具有測速和微波吸收能力檢測功能的微波通信演示儀

孫立航 李超 高紅 姚秀偉

摘 要： “電視廣播的發(fā)射和接收”是中學(xué)物理與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系比較緊密的內(nèi)容之一.以微波為載體，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集通信、測速和吸收微波能力檢測于一體的綜合演示儀，有利于提升學(xué)生解決實(shí)際問題的意識和能力.

關(guān)鍵詞： 微波;通信;速度檢測;多普勒效應(yīng)

文章編號： 1008-4134（2019）23-0049 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

微波作為一種頻率高、頻帶寬且具有似光性的電磁波，無論在無線通信還是雷達(dá)測速方面都大有用武之地[1].人教版初中物理教材以插圖形式展示了“無線電廣播和電視廣播的工作過程”，高中物理新教材“選擇性必修2”中也安排了“電視廣播的發(fā)射和接收”內(nèi)容，并描述了“需要通過載波將信號調(diào)制成高頻信號再進(jìn)行傳播”的工作原理，但并未給出具體實(shí)驗(yàn)或演示方案.為此，筆者自制了具有測速和微波吸收能力檢測功能的微波通信演示儀，本教具可用于初高中相關(guān)章節(jié)教學(xué)演示或者課外延伸探究，以提升學(xué)生解決實(shí)際問題的意識和能力.

1 微波通信演示儀的工作原理

微波通信演示儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，核心元件是波導(dǎo)正交場混頻器如圖2（a）所示.混頻器的基本用途是將從本振端和信號端輸入的微波信號進(jìn)行混頻，再將差頻信號從中頻端輸出.但筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將混頻電路與兩側(cè)波導(dǎo)管按圖2（b）方式重新連接時，混頻器還能起到利用中頻端輸入的低頻信號對微波進(jìn)行幅度調(diào)制的作用[2].如果此低頻信號用待傳輸?shù)囊纛l（廣播）信號充當(dāng)，就可以實(shí)現(xiàn)“調(diào)幅”通信.

進(jìn)行“廣播的發(fā)射和接收”演示時，將話筒或音頻播放器等接至混頻器的中頻端，將微波源輸出的微波信號接至混頻器的本振端，這樣聲音通過話筒轉(zhuǎn)化成的電信號或音頻播放器輸出的信號就會通過調(diào)幅方式“裝載”到高頻電磁波——微波中，由與混頻器信號端相連的發(fā)射天線發(fā)射到空中，實(shí)現(xiàn)廣播的發(fā)射;無線信號由接收天線接收后經(jīng)檢波器解調(diào)取出音頻信號，再通過揚(yáng)聲器還原成聲音，就完成了廣播（音頻）的接收.

2 微波速度檢測儀原理

利用微波檢測物體運(yùn)動速度時，只需更換圖1中的部分元件并按圖3重新連接.圖中的魔T是一種4端口的微波功率分配元件，當(dāng)微波從1端口輸入時，會被平均分配到2、3端口輸出，而不進(jìn)入4端口;而從2、3端口進(jìn)入的微波則全部進(jìn)入4端口，如此實(shí)現(xiàn)微波功率的定向分配.

3 教學(xué)應(yīng)用

微波通信演示儀可用來進(jìn)行“無線電廣播工作過程”的模擬或 “廣播的發(fā)射和接收”演示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用80mW左右的小功率微波源，可將音頻信號傳輸至30～40米范圍，且音效良好;提高微波源的功率，傳輸距離會更遠(yuǎn).此外，本演示儀還可演示或探究液體或者障礙物對通信的影響及中繼通信等.

微波速度檢測儀可作為“選擇性必修1”教材中關(guān)于“多普勒效應(yīng)”的拓展演示儀器，也可進(jìn)行“選擇性必修2”教材中關(guān)于“雷達(dá)原理”的輔助性講解演示.

若將圖3中的頻率計(jì)換成電流表，將喇叭天線外的運(yùn)動物體換成靜止的待測物體，還可檢測待測物對微波的吸收能力或待測物質(zhì)的含水量等[3].

以微波為載體，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集通信、測速和吸收微波能力檢測等于一體的微波綜合演示儀，通過演示或探究可以降低對“載波”“調(diào)制”“多普勒頻移”等概念理解難度，開闊學(xué)生的視野和思維，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的意識和能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]姜東光.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]姚秀偉.微波技術(shù)與微弱信號檢測實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)——兼選修課理論研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2004.

[3]李陳孝.微波空間波技術(shù)材料含水率檢測方法及裝置的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

（收稿日期：2019-10-10）