Исследование преобразований частотного спектра в возмущенных условиях

Содержание
Введение
1. Особенности радиосвязи в возмущенных условиях
2. Нелинейное преобразование частотного спектра радиосигнала
3. Экспериментальное исследование спектра генерируемой вионосфере гармоники радиосигнала
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Известно, что повышение мощности излучения РТС после достижениянекоторого критического значения ведет не к повышению, а наоборот — к снижениюпотенциала РТС. Это связано с процессами нелинейной трансформации частотногоспектра радиосигнала и представляет практический интерес, поскольку возникаетвозможность организации новых, нетрадиционных источников радиоизлучения.
Работа посвящена рассмотрению именно этой проблемы. Работа состоит изВведения четырех глав и заключения. В главе 1 рассмотрены особенностифункционирования РТС в высоких широтах. В главе 2 изучаются процессынелинейного преобразования частоты мощных радиосигналов при наклонномраспространении в ионосфере. В главе 3 рассмотрены вопросы умножения и смешениячастоты мощных радиосигналов при вертикальном зондировании ионосферы. В главе 4представлены результаты экспериментальных исследований нелинейной трансформациичастотного спектра мощного радиосигнала в ионосфере.
1. Особенности радиосвязи в возмущенных условиях
Приорганизации радиосвязи в северных широтах на коротких и промежуточных волнахвстречаются частые нарушения связи. Эти нарушения проявляются неожиданно и продолжаютсяиногда несколько часов и даже дней.
Внормальных условиях атмосферные помехи в северных широтах невелики, поглощениев нижних слоях ионосферы при малой высоте Солнца над горизонтом также невелико,и поэтому прием радиосигналов проходит с большой интенсивностью на большиерасстояния. Во время пурги или дождя при сильном ветре в приемных антеннахнаводятся статические заряды, создающие большие помехи радиоприему. Однакоспокойное состояние ионосферы встречается относительно редко. Весьма частовстречается возмущенное состояние ионосферы, обусловленное появлением магнитныхбурь, северных сияний и повышенной ионизации на высоте слоя Е.
Измененияв ионизированных слоях во время возмущений приводят к изменению условийраспространения радиоволн. Это изменение условий сводится к следующему:
1.Приизменении критической частоты и высоты отражающих слоев изменяются МПЧ и ширинамертвых зон.
2.Изменениеструктуры отражающих слоев и большое увеличение ионизации в нижних слоях вызываютувеличение поглощения коротких и промежуточных волн.
3.Вследствиерассеивания в ионосфере, обладающей неоднородной структурой, идущая через нееволна может прийти к приемнику различными путями, образуя несколько лучей с различнымиамплитудами, фазами и направлением фронта волны. Это вызывает появлениенескольких сигналов вместо одного или удлинение и размывание сигнала.
4.Вследствиенеоднородности структуры ионизированных слоев боковые частоты радиотелефонныхканалов могут поступать к месту приема с изменившимися амплитудами и фазами,что вызывает искажения передачи.
5.Еслирабочие волны были выбраны для спокойных условий, то в возмущенном состоянииони могут оказаться мало пригодными, и связь будет нарушаться. Нарушения связимогут происходить в тех случаях, когда:
а)рабочая частота при уменьшении электронной плотности в слое F2 во время буриокажется выше критической частоты, и волна этой частоты будет проникать сквозьионосферу, не отражаясь от нее;
б)имеет место полное прекращение отражений от ионосферы на всем диапазонекоротких и промежуточных волн;
в)прекращаются отражения от ионосферы волн наиболее низких частот промежуточногодиапазона (ниже 3 Мгц) при увеличении поглощения в слоях E и D;
г)уменьшается сила принимаемого сигнала при увеличении поглощения.
Сдругой стороны, волны низких частот мало подвержены возмущениям, и когда всевысокочастотные радиосвязи нарушаются, можно поддерживать радиосвязь на волнахс частотами ниже 500 кгц.
