Измеряем мощность сотового телефона

в 14:51, , рубрики: diy или сделай сам, Железо, нетитановый монстр, физика, метки:

Интернет полон страшилок про вред мобильных телефонов. Страшилки эти не сильно подтверждены серьёзными исследованиями, так что оставим их на совести авторов. Но ведь телефон действительно излучает какое-то количество мощности. Попробуем разобраться в проблеме. Первые тесты на осциллографе показали, что мощность очень быстро меняется во времени, поэтому вариант с условно одновременным измерением с разных точек не подойдёт, и нам придётся сгородить собственными руками рупорную антенну, чтобы собрать максимум излучаемой мощности.

Измеряем мощность сотового телефона - 1

Результат представлен на КДПВ. Баланс белого сознательно был выбран неправильным, т.к. с правильным балансом, как мы увидим, поверхность фольгирования несколько непрезентабельного цвета. Но приукрашивать — не наш метод, поэтому все остальные картинки «честные» — лучше горькая, но правда, чем приятная, но лесть (с).

Для начала нам надо измерить частотный диапазон в котором телефон общается с ближайшими вышками, т.к. сам исследовавшийся аппарат был трёхдиапазонным: 900/1800/1900 МГц. Поскольку для определения диапазона нам не нужно ни согласование, ни полная мощность, то можно воспользоваться простейшей петлевой антенной диаметром порядка 300 мм, вставленной в центральный контакт входного разъёма анализатора спектра. Сказано — сделано, диапазон 900 МГц. Не очень приятно, т.к. размер нашего будущего подопечного — максимально возможный. Длина волны составляет примерно 330 мм, половина её — 165 мм, а значит, как учат нас учебники, разумно воспользоваться волноводом сечения примерно 200х100 мм (середина октавы между отсечкой основной моды и заходом в волновод второй моды). Разумно-то, разумно, но где взять этого многокилограммового монстра? А что, если мы его сделаем из фольгированного стеклотекстолита? Размеры небольшие, материала хватит, жёсткости, скорее всего, тоже. Но что будет с самой антенной? Если делать её как следует, то придётся делать раскрыв около метра, а длину и того больше. С учётом сомнений в жёсткости такой конструкции и сомнений в достаточности материалов в итоге было принято волевое решение — раскрыв сделать 400 мм, а длину конструкции ограничить 600 мм. По крайней мере стоит пройти первичные тесты, прежде, чем делать сооружение, сопоставимое с детектором реликтового излучения.

Линейка и маркер в руках, позже — ножницы по металлу, в итоге имеем четыре симпатичные заготовки, из которых мы спаяем собственно рупорную антенну и коаксиально-волноводный переход в виде единого изделия. На первый взгляд поверхность фольгирования была чистой, так что я решил обойтись без шкурки и сразу начал процесс пайки С помощью обычного ПОС-60 и канифоли. Совмещаем две заготовки, фиксируем примерно прямой угол между ними (я обошёлся без угольника), прихватываем с одного торца, далее в месте изгиба и, наконец во втором торце. Текстолит тонкий, а значит лёгкий, так что этого уже хватает, чтобы конструкция не опадала под собственным весом. Далее пропаиваем полностью шов с внутренней стороны. Но не тут-то было — на первый шов ушло порядка получаса, кроме того последние два шва придётся делать в условиях усиливающейся клаустрофобии от собранной конструкции. Переборов нежелание испачкать чистые штаны летящей со шкурки пылью, я всё-таки зачистил поверхность под пропайку, после чего залудил все общие края заготовок. После этого процесс полной пропайки одного шва с контролем напросвет стал занимать пару минут, а выполнение последних двух швов не так уж и заметно сложнее первых. Макрофотография со внешней стороны:

Измеряем мощность сотового телефона - 2

Шов выглядит на мой взгляд вполне неплохо, волнистость в доли миллиметра, что вполне приемлемо. Теперь изготавливаем короткозамыкающий поршень из обрезков текстолита. Для этого сгибаем П-образную заготовку, центральная часть которого чуть меньше внутреннего сечения волноводной части и припаиваем к ней очередной обрезок, за который поршень можно будет вытащить, если он заупрямится:

Измеряем мощность сотового телефона - 3

Припаиваем антенну длиной поменьше половины короткой стороны волновода на SMA-разъём:

Измеряем мощность сотового телефона - 4

Это неиспользованный кривой вариант. Устанавливаем его в проделанное посередине длинной стенки отверстие:

Измеряем мощность сотового телефона - 5

И видим антенну с передней части рупора (видно и антенну, и её отражение):

Измеряем мощность сотового телефона - 6

В принципе мы уже готовы к измерениям с помощью осциллографа, но для страховки прежде всего посмотрим, с каким уровнем мощности мы можем столкнуться. Всемирная энциклопедия даёт нам следующие данные: максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 — 1 Вт, у GSM-900 — 2 Вт. Мощности эти достаточно велики, коаксиальный детектор будет работать уже не в квадратичном режиме. Для уменьшения мощности и перевода детектора ближе к правильному режиму ставим аттенюатор на 15 дБ (больше, к сожалению, не нашлось, лучше было бы тридцаточку). Переходим к тестам на осциллографе.

Кладём телефон на деревянный стул, включаем дозвон и ставим поверх телефона рупор с подсоединённым детектором. Сначала убеждаемся, что максимальная амплитуда принимаемого сигнала достигается ровно в центре рупора при расположении длинного (вертикального) размера телефона параллельно антенне рупора, затем настраиваем положение поршня по максимуму сигнала. Теперь можно начинать снимать «осмысленные» осиллограммы с детектора. Ни в одном из тестов не удалось добиться амплитуды сигнала более 200 мВ. К сожалению, это значение выше, чем диапазон имеющейся в наших руках калибровки:

Измеряем мощность сотового телефона - 7

Тем не менее, можно проэкстраполировать данные вправо и получить величину мощности около +3 dBm (десятичный логарифм от мощности, делённой на 1 мВт). Добавим сюда 15 дБ аттенюатора и 3 дБ на симметричное излучение внутрь антенны и в обратную сторону (проверяем переворотом телефона). Итого получаем +21 dBm или 126 мВт. Значение, на мой взгляд, довольно разумное. К сожалению, попытки заставить телефон потерять сигнал базовой станции и увеличить мощность передачи до максимума не увенчались успехом. Для этого идеально подошла бы экранированная комната или клетка Фарадея с сеткой много меньше длины волны, но ничего похожего поблизости не обнаружилось. Доставать рулон сетки-рабицы и обматываться им мне почему-то не захотелось. Таким образом, никаких окончательных ответов получено не было, и я даже подумал не публиковать статью. Но, немного поразмыслив, решил, что небольшая добавка графиков скрасит DIY статью.

На картинке ниже два набора данных — во время попытки дозвона и во время разговора:

Измеряем мощность сотового телефона - 8

Как ни странно, но во время разговора (красная кривая) данных передаётся даже меньше. Тот же график подробнее:

Измеряем мощность сотового телефона - 9

Длительность фрейма примерно соответствует номинальному значению 577 мкс, период тоже соответствует номинальному — восемь фреймов. У некоторых читателей наверняка возник вопрос — как можно передавать голосовые данные при частоте следования фреймов (битов) около 200 Гц (а по факту и ниже)? Дело в том, что для передачи данных используется не амплитудная, а квадратурная модуляция. Не вдаваясь в дебри этого не самого простого предмета, скажу, что один фрейм — это не один бит, полученный с помощью амплитудной модуляции, а целый пакет данных, модулированных не амплитудно, а фазово (на самом деле всё ещё хитрее, но это, нмв, выходит за рамки статьи). Естественно, после простого детектирования никаких следов фазы мы не видим. Замечу, что средняя мощность меньше пиковой в восемь раз за счёт промежутков между фреймами, и ещё раз в пять за счёт разреженности промежутков передачи.

Чтобы доказать линейность поляризации излучения, снимем сигнал, повернув телефон на 90 градусов вокруг направления на рупор:

Измеряем мощность сотового телефона - 10

Амплитуда заметно просела, но сигнал всё ещё обнаруживается. Это может быть результатом как неточно линейной поляризации, так и просто точностью ориентации оси телефона.

Раз мы посмотрели на детектированный сигнал, почему бы нам не посмотреть на сам сигнал вживую? Частота, конечно, высоковата, но нынче есть и быстрые осциллографы. Вот результат:

Измеряем мощность сотового телефона - 11

Символы — реально измеренные данные, кривые — сплайны по двум наборам данных за время одной попытки дозвониться, горизонтальная нормировка по периоду колебаний, шаг анимации — тысяча периодов. Плывущая фаза, насколько я понимаю — как раз и есть результат используемой в мобильной связи модуляции.

Итоговую конструкцию можно попробовать использовать одним из двух способов. Вариант номер раз — оттереть все отпечатки и прочие следы уксусом и собрать внутри сияющей меди вытяжку. Вариант номер два — соединить изделие коаксиальным кабелем с разъёмом для внешней антенны в телефоне. В поездках в глухие места она может неплохо помочь с качеством связи, если, конечно, угадать с направлением на вышку и поляризацией.

Спасибо за внимание, надеюсь, было интересно.

Автор: igruh

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля