Текст книги "Автономное электроснабжение частного дома своими руками"

1.3. Автономная подземная радиосвязь

Поверхность Земли определяющим образом влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (кривизна участков поверхности и отдельные неровности рельефа – горы, ущелья). Влияние это различно для волн разной длины, для условий относительно передачи радиосигнала над грунтом и под ним, и для разных расстояний между передатчиком и приемником. Поэтому способы распространения радиоволн над землей и тем более под ней существенно зависят от множества факторов, в том числе – от длины волны и даже от освещенности земной атмосферы солнцем.

Меня издавна интересовал вопрос: а возможна ли подземная радиосвязь с помощью непрофессиональных, портативных радиостанций?

В 2014 году в своем фермерском хозяйстве в Верховажском районе Вологодской области мною проведен ряд экспериментов, о которых поведаю далее. Был поставлен вопрос: возможна ли радиосвязь под землей, и какие факторы влияют на ее качество.

Для подготовки условий эксперимента углублены подземные катакомбы (глубина 1,6 метра под землей) в районе д. Боровичиха в месте естественного кратера, который в здешних краях носит название «Коробовая яма». Длина прямолинейного подземелья (подземного тоннеля) после подготовительных работ достигла 22 м.

Обязательные условия

Основным и обязательным условием подземной радиосвязи является то, что радиосвязь должна осуществляться между корреспондентами, находящимися в прямой видимости (на прямолинейном участке дистанции). Тогда она возможна практически без ограничений – в соответствии с мощностью радиостанции.

Распространение радиоволн под землей подчиняется определенным общим законам:

Прямолинейное распространение в однородной среде, свойства которой во всех точках одинаковы. Встречая на своем пути непрозрачное тело, радиоволны огибают его; это явление, называемое дифракцией проявляется в зависимости от соотношения геометрических размеров препятствия и длины волны, и в нашем эксперименте под землей оказывает на качестве и дальность связи определяющее значение.

С другой стороны, если радиоволна встречает препятствие, то она распространяются по криволинейным траекториям, сила сигнала при этом ослабляется (вяление рефракции).

Чем резче изменяются свойства среды в виде криволинейного участка между двумя корреспондентами под землей, тем больше кривизна траектории волны и тем слабее сигнал.

Для определения эффективности и самой возможности радиосвязи между двумя корреспондентами в описанных условиях был испытан трансивер Kenwood TH-F7 c выходной мощностью 5 Вт в диапазоне 2 м – на частотах 144,550 МГц и 444,300 МГц (70 см). Внешний вид трансивера представлен на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Трансивер Kenwood TH-F7. Внешний вид

Трансивер Kenwood TH-F7 и эксперименты с ним широко описаны в книге: Кашкаров А.П.

Трансивер Kenwood TH-F7: дома, в офисе, на отдыхе. Пошаговые рекомендации. – М.: ИП РадиоСофт, 2011.– 222 с.: ил.– ISBN 978-5-93037-237-3,

а также тесты – на сайте:

http://bt-test.ru/reviews/kak_vybrat_portativnuyu_raciyu_kenwood_th-f7

Частоты

При проведении эксперимента в сельских условиях сигнал с портативного трансивера был получен другим корреспондентом, находящимся в 22 м от меня – принят на идентичную радиостанцию, настроенную на те же частоты.

При экспериментировании замечена интересная особенность: на частоте UNF (444.3 МГц – длина волны 70 см) слышимость лучше, распознавание сигнала отчетливее, чем при работе (при прочих равных условиях) в частотном диапазоне VNF (144.55 МГц – длина волны 2 метра).

Таким образом, по проведенному эксперименту, а также, опираясь на комплексные данные других исследователей, можно сделать простой вывод-подтверждение о том, что диапазоны радиоволн – на которых длина волны меньше, наиболее предпочтительны для радиосвязей в замкнутых помещениях, с перегородками (радиоволны огибают препятствия); радиостанции на данных диапазонах хорошо работают в зданиях.

