О ПИТАНИИ РАДИОПРИЁМНИКОВ «СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИЕЙ»

Радио 1997, №1

Возможно, из-за подорожания аккумуляторных элементов и батарей, а может быть, и по какой-то другой причине, но в последнее время сильно возрос интерес радиослушателей к проблеме питания радиоприёмника "свободной энергией" излучения мощных передающих радиовещательных станций. В ряде периодических изданий появились сообщения о "громкоговорящих" детекторных устройствах, а также о приёмниках, которые работают на телефоны и, питаясь от поля какой-либо мощной радиостанции, принимают программы других менее мощных станций. Поскольку причины такого явления а какой-то мере окутаны тайной, а в литературе предлагаются самые невероятные схемные решения, с помощью которых якобы можно получить ещё более невероятные результаты.

Цель настоящей статьи - помочь радиолюбителям, интересующимся данной проблемой, разобраться в ней с объективной точки зрения и реально оценить возможности радиоприёмных устройств, питающихся "свободной энергией" мощных радиостанций. Вопросы оптимального детектирования и построения самих приёмников предполагается рассмотреть в одной из следующих статей.

Известно, что ЭДС, наводимая полем передающей радиостанции в антенне радиоприёмнике, может быть определена по формуле: ε = Е*hд, где Е - напряжённость поля радиостанции в точке приёма, а hд - действующая высота антенны. Однако нам нужно максимизировать вовсе не ЭДС, а мощность принимаемого сигнала, подводимого к детектору, входное сопротивление которого Rвх зависит от его схемы, сопротивления нагрузки, в в некоторой степени и от величины наведённой в антенне ЭДС. Поскольку мощность поступающего на детектор сигнала Р = U*I (где U - подводимое к детектору напряжение, а I - протекающий через него ток), а входное сопротивление Rвх = U/I, то максимизировать мощность можно, изменяя входное сопротивление детектора, выбирая различные схемы согласования его с антенной, а также увеличивая напряжение на детекторе, уменьшая ток, и наоборот.

С другой стороны, известно, что источник (антенная цепь) отдаёт в нагрузку (детектор) максимальную мощность в том случае, когда его активное сопротивление равно входному сопротивлению нагрузки, т. е. RА = Rвх, а реактивное сопротивление скомпенсировано включением реактивного сопротивления другого знака. Это обычные условия согласования источника с нагрузкой Как их выполнить в реальной ситуации?

Наиболее мощные радиостанции работают в диапазонах длинных и средних волн. Влажная почва, пресная вода, а тем более морская, обладают на этих частотах свойствами проводника, в котором токи проводимости намного больше токов смещения. В результате волны с горизонтальной поляризацией оказываются у поверхности земли значительно ослабленными. По этой причине для радиовещания используют волны с вертикальной поляризацией, излучаемые вертикальными мачтами - антеннами с более или менее развитой горизонтальной частью и хорошим заземлением.

Вопросы проектирования длинноволновых и средневолновых антенн были решены ещё в тридцатые годы и подробно освещены в учебниках сороковых - пятидесятых годов, этим объясняется и "древность" литературы, приведённой в конце статьи.

Эскиз вертикальной антенны с заземлением

Рис. 1

Эскиз вертикальной антенны с заземлением показан на рис 1,а. Собственная (резонансная) длина волны, излучаемой такой антенной (напомним, что ею считается волна, на частоте которой сопротивление на разъёме ХТ1 активно и равно сопротивлению четвертьволнового несимметричного вибратора, т. е. ~37 Ом) λ0=4*IД, а действующая высота hд=2IА/π. В любительских условиях построить четвертьволновую вертикальную антенну практически невозможно, поскольку она оказывается слишком высокой, поэтому обычно используют Г-образные (рис. 1, б) и Т-образные (рис. 1,в) антенны, у которых параметр λ0= КIД, где IА = h + IГ, а К - коэффициент, значение которого можно определить по таблице:

АнтеннаК
Г-образная с IГ, < h4,5...5
Г-образная с IГ, > h5...6
Т-образная с IГ, > h6...8
Зонтичная6...10

Можно было бы порекомендовать зонтичную антенну, имеющую 3-4 горизонтальных луча, соединённых в одной точке с вертикальной частью, однако из-за сложности конструкции она применяется крайне редко.

В приёме радиоволн участвует лишь вертикальная часть антенны, горизонтальная же выполняет функции ёмкостной нагрузки, увеличивая собственную длину её волны и действующую высоту. Чем более развита горизонтальная часть, тем точнее выполняется соотношение hд = h и эффективнее сама антенна.

