微波信息傳輸實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

王洪海

摘 ? 要：本文簡(jiǎn)要介紹了微波信息傳輸裝置的設(shè)計(jì)意義、原理及設(shè)計(jì)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的效果及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：微波信息傳輸;幅度調(diào)制和解調(diào);反射式速調(diào)管

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）9-0033-3

信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展大力地推動(dòng)了全球信息化的進(jìn)程。為了實(shí)現(xiàn)信息教學(xué)化，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套微波信息傳輸實(shí)驗(yàn)裝置，它可以用于課堂演示，也可以作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材使用。

1 ? ?設(shè)計(jì)思想

微波信息傳輸實(shí)驗(yàn)是借助于微波傳輸音頻信號(hào)的一套實(shí)驗(yàn)裝置。它具有使用簡(jiǎn)單、傳輸路程長(zhǎng)、音質(zhì)效果好、可行性強(qiáng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于演示實(shí)驗(yàn)或研究性實(shí)驗(yàn)，有利于加深學(xué)生對(duì)信號(hào)調(diào)制、解調(diào)等相關(guān)理論知識(shí)的理解，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)拓學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力，實(shí)現(xiàn)“感知—理論抽象—抽象基礎(chǔ)上的感知”的知識(shí)消化過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

微波具有頻率高、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前衛(wèi)星通訊、手機(jī)通信等都在用微波頻段，使用本實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述過(guò)程的模擬和演示。手機(jī)通信等知識(shí)已被引入高中物理選修教材，所以本實(shí)驗(yàn)裝置在高中也將會(huì)越來(lái)越受到歡迎。

2 ? ?微波傳輸實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)所傳送的信息是語(yǔ)言或音樂(lè)等音頻信號(hào)時(shí)，如果將其直接傳輸出去，相應(yīng)的天線尺寸在幾公里以上，顯然制造這樣的天線是十分困難的。一種適用的方法是將音頻信號(hào)“裝載”到高頻振蕩中“運(yùn)載”出去，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的高頻振蕩稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)被接收后經(jīng)解調(diào)后取出音頻信號(hào)，再經(jīng)放大推動(dòng)揚(yáng)聲器還原成聲音。這就是語(yǔ)言傳輸?shù)暮?jiǎn)單過(guò)程。

按照隨信號(hào)變化的高頻振蕩參數(shù)的不同，調(diào)制可分為振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制，本實(shí)驗(yàn)采用振幅調(diào)制，所謂調(diào)幅就是使被調(diào)制信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)而變化，用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值。設(shè)被調(diào)制高頻信號(hào)（如圖1-a）為：

VC=Vcmsinωct（1）

調(diào)制信號(hào)（如圖1-b）為

VΩC=VΩmsinΩt（2）

一般ωc遠(yuǎn)大于Ω。如調(diào)幅的要求能實(shí)現(xiàn)，則已調(diào)幅的電壓V的幅度將和VΩ的幅度相同地隨時(shí)間變化，因而調(diào)幅波可表示為

V=Vsinωct=（Vcm+kVΩmsinΩt）sinΩCt（3）

式中K是一個(gè)比例常數(shù)。上式說(shuō)明了已調(diào)波的振幅V隨時(shí)間正弦變化，如圖（1-c）所示。圖中上下兩個(gè)包絡(luò)線叫作調(diào)制包絡(luò)線。其變化范圍在最大振幅a=Vcm+KVΩm與最小振幅b=Vcm-KVΩm之間。令ma=（a-b）/（a+b）=KVΩm/Vcm，

則（3）式可改寫(xiě)成

V=Vcm（1+sinΩt）sinΩct=Vcm（1+masinΩt）sinωct（4）

式中ma一般為調(diào)制系數(shù)或調(diào)制度。在實(shí)際中總要使ma≤1，如ma>1，就會(huì)引起原信號(hào)失真。

為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求ωc>> Ω，通常至少要求ωc>10 Ω。這樣，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi)，檢出調(diào)制信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0～100Hz，則載波信號(hào)的頻率ωc>1000 Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900～1100 Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)大于100 Hz，即讓0～100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900 Hz以上的信號(hào)抑制，可選擇通頻帶為200 Hz。

（1-b）調(diào)制信號(hào)

本實(shí)驗(yàn)的調(diào)制是由反射式速調(diào)管振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，反射速調(diào)管是一種微波電子管，利用速度調(diào)制方法改變?cè)诮蛔冸姶艌?chǎng)中電子流的運(yùn)動(dòng)速度，從而將直流能量轉(zhuǎn)換成為微波能量。完整的普通速調(diào)管振蕩器包括反射式速調(diào)管、穩(wěn)壓電源和高頻結(jié)構(gòu)三個(gè)主要部分組成。反射式速調(diào)管的結(jié)構(gòu)原理如圖2，k為旁熱式陰極被燈絲加熱，發(fā)射電子在由兩個(gè)柵網(wǎng)組成的環(huán)形諧振腔中產(chǎn)生，工作時(shí)接上加速電壓，對(duì)陰極處于正電位。A為反射級(jí)，工作時(shí)反射級(jí)接上負(fù)電壓使電子流返回柵網(wǎng)，下面分析速調(diào)管中電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制（參見(jiàn)圖2）。當(dāng)管子接通電源，電子流從陰極發(fā)射出來(lái)經(jīng)柵網(wǎng)上的電壓加速而進(jìn)入柵網(wǎng)，再由諧振腔中激起感應(yīng)電流脈沖，使諧振腔中發(fā)生振蕩，因而在兩柵網(wǎng)間產(chǎn)生了一微弱的微波電場(chǎng)。穿過(guò)柵網(wǎng)的電子受到微波場(chǎng)的作用，不同時(shí)間通過(guò)柵網(wǎng)的電子遇到交變場(chǎng)的瞬時(shí)值不同，電子經(jīng)過(guò)柵網(wǎng)時(shí)，速度受到微波場(chǎng)的調(diào)制，所以稱(chēng)這種電子管為速調(diào)管，電子的速度被微波場(chǎng)調(diào)制示意如圖2所示。

