【文章內(nèi)容簡介】 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(diào)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(diào)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(gòu)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(gòu)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(shù)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(diào)整天線阻抗、帶寬、 方向圖及輻射功率等參數(shù)，相比普通南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁，共 79 頁 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(diào)整、自動測量進行控制顯得非常重要和有意義。 南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁，共 79 頁 1 系統(tǒng)方案設計 設計任務與要求 設計制作一個 等離子體天線激勵源。 基本要求 （ 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 ?50 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(diào)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，電容元件的南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁，共 79 頁 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(diào)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)可變電阻或可變電容可以調(diào)節(jié)波形發(fā)生電路的振蕩頻率。利用高頻三極管可以構(gòu)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 ） ，如圖 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(diào)試難度。因此也不采用這種方案。 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(shù)，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 ，壓控振蕩器 VCO 圖 鎖相環(huán)框圖 低通濾波器 LPF 鑒 相 PD 參考振蕩器 f0 南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁，共 79 頁 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 個南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁，共 79 頁 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(diào)電源 LM317 LM317 是可調(diào)節(jié) 3 端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍 伏到 37 伏時能夠提供超過 的電流，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(qū)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(shù) ，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(diào)制 （ PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)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(diào)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。 南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁，共 79 頁 射頻功放方案的設計與選擇 方案一：采用三極管功放管 C1970 C1970 是常用的射頻發(fā)射管，增益大于 ，帶寬 175MHz，最大功率 5W，最大電源電壓 40V，常用電源電壓 。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 RD15HVF1 RD15HVF1 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(diào)節(jié)功率 ，采用高頻三極管 2SC3356 和高頻管 AH101 構(gòu)成 驅(qū)動電路驅(qū)動由射頻MOSFET 功率晶體管 RD15HVF1 為核心的 功放 電路 主要功放模塊 。 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(jié)構(gòu)圖如下： D D SP C 機 功 放 驅(qū) 動V G A 輸 出功 放M C UD / A功 率 檢 測A / D液 晶 顯 示 模 塊 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 南華大學電氣工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁，共 79 頁 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 ，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示， 頻 率控 制 字低 通濾 波相 位控 制 字時 鐘 源D A CR A M加 法 器相 位寄 存 器累 加 器 圖 基本結(jié)構(gòu)框圖 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(zhuǎn)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