В большинства случаев антенна принимает сигналы, длина волны которых больше собственной длины волны антенны λ >λ0, и её сопротивление носит комплексный характер (Za) с активной (RΣ) и реактивной (Х) составляющими, определяемыми по формулам:

ZА=RА - jX;
RΣ = 1600(hд/λ)2;
X = W*ctg(πλ0/λ),

где W - волновое сопротивление провода антенны, равное примерно 450...560 Ом.

эквивалентная схема антенны

Рис. 2

Для компенсации ёмкостного сопротивления антенны в её цепь включают индуктивность (удлиняющую катушку), и эквивалентная схема антенны приобретает вид, показанный на рис. 2. Теперь имеется возможность подсчитать мощность, передаваемую антенной в нагрузку (детектор), причём потери в её цепи учитывать пока не будем. При равенстве входного сопротивления детектора и активной составляющей сопротивления антенны Rвх=RΣ мощность в нагрузке максимальна и равна

Р0= (ε/2)2/RΣ.

Подставляя в эту формулу выражения для ε и RΣ, получаем

P0= Е2 hд2 λ2 / (4*1600*hд2) = Е2 λ2 / 6400

Выведенная нами формула определяет максимальную мощность, которая может быть наведена полем радиостанции в идеальной антенне без потерь. Интересно отметить, что от размеров и конструкции конкретной антенны эта мощность не зависит. Из сказанного можно сделать следующие выводы.

- возможность питания приёмников "свободной энергией" зависит только от напряжённости поля радиостанции в месте приёма;
- приём лучше вести на длинных и сверхдлинных волнах;
- для эффективного приёма необходимо согласовать активные сопротивления детектора и антенны, а также скомпенсировать реактивное сопротивление антенны.

Для примера рассчитаем максимальную мощность, которая может навестись в антенне полем ДВ радиостанции, работающей на частоте 171 кГц (λ=1753 м) при его напряжённости 20 мВ/м, которая имеет место во многих районах Московской области и даже за её пределами:

Р0= E22/6400 =0,022 * 17532 /6400=0,19 Вт.

Такой мощности вполне достаточно для громкоговорящей работы большинства портативных приёмников, поскольку она эквивалентна Uпит = 9 В при токе 20 мА.

К сожалению, реальная ситуация далека от идеальной. Дело в том, что в антенной цепи имеется сопротивление потерь Rп, складывающееся из сопротивления провода антенны, активного сопротивления согласующей катушки L (рис. 2) и сопротивления заземления. КПД такой антенны определяется выражением

η = RΣ/(RΣ+Rп).

а получаемая от неё мощность - формулой:

Р = Р0*η = E2 λ2*η / 6400

Вычисление КПД антенны задача вполне решаемая. Погонное сопротивление медного провода диаметром 1 мм постоянному току составляет 22,5 Ом/км и возрастает примерно в 2 раза на частоте 200 кГц [1]. Для провода диаметром 2 мм аналогичные значения будут 5,5 Ом/км и 3 раза. Таким образом, сопротивление провода антенны RПА длиной 20...50 м можно оценить в 0,3...3 Ом. Сопротивление заземления РПЗ больше. М. Б. Шулейкин в своё время предложил такую эмпирическую формулу для определения потерь в заземлении [2]:

RПЗ = Aλ/λ0,

где коэффициент А изменяется от 0,5...2 Ом для хорошего заземления и до 4...7 Ом - для плохого. Сопротивление согласующей катушки Rпк зависит от её конструктивной добротности Q и может быть рассчитано по формуле:

Rпк = X/Q.

Используя данные приведённого выше примера рассчитаем КПД Г-образной антенны с высотой подвеса 10 м и длиной горизонтальной части 20 м, имеющей hд=10 м. По таблице определим коэффициент К = 6, тогда собственная длина волны антенны будет равна: λ0=6*(10+20) = 180 м, а λ/λ0 = 10. При диаметре провода 1 мм сопротивление RПА= 22,5*2*0,03 = 1,3 Ом, удовлетворительное заземление может быть получено при Rое= 3*10 = 30 Ом. При волновом сопротивлении провода антенны W = 500 Ом реактивное сопротивление антенны X = 500*ctg(π/10) = 500/0,31 = 1600 Ом. Задавшись конструктивной добротностью согласующей катушки Q = 250, найдём её сопротивление Rпк = 1600/250 = 6,45 Ом. Общее сопротивление потерь антенны, равное сумме всех найденных, составит около 38 Ом, в то время как сопротивление излучения

RΣ = 1600(hД/λ)2=1600(10/1753)2 = 0,05 Ом,

а это значит,что КПД η =0,05/38 =0,14%!