電子速度在穿越柵網(wǎng)前已經(jīng)過(guò)微波電場(chǎng)調(diào)制，所以是不同的。速度快的電子有可能趕上速度慢的電子而一起返回柵網(wǎng)，這樣，電子就聚成一個(gè)個(gè)電子群。只要反射空間距離d、諧振腔電壓和反射極電壓合適，就可能做到圍繞著群聚中心的密集電子群回到柵網(wǎng)時(shí)，受到微波電場(chǎng)最大的減速，微波電場(chǎng)從運(yùn)動(dòng)電子凈得的能量最大，電子群由于減速而減小的動(dòng)能U增大后更加強(qiáng)了對(duì)電子流的速度調(diào)制。電子群再次在減速場(chǎng)時(shí)返回柵網(wǎng)，而進(jìn)一步增大了交變量的能量。如此反復(fù)，只要交變場(chǎng)從電子獲得的能量大于交給電子流的能量，而且這部分能量足以補(bǔ)償諧振腔的耗損和負(fù)載中的能量損耗。最后，諧振腔中就能維持一定幅值的穩(wěn)定振蕩。反射速調(diào)管電源具有連續(xù)波調(diào)制、方波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制、外調(diào)制等幾種工作狀態(tài)，“外調(diào)制”即利用外界輸入信號(hào)對(duì)反射式速調(diào)管進(jìn)行調(diào)制，借此便可以將音頻信息“裝載”到微波上，實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。

將信息從已調(diào)幅波中恢復(fù)出來(lái)的電路叫解調(diào)器或檢波器，常用的是二極管檢波器。其電路如圖3所示，設(shè)輸入信號(hào)為Vi已調(diào)幅波。當(dāng)電路接通，第一個(gè)正半周到來(lái)時(shí)，二極管D導(dǎo)通，則有電流ic對(duì)電容C充電，充電時(shí)間常數(shù)為RDC。隨著C的充電，輸出電壓v0上升。加在D兩端的電壓vD等于vi與v0之差，當(dāng)vD<0時(shí)，二極管D截止，電容C向電阻R放電，v0按指數(shù)曲線下降。由于RC>>RDC，所以電容C上的電荷尚未放完時(shí)，下一個(gè)周期的vi又上升到等于v0，二極管D又導(dǎo)通，C再充電，如此反復(fù)。輸入信號(hào)是一調(diào)幅波時(shí)，輸入電壓就隨著已調(diào)波的包絡(luò)線而變化，從而將信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

3 ? ?微波傳輸裝置

信息發(fā)射階段的裝置主要包括反射式速調(diào)管電源、音頻信號(hào)發(fā)生器（如收音機(jī)）、發(fā)射喇叭等。將音頻信號(hào)發(fā)送到反射速調(diào)管電源“外調(diào)制”端，經(jīng)過(guò)調(diào)制與微波信號(hào)從發(fā)射喇叭輸出，從而實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)射。

信息接收階段的裝置主要包括接收喇叭、檢波器、揚(yáng)聲器等。將已經(jīng)從發(fā)射喇叭輸出的信號(hào)通過(guò)接收喇叭接收后，經(jīng)過(guò)檢波器進(jìn)行解調(diào)，最后通過(guò)揚(yáng)聲器就可以播放出相應(yīng)的音頻信息，從而實(shí)現(xiàn)了信息的接收。

該微波傳輸實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置組成如圖4所示。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)效果及相關(guān)問(wèn)題分析

4.1 ? ?實(shí)驗(yàn)效果

用功率為40 mW左右的反射式速調(diào)管振蕩器作為微波源提供載波，可以使用工作電壓為6 V的錄音機(jī)音頻信號(hào)傳輸10 m以上，而且保證效果良好。

4.2 ? ?外界環(huán)境對(duì)微波傳輸效果的影響

微波傳輸類(lèi)似光線直線傳輸，是一種視距范圍內(nèi)的接力傳輸。在微波傳輸?shù)穆窂缴?，可能?huì)受到諸如周?chē)恼系K物的折射和繞射等的影響，從而造成信號(hào)的衰落和失真。另外，由于微波無(wú)法穿過(guò)傳輸線路上的固體金屬障礙物，所以在傳輸路線上如果存固體金屬類(lèi)障礙物就會(huì)使微波部分造成反射和折射，從而使微波在傳輸過(guò)程中發(fā)生衰減而產(chǎn)生失真。因而，在實(shí)驗(yàn)使用中應(yīng)該避免這種情況的出現(xiàn)，如果出現(xiàn)這種情況，則可以通過(guò)改變微波傳輸線路來(lái)改變傳輸特性。另外，在微波傳輸時(shí)外界的電磁場(chǎng)和微波也會(huì)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的微波傳輸起到干擾的作用。

隨著固體器件的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)了固體微波源作為微波的產(chǎn)生源，但固體微波源不像反射式速調(diào)管微波振蕩源可以進(jìn)行外調(diào)制，為了解決把外來(lái)音頻信號(hào)加入進(jìn)行調(diào)制，可以借助一個(gè)振蕩器來(lái)完成。信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中具有傳輸穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4.3 ? ?在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)裝置可以用于高中物理選修3-2第四章第四節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)用和高中物理選修3-4第十四章第三節(jié)電磁波的發(fā)射和接收、第四節(jié)電磁波與信息化社會(huì)教學(xué)使用。

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（欄目編輯 ? ?李富強(qiáng)）