王洪海

摘 ? 要：本文簡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，并對實(shí)驗(yàn)裝置的效果及相關(guān)問題進(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

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2015）9-0033-3

信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展大力地推動了全球信息化的進(jìn)程。為了實(shí)現(xiàn)信息教學(xué)化，我們設(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的一套實(shí)驗(yàn)裝置。它具有使用簡單、傳輸路程長、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)生對信號調(diào)制、解調(diào)等相關(guān)理論知識的理解，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開拓學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力，實(shí)現(xiàn)“感知—理論抽象—抽象基礎(chǔ)上的感知”的知識消化過程，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)對上述過程的模擬和演示。手機(jī)通信等知識已被引入高中物理選修教材，所以本實(shí)驗(yàn)裝置在高中也將會越來越受到歡迎。

2 ? ?微波傳輸實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)所傳送的信息是語言或音樂等音頻信號時(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“裝載”到高頻振蕩中“運(yùn)載”出去，經(jīng)過調(diào)制后的高頻振蕩稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號被接收后經(jīng)解調(diào)后取出音頻信號，再經(jīng)放大推動揚(yáng)聲器還原成聲音。這就是語言傳輸?shù)暮唵芜^程。

按照隨信號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)制信號的振幅隨調(diào)制信號而變化，用調(diào)制信號x去控制高頻載波信號的幅值。設(shè)被調(diào)制高頻信號（如圖1-a）為：

VC=Vcmsinωct（1）

調(diào)制信號（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，就會引起原信號失真。

為了正確進(jìn)行信號調(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)制信號與載波信號分開，檢出調(diào)制信號。若被測信號的變化頻率為0～100Hz，則載波信號的頻率ωc>1000 Hz。調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900～1100 Hz。信號解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)大于100 Hz，即讓0～100Hz的信號順利通過，而將900 Hz以上的信號抑制，可選擇通頻帶為200 Hz。

（1-b）調(diào)制信號

本實(shí)驗(yàn)的調(diào)制是由反射式速調(diào)管振蕩器來實(shí)現(xiàn)的，反射速調(diào)管是一種微波電子管，利用速度調(diào)制方法改變在交變電磁場中電子流的運(yùn)動速度，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，對陰極處于正電位。A為反射級，工作時(shí)反射級接上負(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)動過程和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制（參見圖2）。當(dāng)管子接通電源，電子流從陰極發(fā)射出來經(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。穿過柵網(wǎng)的電子受到微波場的作用，不同時(shí)間通過柵網(wǎng)的電子遇到交變場的瞬時(shí)值不同，電子經(jīng)過柵網(wǎng)時(shí)，速度受到微波場的調(diào)制，所以稱這種電子管為速調(diào)管，電子的速度被微波場調(diào)制示意如圖2所示。

電子速度在穿越柵網(wǎng)前已經(jīng)過微波電場調(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)，受到微波電場最大的減速，微波電場從運(yùn)動電子凈得的能量最大，電子群由于減速而減小的動能U增大后更加強(qiáng)了對電子流的速度調(diào)制。電子群再次在減速場時(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對反射式速調(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)過程比較簡單。

將信息從已調(diào)幅波中恢復(fù)出來的電路叫解調(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)輸入信號為Vi已調(diào)幅波。當(dāng)電路接通，第一個(gè)正半周到來時(shí)，二極管D導(dǎo)通，則有電流ic對電容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，從而將信號恢復(fù)出來。

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、音頻信號發(fā)生器（如收音機(jī)）、發(fā)射喇叭等。將音頻信號發(fā)送到反射速調(diào)管電源“外調(diào)制”端，經(jīng)過調(diào)制與微波信號從發(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)射喇叭輸出的信號通過接收喇叭接收后，經(jīng)過檢波器進(jìn)行解調(diào)，最后通過揚(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)音頻信號傳輸10 m以上，而且保證效果良好。

4.2 ? ?外界環(huán)境對微波傳輸效果的影響

微波傳輸類似光線直線傳輸，是一種視距范圍內(nèi)的接力傳輸。在微波傳輸?shù)穆窂缴?，可能會受到諸如周圍的障礙物的折射和繞射等的影響，從而造成信號的衰落和失真。另外，由于微波無法穿過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障礙物就會使微波部分造成反射和折射，從而使微波在傳輸過程中發(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，則可以通過改變微波傳輸線路來改變傳輸特性。另外，在微波傳輸時(shí)外界的電磁場和微波也會對該實(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，為了解決把外來音頻信號加入進(jìn)行調(diào)制，可以借助一個(gè)振蕩器來完成。信號傳輸?shù)倪^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教學(xué)使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳先球，熊予瑩.近代物理實(shí)驗(yàn)教程（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]吳思成，王祖銓.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2001.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]張雄，王黎智.物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究[M].北京：科學(xué)教育出版社，2001.

（欄目編輯 ? ?李富強(qiáng)）