ITU-R S 1590 SPANISH-2002 Technical and operational characteristics of satellites operating in the range 20-375 THz《20-375 THz频率范围内卫星的技术特点和操作特点》.pdf

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1、 Rec. UIT-R S.1590 1 RECOMENDACIN UIT-R S.1590 Caractersticas tcnicas y operacionales de los satlites que funcionan en la gama 20-375 THz (Cuestin UIT-R 264/4) (2002) La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que algunos sistemas de satlite estn utilizando y planificando enlaces

2、de telecomu-nicacin para las comunicaciones entre satlites a frecuencias en la gama de 20-375 THz; b) que est investigndose la viabilidad de los sistemas de telecomunicacin del servicio fijo por satlite que funcionan en la banda de 20-375 THz del espectro utilizando enlaces Tierra-espacio y enlaces

3、espacio-Tierra; c) que los astrnomos estn haciendo observaciones en esta parte del espectro; d) que esta parte del espectro tambin se est utilizando para otros servicios cientficos; e) que esta parte del espectro tambin est utilizndose para fines cientficos e industriales diferentes de la comunicaci

4、n; f) que los mecanismos de la interferencia entre los satlites y sistemas pasivos, tales como el de astronoma por encima de los 20 THz pueden ser diferentes de los de la parte de radiofrecuencia del espectro, reconociendo a) que el nmero 78 del Artculo 12 de la Constitucin de la UIT estipula que en

5、tre las funciones del Sector de Radiocomunicaciones estn realizando estudios sin limitacin de gamas de frecuencias y adoptando Recomendaciones ; b) que, de conformidad con la Nota 2 del punto 1005 del Anexo al Convenio de la UIT, las Comisiones de Estudio pueden considerar, durante la elaboracin de

6、sus estudios y en la creacin de proyectos de nuevas Recomendaciones, que la palabra radiocomunicacin comprende las ondas electromagnticas cuya frecuencia sea superior a los 3 000 GHz y que se propagan en el espacio sin gua artificial; c) que, al final de 2001, la utilizacin y comparticin de esta par

7、te del espectro no se ha estudiado a fondo en el marco del UIT-R, recomienda 1 que en los estudios de comparticin entre satlites que funcionan en la banda de frecuencias de 20-375 THz se tengan en cuenta los parmetros tcnicos y operativos presentados en el Anexo 1. 2 Rec. UIT-R S.1590 ANEXO 1 1 Intr

8、oduccin El Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) define el trmino ondas radioelctricas como las Ondas electromagnticas, cuya frecuencia se fija convencionalmente por debajo de 3 000 GHz, que se propagan el espacio sin gua artificial. Con el inters creciente en la utilizacin del espectro radioelctri

9、co y el progreso de la tecnologa, est prestndose mayor atencin al empleo de frecuencias superiores a los 3 000 GHz para las telecomunicaciones en el espacio libre. Los enlaces de telecomunicacin son ya una realidad en las bandas de frecuencia superiores a los 3 000 GHz a raz de los mltiples adelanto

10、s tecnolgicos producidos recientemente en los dispositivos de comunicacin ptica, tales como la fibra ptica, los lseres de estado slido (GaAs, InP)1, los moduladores (moduladores optoelectrnicos) y los detectores (fotodiodos). Las telecomunicaciones en el espacio libre en frecuencias superiores a los

11、 3 000 GHz tienen capacidad para velocidades de datos de decenas de Gbit/s y para satisfacer los requisitos de ganancia y directividad de los haces que se utilizan en las aplicaciones de espacio lejano. En las telecomunicaciones, la atencin est centrndose en las frecuencias de la banda 20-375 THz (1

12、5-0,8 m). Si bien ya se han realizado algunos enlaces, gran parte de la tecnologa para estos enlaces todava est desarrollndose, aunque evoluciona rpidamente. Tales enlaces pueden cursar seales de telecomunicacin en trayectos Tierra-espacio, espacio-Tierra y espacio-espacio, as como los trayectos ter

13、restres. Se est examinando su utilizacin para los satlites en rbita geoestacionaria (OSG) y para los de rbita no geoestacionaria (no OSG), por ejemplo, los de rbita terrestre baja. Para los futuros estudios de comparticin se han de determinar las caractersticas tcnicas y operacionales de los enlaces

