Исследование преобразований частотного спектра в возмущенных условиях (стр. 1 из 5)
Содержание
Введение
1. Особенности радиосвязи в возмущенных условиях
2. Нелинейное преобразование частотного спектра радиосигнала
3. Экспериментальное исследование спектра генерируемой в ионосфере гармоники радиосигнала
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Известно, что повышение мощности излучения РТС после достижения некоторого критического значения ведет не к повышению, а наоборот - к снижению потенциала РТС. Это связано с процессами нелинейной трансформации частотного спектра радиосигнала и представляет практический интерес, поскольку возникает возможность организации новых, нетрадиционных источников радиоизлучения.
Работа посвящена рассмотрению именно этой проблемы. Работа состоит из Введения четырех глав и заключения. В главе 1 рассмотрены особенности функционирования РТС в высоких широтах. В главе 2 изучаются процессы нелинейного преобразования частоты мощных радиосигналов при наклонном распространении в ионосфере. В главе 3 рассмотрены вопросы умножения и смешения частоты мощных радиосигналов при вертикальном зондировании ионосферы. В главе 4 представлены результаты экспериментальных исследований нелинейной трансформации частотного спектра мощного радиосигнала в ионосфере.
1. Особенности радиосвязи в возмущенных условиях
При организации радиосвязи в северных широтах на коротких и промежуточных волнах встречаются частые нарушения связи. Эти нарушения проявляются неожиданно и продолжаются иногда несколько часов и даже дней.
В нормальных условиях атмосферные помехи в северных широтах невелики, поглощение в нижних слоях ионосферы при малой высоте Солнца над горизонтом также невелико, и поэтому прием радиосигналов проходит с большой интенсивностью на большие расстояния. Во время пурги или дождя при сильном ветре в приемных антеннах наводятся статические заряды, создающие большие помехи радиоприему. Однако спокойное состояние ионосферы встречается относительно редко. Весьма часто встречается возмущенное состояние ионосферы, обусловленное появлением магнитных бурь, северных сияний и повышенной ионизации на высоте слоя Е.
Изменения в ионизированных слоях во время возмущений приводят к изменению условий распространения радиоволн. Это изменение условий сводится к следующему:
1.При изменении критической частоты и высоты отражающих слоев изменяются МПЧ и ширина мертвых зон.
2.Изменение структуры отражающих слоев и большое увеличение ионизации в нижних слоях вызывают увеличение поглощения коротких и промежуточных волн.
3.Вследствие рассеивания в ионосфере, обладающей неоднородной структурой, идущая через нее волна может прийти к приемнику различными путями, образуя несколько лучей с различными амплитудами, фазами и направлением фронта волны. Это вызывает появление нескольких сигналов вместо одного или удлинение и размывание сигнала.
4.Вследствие неоднородности структуры ионизированных слоев боковые частоты радиотелефонных каналов могут поступать к месту приема с изменившимися амплитудами и фазами, что вызывает искажения передачи.
5.Если рабочие волны были выбраны для спокойных условий, то в возмущенном состоянии они могут оказаться мало пригодными, и связь будет нарушаться. Нарушения связи могут происходить в тех случаях, когда:
а) рабочая частота при уменьшении электронной плотности в слое F2 во время бури окажется выше критической частоты, и волна этой частоты будет проникать сквозь ионосферу, не отражаясь от нее;
б) имеет место полное прекращение отражений от ионосферы на всем диапазоне коротких и промежуточных волн;
в) прекращаются отражения от ионосферы волн наиболее низких частот промежуточного диапазона (ниже 3 Мгц) при увеличении поглощения в слоях E и D;
г) уменьшается сила принимаемого сигнала при увеличении поглощения.
С другой стороны, волны низких частот мало подвержены возмущениям, и когда все высокочастотные радиосвязи нарушаются, можно поддерживать радиосвязь на волнах с частотами ниже 500 кгц.
