Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / ricezione radiofonica

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Forse a causa dell'aumento del prezzo delle celle e delle batterie ricaricabili, o forse per qualche altro motivo, ma recentemente l'interesse dei radioascoltatori per il problema di alimentare un ricevitore radio con l'“energia libera” delle radiazioni provenienti da potenti stazioni trasmittenti è aumentato notevolmente è aumentato. In numerosi periodici sono apparsi resoconti di dispositivi rilevatori "ad alta voce", nonché di ricevitori che funzionano sui telefoni e, alimentati dal campo di una potente stazione radio, ricevono programmi da altre stazioni meno potenti. Poiché le ragioni di questo fenomeno sono in una certa misura avvolte nel mistero, e la letteratura offre le soluzioni circuitali più incredibili con l'aiuto delle quali è presumibilmente possibile ottenere risultati ancora più incredibili.

Lo scopo di questo articolo è aiutare i radioamatori interessati a questo problema a comprenderlo da un punto di vista oggettivo e a valutare realmente le capacità dei dispositivi di ricezione radio alimentati dall'energia libera di potenti stazioni radio. Si prevede che i problemi relativi al rilevamento ottimale e alla costruzione dei ricevitori stessi verranno considerati in uno dei seguenti articoli.

È noto che la forza elettromagnetica indotta dal campo di una stazione radio trasmittente nell'antenna di un radioricevitore può essere determinata dalla formula: ε = E*h_д, dove E è l'intensità del campo della stazione radio nel punto di ricezione, e h_д - altezza effettiva dell'antenna. Tuttavia, dobbiamo massimizzare non l'EMF, ma la potenza del segnale ricevuto fornito al rilevatore, la cui resistenza di ingresso Rin dipende dal suo circuito, dalla resistenza di carico e in una certa misura dall'entità dell'EMF indotto nell'antenna. Poiché la potenza del segnale che arriva al rilevatore P = U*I (dove U è la tensione fornita al rilevatore e I è la corrente che lo attraversa) e la resistenza di ingresso R_Rin = U/I, allora la potenza può essere massimizzata modificando l'impedenza di ingresso del rilevatore, scegliendo diversi schemi per abbinarla all'antenna, nonché aumentando la tensione sul rilevatore, diminuendo la corrente e viceversa.

D'altra parte, è noto che la sorgente (circuito dell'antenna) fornisce la massima potenza al carico (rivelatore) nel caso in cui la sua resistenza attiva sia uguale alla resistenza di ingresso del carico, ovvero R_А =R_Rin, e la reattanza viene compensata includendo una reattanza di segno diverso. Queste sono le condizioni abituali per abbinare la fonte al carico. Come soddisfarle in una situazione reale?

Le stazioni radio più potenti operano nelle bande delle onde lunghe e medie. Il terreno umido, l'acqua dolce e ancor più l'acqua di mare, a queste frequenze hanno le proprietà di un conduttore in cui le correnti di conduzione sono molto maggiori delle correnti di spostamento. Di conseguenza, le onde con polarizzazione orizzontale sono notevolmente indebolite sulla superficie terrestre. Per questo motivo, per le trasmissioni radiofoniche, vengono utilizzate onde con polarizzazione verticale, emesse da tralicci verticali, antenne con la parte orizzontale più o meno sviluppata e una buona messa a terra.

I problemi di progettazione delle antenne a onde lunghe e medie furono risolti negli anni Trenta e trattati in dettaglio nei libri di testo degli anni Quaranta e Cinquanta, questo spiega l '"antichità" della letteratura riportata alla fine dell'articolo.

