手機(jī)信號(hào)屏蔽器屏蔽范圍的研究

手機(jī)信號(hào)屏蔽器屏蔽范圍的研究

手機(jī)信號(hào)屏屏的工作原理是在整個(gè)手機(jī)工作頻率范圍內(nèi)發(fā)射大規(guī)模磁干擾信號(hào)，抑制通信系統(tǒng)的信號(hào)，截?cái)嗍謾C(jī)和基站之間的通信。這種干擾方法簡(jiǎn)單易行,雖然可以阻止手機(jī)之間的通信,但其覆蓋范圍難以控制,大功率的電磁輻射對(duì)人們身體健康有損害,而且手機(jī)信號(hào)屏蔽器可能對(duì)移動(dòng)通信基站產(chǎn)生干擾,甚至導(dǎo)致附近的通信基站癱瘓,使某一區(qū)域內(nèi)的手機(jī)都無(wú)法接通。本文以GSM系統(tǒng)為例,在實(shí)地測(cè)量和仿真研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)通信行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)手機(jī)信號(hào)屏蔽器的有效屏蔽范圍以及對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響做出定量的研究。1手機(jī)信息屏蓋的基本原則1.1手機(jī)信號(hào)屏蔽器手機(jī)信號(hào)屏蔽器是通過(guò)發(fā)送高功率的三角波來(lái)干擾不同頻段上的數(shù)字信號(hào),對(duì)于不同的手機(jī),干擾使用的頻段不同。GSM有900MHz和1800MHz(又稱DCS)2種,窄帶CDMA的上行頻率為:824~849MHz,下行頻率為:869~894MHz,小靈通為2GHz頻段。在手機(jī)信號(hào)屏蔽器電路中,220V交流電經(jīng)變壓整流器輸出5V直流電壓,由波形發(fā)生電路產(chǎn)生三角波低頻信號(hào),三角波信號(hào)經(jīng)壓控振蕩器(VCO)輸出高頻正弦波信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)電路板上功放模塊放大后傳輸?shù)桨l(fā)射天線,最后由天線輻射到空間中。手機(jī)信號(hào)屏蔽器原理如圖1所示。手機(jī)在不受屏蔽器干擾的正常情況下,在初次進(jìn)入某一蜂窩小區(qū)內(nèi)時(shí),當(dāng)?shù)匦^(qū)基站會(huì)對(duì)該移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行位置更新管理,同時(shí)為該移動(dòng)臺(tái)分配新的臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別符等臨時(shí)用戶信息,移動(dòng)臺(tái)收到該基站信息后從而確定自己所在的小區(qū)位置。移動(dòng)臺(tái)在沒(méi)有進(jìn)行通話的情況下僅接收小區(qū)基站廣播信道信息,當(dāng)手機(jī)屏蔽器發(fā)出干擾信號(hào)后,該干擾信號(hào)對(duì)基站廣播信道頻段上有效信號(hào)形成干擾,干擾信號(hào)提高了移動(dòng)通信信道的誤碼率,降低了信道的信噪比,從而影響移動(dòng)臺(tái)對(duì)基站廣播信號(hào)的有效接收,當(dāng)信噪比降低到+9dB(GSM網(wǎng)絡(luò))時(shí),移動(dòng)臺(tái)無(wú)法對(duì)基站的廣播信息進(jìn)行正常解碼,從而失去了與基站的聯(lián)系,移動(dòng)臺(tái)在多次嘗試搜索基站廣播信號(hào)失敗的情況下無(wú)法確定自己所在的服務(wù)區(qū),所以干擾區(qū)域內(nèi)的手機(jī)顯示為無(wú)信號(hào),不在服務(wù)區(qū),無(wú)法收發(fā)信息,無(wú)法撥入撥出。1.2移動(dòng)通信干擾級(jí)別GSM系統(tǒng)受到的干擾有多種,其中最重要的是上行干擾和下行干擾。手機(jī)信號(hào)屏蔽器對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是上行干擾,上行干擾會(huì)使系統(tǒng)掉話率增加,減少基站的覆蓋范圍,降低通話質(zhì)量,使網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和用戶的通話質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。