手機電磁輻射演示裝置的制作實驗

手機電磁輻射演示裝置的制作實驗眾所周知手機在使用中會產(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發(fā)出的電磁波信號。把它放到手機附近，每當(dāng)手機撥打電話，或者接聽電話的時候，它就會發(fā)出燈光和聲音信號，指示手機發(fā)射電磁波的狀況。通過這個小裝置，我們可以觀察到手機向外輻射電磁波的狀態(tài)，同時還可以做一些有趣的實驗，體驗和了解手機的電磁輻射現(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手機發(fā)射頻率為900MHz電磁波，經(jīng)天線接收，信號首先通過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。通過4069非門電路組成的整形電路，變成顯示脈沖信號，推動顯示電路，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，這一級放大電路在獲得比較穩(wěn)定的直流工作點的同時，對交流信號也有很強的負反饋功能，它的交流放大倍數(shù)很低。但是對于900MHz的手機高頻信號，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對地來說有一個分布電容，這個電容的數(shù)量級對于手機高頻信號而言不容忽視;所以對于手機發(fā)出的電磁信號來說，這一級高頻放大的負反饋比較小，可以獲得比較大的放大倍數(shù)。高頻放大后的信號通過一個12pF的電容C1耦合到下一級檢波電路。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，把高頻信號中攜帶的脈沖信號取出來。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。這時三極管的集電極電流為40uA，通過負載電阻R5.可產(chǎn)生2.8V左右的電壓降，集電極對地電壓約為3.2V。當(dāng)基極檢出信號，產(chǎn)生信號電流后，集電極電流上升，負載電阻上的電壓降增加，導(dǎo)致集電極對地電壓下降。檢波信號通過電阻輸出到4069整形電路。為了使檢波回路更穩(wěn)定，同時也為了提高檢波效率，在基極并聯(lián)了一個倍壓檢波二極管D1。3.整形電路從檢波器輸出的信號波形為數(shù)字脈沖信號;它的特點是占空比很小，也就是脈沖比較窄;通過實驗檢測可知，GSM手機的通訊信號脈沖寬度大約在0.5毫秒，最短周期約為5毫秒;若干個這樣的脈沖信號組成一個脈沖信號組。這樣的信號包含的能量較小，不能直接驅(qū)動顯示電路。我們通過整形電路，把它變成占空比較大的脈沖信號。在常態(tài)下，由檢波三極管集電極輸出的信號電壓為3.2V。一旦電路接收到手機發(fā)射的電磁波信號，檢波級輸出的電壓就會下降到3V以下。這樣，非門輸出電壓就會翻轉(zhuǎn)。通過3級非門電路后，檢波信號通過限流電阻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電路的時間常數(shù)，每一個窄脈沖信號可變成脈寬約5毫秒的信號。這樣，檢波得到的窄脈沖信號組就變成了長度不等的寬脈沖信號。整形后的信號通過2級非門電路，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)一個藍色發(fā)光二極管;如果用6V的，可在電路中串聯(lián)一個紅色發(fā)光二極管。在顯示驅(qū)動電路最后一級非門，連接了一個綠色發(fā)光二極管;它的作用是電源開關(guān)指示燈。當(dāng)沒有接到手機電磁輻射信號的時候，只有這個綠色燈亮;當(dāng)接到手機電磁輻射信號的時候，綠色燈滅，紅色燈亮。制作與實驗1.采用面包板組裝采用面包板要注意面包板質(zhì)量對作品的影響。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的面包板;主要優(yōu)點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，這個電容的Q值關(guān)系的高頻電路的性能。2.天線900MHz的波長為33cm，四分之一波長為8.2cm;電路采用0.6mm硬芯銅導(dǎo)線做天線，天線長度在6～8cm之間。天線可以直接耦合，也可以通過一個電容耦合。如果通過電容，這個電容約為10pF。3.實驗與調(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手機放到旁邊，撥一個電話號碼(可以撥自己手機的號碼)，這時電路就會發(fā)出短促的嗚叫，同時燈光也會發(fā)出閃光。接通電源后，如果紅燈亮，同時蜂鳴器也嗚叫，則電路工作不正常。這時應(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，該點電壓一般應(yīng)在3.2V左右：這個電壓應(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)整集電極負載電阻R5的阻值，使集電極電壓達到正常范圍。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，所以這個電壓要高于3V.電路才能正常工作。這個電壓越接近3V，整個電路越靈敏;但同時穩(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)系本機的靈敏度是可以偵測到1米范圍以內(nèi)的GSM手機通訊時發(fā)出的電磁輻射信號。在家庭使用主要的干擾源來自其它家用電器、市電線路。通過實驗，本機可以完全抗拒市電線路的干擾。對于各種電器，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，這個電容過大電路工作會不穩(wěn)定。5.手機電磁輻射演示實驗如果組裝成功，我們可以進行幾個實驗。首先是手機撥打電話實驗。我們播出一個電話后，可以逐漸增加或減小手機與天線的距離，最后得到本電路的靈敏度的一個判斷。一般地，這個電路可以偵測到手機的范圍為1～2米之內(nèi)。當(dāng)然，這與撥打電話所在地的基站信號強度有關(guān);如果信號比較強，則手機發(fā)射功率就會降低;反之則會增強。這會直接影響到對本機靈敏度的判斷。另一方面，我們可以判斷一下手機在通訊的各個階段，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，在手機撥打電話的時候，發(fā)射的是幾束比較短促的電波。而當(dāng)通話時，則發(fā)射出比較連貫的電波。還有，我們把手機發(fā)在打開的電路旁邊，放置幾個小時，會觀察到一些過去我們不知道的一些現(xiàn)象。比如電路會偶爾發(fā)出幾聲嗚叫和閃動幾下燈光。在絕大多數(shù)情況下，這不是其它電磁干擾，而是手機在與基站進行信息交換。有興趣的讀者不妨自己進行這方面的實驗，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電磁輻射的“輪廓”，而不是真實情況。這是為什么呢?因為電路采用了整流整形電路，把其原來的脈沖信號轉(zhuǎn)變成