Чем больше длина волны, тем критичнее к препятствиям (естественным и искусственным) качество радиосвязи.

Как можно заметить на практике, портативными трансиверами (рациями) часто пользуются вспомогательные и аварийные службы в помещениях (охранники, лифтеры, администраторы и др.).

Итак, данная гипотеза нашла подтверждения и в моем «подземном» эксперименте 2014 года, проведенном в Верховажском районе Вологодской области, в 400 м от границ н.п. Боровичиха.

Если пойти в той же логике рассуждений дальше, разумно предположить, что длина волны менее 10 см (к примеру, частоты диапазона 500–800 МГц) на практике окажутся еще более приспособлены (перспективны) – для объектов с множественными естественными препятствиями (перегородками внутри здания или изгибами рельефа местности).

При этом действует и другой общепризнанный принцип распространения радиоволн: чем короче длина волны, тем короче расстояние, на котором можно осуществлять устойчивую (уверенную) радиосвязь при прочих равных – в части мощности передатчика – условиях.

Так, радиосвязь в обычных (наземных) с помощью комплекта все тех же идентичных портативных радиостанций Kenwood TH-F7 (между собой) с максимальной мощностью передатчика 5 Вт на частоте 590 МГц можно осуществить на расстояние менее 0,8 км.

А, к примеру, на частоте 146,550 МГц максимальная дальность связи (при прочих равных условиях) уже будет (зафиксирована мною) 4,8 км.

Поэтому радиолюбителям удается осуществлять радиосвязи на КВ (коротких волнах) на расстояния тысяч километров между городами и странами, к примеру, на частотах 1,8…3,6 МГц. К примеру, в диапазоне Си-Би (Sitizen Band – гражданский диапазон с частотным округлением 26–28 МГц) максимальная дальность связи не превысит 50 км. Конечно, все эти сведения нужно воспринимать через призму ряда условностей, как агентов влияния на ситуацию: важны и конкретные радиостанции, с помощью которых осуществляется радиосвязь, и настройка антенны, и условия местности, и даже погодные условия.

Глубина погружения

Еще одну особенность хотел бы изложить здесь же.

Связь под землей возможна и при более глубоком погружении под землю: радиосвязь под землей почти в равном качестве будет осуществляться как при помещении обоих корреспондентов на глубину 2 метра (в прямой видимости друг от друга), так и при помещении на глубину 10 метров. Однако, если канал (тоннель) будет иметь хотя бы незначительные изменения в своей траектории (условие прямой видимости перестанет соблюдаться) связь под землей прекратится на любых волнах. Тем не менее, это знание все же можно использовать на практике и работать – при необходимости – в пещерах. Примеры таких (прямолинейных) пещер имеются (приведу те, в которые спускался сам): это старые, времен финской войны 1939–1940 гг.

ДОТы на Карельском перешейке, Саблинские пещеры недалеко от Санкт-Петербурга и огромные – по своей дине (более 3 км) пещеры (на глубине до 20 метров) в Новом Афоне, что в Абхазии. Разумеется, это не полный список пещер.

На рис. 1.7 представлены практические условия эксперимента в подземном бункере.

Рис. 1.7. Автор в подземном бункере финского ДОТа-миллионника

Радиосвязь под землей невозможна, если будет естественное препятствие. По той же логике – и это доказано проведенным экспериментом радиосвязь через толщу земли – даже если корреспонденты с участвующими в эксперименте радиостанциями будут находиться всего в одном метре друг от друга, разделенные земляным валом (поверхностью земли) уже невозможна.

Но если сквозь толщу земли пропустить даже металлическую трубу (по определению законов физики экранирующую радиоволны) и расположить антенны портативных радиостанций вдоль ее траектории (ориентировать трансиверы так, чтобы излучающая и приемная антенна находились в одной траектории – в прямой видимости через трубу) можно осуществить радиопереговоры между корреспондентами – один на поверхности земли, другой – под ее толщей.

Этот эксперимент может иметь практическое значение в будущем.