Fig. 1

Uno schizzo di un'antenna verticale con messa a terra è mostrato in Fig. 1, a. La lunghezza d'onda naturale (risonante) emessa da tale antenna (ricordate che è considerata un'onda alla cui frequenza è attiva la resistenza sul connettore XT1 e pari alla resistenza di un vibratore unipolare a quarto d'onda, ovvero ~37 Ohm) λ₀=4*io_Д, e l'altezza effettiva h_д=2I_А/π. In condizioni amatoriali, è quasi impossibile costruire un'antenna verticale a quarto d'onda, poiché risulta essere troppo alta, quindi di solito antenne a forma di L (Fig. 1, b) e a forma di T (Fig. 1, c) con un parametro λ vengono utilizzati₀=KI_Д, dove io_А = h + io_Г, e K è un coefficiente, il cui valore può essere determinato dalla tabella:

Si potrebbe consigliare un'antenna a ombrello con 3-4 raggi orizzontali collegati in un punto alla parte verticale, tuttavia, a causa della complessità della struttura, viene utilizzata molto raramente.

Solo la parte verticale dell'antenna è coinvolta nella ricezione delle onde radio, mentre la parte orizzontale funge da carico capacitivo, aumentando la propria lunghezza d'onda e l'altezza effettiva. Quanto più sviluppata è la parte orizzontale, tanto più precisa sarà la relazione h_д = h e l'antenna stessa è più efficiente.

Nella maggior parte dei casi, l’antenna riceve segnali la cui lunghezza d’onda è maggiore della lunghezza d’onda propria dell’antenna λ >λ₀, e la sua resistenza è complessa (Za) con attivo (R_Σ) e componenti reattivi (X), determinati dalle formule:

Z_А=R_А -jX;
R_Σ = 1600(h_д/λ)²;
X = W*ctg(πλ₀/λ),

dove W è l'impedenza d'onda del filo dell'antenna, che è di circa 450 ... 560 ohm.

Fig. 2

Per compensare la capacità dell'antenna, nel suo circuito è inclusa un'induttanza (bobina di estensione) e il circuito equivalente dell'antenna assume la forma mostrata in Fig. 2. Ora è possibile calcolare la potenza trasmessa dall'antenna al carico (rivelatore) e per ora non prenderemo in considerazione le perdite nel suo circuito. Se la resistenza di ingresso del rilevatore e il componente attivo della resistenza dell'antenna R sono uguali_Rin=R_Σ la potenza del carico è massima e uguale a

Р₀= (ε/2)²/R_Σ.

Sostituendo in questa formula le espressioni per ε e R_Σ, ottenere

P₀= e² h_д² λ² / (4*1600*h_д²) = E² λ² / 6400

La formula che abbiamo derivato determina la potenza massima che può essere indotta dal campo di una stazione radio in un'antenna ideale senza perdite. È interessante notare che questa potenza non dipende dalle dimensioni e dal design di una particolare antenna. Da quanto sopra si possono trarre le seguenti conclusioni.

- la possibilità di alimentare i ricevitori con “energia libera” dipende solo dall'intensità del campo della stazione radio nel luogo di ricezione;
- è meglio ricevere su onde lunghe ed extra lunghe;
- per una ricezione efficace è necessario abbinare la resistenza attiva del rilevatore e dell'antenna, nonché compensare la reattanza dell'antenna.

Ad esempio, calcoliamo la potenza massima che può essere indotta nell'antenna dal campo di una stazione radio DV operante alla frequenza di 171 kHz (λ = 1753 m) con una tensione di 20 mV/m, cosa che si verifica in molte zone della regione di Mosca e anche oltre:

Р₀= E²*λ²/6400 =0,02² * 1753² /6400=0,19 W.

Questa potenza è più che sufficiente per il funzionamento in vivavoce della maggior parte dei ricevitori portatili, poiché equivale a Upit = 9 V con una corrente di 20 mA.