Таким образом, мощность сигнала, отдаваемая в нагрузку рассмотренной антенной, составит всего 0,19*0,0014=0,26 мВт, что равнозначно, например, напряжению питания 1 В при токе 0,26 мА. Этого достаточно для работы приёмника на телефоны, но маловато для питания громкоговорящего приёмника.

Заметим, что основную долю в потери антенны вносит заземление. Чтобы сделать его хорошим, надо прокопать землю до водоносного слоя и поместить на этой глубине металлический предмет, возможно, большей площади, разумеется, закопав потом яму. Можно рекомендовать также изготовить систему проводов-противовесов, радиально расходящихся от точки заземления и закопанных на небольшой глубине. Если эксперименты проводятся на садовом участка, то в качестве заземления можно использовать трубы водозаборной скважины, водопровода, противовесом же может служить и металлическая ограда участка, если позаботиться о хорошем электрическом контакте отдельных её частей.

Немаловажный вопрос: как обеспечить нужное согласование антенны с детектором? Введение лишних реактивных элементов только ухудшает КПД из-за присущих им дополнительных потерь, поэтому желательно обойтись только элементами, которые показаны на рис. 2. В этом случае рекомендуемая схема приёмника примет вид, показанный на рис. 3. Катушка переменной индуктивности L1 вместе с ёмкостью антенны образует колебательный контур, настроенный на частоту мощной радиостанции. Реактивные сопротивления антенны и катушки при этом равны и компенсируются. Последовательное активное сопротивление антенной цепи RА = RΣ + Rп пересчитывается в эквивалентное сопротивление Rое = X2/RА, подключённое параллельно катушке Если оно слишком велико для согласования со входным сопротивлением детектора, последний подключают к отводу катушки таким образом, чтобы выполнялось условие n2*Rое=Rвх, где n - отношение числа витков катушки от заземлённого вывода до отвода к общему числу витков. Схема детектора, содержащая диод VD1, блокировочный конденсатор С1 и нагрузку, пояснений не требует.

Схема детектора

Рис. 3

В приведённом выше примере Rое=16002/38 = 67,4 кОм. Если детектор имеет входное сопротивление порядка 2 кОм, что справедливо при работе его на телефоны сопротивлением 4 кОм, n = (2/67)0,5 = 0,17, следовательно, отвод надо сделать примерно от 1/6 части витков всей катушки.

Важной проблемой в сельской местности всегда была и остаётся грозозащита антенн. Лучше всего антенну постоянно соединить с заземлением. Схема приёмника, показанного на рис. 3, этому условию отвечает. Тем не менее даже и не особенно близкие удары молний наводят в больших антеннах импульсную ЭДС, измеряемую многими киловольтами, что отнюдь не безопасно. Защитить диод детектора поможет газонаполненный разрядник или даже простая неоновая лампочке HL1, включённая между антенной и заземлением. И всё же при близкой грозе антенну следует заземлять специальным переключателем SA1.

В. ПОЛЯКОВ, г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

  1. Г. Гинкин Справочник по радиотехнике. -М. - Л:ГЭИ, 1946.
  2. Г. Белоцерксвский. Антенны. - М.. Оборонгиз, 1956.

От редакции. Парадоксальный, на первый взгляд, результат, заключающийся в независимости мощности, снимаемой с антенны, от её размеров при отсутствии потерь и при согласовании с нагрузкой, легко объясним. Хорошо известно, что передающая антенна, если в ней нет потерь и если она согласована с источником сигнала, излучает всю подводимую к ней мощность. Поэтому различные антенны с одинаковой диаграммой направленности при указанных выше условиях создают на одинаковом расстоянии одну и ту же напряжённость электромагнитного поля. Остаётся добавить - независимо от размеров антенны. Конечно, как только речь заходит о реальных антеннах с потерями, указанное утверждение сразу теряет практическую ценность При уменьшении размеров антенн их сопротивление излучения становится крайне малым, реактивная составляющая сопротивления возрастает, что затрудняет согласование антенны с источником сигнала, потери увеличиваются, поэтому эффективность антенн резко падает

Из обратимости антенн следует, что при одинаковой напряжённости поля, согласовании с нагрузкой и отсутствии потерь приёмные антенны различных размеров обеспечат и в нагрузке одинаковую мощность. Конечно, и для приёмных антенн потери и трудности согласования с нагрузкой оставляют за полученным результатом чисто теоретическое значение.

Отметим ещё раз, что все приведённые в статье расчёты справедливы лишь в тем случае, когда размеры антенны значительно меньше длины волны.

BACK


Hosted by uCoz