Однаиз мер для уменьшения числа нарушений радиосвязи и повышения ее надежности в периодывозмущений это повышение мощности передатчика и применение антеннынаправленного действия. Таким путем можно повысить надежность радиосвязи во всехслучаях, за исключением случаев полного отсутствия отражений от ионосферы илибольшого поглощения, однако, как показывают исследования последних лет, приповышении мощности передающих средств напряженность электрического поляизлучаемого сигнала в ионосфере может приближаться к величине ионосферногоплазменного поля или даже превышать его. Установлено, что нелинейные свойстваплазмы заметно проявляются только в том случае, когда величина воздействующегополя находится в определенном соотношении с так называемым характерным или«плазменным» полем, а именно, если Е>Еп. Плазменное полеопределяется выражением:
/>
ЗдесьCе — средняя относительная доля энергии, передаваемая электроном присоударении с тяжелыми частицами; Те — средняя кинетическая температураэлектронов в отсутствие приложенного поля; Vэф — эффективное число столкновенийэлектронов в отсутствие поля. Из формулы видно, что с понижением частотывнешнего поля характерное поле уменьшается, т.е. требуются меньшиенапряженности воздействующего поля для возникновения нелинейных явлений. Вслучаях, когда величина воздействующего поля больше величины плазменного поля,в ионосфере (наряду с омическим поглощением радиоволны) возникает ряднелинейных явлений, приводящих к ослаблению (иногда значительному) исходнойрадиоволны. Одним из таких явлений является развитие параметрических неустойчивостей,приводящих к образованию в области ионосферы, подверженной мощномурадиоизлучению, вытянутых вдоль геомагнитного поля неоднородностей ионосферной плазмы.Другим явлением, является возбуждение в ионосфере волн поляризации с частотами,отличными от падающей на ионосферу волны накачки, и последующее переизлучениеэлектромагнитных волн на этих частотах. Кроме того, энергия мощной радиоволны расходуетсяна возбуждение плазменных волн, приводящих в конечном счете к стимулированномурадиоизлучению в широком спектре частот вблизи частоты накачки.
Всеэти явления приводят к значительным потерям энергии сигнала в ионосфере. Нарисунке показана зависимость уровня отраженного от ионосферы сигнала отэффективной мощности (произведение мощности передатчика на коэффициент усиленияантенны) падающей на ионосферу волны. Из рисунка видно, что при линейномнарастании мощности от 0 до 260МВт напряженность поля принятой волны прекращалавозрастать примерно от 60МВт, оставалась на максимальной величине до значениямощности около 130МВт и затем уменьшалась до уровня, который на возрастающейчасти достигался всего лишь при 20МВт. То есть увеличение эффективной мощностипередающих средств свыше некоторого порогового значения не увеличивает потенциаларадиотехнической системы, так как резко возрастает мощность, теряемая вионосфере.
Можнополагать, что при эффективной мощности радиоизлучателя превышающей 10-20МВт,потери в ионосфере составят от 30 до 80% мощности и будут тем больше, чем нижечастота радиоизлучения и выше мощность.
Зависимостьуровня отраженного от ионосферы сигнала от эффективной мощности.
/>
рис.1
2. Нелинейное преобразование частотного спектра радиосигнала
Рассмотрим случай, когда вионосфере распространяется одна мощная волна накачки (или две радиоволны содинаковыми частотами). Считаем распространение вертикальным (вдоль оси Z) иограничимся учетом лишь квадратичной зависимости поляризуемости Р от поля волнынакачки. При таких предположениях Волновой процесс в ионосферном слое будетудовлетворять уравнению:
/> (1)
где поляризуемостьионосферной плазмы P может быть найдена из уравнения сохранения импульса иэнергии при движении электронов в поле волны и является нелинейной функциейэтого поля. Если ограничиться учетом лишь квадратичной зависимостиполяризуемости P от поля волны накачки, то уравнение (1) примет вид:
/> (2)
где /> n(w) –
показательпреломления ионосферной плазмы в линейном приближении.
Нелинейныйчлен поляризуемости Pнел= />выступает в данном случае вкачестве источника второй гармоники. Решение уравнения (2) может бытьпредставлено в виде:/>Е = Е(w) + Е(2w)

тоесть в виде двух взаимодействующих волн с частотами w и 2w и волновыми векторами k1 и k2 = k1 + D, D – малая расстройка. Воспользовавшись методом медленно меняющихся амплитудамплитуды Е(w) и Е(2w) и фазы j1 и j2 удовлетворятследующей системе укороченных уравнений:
/>
/> (3)
/>
/>
Учитывая,что Ф = (k2 — 2k1)Z + 2 —  последние два уравнения системы (3) могут бытьобъединены в одно уравнение для фазы Ф и система запишется в виде:
/>
/> (4)
/>
Решение этой системысущественным образом зависит от величины линейных показателей преломления волннакачки n1,2(w) и ее второй гармоники n1,2(2w).Величины n1,2(w,2w) могутбыть найдены в результате решения системы уравнений

/> (5)
где:
/>/>
/>
/>;
H0–напряженность земного магнитного поля, – угол между осью Z и направлением магнитного поля; и представляется в виде:
/>
здесьверхний знак соответствует волне обыкновенной поляризации, нижний
– волне необыкновеннойполяризации.