Sfortunatamente, la situazione reale è lungi dall’essere ideale. Il fatto è che nel circuito dell'antenna c'è una resistenza di perdita R_п, costituito dalla resistenza del filo dell'antenna, dalla resistenza attiva della bobina corrispondente L (Fig. 2) e dalla resistenza di terra. L'efficienza di tale antenna è determinata dall'espressione

η = R_Σ/ (R_Σ+R_п).

e il potere ricevuto da esso - dalla formula:

P = P₀*η = E² λ²*η/6400

Calcolare l'efficienza di un'antenna è un compito completamente risolvibile. La resistenza lineare di un filo di rame con diametro di 1 mm alla corrente continua è di 22,5 Ohm/km e aumenta di circa 2 volte alla frequenza di 200 kHz [1]. Per un filo di diametro 2 mm valori simili saranno 5,5 Ohm/km e 3 volte. Pertanto, la resistenza del filo dell'antenna R_PAPÀ la lunghezza 20...50 m può essere stimata a 0,3...3 Ohm. Resistenza di terra P_software Di più. M. B. Shuleikin una volta propose la seguente formula empirica per determinare le perdite di messa a terra [2]:

R_software =Aλ/λ₀,

dove il coefficiente A varia da 0,5...2 Ohm per una buona messa a terra e a 4...7 Ohm per una cattiva messa a terra. Resistenza della bobina corrispondente R_пк dipende dal suo fattore di qualità progettuale Q e può essere calcolato utilizzando la formula:

R_пк =X/Q.

Utilizzando i dati dell'esempio precedente, calcoliamo l'efficienza di un'antenna a forma di L con un'altezza di sospensione di 10 m e una lunghezza della parte orizzontale di 20 m, avente h_д= 10 m Utilizzando la tabella, determiniamo il coefficiente K = 6, quindi la lunghezza d'onda dell'antenna sarà uguale a: λ₀\u6d 10 * (20 + 180) \uXNUMXd XNUMX m e λ / λ₀ = 10. Con un diametro del filo di 1 mm, resistenza R_PAPÀ= 22,5*2*0,03 = 1,3 Ohm, una messa a terra soddisfacente si ottiene con Rе = 3*10 = 30 Ohm. Con un'impedenza d'onda del filo dell'antenna W = 500 Ohm, la reattanza dell'antenna è X = 500*ctg(π/10) = 500/0,31 = 1600 Ohm. Avendo fissato il fattore di qualità progettuale della bobina di adattamento Q = 250, troviamo la sua resistenza R_пк = 1600/250 = 6,45 Ohm. La resistenza di perdita totale dell'antenna, pari alla somma di tutte quelle riscontrate, sarà di circa 38 Ohm, mentre la resistenza alla radiazione

R_Σ = 1600(h_Д/λ)²=1600(10/1753)² = 0,05Ohm,

il che significa che l'efficienza η = 0,05/38 = 0,14%!

Pertanto, la potenza del segnale fornita al carico dall'antenna considerata sarà solo 0,19 * 0,0014 = 0,26 mW, che equivale, ad esempio, a una tensione di alimentazione di 1 V con una corrente di 0,26 mA. Ciò è sufficiente per far funzionare un ricevitore telefonico, ma non abbastanza per alimentare un ricevitore per altoparlante.

Si noti che il contributo principale alle perdite dell'antenna proviene dalla messa a terra. Per farlo funzionare, è necessario scavare nel terreno fino alla falda acquifera e posizionare a questa profondità un oggetto metallico, possibilmente di un'area più ampia, ovviamente, seppellendo poi un buco. Si può anche consigliare di realizzare un sistema di fili di contrappeso, divergenti radialmente dal punto di messa a terra e interrati a bassa profondità. Se gli esperimenti vengono condotti su un orto, i tubi di un pozzo o di una rete idrica possono essere utilizzati come messa a terra e la recinzione metallica dell'appezzamento può anche fungere da contrappeso, se si prende cura del buon contatto elettrico dei suoi singole parti.

Una domanda importante: come garantire il necessario coordinamento dell'antenna con il rilevatore? L'introduzione di elementi extra reattivi non fa altro che peggiorare l'efficienza a causa delle perdite aggiuntive ad essi inerenti, per cui è consigliabile utilizzare solo gli elementi mostrati in Fig. 2. In questo caso, il circuito ricevitore consigliato assumerà la forma mostrata in Fig. 3.