根據(jù)摩托羅拉GSM系統(tǒng)操作維護(hù)中心對(duì)干擾級(jí)別的定義,移動(dòng)通信的干擾分為5個(gè)級(jí)別,如表1所示。4級(jí)的干擾將對(duì)移動(dòng)通信產(chǎn)生非常大的影響,表現(xiàn)為電話難于撥出和撥入,通話中斷,話音質(zhì)量嚴(yán)重下降,5級(jí)以上的干擾將使手機(jī)脫離服務(wù)區(qū),使基站接收堵塞。1.3市售產(chǎn)品信息波的路徑損耗由于無(wú)線電波在空間中傳播是會(huì)衰減的,不可能傳輸?shù)綗o(wú)限遠(yuǎn)處,這個(gè)傳輸衰減的過(guò)程就是信號(hào)能量的衰減過(guò)程。在研究電波傳播時(shí),首先要研究?jī)蓚€(gè)天線在自由空間(各向同性、無(wú)吸收、相對(duì)介電常數(shù)為1的均勻介質(zhì))條件下的特性。以理想全向天線為例,由電磁場(chǎng)理論可得自由空間的路徑損耗為:式中,f為頻率,MHz;d為距離,km。有了自由空間的路徑損耗公式后,可以計(jì)算平坦但不理想的表面上的兩個(gè)天線之間的實(shí)際傳播情況。假設(shè)整個(gè)傳播路徑的表面絕對(duì)平坦,基站和手機(jī)天線的高度分別為hb和hm。則平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗為:Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型由在日本測(cè)得的平均測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)成。一般市區(qū)的路徑損耗中值可以用近似解析式表示。Okumura-Hata模型的近似解析式為:Cost231-Hata模型的近似解析式為:式(3)和式(4)中:Lp為從基站或手機(jī)信號(hào)屏蔽器到移動(dòng)臺(tái)的路徑損耗,dB;f為載波頻率,MHz;hb為基站或手機(jī)信號(hào)屏蔽器天線高度,m;hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度(1~10m),一般取值1.5m;d為基站或手機(jī)信號(hào)屏蔽器到移動(dòng)臺(tái)之間的距離,km;Cm為大城市修正,在中等城市或中等樹(shù)木密度的市郊中心取值0dB,在大城市取值3dB;AOkumurahm為手機(jī)高度修正,在中等城市取值(1.1lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8);在郊區(qū),傳播模型可以修正為:地形地物的種類千差萬(wàn)別,對(duì)移動(dòng)通信電波傳播損耗的影響也是錯(cuò)綜復(fù)雜的,實(shí)際應(yīng)用中不可能存在絕對(duì)平坦地形。本文研究的電波傳播地形為郊區(qū)大學(xué)城校園,而且研究的手機(jī)信號(hào)屏蔽器均在室內(nèi)使用,所以在研究手機(jī)信號(hào)屏蔽器的有效屏蔽范圍時(shí)可以采用平坦地面?zhèn)鞑サ穆窂綋p耗公式。而Okumura-Hata模型的適用范圍為150~1000MHz宏蜂窩預(yù)測(cè),Cost231-Hata模型適用范圍為1500~2000MHz宏蜂窩預(yù)測(cè),因此本文研究手機(jī)信號(hào)屏蔽器對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響時(shí)可采用Okumura-Hata模型研究GSM900MHz網(wǎng)絡(luò),采用Cost231-Hata模型研究DCS1800MHz網(wǎng)絡(luò)。2手機(jī)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和影響2.1手機(jī)屏蔽器的強(qiáng)控和智能化本文研究用的手機(jī)信號(hào)屏蔽器技術(shù)參數(shù)如下:工作頻段:CDMA,869~894MHz;GSM,925~960MHz;DCS,1805~1880MHz;PHS,1900~1960MHz。電源適配器:輸入,AC160~240V;輸出,DC5V。本文研究的基站技術(shù)參數(shù)如下:共站情況:G/1800/C,控制信道載頻:949MHz/1805MHz/860MHz,天線架高:37m,天線增益:15dBi,發(fā)射功率:20W,天線線性:直立全向天線。