Легковидеть, что при
/> и v = 1

подкоренноевыражение обращается в ноль и, следовательно, ионосферная плазма в этой областиперестает быть двоякопреломляющей. При углах aпорядка50, а в случаях, когда />(чтовполне возможно в ионосфере высоких широт) при углах a, достигающих 10 – 200обыкновенная и необыкновенная волны в области v » 1 обладают почти одинаковыми свойствами. Последнее относится не только к фазовой скорости, определяемой показателем преломления n1,2, но и к состоянию поляризации волны 2 при v £ 1 и волны 1 при v > 1. В области v = 1 волна обыкновенной поляризации трансформируется в волну необыкновенной поляризации и, при условии достаточной толщины ионосферного слоя (воздействие на частоте меньшей критической частоты слоя), распространяется до уровня />. Из рисунка (1.1), на котором представлены показатели преломления для волны накачки и второй гармоники, как функции плазменной частоты, легко видеть, что в области v » 1 величина Dn1,2может принимать нулевое значение. Следовательно, в области v » 1 возможно выполнение условия фазового синхронизма (Dn1,2=0) для волны накачки и ее второй гармоники. В этом случае из уравнений (4), (5) получим:
/>
/>
/>
Если на границе области, где v » 1, задана только волна накачки, а вторая гармоника отсутствует(А1 = А0; А2 = 0), то начальную фазу Ф0можно задать произвольной. Полагая Ф0= p/2, будем иметь:

/>
Интегрируя это уравнение найдем амплитуду второй гармоники
/>
Таким образом, по мере распространения мощности волны от уровня при v £ 1 к уровню /> происходит перекачка ееэнергии в энергию второй гармоники. Расстояние, на котором происходит основная(без учета поглощения – полная) перекачка, равно:
/>
Чтобы получить выражение дляинтенсивности излучения второй гармоники из рассматриваемой области,предположим для простоты, что взаимодействие происходит в цилиндре с радиусом a(естественно не превышающего раствора диаграммы направленности на высоте Fслоя) и длиной L (составляющей несколько длин волн мощного излучения).Предположим также, что внутри цилиндра обе волны  и плоские фазовые фронты их параллельны друг другу, а интенсивности постоянны вовсем объеме.
Изменение показателя преломления волны I и П гармоник в зависимости отплазменной частоты

/>
Рис. 1.1
Введем цилиндрическую системукоординат с осью Z перпендикулярную волновым фронтам. Начало координат поместимв центре торца цилиндра с началом области, где v  1.
Определим поле в произвольной точке пространства как сумму полейсоздаваемых в этой точке каждой элементарной областью цилиндра взаимодействия.Для нахождения такой суммы нам необходимо знать амплитуду и фазу полясоздаваемого любой элементарной областью цилиндра. Если мы положим равным нулюфазу волны при Z = 0, то фаза волны излучаемой областью (r,q,Z) будет />,а в произвольной точке пространства (r0,q0,Z0) этой волны будет />,где r – расстояние между областями (r0,q0,Z0) и (r,q,Z).Чтобы определить поле, создаваемое в точке (r0,q0,Z0) всемцилиндром взаимодействия вычислим интеграл:
/>, где V – объем цилиндра. (6)
Пусть r0– расстояние от точки (r0,q0,Z0) до начала координат. Тогда />. Кроме того, мы имеемсоотношения:

/>
/> (7)
/>
Применим теорему косинусов к треугольнику, образованному точками (r0,q0,Z0),(r,q,Z) и началом координат,получаем:
/>
Объединяя выражения получаем квадратное уравнение относительно r.Корни этого уравнения равны:
/> (8)
Применим формулу бинома Ньютона к выражению и пренебрегая членами состепенями выше первой относительно 1/r0получаем:
/>
Если точка r0,q0,Z0) достаточно удалена, то имеет место соотношение:
/>
и мы можем выражение записать в виде:

/>
интегрируя и умножая на комплексно сопряженную величину получаем:
/>
где J1 – функция Бесселя первого порядка.
