手機(jī)電磁輻射演示裝置的制作實(shí)驗(yàn)

眾所周知手機(jī)在使用中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，怎樣觀察到這一現(xiàn)象呢?本制作可以演示手機(jī)發(fā)出的電磁波信號(hào)。把它放到手機(jī)附近，每當(dāng)手機(jī)撥打電話，或者接聽電話的時(shí)候，它就會(huì)發(fā)出燈光和聲音信號(hào)，指示手機(jī)發(fā)射電磁波的狀況。通過這個(gè)小裝置，我們可以觀察到手機(jī)向外輻射電磁波的狀態(tài)，同時(shí)還可以做一些有趣的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)和了解手機(jī)的電磁輻射現(xiàn)象。

電路原理

原理圖見下圖。電路由高放、檢波、整形、顯示4部分組成。GSM手機(jī)發(fā)射頻率為900MHz電磁波，經(jīng)天線接收，信號(hào)首先通過Vl三極管9018組成的高頻放大電路放大，然后輸入到V2_極管9018組成的檢波電路檢波。檢波后得到了通訊信息編碼的脈沖信號(hào)。通過4069非門電路組成的整形電路，變成顯示脈沖信號(hào)，推動(dòng)顯示電路，發(fā)出聲音和燈光演示信息。

1.高放電路

采用9000系列中工作頻率最高的9018三極管構(gòu)成無調(diào)諧的高頻放大電路。為了有效地抑制較低頻段的高頻信號(hào)的干擾，電路采用了發(fā)射極直流反饋電路，并且不加交流旁路電容。這樣，這一級(jí)放大電路在獲得比較穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)交流信號(hào)也有很強(qiáng)的負(fù)反饋功能，它的交流放大倍數(shù)很低。

但是對(duì)于900MHz的手機(jī)高頻信號(hào)，情況就不同了。我們知道，發(fā)射極和連接在它上面的反饋電阻R2對(duì)地來說有一個(gè)分布電容，這個(gè)電容的數(shù)量級(jí)對(duì)于手機(jī)高頻信號(hào)而言不容忽視;所以對(duì)于手機(jī)發(fā)出的電磁信號(hào)來說，這一級(jí)高頻放大的負(fù)反饋比較小，可以獲得比較大的放大倍數(shù)。高頻放大后的信號(hào)通過一個(gè)12pF的電容C1耦合到下一級(jí)檢波電路。

2.檢波電路

采用三極管檢波。用9018的基極在小電流下的非線性特性，把高頻信號(hào)中攜帶的脈沖信號(hào)取出來。本電路基極電阻R4為4.7MΩ，它兩端的電壓約為2.5V;基極的靜態(tài)工作電流為0.5uA。

這時(shí)三極管的集電極電流為40uA，通過負(fù)載電阻R5.可產(chǎn)生2.8V左右的電壓降，集電極對(duì)地電壓約為3.2V。當(dāng)基極檢出信號(hào)，產(chǎn)生信號(hào)電流后，集電極電流上升，負(fù)載電阻上的電壓降增加，導(dǎo)致集電極對(duì)地電壓下降。檢波信號(hào)通過電阻輸出到4069整形電路。為了使檢波回路更穩(wěn)定，同時(shí)也為了提高檢波效率，在基極并聯(lián)了一個(gè)倍壓檢波二極管D1。

3.整形電路

從檢波器輸出的信號(hào)波形為數(shù)字脈沖信號(hào);它的特點(diǎn)是占空比很小，也就是脈沖比較窄;通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)可知，GSM手機(jī)的通訊信號(hào)脈沖寬度大約在0.5毫秒，最短周期約為5毫秒;若干個(gè)這樣的脈沖信號(hào)組成一個(gè)脈沖信號(hào)組。

這樣的信號(hào)包含的能量較小，不能直接驅(qū)動(dòng)顯示電路。我們通過整形電路，把它變成占空比較大的脈沖信號(hào)。

在常態(tài)下，由檢波三極管集電極輸出的信號(hào)電壓為3.2V。一旦電路接收到手機(jī)發(fā)射的電磁波信號(hào)，檢波級(jí)輸出的電壓就會(huì)下降到3V以下。這樣，非門輸出電壓就會(huì)翻轉(zhuǎn)。通過3級(jí)非門電路后，檢波信號(hào)通過限流電阻R7，整流二極管D2，加到由電阻R8和電容C2組成的RC電路上。通過調(diào)整RC電路的時(shí)間常數(shù)，每一個(gè)窄脈沖信號(hào)可變成脈寬約5毫秒的信號(hào)。這樣，檢波得到的窄脈沖信號(hào)組就變成了長(zhǎng)度不等的寬脈沖信號(hào)。整形后的信號(hào)通過2級(jí)非門電路，輸出到顯示電路。

4.顯示電路

顯示電路由9014三極管組成直流放大電路，推動(dòng)發(fā)光二極管和微型有源單音蜂鳴器。如果用3V的蜂鳴器，可在電路中串聯(lián)一個(gè)藍(lán)色發(fā)光二極管;如果用6V的，可在電路中串聯(lián)一個(gè)紅色發(fā)光二極管。[!--empirenews.page--]

在顯示驅(qū)動(dòng)電路最后一級(jí)非門，連接了一個(gè)綠色發(fā)光二極管;它的作用是電源開關(guān)指示燈。當(dāng)沒有接到手機(jī)電磁輻射信號(hào)的時(shí)候，只有這個(gè)綠色燈亮;當(dāng)接到手機(jī)電磁輻射信號(hào)的時(shí)候，綠色燈滅，紅色燈亮。

