jouent : combien de puissance injecter pour un service donné ? Jusqu’où rapprocher l’émetteur du destinataire ? Faut-il “mailler” plus, “diriger” mieux, ou “réinventer” les protocoles ?

À l’ère où la consommation d’énergie numérique fait débat, la perte inhérente à la propagation des ondes interroge sur sa légitimité et sur ses marges de progrès. Nous avons appris à ne pas attendre tout de la puissance, mais à la jouer avec finesse. Entre “gaspillage” considéré par les uns et “nécessaire ouverture à la société connectée” pour les autres, la marge de manœuvre n’est jamais totalement nulle — mais elle se réduit, à mesure que chaque watt compte dans nos équilibres électriques et sociaux.

Les ondes poursuivent leur voyage, qu’on les capte ou non. Sur leur chemin, elles dessinent à la fois les contours de nos échanges… et ceux de nos limites.