1、 Rec. UIT-R S.1590 1 RECOMMANDATION UIT-R S.1590 Caractristiques techniques et oprationnelles des satellites fonctionnant dans la gamme de 20-375 THz (Question UIT-R 264/4) (2002) LAssemble des radiocommunications de lUIT-R, considrant a) que les liaisons de tlcommunication sont utilises et quil est
2、 prvu de les utiliser dans certains systmes satellites pour les communications inter-satellites des frquences comprises entre 20 et 375 THz; b) que la viabilit des systmes de tlcommunication du service fixe par satellite fonctionnant dans la gamme 20-375 THz et utilisant des liaisons Terre vers espa
3、ce et espace vers Terre est actuellement ltude; c) que les astronomes font des observations dans cette partie du spectre; d) que cette partie du spectre est galement utilise pour dautres services scientifiques; e) que cette partie du spectre est galement utilise des fins scientifiques et industriell
4、es autres que celles lies aux communications; f) que les mcanismes de brouillage entre satellites et systmes passifs, tels que les systmes utiliss en astronomie, fonctionnant au-dessus de 20 THz peuvent tre diffrents de ceux survenant dans la gamme des frquences radiolectriques, reconnaissant a) que
5、 le numro 78 de lArticle 12 de la Constitution de lUIT dispose que les fonctions du Secteur des radiocommunications consistent entre autres . procder des tudes sans limitation quant la gamme de frquences et adopter des Recommandations .; b) que, lorsquils mnent des tudes ou laborent des projets de n
6、ouvelle Recommandation, les Commissions dtudes doivent considrer, au titre de la Note 2 du numro 1005 de lAnnexe de la Convention de lUIT, que le terme radiocommunications se rapporte galement aux ondes lectromagntiques dont la frquence est suprieure 3 000 GHz et qui se propagent dans lespace sans g
7、uide artificiel; c) que, fin 2001, lutilisation et le partage de cette partie du spectre nont pas t tudis de manire approfondie par lUIT-R, recommande 1 que les tudes de partage pour les satellites fonctionnant dans la gamme de frquences 20-375 THz tiennent compte des paramtres techniques et opratio
8、nnels figurant dans lAnnexe 1. 2 Rec. UIT-R S.1590 ANNEXE 1 1 Introduction Le terme ondes radiolectriques est dfini dans le Rglement des radiocommunications de la manire suivante: ondes lectromagntiques dont la frquence est par convention infrieure 3 000 GHz, se propageant dans lespace sans guide ar
9、tificiel. La demande accrue de spectre et les progrs technologiques accomplis conduisent porter une plus grande attention lutilisation des frquences au-dessus de 3 000 GHz pour les tlcommunications en espace libre. Les nombreuses amliorations techniques rcemment apportes des dispositifs optiques de
10、communication tels que les fibres optiques, les lasers tat solide (GaAs, InP)1, les modulateurs (modulateurs lectro-optiques) ou les dtecteurs (photodiodes), ont permis de raliser des liaisons de tlcommunication dans les bandes de frquences au-dessus de 3 000 GHz. Les tlcommunications en espace libr
11、e des frquences au-dessus de 3 000 GHz permettent dacheminer des donnes des dbits de quelques dizaines de Gbit/s, et de satisfaire aux spcifications de gain et de directivit applicable aux faisceaux utiliss pour les applications en espace lointain. Les travaux relatifs aux applications de tlcommunic
12、ation portent essentiellement sur les frquences de la bande 20-375 THz (15-0,8 m). Si la faisabilit de certaines de ces liaisons est avre, la technologie ncessaire en est encore, pour lessentiel, au stade des dveloppements, mais connat des progrs rapides. Ces liaisons peuvent transmettre des signaux
