手机电磁辐射演示装置的制作实验

作者：李岗 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了脉冲的包络信号。有兴趣的读者可以把接收到的信号通过录音机保存到电脑里面，观察它的波形。
　　
　　6．不同制式手机的实验
　　
　　对于小灵通以及CDMA手机，我们也可以进行同样的实验。实验结果告诉我们，比起全球通手机，小灵通手机电磁辐射微乎其微。只有将小灵通的天线与电路中的天线靠在一起，才可引起电路发出显示信号。