14、 de telecomunicacin en el espacio libre que funcionan en estas bandas del espectro. En los puntos siguientes se describen las especificaciones y el funcionamiento de algunos sistemas en esta gama. La finalidad de esta Recomendacin es determinar los parmetros del sistema necesarios para realizar los

15、anlisis de interferencia en las aplicaciones espaciales. 2 Consideraciones en cuanto a la frecuencia No todas las frecuencias son igualmente adecuadas para las telecomunicaciones en el espacio libre, ya que la transparencia de la atmsfera vara considerablemente con la frecuencia. Los enlaces Tierra-

16、espacio y espacio-Tierra debern funcionar en una regin de poca absorcin mientras los enlaces espacio-espacio pueden optar por una regin de gran absorcin a fin de lograr el aislamiento contra interferencias de la Tierra y de reducir la probabilidad de causar interferencia a las observaciones astronmi

17、cas. La utilizacin de lseres de infrarrojo cercano (0,850 m) es ms eficaz en trminos de la relacin seal ruido. Los detectores de infrarrojo medio, prximo a los 15 m, necesitan una gran refrigeracin para reducir el ruido trmico. _ 1Los lseres que se utilizan en telecomunicaciones se fabrican con comp

18、uestos semiconductores III-V. Los materiales que se utilizan son aleaciones de arseniuro de galio (GaAs) y de fosfuro de indio (InP). Las longitudes de onda de estos lseres son, respectivamente, 0,85 m y 1,5 m. Rec. UIT-R S.1590 3 La Fig. 1 muestra la dependencia con la frecuencia de la absorcin atm

19、osfrica de una seal ptica a lo largo de un trayecto vertical. En la Fig. se supone que el trayecto empieza a nivel del mar, y la lnea de visibilidad contina en el espacio atravesando una atmsfera estndar. Por debajo de unos 15 THz (20 m), el cielo es completamente opaco. Segn va aumentando la frecue

20、ncia hacia la banda visible, 400-750 THz (0,75-0,40 m), empiezan a haber muchas bandas de distinta transparencia y anchura, debido a la presencia de componentes gaseosos en la atmsfera. Estos gases no estn necesariamente mezclados uniformemente y las proporciones pueden variar en funcin de la altitu

21、d. La intensidad de las rayas de absorcin tambin depende por lo general de la presin y la temperatura. A unos 300 THz (1 m), la envolvente de la absorcin empieza a aumentar, debido principalmente al O2y al O3. La absorcin aumenta a lo largo de la banda visible, hasta unos 1 000 THz (0,3 m) donde la

22、atmsfera vuelve a ser completamente opaca debido a la absorcin molecular. Actualmente, el inters principal para los enlaces de telecomunicaciones se centra alrededor de las frecuencias 200, 283, 311 y 353 THz, cuyas longitudes de onda correspondientes son aproximada-mente 1,5, 1,06, 0,965 y 0,850 m.

23、 Estas frecuencias son las mismas que generalmente se utilizan para las comunicaciones por fibra ptica. 1590-013025201510504035101102103FIGURA 1Absorcin (zona sombreada) por encima de los 10 THz de una atmsfera estndar a lo largo de un trayecto verticalFrecuencia (THz)Absorcin (dB)El Cuadro 1 muestr

24、a algunas caractersticas para lseres tpicos utilizados en las comunicaciones pticas terrestres. 4 Rec. UIT-R S.1590 CUADRO 1 Caractersticas tpicas de los lseres de estado slido en la gama de 0,75 m a 1,6 m 3 Diagrama de bloques genrico La Fig. 2 muestra un diagrama de bloques genrico de un sistema d

25、e telecomunicaciones pticas tpico. 1590-02FIGURA 2Diagrama de bloques tpico de comunicaciones pticasEspejo de apuntefrontalTransmisor de datos pticoTransmisor debaliza pticaAcondicionadorpticoDetector deseguimientofinoMicroprocesador deadquisicin yseguimientoMicroprocesador delterminal pticoElectrni

