孙立航 李超 高红 姚秀伟
摘 要： “电视广播的发射和接收”是中学物理与实际应用联系比较紧密的内容之一.以微波为载体，设计实现集通信、测速和吸收微波能力检测于一体的综合演示仪，有利于提升学生解决实际问题的意识和能力.
关键词： 微波;通信;速度检测;多普勒效应
文章编号： 1008-4134（2019）23-0049 中图分类号： G633.7 文献标识码： B
微波作为一种频率高、频带宽且具有似光性的电磁波，无论在无线通信还是雷达测速方面都大有用武之地[1].人教版初中物理教材以插图形式展示了“无线电广播和电视广播的工作过程”，高中物理新教材“选择性必修2”中也安排了“电视广播的发射和接收”内容，并描述了“需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播”的工作原理，但并未给出具体实验或演示方案.为此，笔者自制了具有测速和微波吸收能力检测功能的微波通信演示仪，本教具可用于初高中相关章节教学演示或者课外延伸探究，以提升学生解决实际问题的意识和能力.
1 微波通信演示仪的工作原理
微波通信演示仪的结构框图如图1所示，核心元件是波导正交场混频器如图2（a）所示.混频器的基本用途是将从本振端和信号端输入的微波信号进行混频，再将差频信号从中频端输出.但笔者发现，当将混频电路与两侧波导管按图2（b）方式重新连接时，混频器还能起到利用中频端输入的低频信号对微波进行幅度调制的作用[2].如果此低频信号用待传输的音频（广播）信号充当，就可以实现“调幅”通信.
进行“广播的发射和接收”演示时，将话筒或音频播放器等接至混频器的中频端，将微波源输出的微波信号接至混频器的本振端，这样声音通过话筒转化成的电信号或音频播放器输出的信号就会通过调幅方式“装载”到高频电磁波——微波中，由与混频器信号端相连的发射天线发射到空中，实现广播的发射;无线信号由接收天线接收后经检波器解调取出音频信号，再通过扬声器还原成声音，就完成了广播（音频）的接收.
2 微波速度检测仪原理
利用微波检测物体运动速度时，只需更换图1中的部分元件并按图3重新连接.图中的魔T是一种4端口的微波功率分配元件，當微波从1端口输入时，会被平均分配到2、3端口输出，而不进入4端口;而从2、3端口进入的微波则全部进入4端口，如此实现微波功率的定向分配.
3 教学应用
微波通信演示仪可用来进行“无线电广播工作过程”的模拟或 “广播的发射和接收”演示.实验结果显示，利用80mW左右的小功率微波源，可将音频信号传输至30～40米范围，且音效良好;提高微波源的功率，传输距离会更远.此外，本演示仪还可演示或探究液体或者障碍物对通信的影响及中继通信等.
微波速度检测仪可作为“选择性必修1”教材中关于“多普勒效应”的拓展演示仪器，也可进行“选择性必修2”教材中关于“雷达原理”的辅助性讲解演示.
若将图3中的频率计换成电流表，将喇叭天线外的运动物体换成静止的待测物体，还可检测待测物对微波的吸收能力或待测物质的含水量等[3].
以微波为载体，设计实现集通信、测速和吸收微波能力检测等于一体的微波综合演示仪，通过演示或探究可以降低对“载波”“调制”“多普勒频移”等概念理解难度，开阔学生的视野和思维，提高学生解决实际问题的意识和能力.
参考文献：
[1]姜东光.近代物理实验[M].北京：科学出版社，2007.
[2]姚秀伟.微波技术与微弱信号检测实验课设计——兼选修课理论研究[D].长春：东北师范大学，2004.
[3]李陈孝.微波空间波技术材料含水率检测方法及装置的研究[D].长春：吉林大学，2015.
（收稿日期：2019-10-10）
