微波信息传输实验装置的设计

王洪海

摘   要：本文简要介绍了微波信息传输装置的设计意义、原理及设计方案，并对实验装置的效果及相关问题进行了分析。

关键词：微波信息传输;幅度调制和解调;反射式速调管

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0033-3

信息技术突飞猛进的发展大力地推动了全球信息化的进程。为了实现信息教学化，我们设计了一套微波信息传输实验装置，它可以用于课堂演示，也可以作为学生分组实验的实验器材使用。

1    设计思想

微波信息传输实验是借助于微波传输音频信号的一套实验装置。它具有使用简单、传输路程长、音质效果好、可行性强等特点，可应用于演示实验或研究性实验，有利于加深学生对信号调制、解调等相关理论知识的理解，更有利于激发学生的学习兴趣、开拓学生思维、培养学生应用知识的能力，实现“感知—理论抽象—抽象基础上的感知”的知识消化过程，培养学生的创新思维和创新能力。

微波具有频率高、频带宽、抗干扰能力强等优点，所以目前卫星通讯、手机通信等都在用微波频段，使用本实验装置可以实现对上述过程的模拟和演示。手机通信等知识已被引入高中物理选修教材，所以本实验装置在高中也将会越来越受到欢迎。

2    微波传输实验原理

当所传送的信息是语言或音乐等音频信号时，如果将其直接传输出去，相应的天线尺寸在几公里以上，显然制造这样的天线是十分困难的。一种适用的方法是将音频信号“装载”到高频振荡中“运载”出去，经过调制后的高频振荡称为已调信号。已调信号被接收后经解调后取出音频信号，再经放大推动扬声器还原成声音。这就是语言传输的简单过程。

按照随信号变化的高频振荡参数的不同，调制可分为振幅调制、频率调制、相位调制，本实验采用振幅调制，所谓调幅就是使被调制信号的振幅随调制信号而变化，用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。设被调制高频信号（如图1-a）为：

VC=Vcmsinωct（1）

调制信号（如图1-b）为

VΩC=VΩmsinΩt（2）

一般ωc远大于Ω。如调幅的要求能实现，则已调幅的电压V的幅度将和VΩ的幅度相同地随时间变化，因而调幅波可表示为

V=Vsinωct=（Vcm+kVΩmsinΩt）sinΩCt（3）

式中K是一个比例常数。上式说明了已调波的振幅V随时间正弦变化，如图（1-c）所示。图中上下两个包络线叫作调制包络线。其变化范围在最大振幅a=Vcm+KVΩm与最小振幅b=Vcm-KVΩm之间。令ma=（a-b）/（a+b）=KVΩm/Vcm，

则（3）式可改写成

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

式中ma一般为调制系数或调制度。在实际中总要使ma≤1，如ma>1，就会引起原信号失真。

为了正确进行信号调制必须要求ωc>> Ω，通常至少要求ωc>10 Ω。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0～100Hz，则载波信号的频率ωc>1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为900～1100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应大于100 Hz，即让0～100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选择通频带为200 Hz。

（1-b）调制信号

本实验的调制是由反射式速调管振荡器来实现的，反射速调管是一种微波电子管，利用速度调制方法改变在交变电磁场中电子流的运动速度，从而将直流能量转换成为微波能量。完整的普通速调管振荡器包括反射式速调管、稳压电源和高频结构三个主要部分组成。反射式速调管的结构原理如图2，k为旁热式阴极被灯丝加热，发射电子在由两个栅网组成的环形谐振腔中产生，工作时接上加速电压，对阴极处于正电位。A为反射级，工作时反射级接上负电压使电子流返回栅网，下面分析速调管中电子的运动过程和能量转换机制（参见图2）。当管子接通电源，电子流从阴极发射出来经栅网上的电压加速而进入栅网，再由谐振腔中激起感应电流脉冲，使谐振腔中发生振荡，因而在两栅网间产生了一微弱的微波电场。穿过栅网的电子受到微波场的作用，不同时间通过栅网的电子遇到交变场的瞬时值不同，电子经过栅网时，速度受到微波场的调制，所以称这种电子管为速调管，电子的速度被微波场调制示意如图2所示。