В другом случае когда Vэфф
/>
Система уравнений в этом случае перепишется в виде:
/>
/>
Сильный рассинхронизм ведет кслабой перекачке энергии от волны накачки во вторую гармонику, поэтому можнопредположить, что поле волны накачки на протяжении всего ионосферного слоя (доточки отражения) остается постоянным и равным по величине полю в началеионосферного слоя
E(w, Z) = E(w, 0) = E0(w).
Далее приняв константу разделения в третьем уравнении системы равной p/2 получим уравнение для амплитуды второйгармоники
/>
Считая, что поле E(2w) генерируется только в ионосферном слое E(2w)=0, решение уравнения запишетсяв виде:
/>
Следовательно поле второйгармоники в ионосферном слое будет носить осциллирующий характер. Для заданнойчастоты волны накачки период осцилляции и, как будет показано ниже, излучающаяспособность а также расстояние на котором происходит максимальная перекачкаэнергии во вторую гармонику определяется величиной разности Dn. На рисунке представленырасчетные значения величины n дляслучая, когда волна накачки является волной необыкновенной поляризации, авторая гармоника – волной обыкновенной и необыкновенной поляризации, а такжедля случая, когда волна накачки является волной обыкновенной поляризации, авторая гармоника – волной обыкновенной и необыкновенной поляризации. Ясно, чтонаиболее предпочтительным процессом является генерация второй гармоникинеобыкновенной поляризации волной накачки обыкновенной поляризации.
Изменение разности показателей преломления I и П гармоник от значенияплазменнойчастоты
/>
рис.1.2
От значений сумм максимальной перекачки энергии мощной радиоволны вовторую гармонику следует, что высотный предел носит квазиквадратическийхарактер с периодом, уменьшающимся по мере возрастания плотности ионосферы. Вто время как на высотах 60-90 км максимальная перекачка происходит на расстоянияхсоставляющих несколько длин волн. На высотах 120 – 300 км это расстояние мало и не превышает длины волны. Таким образом вдоль направленияраспространения мощной радиоволны формируется решетка излучателей второй гармоникис размерами от нескольких длин волн до длины волны и можно говорить о«диаграмме направленности» такой структуры, излучающей сигнал начастоте 2fн. В частном случае, когда электронная концентрацияионосферы на некотором, достаточно протяженном интервале высот остаетсяпостоянной (см., например, gy на рис.1.3), структура излучателей наэтом участке становится полностью периодической с одинаковыми периодами во всеминтервале высот; «диаграмма» его имеет четко выраженный лепестковыйхарактер, подобный диаграмме эквидистантной ФАР с разносом элементарныхизлучателей на интервал, превышающий длину волны. На рисунках (1.3) и (1.4)представлены положения зон максимального уровня сигнала второй гармоники на земле(лепестков «диаграммы направленности»), рассчитанных для участкапрофиля gyNe(h) рисунок (3) в интервале высот 79-90км ипрофиля 1>6 рисунок (4) в интервале высот 90-100км. Расчет поляна Земле для реального профиля нижней ионосферы с учетом ионосферной рефракциидостаточно сложен. Здесь мы ограничимся лишь случаем расчета поля на Земле безучета рефракции при кусочно-линейной аппроксимации профиля ионосферы.
/>
Рис.1.3

Слева:выбранный участок профиля нижней ионосферы; справа: пересечение максимумов «диаграммы» решеткиполучателей 2 гармоники с Землей
/>
Рис. 1.4
Расчетполя проводился на ЭВМ по следующей методике. Профиль в пределах высот от 50 до 100 км аппроксимировался линейно-показательными отрезками. Затем, с шагом1/1000 высотного интервала отрезка определялась величина поля второй гармоникии от такого «элементарного излучателя» определялось поле на Земле сшагом 5 км в пределах расстояний 0-1000км от места под областью возмущенияионосферы. Результирующее поле на Земле определялось как суперпозиция полей,приходящих в данную точку от излучателей, рассчитанных для всего профиля. Нарисунке (1-5) представлен график уровня поля второй гармоники на Земле дляпрофиля ионосферы с кусочно-линейной аппроксимацией, показанной на этомрисунке. Как видно из рисунка (1-5) и в этом случае интерференционная картинаполя второй гармоники на Земле неоднородна и имеет достаточно четко выраженныемаксимумы и минимумы. Последнее обстоятельство с одной стороны усложняетпроведение эксперимента (имея один приемный пункт можно попасть в зону минимумаприема), а с другой стороны позволяет при наличии нескольких приемных пунктов,разнесенных по пространству, проверить принцип и методику расчета при наличииn(h) профиля, полученного, например, с помощью установки некогерентногорассеяния радиоволн или частичных отражений.