13、 de tlcommunication sur les trajets Terre vers espace, espace vers Terre, espace-espace, ainsi que sur des trajets de Terre. Elles font intervenir des satellites en orbite gostationnaire (OSG) ou des satellites en orbite non gostationnaire (non OSG), tels que les satellites en orbite terrestre basse
14、. Il est ncessaire pour les futures tudes de partage de disposer des caractristiques techniques et oprationnelles associes aux liaisons de tlcommunication en espace libre exploites dans la rgion spectrale susmentionne. Les spcifications et les modes dexploitation de certains systmes fonctionnant ces
15、 frquences sont dcrits dans les paragraphes suivants. La prsente Recommandation vise identifier certains paramtres systme ncessaires lanalyse des brouillages subis par des applications spatiales. 2 Considrations lies aux frquences Toutes les frquences utilises pour les applications de tlcommunicatio
16、n en espace libre ne sont pas quivalentes, car la transparence de latmosphre est trs dpendante de la longueur donde utilise. Sil convient, pour les liaisons Terre vers espace et espace vers Terre, de choisir une rgion spectrale faible absorption, il est prfrable dutiliser des frquences correspondant
17、 de fortes absorptions pour les liaisons espace-espace, afin de protger ces dernires de brouillages causs par la Terre et de rduire le risque de brouiller les observations astronomiques. Les lasers en infrarouge proche (0,850 m) prsentent un meilleur rapport signal/bruit que les dtecteurs en infraro
18、uge moyen (15 m environ), qui ncessitent un refroidissement important pour diminuer le bruit thermique. _ 1Les lasers utiliss en tlcommunication sont fabriqus partir de semi-conducteurs III-V. Il sagit dalliages darsniure de gallium (GaAS) ou de phosphure dindium (InP), ce qui correspond des longueu
19、rs donde dmission respectivement de 0,85 m ou 1,5 m. Rec. UIT-R S.1590 3 La Fig. 1 reprsente la variation de labsorption atmosphrique en fonction de la frquence pour un signal optique le long dun trajet vertical (rectiligne de latmosphre de rfrence et commenant au niveau de la mer). En dessous denvi
20、ron 15 THz (20 m), le ciel est rellement opaque. Lorsque lon se rapproche de la bande du visible (400-750 THz, soit 0,75-0,40 m), de nombreuses bandes, de largeur et de transparence diverses, apparaissent du fait de la prsence de certaines composantes gazeuses de latmosphre. Ces gaz ne sont pas nces
21、sairement rpartis de manire uniforme et leurs proportions peuvent varier avec laltitude. Lintensit de ces raies dabsorption dpend aussi gnralement de la pression et de la temprature. A environ 300 THz (1 m), labsorption commence crotre, principalement cause des gaz O2et O3. Elle continue augmenter d
22、ans la bande du visible jusqu environ 1 000 THz (0,3 m), frquence laquelle latmosphre redevient opaque, du fait de labsorption molculaire. A lheure actuelle, les liaisons de tlcommunication les plus tudies correspondent aux frquences autour de 200 THz (1,5 m), 283 THz (1,06 m), 311 THz (0,965 m) et
23、353 THz (0,850 m). Il sagit galement des frquences les plus utilises pour les communications par fibres optiques. 1590-013025201510504035101102103FIGURE 1Absorption (zone grise) au-dessus de 10 THz dans latmosphre de rfrence le long dun trajet verticalFrquence (THz)Absorption(dB)Le Tableau 1 contien
24、t des caractristiques de lasers types utiliss pour les communications optiques de Terre. 4 Rec. UIT-R S.1590 TABLEAU 1 Caractristiques types de lasers tat solide dans la gamme allant de 0,75 m 1,6 m 3 Schma fonctionnel type La Fig. 2 correspond au schma fonctionnel type dun systme de tlcommunication