Отражение и преломление радиоволны волны при переходе – из под земли на ее поверхность предполагает, что угол падения равен углу отражения. Так при переходе из более плотной среды в менее плотную, угол падения превышает некоторые критические значения, то луч во вторую среду не проникает и полностью отражается от границы раздела сред (эффект полного внутреннего отражение). Именно поэтому чтобы осуществить радиосвязь через препятствие в виде земной коры (к примеру, между подземельем и поверхностью) потребуется вывод антенн (см. рис. 1.8).

Рис. 1.8. Иллюстрация возможности радиосвязи «сквозь толщу земли»

Если же говорить о распространении радиоволн в земле (грунте), то увы, радиоволны в землю не проникают (если не используется мегаваттный передатчик). Связь «через землю» может осуществляется с помощью магнитной индукции между многовитковыми рамками (своеобразными антеннами), которые можно считать разнесенными обмотками трансформатора – информация переносится не электромагнитным излучением, а магнитной индукцией. То есть можно передавать звуковой сигнал (сигнал ЗЧ) через землю на небольшие расстояние до 1 км (в зависимости от мощности усилителя и комплекса других условий местности), но это не будет передачей радиоволн.

Несущая частота в такой связи выбирается около 70…90 кГц. Выбор слишком низкой несущей частоты приведет к увеличению массы и габаритов рамок, а при высокой несущей частоте увеличиваются потери на излучение.

Прием ведется на вертикально установленную рамку. Переменное магнитное поле убывает по закону «обратных кубов»: каждый раз, когда удваивается расстояние между рамками, сила сигнала уменьшается на 18 дБ.

В простых экспериментальных устройствах для передачи сигнала ЗЧ через землю применяется амплитудная или однополосная модуляция (с подавленной несущей – SSB). Определяющее значение для максимальной дальности связи имеет форма рамок.

К примеру, круглая рамка обеспечивает выигрыш силы сигнала в два раза по сравнению с квадратной.

Для увеличения дальности связи, рамки должны иметь резонанс на частоте несущей. Частота несущей должна быть выше максимальной частоты речевого сигнала, который ее модулирует.

Альтернативой рамок являются токовые электроды, погруженные в почву.

В этом случае фиксируется выигрыш в силе сигнала – по сравнению с рамкой достигает в несколько десятков дБ.

Земля для радиоволн представляет собой проводник электрического тока, в котором токи, возбуждаемые естественными электрическими зарядами, искусственно – электротехническими устройствами и другими явлениями, текут в определенных направлениях. Можно провести и другой эксперимент.

Ввести в землю 2 электрода (отрезки арматуры) каждый длиной 120 см и диаметром 80 мм на расстоянии, к примеру, 10–50 м (друг от друга; чем дальше – тем лучше), и подключить их экранированным проводом к входу усилителя с высоким входным сопротивлением (более 1 МОм).

Для сопряжения импедансов и изоляции схемы от внешних сигналов штыри подключают к усилителю не напрямую, а через разделительный (повышающий) трансформатор с коэффициентом трансформации 1:100. «Низкоомную» обмотку подключают к штырям, а «высокоомную» – к усилителю, в качестве которого можно применить любой с выходной мощностью до 20 Вт.

В результате на выходе усилителя можно зафиксировать сигналы звуковой частоты (ЗЧ) – преобразованные низкочастотные токи Земли на данном участке. Если смешать эти сигналы с фоновым шумом, то можно обнаружить, на первый взгляд, странную, еще не вполне раскрытую, последовательность звуков, расшифровка которых, возможно, даст интереснейшие открытия.

Если электроды невозможно вкопать в землю (из-за плотности, к примеру, зимой), то вместо них можно использовать отрезки медной оплетки коаксиального кабеля, помещенные в воду или наиболее сырой участок подземного образования. Это еще одно направление перспективных исследований, результатами которых можно поделиться на страницах журнала.

Конечно, с учетом более легких способов радио и проводной связи, сегодня широко доступных, связь через землю может рассматриваться только как область экспериментальных исследований. Ее «минусом» является и то, что помехи от грозовых разрядов или расположенных недалеко силовых линий переменного тока сильно ухудшают качество такой связи.

