УСТРОЙСТВО СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ Российский патент 2020 года по МПК H04J14/08 

Изобретение относится к системам спутниковой связи и может быть использовано для осуществления двусторонней связи между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами, а также для связи между спутниками. Широкополосная связь между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами осуществляется при помощи газовых лазеров на основе оксида углерода СО. Для уменьшения расходимости пучка в оптическую схему добавляются конические линзы-аксиконы, преобразующие гауссовый пучок в распределение Бесселя с ярко выраженным максимумом, что принципиально необходимо при передаче сигнала на большие расстояния.

ОПИСАНИЕ

Сокращения

В - вращательная постоянная

ИАГ - иттрий-алюминиевый гранат

К - температурная шкала Кельвина

О - кислород

С - углерод

с - скорость света

СВЧ - сверхвысокая частота

Т - температура

h - постоянная Планка

k - постоянная Больцмана.

Область техники

Изобретение относится к электросвязи, конкретно к системам спутниковой связи. Согласно МПК изобретение может быть отнесено к классам МПК H04J 14/08 (Оптические мультиплексные системы - с временным уплотнением.)

Предлагаемое изобретение основано на размещении на наземной станции и на борту спутника приемопередающих систем, в которых источником сигнала служит СО-лазер, а в оптическую схему передатчиков включены конические линзы-аксиконы.

Техническим результатом изобретения является осуществление сверхширокополосной связи между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами в микроволновом диапазоне частот электромагнитного излучения посредством газовых лазеров на основе оксида углерода СО с применением в оптической системе конических линз-аксиконов, а также уменьшение в 2…4 раза апертуры и массо-габаритных параметров приемников излучения.

Предпосылки к созданию изобретения

Предпосылки к созданию изобретения: с одной стороны, расширение номенклатуры широкополосных телекоммуникационных услуг, оперативно предоставляемых в любой точке Земли; с другой, - появление инновационных, так называемых, СО-лазеров. СО-лазер - газовый лазер, в котором активная среда состоит из оксида углерода СО, излучение происходит при колебательно-вращательных переходах атомов после возбуждения молекул СО высокочастотным разрядом. Основой высокочастотных разрядов является процесс ударной ионизации молекул и атомов газа электронами, ускоренными в высокочастотном электромагнитном поле. Этот процесс сопровождается диффузией электронов из области, где локализовано поле, а также процессами их рекомбинации с ионами или «прилипания» к нейтральным молекулам и атомам. В высокочастотных разрядах электроны обычно имеют сложную функцию распределения по энергиям, существенно отличающуюся от равновесной. Для улучшения характеристик СО-лазера его активную среду необходимо охлаждать до температуры Т<80 К.

Аналогичные устройства

Известные в настоящее время системы лазерной спутниковой связи находятся в стадии испытаний опытных образцов. В них источником лазерного излучения служат твердотельные лазеры, например, на основе иттрий-алюминиевого граната (ИАГ-лазеры) с основной несущей длиной волны порядка 1,5 мкм. Лазеры такого типа имеют два существенных недостатка: низкий коэффициент полезного действия (порядка 6-9%) и недостаточную направленность лазерного луча (расходимость луча порядка 10…20 мрад). Это не позволяет в обозримом будущем разместить на борту спутников лазерные приемопередающие системы, позволяющие организовать эффективную связь.

Имеется патент №2015117822, опубликованный 12.01.2017 г., описывающий подобную систему спутниковой связи. Недостаток этой системы заключается в том, что в ней лазерный луч имеет жестко фиксированную длину волны. Поэтому такая система может служить всего лишь маяком для взаимной ориентации спутника и наземной приемной антенны. Кроме того, связь осуществляется при помощи параболической антенны, служащей одновременно и для приема, и для передачи информации. Такое совмещение функций в оптическом диапазоне ограничивает объем передаваемой информации.

Прототип изобретения

Аналог предлагаемого изобретения, принятый за прототип, описан в патенте №2015130319, опубликованном 01.03.2017 г. В этом патенте двусторонняя связь наземного комплекса управления и низкоорбитальных космических аппаратов реализована для телеметрического контроля и управления последними.

Принципиальный недостаток данного способа заключается в ограниченном использовании канала связи ввиду невозможности передавать большие объемы информации с помощью традиционных приемопередающих систем на основе радиоволн СВЧ-диапазона. Еще один недостаток заключается в усложненной многокомпонентной системе кодирования-декодирования сигнала, применение которой обусловлено недостаточной надежностью приема сигналов.