制作與實(shí)驗(yàn)

1.采用面包板組裝

采用面包板要注意面包板質(zhì)量對(duì)作品的影響。建議采用質(zhì)地優(yōu)良地面包板，它的效果要好于采用廉價(jià)的面包板;主要優(yōu)點(diǎn)是插接金屬簧片彈性好，插接很方便;還有就是塑料板的高頻性能好。我們知道，面包板之間的電極存在著分布電容，這個(gè)電容的Q值關(guān)系的高頻電路的性能。

2.天線

900MHz的波長(zhǎng)為33cm，四分之一波長(zhǎng)為8.2cm;電路采用0.6mm硬芯銅導(dǎo)線做天線，天線長(zhǎng)度在6～8cm之間。天線可以直接耦合，也可以通過一個(gè)電容耦合。如果通過電容，這個(gè)電容約為10pF。

3.實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

接通電源，電路的綠色燈亮;紅色燈不亮，蜂鳴器也不響;表示電路工作正常。把一款GSM手機(jī)放到旁邊，撥一個(gè)電話號(hào)碼(可以撥自己手機(jī)的號(hào)碼)，這時(shí)電路就會(huì)發(fā)出短促的嗚叫，同時(shí)燈光也會(huì)發(fā)出閃光。

接通電源后，如果紅燈亮，同時(shí)蜂鳴器也嗚叫，則電路工作不正常。這時(shí)應(yīng)首先檢查檢波電路中三極管V2的集電極電壓。在電源電壓6V的情況下，該點(diǎn)電壓一般應(yīng)在3.2V左右：這個(gè)電壓應(yīng)大干二分之一的電源電壓。如果等于3V或者小于3V，則不正常，電路也無法工作。這時(shí)應(yīng)檢查V2電路的情況?？赏ㄟ^調(diào)整基極電阻R4或者調(diào)整集電極負(fù)載電阻R5的阻值，使集電極電壓達(dá)到正常范圍。檢波輸出電壓是整形電路的輸入電壓;由于整形電路的4069非門的轉(zhuǎn)折電壓為電源電壓的二分之一處，所以這個(gè)電壓要高于3V.電路才能正常工作。這個(gè)電壓越接近3V，整個(gè)電路越靈敏;但同時(shí)穩(wěn)定性則變差。所以為了保持電路的穩(wěn)定性，電壓不宜低于3.2V(指6V電源電壓的情況下)。

4.靈敏度與抗干擾性的關(guān)系

本機(jī)的靈敏度是可以偵測(cè)到1米范圍以內(nèi)的GSM手機(jī)通訊時(shí)發(fā)出的電磁輻射信號(hào)。在家庭使用主要的干擾源來自其它家用電器、市電線路。通過實(shí)驗(yàn)，本機(jī)可以完全抗拒市電線路的干擾。對(duì)于各種電器，以節(jié)能燈的干擾最大，一般在距離節(jié)能燈50cm以外，本電路可免受干擾。本電路中，耦合電容C1采用12pF，這個(gè)電容過大電路工作會(huì)不穩(wěn)定。

5.手機(jī)電磁輻射演示實(shí)驗(yàn)

如果組裝成功，我們可以進(jìn)行幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先是手機(jī)撥打電話實(shí)驗(yàn)。我們播出一個(gè)電話后，可以逐漸增加或減小手機(jī)與天線的距離，最后得到本電路的靈敏度的一個(gè)判斷。一般地，這個(gè)電路可以偵測(cè)到手機(jī)的范圍為1～2米之內(nèi)。

當(dāng)然，這與撥打電話所在地的基站信號(hào)強(qiáng)度有關(guān);如果信號(hào)比較強(qiáng)，則手機(jī)發(fā)射功率就會(huì)降低;反之則會(huì)增強(qiáng)。這會(huì)直接影響到對(duì)本機(jī)靈敏度的判斷。

另一方面，我們可以判斷一下手機(jī)在通訊的各個(gè)階段，其發(fā)射電磁波脈沖的大概情況。從燈光和聲音顯示可以判斷，在手機(jī)撥打電話的時(shí)候，發(fā)射的是幾束比較短促的電波。而當(dāng)通話時(shí)，則發(fā)射出比較連貫的電波。

還有，我們把手機(jī)發(fā)在打開的電路旁邊，放置幾個(gè)小時(shí)，會(huì)觀察到一些過去我們不知道的一些現(xiàn)象。比如電路會(huì)偶爾發(fā)出幾聲嗚叫和閃動(dòng)幾下燈光。

在絕大多數(shù)情況下，這不是其它電磁干擾，而是手機(jī)在與基站進(jìn)行信息交換。

有興趣的讀者不妨自己進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)，找出一些有規(guī)律的現(xiàn)象。

此外還要說明的是，電路發(fā)出的鳴叫和燈光顯示狀態(tài)只是大致反映了手機(jī)電磁輻射的“輪廓”，而不是真實(shí)情況。這是為什么呢?因?yàn)殡娐凡捎昧苏髡坞娐?，把其原來?strong>脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成了脈沖的包絡(luò)信號(hào)。有興趣的讀者可以把接收到的信號(hào)通過錄音機(jī)保存到電腦里面，觀察它的波形。

6.不同制式手機(jī)的實(shí)驗(yàn)

對(duì)于小靈通以及CDMA手機(jī)，我們也可以進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們，比起全球通手機(jī)，小靈通手機(jī)電磁輻射微乎其微。只有將小靈通的天線與電路中的天線靠在一起，才可引起電路發(fā)出顯示信號(hào)。