25、 optique. 1590-02FIGURE 2Schma fonctionnel dun systme de tlcommunication optique typeMiroir pointagevers lavantEmetteur dedonnes optiquesEmetteur debalise optiqueTraitementoptiqueDtecteur poursuite fineMicroprocesseurdacquisition et depoursuiteMicroprocesseurde terminal optiqueElectronique decommand
26、e decardanCardan et codeursDtecteur decommunicationPramplificateur/CAGElectroniquedu signalInterface desystmes decommunicationsRF/optiquesEmissionRceptionDonnesMiroir orientation fineDtecteurdacquisitionAntenneoptique Tlmesure Traitement desdonnes auxiliairesCAG: contrle automatique de gainType de l
27、aser Longueur donde de transition Puissance de sortie maximale type (W) A ondes entretenues ou ondes pulses Monomode (mo) ou multimode (mul) Largeur de raie de transition A semi-conducteurs In1-xGa1-yPy(1)1,1 m 1,6 m 1 Onde entretenue Mo/mul De quelque GHz 10 THz A verre Nd3+:YAG(2)1,064 m 10 Onde e
28、ntretenue Mo/mul 120 GHz A semi-conducteurs InxGaxAs 0,965 m 1 Onde entretenue Mo/mul De quelque GHz 10 THz A semi-conducteurs ALxGaxAs 0,75 a 0,87 m 10 Onde entretenue Mo/mul De quelque GHz 10 THz (1)0 = (7)o: : efficacit quantique du dtecteur (gnralement entre 0,7 et 1) e : charge de llectron (1,6
29、02 1019C) h : constante de Planck (6,63 1034J/s) f : frquence optique (Hz) PS: puissance du signal reu (W) B : largeur de bande du filtre (Hz). Il convient de noter que la puissance de bruit est directement proportionnelle la puissance PSde signal. En labsence deffets atmosphriques, SNR en sortie es
30、t donc gal : BfhPiSNRSNS2= (8a) ou, exprim sous forme dun rapport de puissance: BfhPSNRS2= (8b) Rec. UIT-R S.1590 13 6 Considrations relatives lantenne Les systmes laser de tlcommunication en espace libre utilisent des tlescopes conventionnels comme antenne dmission et de rception. Ces tlescopes tai
31、ent gnralement de type Cassegrain, mais les progrs rcents accomplis en matire de fabrication et laccroissement considrable de la puissance optique disponible conduisent actuellement utiliser principalement des lments rflchissants ou des tlescopes axe dcal, pour saffranchir des effets de masque et de
32、 la diminution rsultante du gain axial. Les diagrammes dantenne en mission et en rception sont diffrents, car loptique dmission est gnralement alimente par un laser faisceau gaussien, alors que loptique de rcepteur est associe un dtecteur plan. 6.1 Antenne dmission On utilise lmission un tlescope al
33、iment par un laser. Ce type de laser ne fonctionne en principe quau mode de cavit le plus bas, TEM00, ce qui conduit un faisceau de distribution dnergie gaussienne prsentant une intensit maximale sur laxe dmission. Le diagramme de faisceau est conu de manire telle que lintensit du faisceau dcrot en
34、amplitude avec la sparation angulaire par rapport laxe dmission, et seuls quelques pourcentages de la puissance du faisceau sont perdus. Les deux points de rfrence correspondent aux points pour lesquels lamplitude de faisceau diminue de 37% ou de 13% par rapport lamplitude sur laxe. Ce sont les poin
35、ts 1/e et 1/e2respectivement, souvent mentionns pour caractriser le diagramme dmission dun laser. La Fig. 3 est un exemple de ce type de diagramme. 1590-031/e = 2 1/e2FIGURE 3Courbe damplitude gaussienne1/e (4,3 dB parrapport laxe)1/e2(8,7 dB parrapport laxe)Intensit uniformeen champ lointainIntensi
