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： “電視廣播的發射和接收”是中學物理與實際應用聯系比較緊密的內容之一.以微波為載體，設計實現集通信、測速和吸收微波能力檢測于一體的綜合演示儀，有利于提升學生解決實際問題的意識和能力.

關鍵詞： 微波;通信;速度檢測;多普勒效應

文章編號： 1008-4134（2019）23-0049 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： 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“電視廣播的發射和接收”內容，并描述了“需要通過載波將信號調制成高頻信號再進行傳播”的工作原理，但并未給出具體實驗或演示方案.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章節教學演示或者課外延伸探究，以提升學生解決實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構框圖如圖1所示，核心元件是波導正交場混頻器如圖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行混頻，再將差頻信號從中頻端輸出.但筆者發現，當將混頻電路與兩側波導管按圖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行幅度調制的作用[2].如果此低頻信號用待傳輸的音頻（廣播）信號充當，就可以實現“調幅”通信.

進行“廣播的發射和接收”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化成的電信號或音頻播放器輸出的信號就會通過調幅方式“裝載”到高頻電磁波——微波中，由與混頻器信號端相連的發射天線發射到空中，實現廣播的發射;無線信號由接收天線接收后經檢波器解調取出音頻信號，再通過揚聲器還原成聲音，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，而不進入4端口;而從2、3端口進入的微波則全部進入4端口，如此實現微波功率的定向分配.

3 教學應用

微波通信演示儀可用來進行“無線電廣播工作過程”的模擬或 “廣播的發射和接收”演示.實驗結果顯示，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.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”教材中關于“多普勒效應”的拓展演示儀器，也可進行“選擇性必修2”教材中關于“雷達原理”的輔助性講解演示.

若將圖3中的頻率計換成電流表，將喇叭天線外的運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的含水量等[3].

以微波為載體，設計實現集通信、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”“調制”“多普勒頻移”等概念理解難度，開闊學生的視野和思維，提高學生解決實際問題的意識和能力.

參考文獻：

[1]姜東光.近代物理實驗[M].北京：科學出版社，2007.

[2]姚秀偉.微波技術與微弱信號檢測實驗課設計——兼選修課理論研究[D].長春：東北師范大學，2004.

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

（收稿日期：2019-10-10）