И тем не менее, связь в однородной среде возможна. В том числе радиосвязь. Подтверждением тому (что радиосвязь в тоннелях возможна) служит организация радиосвязи в метро.

Для подтверждения сего, снова пришлось захватить с собой под землю портативные рации. На этот раз в деле радиообмена были использованы безлицензионные (не требующие специального разрешения Россвязьнадзора) компактные радиостанции диапазона PMR (446 МГц) Motorola TLKR T6 (см. рис. 1.9).

Рис. 1.9. Внешний вид раций Motorola TLKR T6

Эти рации работают на фиксированных каналах на частоте 446 МГц. Если быть точным, то частотные каналы таковы.

Рабочая частота у всех раций Motorola TLKR T6 в диапазоне 446.00625-446.09375 МГц распределена по восьми фиксированным каналам так: 446.00625 МГц (1), 446.01875 (2), 446.03125 (3), 446.04375 (4), 446.05625 (5), 446.06875 (6), 446.08125 (7), 446.09375 (8).

Таким образом, дискретность составляет 01250 МГц или говоря иным языком – частотный шаг канала 12,5 Гц.

Эти сведения можно учитывать для прослушивания данных частот или организации радиосвязи на них, в том числе с помощью других радиостанций, к примеру, широкодиапазонной станции Kenwood TH-F7, описанной выше.

В этом случае, чтобы обмениваться сообщением в радиоэфире, в том числе под землей, нужно все рации «сети» настроить на одну частоту (частотный канал) и удостовериться, что все они «запрограммированы» на одни и те же субкоды.

Гипотеза о том, что радиосвязь в метро возможна, нашла свое подтверждение. На подземной платформе станции метро «Лесная» (г. Санкт-Петербург) на расстоянии прямой видимости 75 метров (дальность ограничена платформой станции), в августе 2014 года осуществлен радиообмен между двумя корреспондентами. Если бы платформа была длиннее, и канал (тоннель) имел высокую прямолинейность, есть основания полагать, что дальность связи под землей (в метро) ограничивалось бы – как и над землей – другими факторами: мощностью радиостанций и частотным диапазоном (длиной волны).

Известно, на большинстве станций (и на перегонах между станциями) в Санкт-Петербургском метрополитене уже есть устойчивая GSM-связь (для сотовых телефонов – 900 МГц) и cеть Wi-Fi (2,4 ГГц – для компьютерных систем).

Здесь она имеет, правда, свои особенности в части организации.

По всей длине тоннеля проложен излучающий кабель – в виде антенны, и пассажир с сотовым телефоном, КПК, планшетом или ноутбуком имеет возможность оставаться на связи, даже спустившись под землю.

Но это (профессиональная организация радиосвязи, в том числе сотовой – под землей – в метро) совсем другая история.

Стоя на платформе в подземном вестибюле метро можно заметить, что вдоль стены тоннеля в его глубь уходят два натянутых провода.

Нет, в метро не ходят троллейбусы, а провода эти имеют вполне объяснимое значение – это антенны для служебной связи между движущимися поездами и станционными постами дежурных служб управления движением. Здесь используется важнейшая область связи – проводная высокочастотная связь (ВЧ связь). Она осуществляется путем подключения группы маломощных длинноволновых передатчиков, настроенных на разные волны с промежутками между ними в 3…4 кГц, к обычным проводам.

Токи высокой частоты, созданные такими передатчиками, распространяются вдоль проводов, оказывая воздействие на радиоприемники в кабине машиниста, не связанные с этими проводами, и обеспечивая в то же время хороший, свободный от многих помех прием на специальных приемниках, присоединенных к этим проводам.

Таким образом, решается проблема обеспечения оперативной связи в «кривых» тоннелях под землей.