Существо изобретения

Цель предлагаемого изобретения состоит в реализации основного преимущества передачи информации посредством лазерного луча, которое состоит в его широкополосности, то есть в возможности передачи объемов информации, в несколько десятков раз превышающие те, которые передаются в настоящее время при помощи систем связи на основе СВЧ-излучения в сантиметровом диапазоне.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой системе лазерной связи применяется источник излучения в виде СО-лазера, имеющего высокий коэффициент полезного действия - 50-75%, малую расходимость пучка - 2…4 мрад, широкий спектр колебательных переходов, позволяющий варьировать длину волны излучения при помощи источника питания, а также использовать частотную модуляцию в алгоритмах защиты информации и шифрования сигнала.

Для уменьшения расходимости лазерного луча в оптическую схему системы лазерной связи на основе СО-лазера включена эффективная коническая линза-аксикон. В результате преобразования лазерного луча аксиконом формируется бесселев пучок, имеющий высокую пространственную концентрацию излучения и центральную симметрию, сохраняющуюся на больших расстояниях. Это позволяет в 2…4 раза уменьшить апертуру и массо-габаритные параметры приемников излучения. Расстояние между максимумами спектральных линий Δλ определяется формулой Δλ=8×(kTB/hc)^0,5.

В структурной схеме предлагаемого устройства имеются:

- на передающей стороне: блок питания СО-лазера, служащий для накачки активной газовой СО среды; модулятор с блоком управления, управляющий параметрами высокочастотного разряда, в том числе и позволяющий менять режим излучения с импульсного на непрерывный, а также осуществлять частотную модуляцию сигнала; лазер с активной газовой средой на основе оксида углерода; передающая оптическая система, формирующая лазерный пучок на выходе из резонатора; коническая линза-аксикон, преобразующая выходящий из резонатора лазерный луч с гауссовым распределением в бесселев пучок с высокой пространственной концентрацией излучения в приосевой области и с малой расходимостью;

- на приемной стороне: приемная оптическая система; приемник-демодулятор; блок питания приемника и системы наведения; система наведения оптических систем.

Литература

Гуревич, А.В. Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Советская энциклопедия (тт. 1-2); Большая Российская энциклопедия (тт. 3-5), 1988-1999.

Изобретение относится к системам спутниковой связи и может быть использовано для осуществления двусторонней связи между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами, а также для связи между спутниками. Технический результат состоит в осуществлении сверхширокополосной оптической спутниковой связи в микроволновом диапазоне частот электромагнитного излучения. Результат достигается посредством газовых лазеров на основе оксида углерода СО с применением в оптической системе конических линз-аксиконов, а также уменьшение в 2…4 раза апертуры и массо-габаритных параметров приемников излучения. Широкополосная связь между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами осуществляется при помощи газовых лазеров на основе оксида углерода СО. Для уменьшения расходимости пучка в оптическую схему добавляются конические линзы-аксиконы, преобразующие гауссовый пучок в распределение Бесселя с ярко выраженным максимумом, что принципиально необходимо при передаче сигнала на большие расстояния. 4 н.п. ф-лы.

1. Устройство спутниковой связи между наземными станциями и спутниковыми бортовыми комплексами, а также спутниковыми бортовыми комплексами, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется СО-лазер с активной газовой средой в виде оксида углерода СО, а для формирования лазерного луча с малой расходимостью в оптическую схему передатчика включена коническая линза-аксикон.

2. Устройство спутниковой связи по п. 1, отличающееся тем, что в оптический тракт системы передачи интегрирована коническая линза-аксикон, преобразующая выходящий из резонатора лазерный луч с гауссовым распределением в бесселев пучок с высокой пространственной концентрацией излучения в приосевой области и с малой расходимостью луча.

3. Устройство спутниковой связи по п. 1, отличающееся тем, что для улучшения характеристик СО-лазера его активная среда охлаждается до температуры Т<80 K.

4. Устройство спутниковой связи по п. 1, отличающееся тем, что обеспечена возможность варьировать длину волны излучения при помощи изменения параметров источника питания, а также использовать частотную модуляцию в алгоритмах защиты информации и шифрования сигнала.

5. Устройство спутниковой связи по п. 1, отличающееся тем, что спектр излучения СО-лазеров может располагаться в интервалах длин волн 2,0…4,2 и 5,0…6,0 мкм, что позволяет выбрать оптимальный диапазон, соответствующий окнам прозрачности атмосферы.