26、ca de control del cardnCardn ycodificadoresDetector decomunicacinPreamp/CAGElectrnicade la sealInterfaz RF/sistema de comunicacionespticasTransmisinRecepcinDatosEspejo de direccionamientopreciso Detector deadquisicinAntenaptica- Telemedida- Tratamiento de losdatos almacenadosCAG: control automtico d

27、e gananciaTipo de lser Longitud de onda de transicin Potencia mxima de salida tpica(W) Onda continua o pulso Monomodo (S) Multimodo (M) Anchura de la raya espectral de transicin Semiconductores In1-xGa1-yPy(1)1,1 m a 1,6 m 1 Onda continua S/M Desde algunos GHz a 10 THz Cristal Nd3+:YAG(2)1,064 m 10

28、Onda continua S/M 120 GHz Semiconductores InxGaxAs 0,965 m 1 Onda continua S/M Desde algunos GHz a 10 THz Semiconductores ALxGaxAs 0,75 a 0,87 m 10 Onda continua S/M Desde algunos GHz a 10 THz (1)0 = (7)siendo: : eficiencia cuntica del detector (tpicamente de 0,7 a 1) e : carga del electrn (1,602 10

29、19C) h : constante de Planck (6,63 1034J/s) f : frecuencia ptica (Hz) PS: potencia de la seal recibida (W) B : anchura de banda del filtro (Hz). Obsrvese que la potencia de ruido vara directamente con la potencia de la seal, PS. Por tanto, en ausencia de efectos atmosfricos, la SNR de salida es: Bfh

30、PiSNRSNS2= (8a) o en forma de potencia: BfhPSNRS2= (8b) Rec. UIT-R S.1590 13 6 Consideraciones sobre las antenas Los sistemas de telecomunicacin lser en el espacio libre utilizan los telescopios convencionales como antenas transmisoras y receptoras. Normalmente estos telescopios son del tipo Cassegr

31、ain clsico, pero con el advenimiento de la tecnologa moderna de fabricacin de telescopios y el enorme aumento de la potencia ptica disponible, los diseos actuales utilizan principalmente elementos reflectantes o diseos de telescopio desplazado respecto al eje para eliminar los enmascaramientos y la

32、reduccin resultante de la ganancia en el eje. Los diagramas de antena transmisora y receptora son distintos, ya que la ptica del transmisor se alimenta generalmente con un lser de haz gaussiano mientras que la ptica del receptor tiene un detector plano. 6.1 Antenas del transmisor El transmisor utili

33、za un telescopio alimentado por un lser. Este tipo de lseres funciona normalmente slo en el modo ms bajo de cavidad, TEM00, el cual da lugar a un haz que tiene una distribucin gaussiana de la energa con una intensidad mxima a lo largo de sus ejes de transmisin. El modelo del haz se configura de tal

34、manera que, como la amplitud de la intensidad del haz cae con la separacin angular respecto al eje de transmisin, slo se desperdicia un pequeo porcentaje del haz de energa. Dos puntos de la referencia son los puntos en los cuales la amplitud del haz cae a un 37% o un 13% de la amplitud en los ejes.

35、Estos puntos se denominan respectivamente 1/e y 1/e2, a los que frecuentemente se hace referencia en la caracterizacin de los diagramas de emisin de energa lser. La Fig. 3 muestra un ejemplo de este diagrama de haz. 1590-031/e = 2 1/e2FIGURA 3Curva de amplitud gaussiana1/e (4,3 dB de reduccinrespect

36、o al valor en el eje)1/e2(8,7 dB de reduccinrespecto al valor en el eje)Intensidad uniformeen campo lejanongulo del haz respecto al eje, Intensidad gaussianaen campo lejano14 Rec. UIT-R S.1590 El ancho del haz en el punto 1/e2viene dado por la expresin: De=44,2/12(9) donde: 2/1 e : ancho del haz (ra

37、dianes). Los anchos de haz tpicos son del orden de 1 105rad o 5,7 104grados. Para el terminal de transmisin, pueden utilizarse las siguientes ecuaciones en el clculo del diagrama de radiacin en campo lejano de un rayo lser con onda plana de amplitud gaussiana que alimenta un telescopio con las sigui