Сверху: выбранный участок профиля нижней ионосферы,
Снизу: пересечение максимумов «диаграммы»решетки излучателей 2 гармоники с Землей.
/>
Рис. 1-5Волновой процесс в плазме будет подчиняться уравнению:
/> (9)
где eдиэлектрическая проницаемость плазмы влинейном приближении; m- малый параметр, и может бытьпредставлен в виде:
Å = Å1cos x+E2cos h +Å3cos z, ãäå
x = w1t  k1Z+ j1(Z)
h = w2tk2Z + j2(Z)
z = w3t – k3Z + j3(Z)

ачастоты и волновые векторы удовлетворяют при этом условию
w3 = w1 + w2
k3  = k1 + k2 + D
åD- малая расстройка
Тоесть, процесс внутри ионосферного слоя представляется в виде трех волн, две изкоторых вводятся в ионосферу извне, третья же возбуждается в результате ихвзаимодействия при распространении. Ионосфера в данном случае выступает в ролиплазменного смесителя частоты радиосигналов. Для выявления зависимостиэффективности смешения от параметров распространяющихся радиоволн и состоянияионосферной плазмы необходимо решить волновое уравнение (9) и получить явноевыражение для поля возбуждаемой в ионосфере волны Е2. В этих целяхвоспользуемся методом медленно меняющихся амплитуд и, полагая  = 0,перейдем к укороченным уравнениям для амплитуд и фаз взаимодействующих волн.
/>
/>
/>
/>
/>
/> ,

гдеФ – так называемая обобщенная фаза.
Учитываяранее принятое предположение, что поле Е3 слабо меняется прираспространении внутри слоя, уравнения можно привести к системе вида
/>
/>
/>
ПолагаяФ(0) = –p/2 получим:
/> (10)
/>
Подстановкой:
/>
система дифференциальныхуравнений сводится к системе однородных уравнений:
/> (11)
/>

Отличное от нуля решениесистема (11) имеет только в том случае, если равен нулю ее определитель:
/>
Отсюданаходим для Г1,2:
/>
Подставляязначения в Г1,2 в однородные уравнения получим
Такимобразом Е1 и Е2 будут иметь вид:
/>
/>
Постоянные e1, e2, B1, B2 должны бытьопределены из граничных условий:
Е1(0) = e1+ B1 = Е10
/> (12)
Е2(0) = e2+ B2 = 0
/>
Из уравнений найдем:

  e1 = B1 = Е10 /2
e2 = –B2 =/>
изапишем уравнение для амплитуды поля Е2:
/>
где/> – тензоры диэлектрическойпроницаемости для сигнальной волны и для волны накачки.
Такимобразом, амплитуда радиосигнала на частоте 2, возбужденногов ионосфере, экспоненциально растет по мере распространения в слое. Амплитудазависит от разности частот и амплитуд волны накачки и сигнальной волны,диэлектрической проницаемости ионосферной плазмы на частотах сигнальной волны иволны, возбужденной в ионосфере.
Наиболее современнымрадиотехническим средством для воздействия на ионосферу является РТС HAARP.
HAARP(Highfrequency Active Auroral Research Program- Программа высокочастотных активных авроральных исследований) являетсяглавным арктическим стендом для научных и прикладных исследований в верхнейполярной ионосфере. HAARP находится в Gakona, Штата Аляска(см. рис. 5.1.) и включает:
·          мощный высокочастотный передатчик   
·          фазированая антенная решетка (ВЧ) (известная как Ionospheric Research Instrument, или IRI)
·          сверхвысокогочастотный некогерентный радар (ISR), используемый дляизмерения плотности электронов, электронной и ионной температуры, Допплеровскойскорости в возбужденной области ионосферы.
·          В дополнение к ним установлены самые современные геофизическиеисследовательские приборы, включая ВЧ ионозонд, ELF и VLF приемники,магнитометры, реометры, LIDAR, оптические и инфракрасные спектрометры и камеры.
/>
Рисунок5.1.
Внастоящее время в США используются два ионосферных исследовательских стенда,один в Пуэрто-Рико и другой (известный как HIPAS) в Штате Аляска околоFairbanks. Обе установки по построению сходны с HAARP. Ожидается, что
HAARP,обеспечит существенные продвижения в понимании ионосферной модификации иуправлении плазменными процессами в малой ограниченной области в пределахионосферы, это также имеет перспективу использования при дальнейшемпланировании работ по обеспечению спутниковой связи и навигационных систем.
