手机电磁辐射演示装置的制作实验

手机电磁辐射演示装置的制作实验众所周知手机在使用中会产生电磁辐射，怎样观察到这一现象呢?本制作可以演示手机发出的电磁波信号。把它放到手机附近，每当手机拨打电话，或者接听电话的时候，它就会发出灯光和声音信号，指示手机发射电磁波的状况。通过这个小装置，我们可以观察到手机向外辐射电磁波的状态，同时还可以做一些有趣的实验，体验和了解手机的电磁辐射现象。电路原理原理图见下图。电路由高放、检波、整形、显示4部分组成。GSM手机发射频率为900MHz电磁波，经天线接收，信号首先通过Vl三极管9018组成的高频放大电路放大，然后输入到V2_极管9018组成的检波电路检波。检波后得到了通讯信息编码的脉冲信号。通过4069非门电路组成的整形电路，变成显示脉冲信号，推动显示电路，发出声音和灯光演示信息。1.高放电路采用9000系列中工作频率最高的9018三极管构成无调谐的高频放大电路。为了有效地抑制较低频段的高频信号的干扰，电路采用了发射极直流反馈电路，并且不加交流旁路电容。这样，这一级放大电路在获得比较稳定的直流工作点的同时，对交流信号也有很强的负反馈功能，它的交流放大倍数很低。但是对于900MHz的手机高频信号，情况就不同了。我们知道，发射极和连接在它上面的反馈电阻R2对地来说有一个分布电容，这个电容的数量级对于手机高频信号而言不容忽视;所以对于手机发出的电磁信号来说，这一级高频放大的负反馈比较小，可以获得比较大的放大倍数。高频放大后的信号通过一个12pF的电容C1耦合到下一级检波电路。2.检波电路采用三极管检波。用9018的基极在小电流下的非线性特性，把高频信号中携带的脉冲信号取出来。本电路基极电阻R4为4.7MΩ，它两端的电压约为2.5V;基极的静态工作电流为0.5uA。这时三极管的集电极电流为40uA，通过负载电阻R5.可产生2.8V左右的电压降，集电极对地电压约为3.2V。当基极检出信号，产生信号电流后，集电极电流上升，负载电阻上的电压降增加，导致集电极对地电压下降。检波信号通过电阻输出到4069整形电路。为了使检波回路更稳定，同时也为了提高检波效率，在基极并联了一个倍压检波二极管D1。3.整形电路从检波器输出的信号波形为数字脉冲信号;它的特点是占空比很小，也就是脉冲比较窄;通过实验检测可知，GSM手机的通讯信号脉冲宽度大约在0.5毫秒，最短周期约为5毫秒;若干个这样的脉冲信号组成一个脉冲信号组。这样的信号包含的能量较小，不能直接驱动显示电路。我们通过整形电路，把它变成占空比较大的脉冲信号。在常态下，由检波三极管集电极输出的信号电压为3.2V。一旦电路接收到手机发射的电磁波信号，检波级输出的电压就会下降到3V以下。这样，非门输出电压就会翻转。通过3级非门电路后，检波信号通过限流电阻R7，整流二极管D2，加到由电阻R8和电容C2组成的RC电路上。通过调整RC电路的时间常数，每一个窄脉冲信号可变成脉宽约5毫秒的信号。这样，检波得到的窄脉冲信号组就变成了长度不等的宽脉冲信号。整形后的信号通过2级非门电路，输出到显示电路。4.显示电路显示电路由9014三极管组成直流放大电路，推动发光二极管和微型有源单音蜂鸣器。如果用3V的蜂鸣器，可在电路中串联一个蓝色发光二极管;如果用6V的，可在电路中串联一个红色发光二极管。在显示驱动电路最后一级非门，连接了一个绿色发光二极管;它的作用是电源开关指示灯。当没有接到手机电磁辐射信号的时候，只有这个绿色灯亮;当接到手机电磁辐射信号的时候，绿色灯灭，红色灯亮。制作与实验1.采用面包板组装采用面包板要注意面包板质量对作品的影响。建议采用质地优良地面包板，它的效果要好于采用廉价的面包板;主要优点是插接金属簧片弹性好，插接很方便;还有就是塑料板的高频性能好。我们知道，面包板之间的电极存在着分布电容，这个电容的Q值关系的高频电路的性能。2.天线900MHz的波长为33cm，四分之一波长为8.2cm;电路采用0.6mm硬芯铜导线做天线，天线长度在6～8cm之间。天线可以直接耦合，也可以通过一个电容耦合。如果通过电容，这个电容约为10pF。3.实验与调试接通电源，电路的绿色灯亮;红色灯不亮，蜂鸣器也不响;表示电路工作正常。把一款GSM手机放到旁边，拨一个电话号码(可以拨自己手机的号码)，这时电路就会发出短促的呜叫，同时灯光也会发出闪光。接通电源后，如果红灯亮，同时蜂鸣器也呜叫，则电路工作不正常。这时应首先检查检波电路中三极管V2的集电极电压。在电源电压6V的情况下，该点电压一般应在3.2V左右：这个电压应大干二分之一的电源电压。如果等于3V或者小于3V，则不正常，电路也无法工作。这时应检查V2电路的情况。可通过调整基极电阻R4或者调整集电极负载电阻R5的阻值，使集电极电压达到正常范围。检波输出电压是整形电路的输入电压;由于整形电路的4069非门的转折电压为电源电压的二分之一处，所以这个电压要高于3V.电路才能正常工作。这个电压越接近3V，整个电路越灵敏;但同时稳定性则变差。所以为了保持电路的稳定性，电压不宜低于3.2V(指6V电源电压的情况下)。4.灵敏度与抗干扰性的关系本机的灵敏度是可以侦测到1米范围以内的GSM手机通讯时发出的电磁辐射信号。在家庭使用主要的干扰源来自其它家用电器、市电线路。通过实验，本机可以完全抗拒市电线路的干扰。对于各种电器，以节能灯的干扰最大，一般在距离节能灯50cm以外，本电路可免受干扰。本电路中，耦合电容C1采用12pF，这个电容过大电路工作会不稳定。5.手机电磁辐射演示实验如果组装成功，我们可以进行几个实验。首先是手机拨打电话实验。我们播出一个电话后，可以逐渐增加或减小手机与天线的距离，最后得到本电路的灵敏度的一个判断。一般地，这个电路可以侦测到手机的范围为1～2米之内。当然，这与拨打电话所在地的基站信号强度有关;如果信号比较强，则手机发射功率就会降低;反之则会增强。这会直接影响到对本机灵敏度的判断。另一方面，我们可以判断一下手机在通讯的各个阶段，其发射电磁波脉冲的大概情况。从灯光和声音显示可以判断，在手机拨打电话的时候，发射的是几束比较短促的电波。而当通话时，则发射出比较连贯的电波。还有，我们把手机发在打开的电路旁边，放置几个小时，会观察到一些过去我们不知道的一些现象。比如电路会偶尔发出几声呜叫和闪动几下灯光。在绝大多数情况下，这不是其它电磁干扰，而是手机在与基站进行信息交换。有兴趣的读者不妨自己进行这方面的实验，找出一些有规律的现象。此外还要说明的是，电路发出的鸣叫和灯光显示状态只是大致反映了手机电磁辐射的“轮廓”，而不是真实情况。这是为什么呢?因为电路采用了整流整形电路，把其原来的脉冲信号转变成