38、entes hiptesis bsicas: la fuente lser se caracteriza por una emisin gaussiana monomodo; y los diagramas de ganancia de la antena se miden en el campo lejano. La ganancia de un telescopio de radio a alimentado con una onda plana de amplitud gaussiana que tiene un radio de seccin , donde es la distanc

39、ia respecto al eje central del sistema ptico al punto de intensidad 1/e2, y que tiene un enmascaramiento central de radio b, viene dada por la ecuacin (10). El trmino, G0, es el lmite superior en la ganancia de la antena que se obtiene para una apertura circular sin enmascaramiento uniformemente ilu

40、minada. El segundo trmino, gt(, , X), es un trmino de eficacia de la ganancia que representa el enmascaramiento, el truncamiento, la intensidad fuera del eje y los efectos de desenfoque. ),(),(0XgGXgtt= (10) donde: 22024=aAG (11) ()210222deJ2),(= uXguuXt(12)A : rea de la apertura del telescopio (m2)

41、 a : radio de la apertura del telescopio (m) : longitud de onda (m) J0: funcin Bessel de primera clase de orden cero : relacin, a/, entre el radio de la apertura del transmisor, a, y el radio de la seccin del haz de alimentacin gaussiano, , en el punto 1/e2 : relacin, b/a, entre el radio del enmasca

42、ramiento central, b, y el radio de la apertura del transmisor, a u : variable de la integracin )(sen2= aX : ngulo respecto al eje ptico (rad). Rec. UIT-R S.1590 15 Sobre el eje, X = 0 y el trmino de eficacia de la ganancia en la ecuacin (12) se convierte en: =22222ee2)0,(tg (13) Por tanto, de la ecu

43、acin (10), la ganancia mxima del haz principal en el eje resulta: =222222ee24)0,(AGt(14) Todo enmascaramiento reducir la ganancia del haz principal, rellenar los nulos, ensanchar el ancho del haz y aumentar los lbulos laterales. 6.1.1 Ejemplo Por ejemplo, la calidad de funcionamiento de una antena p

44、tica con un dimetro de apertura de 15 cm, funcionando a una frecuencia de 282,8 THz (longitud de onda de 1,06 m) y sin enmascaramiento central es: = 1,06 m a = 0,075 m b = 0 luego: 0=abEl trmino de eficacia de la ganancia para el caso del eje se convierte por tanto en: =221e2)0,0,(2tg (15) Se ha dem

45、ostrado que para una calidad de funcionamiento ptimo cuando hay enmascaramiento, la relacin entre el haz de alimentacin, , y debe guardar la relacin de la ecuacin (16), que para 0,4 es, con una precisin de 1%: 4212,230,112,1 += (16) Para el presente caso, sin enmascaramiento, = 0, la ecuacin se redu

46、ce a = 1,12. Por tanto el trmino de eficacia de la ganancia se convierte en: 8145,0)0,0,12,1( =tg (17) El lmite superior de la ganancia en el eje para esta apertura circular sin enmascaramiento, uniformemente iluminada, de radio 15 cm es: 1122010976,124=aAG (18) La ganancia mxima en el eje es, utili

47、zando la ecuacin (10): 111061,1)0,0,12,1( =tG (19) 16 Rec. UIT-R S.1590 El diagrama de radiacin en el eje (dB) para este caso se convierte, usando la ecuacin (10), en: ),0,12,1(log10),0,12,1(0XgGXGtt= (20) donde: ()21002deJ2),0,12,1(2= uuXXgut(21) con: )(sen2= aX (22) 1590-04120100806020 10 0 10 20X

48、Ganancia(dB)Gt(1,12,0,X)FIGURA 4Ganancia (dB) para una antena de 15 cm de dimetroPara el caso anterior, el primer nulo ocurre alrededor de X = 4,7 donde = 10,6 rad o 0,0006. El primer lbulo lateral ocurre alrededor de X = 5,6 donde = 12,6 rad o 0,0007 y est a unos 27 dB por debajo de la ganancia del haz principal. Rec. UIT-R S.1590 17 6.2 Antena del receptor Su