Частью системы HAARPявляется передатчик. Передатчик работает между частотами 2.8 — 10 МГЦ.Передатчики находятся в закрытых помещениях, расположенные в пределах антеннойрешетки, под антенным экраном. В каждой станции размещено шесть блоковпередатчиков, по два передатчика в блоке. Каждый блок обеспечивает мощностью одиниз антенных элементов в антенной решетке. Каждый блок способен обеспечивать до10 kW мощности от каждого из двух передатчиков. Для достижения высокой точностии удовлетворения регулирующим требованиям, передатчики, используемые в антеннойрешетке HAARP, должны работать в соответствии с жесткими техническимиусловиями. Каждый передатчик должен производить спектрально чистый сигнал,который управляем в 60 dB диапазоне, простирающимся от максимума 10 kW до 10mW.
Системапередатчика HAARP должна быть способна к функционированию таким образом, чтобыне мешать другим потребителям РЧ спектра. Технические условия системы требуют,чтобы все гармоники передатчика и другие ложные сигналы отсутствовали или былиуменьшены по крайней мере до 80 dB ниже уровня главного (основного сигнала).Все нежелательные сигналы на частотах более чем 45 МГЦ должны быть уменьшены покрайней мере до 120 dB. Гармоники и ложные сигналы в частотном диапазоне 88 — 200 МГЦ, должны быть уменьшены на 150 dB или более. Антенная решетка HAARP состоит из 48элементов, размещаемых как прямоугольная антенная решетка из 8 столбцов и 6строк. В течение 1997 и 1998, антенная решетка ВЧ была расширена так, чтобы все48 элементов были функциональны, и передатчик HAARP был способен к излучению на960 кВт уровне. В течение работ, первоначальный проект устройства согласованияантенны был изменен и все первоначальные модули заменены, чтобы улучшитьрабочую характеристику системы. Целью столь длительного срока, для построенияантенной системы, состоящей из 180 элементов, является достигнутая теперьспособность к выполнению большого количества значимых для высоких широтионосферных исследований. Между декабрем1994 и февралем 1999, были проведены двенадцать инженерных тестов, каждыйдлительностью от нескольких дней до двух недель. Тесты подтвердили, что всетребования EIP относительно абсолютной общественной безопасности будутвыполнены с завершением проекта. Начальные исследования проводились в течениемарта, 1997.В течение 1999, были успешно завершены четыре исследования. Втечение марта 1999 недавно завершенная 48 элементная антенная решетка ВЧэксплуатировалась в первые. Группа, из 23 ведущих исследователей и ихколлективов, провела 19 различных экспериментов за 19 дней. Некоторые ранниерезультаты были представлены на URSI в январе 2000.Летние экспериментыпроводились с 16 июня по 8 июля 1999. Основная цель состояла в том, чтобыхарактеризовать ДНА из 48 элементной антенной решетки.Темы исследования включалиоценку различных методов генерации сигналов СНЧ/ОНЧ/КНЧ и наблюденияионосферного излучения.3. Экспериментальное исследование спектра генерируемой в ионосферегармоники радиосигнала
Вглаве 1 теоретически показана возможность нелинейной трансформации частотногоспектра мощного радиосигнала. Однако в процессе экспериментальных исследований постоянноостаются сомнения — не аппаратурный ли это эффект. Ниже эта проблема детальнорассматривается, кроме того анализируется геофизическая обстановка, сопутствующаяпроведенным экспериментам.
Результатыэкспериментальных исследований воздействия на ионосферную плазму мощным радиоизлучениемпоказали, что важная, а порой и определяющая роль в формировании наблюдаемыхявлений принадлежит интенсивной плазменной турбулентности, развивающейся вблизиточки отражения мощной радиоволны обыкновенной поляризации. В частности,вследствие слияния интенсивных плазменных волн (аналогично механизму генерациигармоник солнечного радиоизлучения) модифицированная область ионосферы можетслужить источником электромагнитного излучения на удвоенной частоте волнынакачки. Первые эксперименты по изучению возможностей использования ионосферы вкачестве плазменного умножителя частоты были проведены в 1982 году. В этихэкспериментах прием излучения на удвоенной и основной частотах нагревногостенда, располагающегося вблизи города Тромсе (Норвегия) осуществлялся вБаренцбурге (арх. Шпицберген) на расстоянии приблизительно 1000км.(рис2.1) Дляприема использовалась антенна бегущей волны с максимумом диаграммы,ориентированным на область ионосферы, подверженную воздействию мощнымрадиоизлучением нагревного стенда.Геометрия используемых в экспериментах радиограсс
/>
Рис. 2-1

Типовыерадиоприемники Р-25ОМ2 были сопряжены со специальными узкополосными (/>f~80Гц), перестраиваемымифильтрами, что давало возможность, помимо измерения амплитуды сигнала наудвоенной частоте волны накачки, грубо оценить спектр этого сигнала.Эксперименты показали, что при работе нагревного стенда возникает шумовоеизлучение на частотах, смещенных относительно частоты мощного передатчика надесятки кГц, а также излучение на удвоенной частоте этого передатчика. Уровеньрадиосигнала второй гармоники на входе приемника достигал 0.2 мкВ. Уширениечастотного спектра радиоизлучения на удвоенной частоте по грубым оценкам непревышало 80 Гц.