Подземная связь востребована спелеологами и спасательными службами, поэтому разработка аппаратуры и антенн для подземной связи актуальна. Немаловажным достоинством такой связи является ее доступность – не требуются никакие разрешения государственных органов, а приемники и передатчики могут быть выполнены на не дорогой современной элементной базе с использованием высокоэффективных методов модуляции и обработки принимаемого сигнала.

Основные недостатки «классической» (надземной) радиосвязи, обнаружены еще А.С. Поповым – атмосферные помехи и замирания сигнала, хотя и получили теоретическое объяснение, но со временем не уменьшились, все также оказывают влияние на качестве связи в радиоэфире.

С ростом числа радиостанций появились еще и взаимные помехи станций друг другу.

Именно поэтому данный раздел книги начат с обзора изобретений Попова.

Объединение с проводной связью потребовало от радиосвязи такой же высокой надежности при составлении комбинированных каналов связи, какой обладала связь по проволоке.

Для повышения надежности радиосвязи применяются меры повышения помехозащиты: выбор длин волн с учетом времени дня и года, составление «радиопрогнозов», прием на несколько разнесенных (относительно друг друга) антенн, специальные методы передачи сигналов и другие.

Очень короткие (сантиметровые) волны позволяют использовать остронаправленные антенны при сравнительно небольших размерах. Общепринятая теория дальнего распространения сверхкоротких волн давно разработана, определилась техника дальней радиосвязи, и успешно работают дальние радиолинии на сантиметровых волнах.

Таким образом, пользуясь диапазоном ультракоротких волн можно ограничить дальность радиосвязи горизонтом, иным препятствием, или же осуществлять дальнюю связь, обеспечивая устойчивую силу приема в нужном районе и сохраняя острую направленность такой передачи – при условии прямолинейности участка (в части ультракоротких волн справедливо как для подземной, так и надземной радиосвязи).

Большим преимуществом определенных диапазонов радиоволн (UNF, VNF, и особенно диапазона 800 МГц и выше) является то обстоятельство, что в них можно разместить очень много радиостанций с большими промежутками между ними по длине волны.

В диапазоне коротких волн, учитывая их перспективную дальность действия и относительно малую направленность, можно разместить не более 2–3 тыс. радиостанций во всем мире, если задаться целью полного исключения помех друг другу. Этого можно добиться только при соблюдении жесткого условия, что радиостанции будут отличаться по частоте на 6– 10 кГц. При таком разносе между станциями можно вести только телеграфную или телефонную радиопередачу.

Если же использовать область ультракоротких волн, то те же 2 тыс. радиостанций можно расставить одна от другой по частоте на 10 МГц и при этом все они могут работать в одном и том же районе.

Подобные возможности разделения станций по частоте сегодня реально обеспечивают передачу безграничной информации.

1.4. Солнечные батареи и модули как источники автономного питания

Нетрадиционные источники энергии – ветер и солнце являются постоянно возобновляемыми, практически вечными видами энергии; тем они особенно перспективны для отдельных строений, возведенных на природе.

Раздел предназначен читателям, имеющим стремление к самостоятельному техническому творчеству, строителям своего счастья в прямом и переносном смысле этого понятия, интересующихся новыми идеями современной электроники, нетрадиционными источниками питания, солнечными батареями в эпоху всеобщей экономии и оптимизации издержек.

В реальном мире отождествленная с сущностью форма сияет в качестве света, так же как в идеальном мире сияет сама мысль

Гегель

С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?

Весь электромагнитный спектр солнечного излучения представляет собой излучение физических тел. И основные источники света – атомы – никогда не испускают его непрерывно. Так, атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля – фотонов, поэтому световое излучение носит прерывистый, дискретный характер. Однако даже в простом физическом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается «световой» порядок, наглядно демонстрирующий не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер светового спектра.

Примерно такой же по многогранности спектр, представляют собой и солнечные лучи, воздействующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных (с помощью электрической цепи) в батареи.

Современный экологически чистый дом уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств – солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям придется применять на практике новые методы энергоснабжения, хотя бы для того, чтобы жизнь в быту и на природе стала более безопасной и комфортной.