【正文】 ，等離子天線具有重量輕、天線參數(shù)可控、不工作時隱性及啟動時間較短諸多優(yōu)勢使它在軍事和商業(yè)通信領域有廣闊的應用前景，因而備受世界各國的高度重視。等離子體天線一般通過在絕緣管內(nèi)填充一定氣壓的惰性氣體構成。此時，等離子體可以利用激光照射、直流放電以及微波或射頻激勵耦合等方法使管內(nèi)氣體形成。氣體的種類、壓強以及激勵信號的功率和頻率等與等離子體頻率w有關。等離子體的碰撞頻率與形成等離子氣體的種類、壓強和電子能量T等因素有關，當電子能量較小時，在相同的壓力下，氬的碰撞頻率較小，氬的電離能較氦、氫和氮小，因此氬是一種較理想的的工作氣體。在較高的等離子頻率和較低的電子碰撞頻率條件下，表面波的波數(shù)接近于自由空間電磁波的波數(shù)，等離子體對表面波的衰減也小，等離子體柱上表面波的傳播特性非常類似于在金屬天線陣子上的傳播特性，此時的柱狀等離子體源即可作為天線陣子使用，已有實驗證明該天線可以用作高頻或射頻微波通信。本項目就是為這樣的等離子天線設計一種射頻激勵的激勵源，其目的主要有兩個，一是設計一個頻率可調的激勵源，這些激勵源的參數(shù)可以通過一個控制器進行智能控制從而可以動態(tài)調整等離子天線的有效長度、輻射功率、輻射方向圖等參數(shù)以適應各種情況的高頻通信系統(tǒng)。根據(jù)設計好的等離子天線，構造天線測量系統(tǒng)，探討等離子激勵源的頻率及功率的變化對天線長度、效率等特性的影響，是本項目的目的之二。本項目的研究意義在于這種等離子體天線相對于傳統(tǒng)的金屬天線而言具有許多獨特的優(yōu)點，主要包括：①隱形性。當除去電離狀態(tài)后，等離子天線將不會產(chǎn)生后向散射雷達波，也不會吸收可降低電子對抗效能的高功率微波輻射。②適應于多種信號。等離子天線可具有動態(tài)重構的特性，如帶寬、頻率、增益和指向性。③便于遠程部署。等離子體天線可以比常規(guī)天線設計更輕、體積更小。④效率更高。等離子體天線很好的降低沖擊激勵效應，從而提高了短脈沖雷達的性能。這些獨特的優(yōu)點將使等離子天線技術具有廣闊的應用前景，如用于海軍水面艦與潛艇雷達天線、隱形飛機雷達天線和彈道導彈防御雷達天線等。本項目對等離子體天線激勵源的研制的意義還在于：對該激勵源的輸出頻率和功率等參數(shù)智能控制而動態(tài)調整天線阻抗、帶寬、方向圖及輻射功率等參數(shù)，相比普通相控天線陣，等離子天線陣列不用活動部件就能高速的進行輻射方向圖掃描。另外等離子天線是對惰性氣體的離化會發(fā)出各色絢麗的色彩，可以代替目前移動通信基站天線，起到天線美化效果。因此對射頻激勵等離子體天線的激勵源進行研制，特別是對該激勵源的控制部分，還可以包括對天線參數(shù)的動態(tài)調整、自動測量進行控制顯得非常重要和有意義。1系統(tǒng)方案設計設計制作一個等離子體天線激勵源。（1）正弦波輸出頻率范圍：400MHz～500MHz；（2）具有頻率設置功能，頻率步進：100kHz； （3）輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于102；（4）輸出功率：在負載電阻上的功率達到5～20W ；（5）失真度：用示波器觀察時無明顯失真。 發(fā)揮部分在完成基本要求任務的基礎上，增加如下功能：（1）能夠檢測功率并顯示功率值；（2）功率可可在5W～20W內(nèi)調節(jié)。 系統(tǒng)方案論證與比較本題目的要求是設計一個正弦射頻信號發(fā)生器，并且能夠大功率輸出同時實現(xiàn)頻率和功率可控。綜合各方面考慮，可以把這個系統(tǒng)分為幾個子模塊：信號源部分、控制處理部分、可控增益放大器、輸大功率射頻功放和功率檢測部分。本系統(tǒng)采用模塊化制作，對各模塊分析如下： 正弦波產(chǎn)生方案論證與比較信號源是這個系統(tǒng)的核心，它的成功與否，將直接影響到整個系統(tǒng)的性能。方案一：利用RC、LC網(wǎng)絡產(chǎn)生振蕩信號。利用成熟的三點式晶體管振蕩電路，可以通過改變電阻，電感，電容元件的參數(shù)，來改變正弦振蕩的頻率。這種電路的特點是頻率穩(wěn)定性較好，并且很容易起振，電路簡單。但是如果要實現(xiàn)題目中要求的1KHz至10MHz那么寬的頻率范圍，很難做到，或者實現(xiàn)起來系統(tǒng)體積太大，功耗很高，容易產(chǎn)生雜波，不易精確調節(jié)振蕩頻率。因此該方案在設計之中不予考慮。方案二：利用壓控振蕩器VCO產(chǎn)生振蕩信號。壓控振蕩器（又稱為VCO或V/F轉換電路）產(chǎn)生的波形的振蕩頻率與它的控制電壓成正比，因此，調節(jié)可變電阻或可變電容可以調節(jié)波形發(fā)生電路的振蕩頻率。利用高頻三極管可以構成具有一定精度、線性較好的壓控振蕩器。并且，可以用DA實現(xiàn)對電壓的程控，成本低廉。由于VCO的頻率穩(wěn)定度和頻率精度太低，無法滿足本題目中對穩(wěn)定度和頻率精度的要求，故放棄這種方案。方案三：利用鎖相環(huán)進（PLL）行間接頻率合成。這個方案是在方案二的基礎上，用鎖相環(huán)將VCO輸出的頻率鎖定在所需的頻率上。