Впоследующих экспериментах прием осуществлялся в Мурманской области (расстояниеот пункта излучения до пункта приема примерно 700 км) на слабо направленныеантенны с помощью радиоприемников с тройным преобразованием частоты. В качестветретьих гетеродинов использовались синтезаторы Ч6-31. Номинальная частота навыходе приемников определялась частотой, устанавливаемой на синтезаторе, и приприеме первой гармоники сигнала равнялась 80 Гц, а при приеме второй-120 Гц.Частоты гетеродинов всех приемников синтезировались из сигналов общегокварцевого генератора, относительная нестабильность которого меньше или равна10-8. В экспериментах регистрировались спектры сигналов первой ивторой гармоник с помощью анализатора спектров типа 2031А фирмы «Брюль иКьер», и работающего на принципе быстрого преобразования Фурье. Полосаанализа составляла в эксперименте 200 Гц при разрешении 0.5 Гц, время анализа-2секунды.
Пусканализатора спектров осуществлялся таймерным устройством с периодом 10с. С тойже частотой выходы радиоприемников, принимающие первую и вторую гармоникунагревной частоты, поочередно подключались к входу анализатора спектров. Послеокончания анализа фоторегистратором производилась съемка спектра с экранаанализатора.
Вэкспериментах, связанных с генерацией гармоник в плазме, очень важно исключитьвозможность регистрации в месте приема гармоник сигнала, образующихся внелинейных цепях передатчика и приемника.
Всвязи с тем, что мы не имеем абсолютно чистого источника излучений высокой частоты,чтобы проверить практически линейность выходных цепей приемника, мы провеливзаимокорреляционный анализ огибающих сигналов первой и второй гармоники. Вслучае, если сигналы второй гармоники возникают на нелинейностях первыхкаскадов приемника огибающие первой и второй гармоник должны иметь коэффициенткорреляции близкий к +1 или -1. Мы проанализировали 29 сеансов одновременныхнаблюдений сигналов первой и второй гармоник, средний коэффициент корреляции междуих уровнями составил 0.033, изменяясь от сеанса к сеансу в пределах от -0.35 до+0.4. Этот анализ убедительно показывает, что нелинейности входных каскадовприемника не являются источником наблюдаемых нами сигналов второй гармоники.Как уже говорилось, в экспериментах для воздействия на ионосферу использоваласьспециальная установка Аэрономического института общества Макса Планка (ФРГ) иУниверситета г.Тромсе (Норвегия), расположенная в Северной Скандинавии (вблизиг.Тромсе, Норвегия).
Длявозбуждения нелинейных явлений в ионосферной плазме требуется достаточновысокая мощность воздействующего радиоизлучения. Исходя из этих соображений,суммарная мощность передатчиков этой установки составляет 1.4 МВт, что достигаетсясложением мощности двенадцати 120 кВт передатчиков. Каждый передатчикпредставляет из себя мощный линейный усилитель класса АВ2,использующий широкополосные ненастраиваемые предварительные усилители и драйвер(мощностью 1.5 кВт), так что настраивается только оконечный каскад передатчика.Последний имеет выходной П-образный контур, рассчитанный на перекрытие 2:1,выходной импеданс 50 Ом и подавление гармоник не менее 40дБ. В качестве антенныс высокой направленностью используются фазированные антенные решетки (ФАР),содержащие 6х6 скрещенных волновых вибраторов. Каждый ряд вибратороввосточно-западного направления запитывается от двух передатчиков. Такое включениепозволяет путем соответствующего сдвига фаз на выходе этих передатчиковизлучать волны с различной поляризацией (обыкновенной и необыкновенной моды,линейной моды), а кроме того путем сдвига фаз между решеткой соответствующихрядов имеется возможность наклонять главный лепесток диаграммы направленностиФАР в направлении север-юг на 400 от зенита. Для перекрытиядиапазона 2.5-4; 3.8-5.7; 5.5-9 МГц, соответственно. Построение и питаниекаждой из ФАР одинаковые, поэтому коэффициент усиления антенны во всем рабочемдиапазоне составляет 24 дБ относительно изотропного излучателя. Ширинадиаграммы направленности антенны при этом равна 14.50.