36、t gaussienneen champ lointainAngle par rapport laxe 14 Rec. UIT-R S.1590 Louverture de faisceau 1/e2est donne par: De=44,2/12(9) o: 2/1 e : ouverture de faisceau (rad). Louverture des faisceaux est gnralement de lordre de 1 105rad (cest-dire 5,7 104degrs). Dans le cas dun terminal dmission, on peut
37、utiliser les quations suivantes pour calculer le diagramme de rayonnement en champ lointain dun laser ondes planes damplitude gaussienne alimentant un tlescope, compte tenu des hypothses de base suivantes: la source laser est caractrise par une mission gaussienne monomode; et le diagramme de gain da
38、ntenne est mesur dans le champ lointain. Soit un tlescope de rayon a, aliment par une onde plane damplitude gaussienne, le rayon de contour (distance entre laxe central du systme optique et le point dintensit 1/e2), et prsentant une occultation centrale de rayon b. Son gain est donn par lquation (10
39、). Le terme G0correspond la limite suprieure du gain dantenne, obtenue pour une ouverture circulaire non occulte uniformment claire. Le second terme, gt(, , X) correspond au terme defficacit de gain, qui rend compte des effets doccultation, de troncature, dintensit hors axe et de dfocalisation. gt(,
40、 , X) = G0 gt(, , X) (10) o: 22024=aAG (11) ()210222deJ2),(= uXguuXt(12)A : surface douverture du tlescope (m2) a : rayon douverture du tlescope (m) : longueur donde (m) J0: fonction de Bessel du premier type dordre zro : rapport a/ entre le rayon, a, douverture de lmetteur et le rayon de contour du
41、 faisceau dalimentation gaussien au point 1/e2 : rapport b/a entre le rayon, b, de loccultation centrale et le rayon, a, douverture lmission u : variable dintgration )(sin2= aX : angle par rapport laxe optique (rad). Rec. UIT-R S.1590 15 Lefficacit de gain sur laxe (quation (12), avec X = 0) devient
42、: =22222ee2)0,(tg (13) Le gain maximal du faisceau principal sur laxe (quation (10), avec X = 0) est alors: =222222ee24)0,(AGt(14) Toute occultation aura pour effet de rduire le gain du faisceau principal, de combler les valeurs nulles, dlargir louverture du faisceau et daccrotre les lobes latraux.
43、6.1.1 Exemple La qualit de fonctionnement dune antenne optique de 15 cm de diamtre douverture, exploite une frquence de 282,8 THz (soit 1,06 m de longueur donde) et sans occultation centrale, se calcule comme suit: = 1,06 m a = 0,075 m b = 0 do: 0=abLefficacit de gain sur laxe vaut alors: =221e2)0,0
44、,(2tg (15) Il a t prouv que la qualit de fonctionnement est optimale en prsence dune occultation lorsque le faisceau dalimentation, , et lefficacit de gain, , sont lis par lquation (16) (dont la prcision est de 1% si 0,4): 4212,230,112,1 += (16) Dans notre cas, = 0 (pas doccultation), ce qui donne =
45、 1,12. Do lefficacit de gain: 8145,0)0;0;12,1( =tg (17) La limite suprieure du gain sur laxe pour notre ouverture circulaire uniformment claire et sans occultation de 15 cm de diamtre est alors: 1122010976,124=aAG (18) Le gain maximal sur laxe est alors obtenu en utilisant lquation (10): 111061,1)0;
46、0;12,1( =tG (19) 16 Rec. UIT-R S.1590 Le diagramme de rayonnement hors axe (dB) en utilisant lquation (10) devient: );0;12,1(log10);0;12,1(0XgGXGtt= (20) o: ()21002deJ2);0;12,1(2= uuXXgut(21) avec: )(sin2= aX (22) 1590-04120100806020 10 0 10 20XGain(dB)Gt(1;12;0;X)FIGURE 4Gain (dB) pour antenne de 1
47、5 cm de diamtreOn observe un premier zro pour X = 4,7 environ, cest-dire = 10,6 rad (0,0006). Le premier lobe latral correspond X = 5,6 environ, cest-dire = 12,6 rad (0,0007); il est infrieur denviron 27 dB au gain de faisceau principal. Rec. UIT-R S.1590 17 6.2 Antenne de rception Si lon suppose que lantenne de rception se tr
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