Исследование преобразований частотного спектра в возмущенных условиях

3. Экспериментальное исследование спектра генерируемой в ионосфере гармоники радиосигнала

В главе 1 теоретически показана возможность нелинейной трансформации частотного спектра мощного радиосигнала. Однако в процессе экспериментальных исследований постоянно остаются сомнения - не аппаратурный ли это эффект. Ниже эта проблема детально рассматривает

ся, кроме того анализируется геофизическая обстановка, сопутствующая проведенным экспериментам.

Результаты экспериментальных исследований воздействия на ионосферную плазму мощным радиоизлучением показали, что важная, а порой и определяющая роль в формировании наблюдаемых явлений принадлежит интенсивной плазменной турбулентности, развивающейся вблизи точки отражения мощной радиоволны обыкновенной поляризации. В частности, вследствие слияния интенсивных плазменных волн (аналогично механизму генерации гармоник солнечного радиоизлучения) модифицированная область ионосферы может служить источником электромагнитного излучения на удвоенной частоте волны накачки. Первые эксперименты по изучению возможностей использования ионосферы в качестве плазменного умножителя частоты были проведены в 1982 году. В этих экспериментах прием излучения на удвоенной и основной частотах нагревного стенда, располагающегося вблизи города Тромсе (Норвегия) осуществлялся в Баренцбурге (арх. Шпицберген) на расстоянии приблизительно 1000км.(рис2.1) Для приема использовалась антенна бегущей волны с максимумом диаграммы, ориентированным на область ионосферы, подверженную воздействию мощным радиоизлучением нагревного стенда.

Геометрия используемых в экспериментах радиограсс

Рис. 2-1

Типовые радиоприемники Р-25ОМ2 были сопряжены со специальными узкополосными (f~80Гц), перестраиваемыми фильтрами, что давало возможность, помимо измерения амплитуды сигнала на удвоенной частоте волны накачки, грубо оценить спектр этого сигнала. Эксперименты показали, что при работе нагревного стенда возникает шумовое излучение на частотах, смещенных относительно частоты мощного передатчика на десятки кГц, а также излучение на удвоенной частоте этого передатчика. Уровень радиосигнала второй гармоники на входе приемника достигал 0.2 мкВ. Уширение частотного спектра радиоизлучения на удвоенной частоте по грубым оценкам не превышало 80 Гц.

В последующих экспериментах прием осуществлялся в Мурманской области (расстояние от пункта излучения до пункта приема примерно 700 км) на слабо направленные антенны с помощью радиоприемников с тройным преобразованием частоты. В качестве третьих гетеродинов использовались синтезаторы Ч6-31. Номинальная частота на выходе приемников определялась частотой, устанавливаемой на синтезаторе, и при приеме первой гармоники сигнала равнялась 80 Гц, а при приеме второй-120 Гц. Частоты гетеродинов всех приемников синтезировались из сигналов общего кварцевого генератора, относительная нестабильность которого меньше или равна 10-8. В экспериментах регистрировались спектры сигналов первой и второй гармоник с помощью анализатора спектров типа 2031А фирмы "Брюль и Кьер", и работающего на принципе быстрого преобразования Фурье. Полоса анализа составляла в эксперименте 200 Гц при разрешении 0.5 Гц, время анализа-2 секунды.

Пуск анализатора спектров осуществлялся таймерным устройством с периодом 10с. С той же частотой выходы радиоприемников, принимающие первую и вторую гармонику нагревной частоты, поочередно подключались к входу анализатора спектров. После окончания анализа фоторегистратором производилась съемка спектра с экрана анализатора.

В экспериментах, связанных с генерацией гармоник в плазме, очень важно исключить возможность регистрации в месте приема гармоник сигнала, образующихся в нелинейных цепях передатчика и приемника.

В связи с тем, что мы не имеем абсолютно чистого источника излучений высокой частоты, чтобы проверить практически линейность выходных цепей приемника, мы провели взаимокорреляционный анализ огибающих сигналов первой и второй гармоники. В случае, если сигналы второй гармоники возникают на нелинейностях первых каскадов приемника огибающие первой и второй гармоник должны иметь коэффициент корреляции близкий к +1 или -1. Мы проанализировали 29 сеансов одновременных наблюдений сигналов первой и второй гармоник, средний коэффициент корреляции между их уровнями составил 0.033, изменяясь от сеанса к сеансу в пределах от -0.35 до +0.4. Этот анализ убедительно показывает, что нелинейности входных каскадов приемника не являются источником наблюдаемых нами сигналов второй гармоники. Как уже говорилось, в экспериментах для воздействия на ионосферу использовалась специальная установка Аэрономического института общества Макса Планка (ФРГ) и Университета г.Тромсе (Норвегия), расположенная в Северной Скандинавии (вблизи г.Тромсе,Норвегия).

Для возбуждения нелинейных явлений в ионосферной плазме требуется достаточно высокая мощность воздействующего радиоизлучения. Исходя из этих соображений, суммарная мощность передатчиков этой установки составляет 1.4 МВт, что достигается сложением мощности двенадцати 120 кВт передатчиков. Каждый передатчик представляет 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 антенны с высокой направленностью используются фазированные антенные решетки (ФАР), содержащие 6х6 скрещенных волновых вибраторов. Каждый ряд вибраторов восточно-западного направления запитывается от двух передатчиков. Такое включение позволяет путем соответствующего сдвига фаз на выходе этих передатчиков излучать волны с различной поляризацией (обыкновенной и необыкновенной моды, линейной моды), а кроме того путем сдвига фаз между решеткой соответствующих рядов имеется возможность наклонять главный лепесток диаграммы направленности ФАР в направлении север-юг на 400 от зенита. Для перекрытия диапазона 2.5-4; 3.8-5.7; 5.5-9 МГц, соответственно. Построение и питание каждой из ФАР одинаковые, поэтому коэффициент усиления антенны во всем рабочем диапазоне составляет 24 дБ относительно изотропного излучателя. Ширина диаграммы направленности антенны при этом равна 14.50.

Питание антенны осуществляется с помощью коаксиальных фидерных линий, в которые с целью согласования и симметрирования включены четвертьволновые короткозамкнутые отрезки. Такое включение позволяет дополнительно ослабить вторую гармонику частоты нагрева еще на 20-30 дБ. Таким образом, следует ожидать суммарного ослабления второй гармоники в нагревной установке не менее 60-70 дБ относительно уровня первой гармоники излучения. Эксперименты по регистрации сигнала второй гармоники, проведенные в Тромсе, то есть вблизи нагревного стенда, подтвердили это. Было показано отсутствие сигнала гармоники в диапазоне до 80 дБ ниже сигналов основной частоты. Все это дало основание утверждать, что источником сигнала второй гармоники является не нагревной стенд. Тем не менее исключать такую возможность нельзя.

 Скачать реферат