PLL使輸出頻率的穩(wěn)定度和精度，接近參考振蕩源（通常用晶振）， 所示。如果只用一個鎖相環(huán)，頻率范圍覆蓋不了400MHz500MHz的變化范圍。因此可以考慮用多個PLL進行分段鎖定。缺點是硬件復雜，增加了調試難度。因此也不采用這種方案。壓控振蕩器VCO 鎖相環(huán)框圖低通濾波器LPF鑒 相PD參考振蕩器f0方案四：直接數(shù)字合成法（DDS）。DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的簡稱，通常將此視為第三代頻率合成技術，它突破了前幾種頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進行頻率合成。這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以用DDS方法產(chǎn)生任意波形（AWG）。利用專用的DDS9858芯片產(chǎn)生的信號頻率準確，頻率分辨率高。而且，電路相對簡單易行。同時使用WinNWT4軟件來控制參數(shù)簡單方便，可產(chǎn)生高精度500MHz以內(nèi)的射頻信號，能夠滿足本題中的信號穩(wěn)定度和精度的要求，故選用此方案。綜上所述，我們采用了方案四作為信號源。 控制器的選擇方案論證與比較方案一：采取FPGA或者CPLD控制。近年來，可編程器件發(fā)展很快，在很多方面都得到了廣泛的應用。采用大規(guī)模的可編程器件來完成系統(tǒng)的控制是一種很不錯的解決方案，它具有體積小、改動靈活的特點。用它們作為系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，可以采用VHDL或者Verilog語言來描述。但是一般來說，復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）集成的門數(shù)目不會很多。現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array） 是新一代的可編程器件，但是需要外部的配置芯片，否則斷電后，保存在RAM中的程序會丟失。這個方案特別適用于大型、高速、復雜系統(tǒng)的控制，但是本系統(tǒng)中，考慮到成本和制作難易程度，沒有采用這個方案。方案二：采取MCS51單片機作為控制中心。MCS51系列單片機是一種廉價的，應用極為廣泛的單片機，它體積小，功能強大?？梢杂脜R編或者C語言進行開發(fā)。并且這種單片機的接口電路豐富。缺點是運行速度不夠快，12個時鐘周期一條指令，如果用12MHz的晶振，執(zhí)行一條指令最快也要1us。因此不適合高速的控制。方案三：采取ADuC841芯片作為主控ADuC841是美國模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的內(nèi)嵌MCU的高性能、多通道12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，它具有體積小、功耗低等諸多特點。它具有與8051兼容的內(nèi)核，12個中斷源、2個優(yōu)先級、雙數(shù)據(jù)指針、擴展的11位堆棧指針。每條指令一個時鐘周期，最大的工作時鐘為25MHz（5V時）及16MHz（3V時）。用該芯片來控制DDS，可以完美地實現(xiàn)系統(tǒng)的指標性能要求。方案四：采用AVR單片機ATmega128作為主控制器。8位的ATmega128共64只管腳，53個可承受5V電壓的I/O口，128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（ 具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW）、4K 字節(jié)的EEPROM、4K 字節(jié)的SRAM、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4 個靈活的具有比較模式和PWM 功能的定時器/ 計數(shù)器（T/C）、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8 通道10 位ADC（ 具有可選的可編程增益）、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI 串行端口、以及六種可以通過軟件選擇的省電模式，理想的低功耗工作模式更能起到節(jié)電的作用。因此ATmega128控制芯片能很好的滿足系統(tǒng)設計需求。同時考慮到，輸入輸出的接口需要較多的I/O口，而且這部分對單片機的速度要求較高。在本系統(tǒng)中主控需要完成鍵盤掃描、液晶顯示、兩塊D/A和一塊A/D的工作，任務比較多。此外考慮到設計成本，應選擇一款性價比較高的主控。所以在此系統(tǒng)中，采用了AVR單片機ATmega128作為控制核心，選用第四種方案。 電源方案論證與選擇方案一：采用線性可調電源LM317LM317是可調節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，此穩(wěn)壓器非常易于使用。LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。但LM317所能提供的功率較小且發(fā)熱大，即產(chǎn)生的功耗大。因此達不到本題驅動大功率功放的要求，故不采用此方案。方案二：采用開關電源開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。開關電源可以提供更高的功率，注意滿足本題的要求，且功耗更低。 綜合考慮功率和功耗兩個因素，為了能夠提供更大的功率，同時產(chǎn)生更少的熱量，本題采用方案二。方案一：采用三極管功放管C1970C1970是常用的射頻發(fā)射管，帶寬175MHz，最大功率5W，最大電源電壓40V。常用于小功率發(fā)射機的發(fā)射管，效率大于50%?？梢娖涔β屎皖l帶遠遠不能滿足本題的要求。方案二：采用硅MOSFET功率晶體管RD15HVF1RD15HVF1是射頻MOSFET功率晶體管，當Vdd=，f=175MHz時 Pout15W，Gp14dB。當Vdd=，f=520MHz時Pout15W，Gp7dB，最大功率可達40W，效率大于50%。常用于大功率發(fā)射機、射頻功放等。綜合考慮本題頻帶和功率的要求，C1970的帶寬175MHz，最大功率只有5W，可見滿足不了本題500MHz的15W以上放大的要求。顯然選用RD15HVF1作為射頻功放管，比較容易滿足要求，故采用方案二。 系統(tǒng)總體設計 綜合上述方案，經(jīng)過認真比較分析，本設計采用單片機ATmega128作為主控制核心，壓控振蕩器作為射頻信號源，采用ADL5330壓控放大器來調節(jié)功率。通過按鍵將頻率和功率值輸入到單片機，單片機再通過TLV5638 D/A模塊分別控制壓控振蕩器產(chǎn)生信號的頻率和VGA壓控放大器ADL5330的放大倍數(shù)。末級由衰減器、功率檢測模塊和TLC2543A/D模塊檢測功率并將功率值提供給單片機。單片機控制顯示模塊12864實時顯示頻率和功率。系統(tǒng)結構圖如下： 系統(tǒng)總體結構圖系統(tǒng)硬件設計 正弦波的產(chǎn)生 DDS的原理DDS是數(shù)字可編程的高頻合成器，DDS的工作過程為: (1)將存于數(shù)表中的數(shù)字波形，經(jīng)數(shù)模轉換器D/A，形成模擬量波形.(2)兩種方法可以改變輸出信號的頻率:①改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率， 可以改變輸出波形的頻率。②。步長即為對數(shù)字波形查表的相位增量，由累加器對相位增量進行累加，累加器的值作為查表地址。(3)D/A輸出的階梯形波形，經(jīng)低通（帶通）濾波，成為質量符合需要的模擬波形。設相位累加器的位寬為2N， sin表的大小為2p，累加器的高P位用于尋址sin表，時鐘Clock的頻率為fc， 若累加器按步進為1地累加直至溢出一遍的頻率為 （21） 正弦輸出的DDS原理圖若以M點為步長，產(chǎn)生的信號頻率為 （22）M稱為頻率控制字。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個位相位寄存器組成，每來一個時鐘，相位寄存器以步長增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應正弦波中 0~360o 范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數(shù)字量信號，驅動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經(jīng)過2N/M 個 fc 時鐘后回到初始狀態(tài)，相應地正弦查詢表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出正弦波周期為 （23）頻率控制字與輸出信號頻率和參考時鐘頻率之間的關系為： （24）其中N是相位累加器的字長。頻率控制字與輸出信號頻率成正比。通常用頻率增量來表示頻率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率為 （25）與PLL不同，DDS的輸出頻率可以瞬時地改變，即可以實現(xiàn)跳頻，這是DDS的一個突出優(yōu)點，用于掃頻測量和數(shù)字通訊中，十分方便。 AD9858的簡介信號波形產(chǎn)生部分，采用了專用DDS芯片AD9858。AD9858是AD公司于2003年推出的一款高性能DDS芯片，其工作頻率高達1GHz，內(nèi)置一個10位DAC，雜散性能指標更高于以前的產(chǎn)品。該器件采用先進的DDS技術，內(nèi)置一個高速、高性能數(shù)模轉換器，構成數(shù)字可編程的完整高頻合成器，能夠產(chǎn)生最高500+MHz的頻率捷變模擬輸出正弦波。AD9858專為提供快速跳頻和精密調諧分辨率（32位頻率調諧字）而設計。頻率調諧和控制字以并行（8位）或串行加載格式載