Fig. 3

La bobina a induttanza variabile L1, insieme alla capacità dell'antenna, forma un circuito oscillatorio sintonizzato sulla frequenza di una potente stazione radio. Le reattanze dell'antenna e della bobina sono uguali e compensate. Resistenza attiva in serie del circuito dell'antenna R_А = RΣ + R_пconvertito in resistenza equivalente R_esimo = X²/R_А, collegato in parallelo alla bobina. Se è troppo grande per adattarsi all'impedenza di ingresso del rilevatore, quest'ultimo viene collegato alla presa della bobina in modo che la condizione n sia soddisfatta²*R_esimo=R_Rin, dove n è il rapporto tra il numero di spire della bobina dal terminale di terra alla presa e il numero totale di spire. Il circuito del rilevatore, contenente il diodo VD1, il condensatore di blocco C1 e il carico, non richiede spiegazioni.

Nell'esempio sopra, R_esimo= 1600²/38 = 67,4 kOhm. Se il rilevatore ha una resistenza di ingresso dell'ordine di 2 kOhm, il che è vero quando si lavora su telefoni con una resistenza di 4 kOhm, n = (2/67)^0,5 = 0,17 quindi il rubinetto dovrà essere realizzato da circa 1/6 delle spire dell'intera bobina.

La protezione contro i fulmini delle antenne è sempre stata e rimane un problema importante nelle zone rurali. È meglio collegare permanentemente l'antenna a terra. Il circuito del ricevitore mostrato in Fig. 3, soddisfa questa condizione. Tuttavia, anche i fulmini non particolarmente ravvicinati inducono nelle grandi antenne un campo elettromagnetico pulsato, misurato in molti kilovolt, il che non è affatto sicuro. Uno spinterometro riempito di gas o anche una semplice lampadina al neon HL1 collegata tra l'antenna e la terra aiuterà a proteggere il diodo del rilevatore. Tuttavia, se nelle vicinanze è presente un temporale, l'antenna deve essere messa a terra con l'apposito interruttore SA1.

Il risultato, a prima vista paradossale, che consiste nell'indipendenza della potenza prelevata dall'antenna dalla sua dimensione in assenza di perdite e quando coordinata con il carico, è facilmente spiegabile. È noto che un'antenna trasmittente, se non presenta perdite e se è adattata alla sorgente del segnale, irradia tutta la potenza che le fornisce. Pertanto, antenne diverse con lo stesso diagramma di radiazione nelle condizioni sopra indicate creano la stessa intensità di campo elettromagnetico alla stessa distanza. Resta da aggiungere, indipendentemente dalle dimensioni dell'antenna. Naturalmente, non appena parliamo di antenne reali con perdite, questa affermazione perde immediatamente valore pratico: quando le dimensioni delle antenne diminuiscono, la loro resistenza alle radiazioni diventa estremamente piccola, la componente reattiva della resistenza aumenta, il che rende difficile abbinare l'antenna alla sorgente del segnale, le perdite aumentano, quindi l'efficienza delle antenne diminuisce drasticamente

Dalla reversibilità delle antenne ne consegue che con la stessa intensità di campo, adattamento al carico e assenza di perdite, antenne riceventi di diverse dimensioni forniranno la stessa potenza al carico. Naturalmente, per le antenne riceventi, le perdite e le difficoltà di adattamento al carico lasciano il risultato ottenuto ad un valore puramente teorico.

Notiamo ancora una volta che tutti i calcoli presentati nell'articolo sono validi solo nel caso in cui le dimensioni dell'antenna siano significativamente inferiori alla lunghezza d'onda.

Letteratura

1. G. Ginkin Manuale di ingegneria radiofonica. -M. - L: GEI, 1946.
2. G. Belotserksvskiy. Antenne. - M.. Oborongiz, 1956.

Autore: V.Polyakov, Mosca

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