由于屏蔽器說(shuō)明書中未給出輸出功率,本文采用安捷倫公司7402A型頻譜儀在手機(jī)信號(hào)屏蔽器天線的饋電點(diǎn)處提取了屏蔽器的最大發(fā)射頻率和信號(hào)幅度,如圖2、圖3所示。由圖2可以讀出在949MHz的控制信道載頻上,手機(jī)信號(hào)屏蔽器的振幅值為90dBμV,在測(cè)量過(guò)程中使用了20.6dBμV(949MHz)的衰減器和衰減為7.4dBμV(949MHz)的同軸電纜,故949MHz實(shí)際的信號(hào)強(qiáng)度為118dBμV。同樣由圖3可以讀出1805MHz的控制信道載頻上,手機(jī)信號(hào)屏蔽器的振幅值為93.9dBμV,在測(cè)量過(guò)程中使用了18dBμV(1805MHz)的衰減器和衰減為14.8dBμV(1805MHz)的同軸電纜,故1805MHz實(shí)際的信號(hào)強(qiáng)度為126.7dBμV?？紤]到高頻時(shí)手機(jī)信號(hào)屏蔽器輻射天線和功放輸出口都會(huì)出現(xiàn)阻抗匹配問(wèn)題,因而本文采用HP4396B阻抗分析儀進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。另外在949MHz和1805MHz時(shí)線路長(zhǎng)度分別為λ/6和λ/80,根據(jù)傳輸線理論,從而可以得到手機(jī)信號(hào)屏蔽器在949MHz實(shí)際輻射功率為17.88dBm,在1805MHz實(shí)際輻射功率為15.66dBm。設(shè)置屏蔽器高度為1.3m,要使手機(jī)在該頻段內(nèi)無(wú)法接收到基站信號(hào),根據(jù)干擾信號(hào)強(qiáng)度的定義,必須使手機(jī)接收到的干擾強(qiáng)度≥47dBm。由于人坐立時(shí),手機(jī)高度一般在0.5~1.5m內(nèi),由式(2)我們可以得到當(dāng)手機(jī)高度為0.5~1.5m時(shí),手機(jī)屏蔽器在949MHz頻段內(nèi)的有效屏蔽范圍如圖4所示。同理可得,當(dāng)手機(jī)高度為0.5~1.5m時(shí),手機(jī)屏蔽器在1805MHz頻段內(nèi)的有效屏蔽范圍如圖5所示。手機(jī)信號(hào)屏蔽器形成的為類似對(duì)稱陣子天線形成的面包圈形屏蔽范圍,由上兩圖可知,當(dāng)設(shè)置屏蔽器高度為1.3m時(shí),手機(jī)信號(hào)屏蔽器在0.5~1.5m的高度范圍內(nèi)的GSM900MHz的有效屏蔽范圍為33.8~58.5m。同樣DCS1800MHz的有效屏蔽范圍為29.7~51.5m。2.2手機(jī)信號(hào)屏蔽器對(duì)周圍天線高度的干擾手機(jī)信號(hào)屏蔽器對(duì)通信基站產(chǎn)生4級(jí)及以上的干擾時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響通信,甚至導(dǎo)致基站癱瘓,根據(jù)干擾信號(hào)強(qiáng)度的定義,干擾信號(hào)的臨界強(qiáng)度為-85dBm,而設(shè)置屏蔽器高度一般為0.5~1.5m。由式(3)可以得到手機(jī)信號(hào)屏蔽器能對(duì)周圍天線高度為37m的GSM900MHz基站產(chǎn)生4級(jí)干擾如圖6所示。同理由式(6)可以得到手機(jī)信號(hào)屏蔽器能對(duì)周圍天線高度為37m的DCS1800MHz基站產(chǎn)生4級(jí)干擾如圖7所示。由上2圖可知,手機(jī)信號(hào)屏蔽器設(shè)置高度為0.5~1.5m時(shí),能對(duì)周圍677~1172m以內(nèi)的天線高度為37m的GSM900MHz基站產(chǎn)生4級(jí)干擾。同理,能對(duì)周圍596~1032m以內(nèi)的天線高度為37m的DCS1800MHz基站產(chǎn)生4級(jí)干擾。3外接三維天線量測(cè)為了驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性,需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,本文的測(cè)量系統(tǒng)采用安捷倫E7402A型頻譜儀外接三維天線放置在儀器推車上在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。將得到的測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)之間的誤差進(jìn)行