Питаниеантенны осуществляется с помощью коаксиальных фидерных линий, в которые с цельюсогласования и симметрирования включены четвертьволновые короткозамкнутыеотрезки. Такое включение позволяет дополнительно ослабить вторую гармоникучастоты нагрева еще на 20-30 дБ. Таким образом, следует ожидать суммарногоослабления второй гармоники в нагревной установке не менее 60-70 дБ относительноуровня первой гармоники излучения. Эксперименты по регистрации сигнала второй гармоники,проведенные в Тромсе, то есть вблизи нагревного стенда, подтвердили это. Было показаноотсутствие сигнала гармоники в диапазоне до 80 дБ ниже сигналов основной частоты.Все это дало основание утверждать, что источником сигнала второй гармоники являетсяне нагревной стенд. Тем не менее исключать такую возможность нельзя.
Длятого, чтобы быть уверенным, что принимаемый сигнал второй гармоники не сигналнагревного стенда, условия эксперимента выбирались таковыми, чтобы сигналпервой гармоники мог отражаться от ионосферы (т.е. f1H
Дополнительнуюпроверку того, не является ли излучение второй гармоники излучением нагревногостенда позволила провести сама природа. В эксперименте 6.03.84 г. МПЧ на трассеТромсе-Мурманск изменялась во время сеанса от 13 МГц до 6 МГц, превышая вначале сеанса частоту второй гармоники и затем уменьшаясь становилась ниже этойчастоты. Если бы при этом сигнал второй гармоники излучался нагревным стендом,то в начале сеанса уровень принимаемого сигнала должен быть на несколькопорядков выше, чем в конце. В эксперименте же уровни сигнала второй гармоники какв начале, так и в конце сеанса, оставались одинаковыми.Анализ спектрального состава сигнала гармоники
Анализспектрального состава радиоизлучения на удвоенной частоте волны накачки (fH
Заключение
Вэлектрических полях, превышающих по величине характерное плазменное поле,поляризуемость ионосферной плазмы Р становится нелинейной функцией приложенногополя:
/>
Следовательно,часть энергии мощных радиоволн, распространяющихся в ионосфере, пойдет навозбуждение нелинейной поляризуемости и будет переизлучаться ионосферной плазмойна частотах, отличных от частот этих радиоволн. Способность переизлучать, атакже спектр электромагнитного излучения будет определяться параметрами волнынакачки и физическими условиями в ионосферной плазме, в частности, свойствамиее электрической восприимчивости />(Е). Привоздействии на ионосферу двумя мощными радиоволнами реализуется процесснелинейного смешения и ионосферная плазма становится источником излучения наразностной частоте. Крайне важным при этом является тот факт, чторадиоизлучение на разностной частоте формируется на нижней границе ионосферы ивблизи точи отражения. Проблема нелинейного преобразования частоты в мощногорадиосигнала в ионосфер представляется крайне актуальной для практикирадиосвязи в высоких широтах. Результаты работы могут быть использованы вучебном процессе по дисциплине «Антенны и распространение радиоволн»
Список используемой литературы
1. Гинзбург В.Л. «Распространение электромагнитных волнв плазме.» -М., Наука, 2006. — 683 с.
2. А.В. Гуревич А.В. Шварцбург «Нелинейная теорияраспространения радиоволн в ионосфере» -М., Наука, 2003 г., 201 с.
3 «Радиолинии ионосферного рассеяния метровыхволи.» Под ред. Н.Н. Шумской — М., Связь, 1973г., 193 с.
4. К. Дэвис «Радиоволны в ионосфере.» — М., Мир, 2001 г. — 501 с.
5. Пихтин А.Н. «Физические основы квантовой электроникии опто-электроники.» — М., Высшая школа, 2005г. — 304 с.
6. А. М. Федорчеико Н.Я. Кодаренко «Абсолютная иконвективная не устойчивость в плазме и твердых телах.» — М, Наука, 2001г.- 176с.