Одна из мер для уменьшения числа нарушений радиосвязи и повышения ее надежности в периоды возмущений это повышение мощности передатчика и применение антенны направленного действия. Таким путем можно повысить надежность радиосвязи во всех случаях, за исключением случаев полного отсутствия отражений от ионосферы или большого поглощения, однако, как показывают исследования последних лет, при повышении мощности передающих средств напряженность электрического поля излучаемого сигнала в ионосфере может приближаться к величине ионосферного плазменного поля или даже превышать его. Установлено, что нелинейные свойства плазмы заметно проявляются только в том случае, когда величина воздействующего поля находится в определенном соотношении с так называемым характерным или "плазменным" полем, а именно, если Е>Еп. Плазменное поле определяется выражением:
Здесь Cе - средняя относительная доля энергии, передаваемая электроном при соударении с тяжелыми частицами; Те - средняя кинетическая температура электронов в отсутствие приложенного поля; Vэф - эффективное число столкновений электронов в отсутствие поля. Из формулы видно, что с понижением частоты внешнего поля характерное поле уменьшается, т.е. требуются меньшие напряженности воздействующего поля для возникновения нелинейных явлений. В случаях, когда величина воздействующего поля больше величины плазменного поля, в ионосфере (наряду с омическим поглощением радиоволны) возникает ряд нелинейных явлений, приводящих к ослаблению (иногда значительному) исходной радиоволны. Одним из таких явлений является развитие параметрических неустойчивостей, приводящих к образованию в области ионосферы, подверженной мощному радиоизлучению, 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 переизлучение электромагнитных волн на этих частотах. Кроме того, энергия мощной радиоволны расходуется на возбуждение плазменных волн, приводящих в конечном счете к стимулированному радиоизлучению в широком спектре частот вблизи частоты накачки.
Все эти явления приводят к значительным потерям энергии сигнала в ионосфере. На рисунке показана зависимость уровня отраженного от ионосферы сигнала от эффективной мощности (произведение мощности передатчика на коэффициент усиления антенны) падающей на ионосферу волны. Из рисунка видно, что при линейном нарастании мощности от 0 до 260МВт напряженность поля принятой волны прекращала возрастать примерно от 60МВт, оставалась на максимальной величине до значения мощности около 130МВт и затем уменьшалась до уровня, который на возрастающей части достигался всего лишь при 20МВт. То есть увеличение эффективной мощности передающих средств свыше некоторого порогового значения не увеличивает потенциала радиотехнической системы, так как резко возрастает мощность, теряемая в ионосфере.
Можно полагать, что при эффективной мощности радиоизлучателя превышающей 10-20МВт, потери в ионосфере составят от 30 до 80% мощности и будут тем больше, чем ниже частота радиоизлучения и выше мощность.
Зависимость уровня отраженного от ионосферы сигнала от эффективной мощности.
рис.1
2. Нелинейное преобразование частотного спектра радиосигнала
Рассмотрим случай, когда в ионосфере распространяется одна мощная волна накачки (или две радиоволны с одинаковыми частотами). Считаем распространение вертикальным (вдоль оси Z) и ограничимся учетом лишь квадратичной зависимости поляризуемости Р от поля волны накачки. При таких предположениях Волновой процесс в ионосферном слое будет удовлетворять уравнению:
(1)где поляризуемость ионосферной плазмы P может быть найдена из уравнения сохранения импульса и энергии при движении электронов в поле волны и является нелинейной функцией этого поля. Если ограничиться учетом лишь квадратичной зависимости поляризуемости P от поля волны накачки, то уравнение (1) примет вид:
(2)где
n(w) –показатель преломления ионосферной плазмы в линейном приближении.
Нелинейный член поляризуемости Pнел =
выступает в данном случае в качестве источника второй гармоники. Решение уравнения (2) может быть представлено в виде: = (w) + (2w)
то есть 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 амплитуд амплитуды (w) (2w) j1 j2 удовлетворят следующей системе укороченных уравнений:
(3) 
Учитывая, что Ф = (k2 - 2k1)Z + 2 - последние два уравнения системы (3) могут быть объединены в одно уравнение для фазы Ф и система запишется в виде:
