Измеряем мощность сотового телефона


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.


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:




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:




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




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




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




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:




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:




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




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:




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:




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. 

Джерело
На платформі Blogger.