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9018三極管構成無調諧的高頻放大電路。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.可產生2.8V左右的電壓降，集電極對地電壓約為3.2V。當基極檢出信號，產生信號電流后，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。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指示燈。當沒有接到手機電磁輻射信號的時候，只有這個綠色燈亮;當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量對作品的影響。建議采用質地優(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，該點電壓一般應在3.2V左右：這個電壓應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。這時應檢查V2電路的情況?？赏ㄟ^調整基極電阻R4或者調整集電極負載電阻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系本機的靈敏度是可以偵測到1米范圍以內的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。當然，這與撥打電話所在地的基站信號強度有關;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變成