电子速度在穿越栅网前已经过微波电场调制，所以是不同的。速度快的电子有可能赶上速度慢的电子而一起返回栅网，这样，电子就聚成一个个电子群。只要反射空间距离d、谐振腔电压和反射极电压合适，就可能做到围绕着群聚中心的密集电子群回到栅网时，受到微波电场最大的减速，微波电场从运动电子净得的能量最大，电子群由于减速而减小的动能U增大后更加强了对电子流的速度调制。电子群再次在减速场时返回栅网，而进一步增大了交变量的能量。如此反复，只要交变场从电子获得的能量大于交给电子流的能量，而且这部分能量足以补偿谐振腔的耗损和负载中的能量损耗。最后，谐振腔中就能维持一定幅值的稳定振荡。反射速调管电源具有连续波调制、方波调制、锯齿波调制、外调制等几种工作状态，“外调制”即利用外界输入信号对反射式速调管进行调制，借此便可以将音频信息“装载”到微波上，实现过程比较简单。

将信息从已调幅波中恢复出来的电路叫解调器或检波器，常用的是二极管检波器。其电路如图3所示，设输入信号为Vi已调幅波。当电路接通，第一个正半周到来时，二极管D导通，则有电流ic对电容C充电，充电时间常数为RDC。随着C的充电，输出电压v0上升。加在D两端的电压vD等于vi与v0之差，当vD<0时，二极管D截止，电容C向电阻R放电，v0按指数曲线下降。由于RC>>RDC，所以电容C上的电荷尚未放完时，下一个周期的vi又上升到等于v0，二极管D又导通，C再充电，如此反复。输入信号是一调幅波时，输入电压就随着已调波的包络线而变化，从而将信号恢复出来。

3    微波传输装置

信息发射阶段的装置主要包括反射式速调管电源、音频信号发生器（如收音机）、发射喇叭等。将音频信号发送到反射速调管电源“外调制”端，经过调制与微波信号从发射喇叭输出，从而实现信息的发射。

信息接收阶段的装置主要包括接收喇叭、检波器、扬声器等。将已经从发射喇叭输出的信号通过接收喇叭接收后，经过检波器进行解调，最后通过扬声器就可以播放出相应的音频信息，从而实现了信息的接收。

该微波传输实验的实验装置组成如图4所示。

4    实验效果及相关问题分析

4.1    实验效果

用功率为40 mW左右的反射式速调管振荡器作为微波源提供载波，可以使用工作电压为6 V的录音机音频信号传输10 m以上，而且保证效果良好。

4.2    外界环境对微波传输效果的影响

微波传输类似光线直线传输，是一种视距范围内的接力传输。在微波传输的路径上，可能会受到诸如周围的障碍物的折射和绕射等的影响，从而造成信号的衰落和失真。另外，由于微波无法穿过传输线路上的固体金属障碍物，所以在传输路线上如果存固体金属类障碍物就会使微波部分造成反射和折射，从而使微波在传输过程中发生衰减而产生失真。因而，在实验使用中应该避免这种情况的出现，如果出现这种情况，则可以通过改变微波传输线路来改变传输特性。另外，在微波传输时外界的电磁场和微波也会对该实验的微波传输起到干扰的作用。

随着固体器件的发展，在实验室中出现了固体微波源作为微波的产生源，但固体微波源不像反射式速调管微波振荡源可以进行外调制，为了解决把外来音频信号加入进行调制，可以借助一个振荡器来完成。信号传输的过程中具有传输稳定、可靠性强的特点。

4.3    在高中物理教学中的应用

本实验装置可以用于高中物理选修3-2第四章第四节法拉第电磁感应定律应用和高中物理选修3-4第十四章第三节电磁波的发射和接收、第四节电磁波与信息化社会教学使用。

参考文献：

[1]吴先球，熊予莹.近代物理实验教程（第二版）[M].北京：科学出版社，2009.

[2]吴思成，王祖铨.近代物理实验[M].北京：北京大学出版社，2001.

[3]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]张雄，王黎智.物理实验设计与研究[M].北京：科学教育出版社，2001.

（栏目编辑    李富强）