【正文】 58。該器件采用先進(jìn)的 DDS 技術(shù)，內(nèi)置一個高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，構(gòu)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 的簡介 信號波形產(chǎn)生部分，采用了專用 DDS 芯片 AD9858。頻率控制字與輸出信號頻率成正比。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(yīng)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。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(yīng)正弦波中 0~360o 范圍的一個相位點。設(shè)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(jìn)為 1 地累加直至溢出一遍的頻率為 Ncout ff 2? （ 21） 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁，共 79 頁 圖 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 Ncout fMf 2?? （ 22） M 稱為頻率控制字。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(jìn)行累加，累加器的值作為查表地址。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： D D SP C 機(jī) 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(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁，共 79 頁 系統(tǒng)硬件設(shè)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 改變查表尋址的時鐘 CLOCK 的頻率 ， 可以改變輸出波形的頻率 。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(jī)。 系統(tǒng)總體設(shè)計 綜合上述方案，經(jīng)過認(rèn)真比較分析，本設(shè)計采用單片機(jī) 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 。 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。 當(dāng) Vdd=， f=520MHz 時 Pout15W， Gp7dB，最大功率可達(dá) 40W，效率大于 50%?？梢娖涔β屎皖l帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本題的要求。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁，共 79 頁 射頻功放方案的設(shè)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 。開關(guān)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。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。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。 方案二：采用開關(guān)電源 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代 電力電子技術(shù) ，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由 脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)成。但 LM317 所能提供的功率較小且發(fā)熱大，即產(chǎn)生的功耗大。 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。此外考慮到設(shè)計成本， 應(yīng) 選擇一款 性價比較高的主控。 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(jī)的速度要求 較 高 。 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(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)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。用該芯片來控制 DDS，可以完美地實現(xiàn)系統(tǒng)的指標(biāo)性能要求。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(kuò)展的 11 位堆棧指針。因此不適合高速的控制。并且這種單片機(jī)的接口電路豐富。 MCS51 系列單片機(jī)是一種廉價的，應(yīng)用極為廣泛的單片機(jī)，它體積小，功能強(qiáng)大。這個方案特別適用于大型、高速、復(fù)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。但是一般來說，復(fù)雜可編程邏輯器件 CPLD（ Complex Programmable Logic Device） 集成的門數(shù)目不會很多。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。 控制器的選擇方案論證與比較 方案一：采取 FPGA 或者 CPLD 控制 。 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(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)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。利用專用的 DDS9858 芯片產(chǎn)生的信號頻率準(zhǔn)確，頻率分辨率高。 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(jìn)行頻率合成。因此也不采用這種方案。因此可以考慮用多個 PLL 進(jìn)行分段鎖定。 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。 方案三：利用鎖相環(huán)進(jìn) （ PLL） 行間接頻率合成 。并且，可以用 DA 實現(xiàn)對電壓的程控，成本低廉。 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。因此該方案在設(shè)計之中不予考慮。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。 方案一：利用 RC、 LC 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生振蕩信號 。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。 發(fā)揮部分 在完成基本要求任務(wù)的基礎(chǔ)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)。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁，共 79 頁 1 系統(tǒng)方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù)與要求 設(shè)計制作一個 等離子體天線激勵源。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。這些獨特的優(yōu)點將使等離子天線技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，如用于海軍水面艦與潛艇雷達(dá)天線、隱形飛機(jī)雷達(dá)天線和彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)天線等。 ④ 效率更高。 ③ 便于遠(yuǎn)程部署。 ② 適應(yīng)于多種信號。 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。 本項目就 是為這樣的等離子天線設(shè)計一種射頻激勵的激勵源，其目的主要有兩個，一是設(shè)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(jìn)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(yīng)各種情況的高頻通信系統(tǒng)。等離子體的碰撞頻率與形成等離子氣體的種類、壓強(qiáng)和電子能量 T 等因素有關(guān)，當(dāng)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。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。與傳統(tǒng)的金屬天線相比，等離子天線具有重量輕、天線參數(shù)可控、不南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁，共 79 頁 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(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，因而備受世界各國的高度重視。電子科大劉良濤、祝大軍、劉盛剛等曾介紹了幾種等離子天線的工作原理，論述了表面波激勵等離子體的阻抗、效率、噪聲情況；楊蘭蘭等研究了表面波沿等離子體柱軸向傳播的色散關(guān)系，說明當(dāng)電磁波頻率遠(yuǎn)小于等離子頻率時，性能類似已有實驗證明該天線可以用做高頻或射頻微波通信；中科院空間科學(xué)與應(yīng)用的趙高偉等人用各種數(shù)值方法對天線的阻抗、輻射方向圖等進(jìn)行了研究；西南核工業(yè)物理研究院金亞凡及成都理工大學(xué)王世慶等人對高頻機(jī)理和射頻激勵的等離子體進(jìn)行了初步的實驗研究，其中王老師 對射頻激勵源的研制進(jìn)行了初步探討和實踐，但對于如何進(jìn)行智能控制激勵源輸出參數(shù)動態(tài)調(diào)整和控制天線這方面還沒有完備的研究出現(xiàn)。 等用 FDTD 方法計算了柱形等離子體天線的電磁場分布與遠(yuǎn)場輻射方向圖。在研究內(nèi)容上， 在等離子體 方面研究主要集中于螺旋波激勵與射頻能量耦合、等離子體參數(shù)的測量、控制系統(tǒng)等； 則做了等離子體天線效率、信號幅度噪聲幅度測量等實驗； 研究射頻能量與等離子中波的耦合、天線理論，進(jìn)行了天線參數(shù)測量等。澳大利亞堪培拉電子工程與應(yīng)用物理大學(xué)在 2020 年建立了等離子體裝置試驗室，研究射頻激勵方式的等離子體柱形天線，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率儀等儀器設(shè)備進(jìn)行試驗測試，取得了預(yù)期效果。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 ............................................................................................................. 4 設(shè)計任務(wù)與要求 .............................................................................................. 4 基本要求 ............................................................................................... 4 發(fā)揮部分 ............................................................................................ 4 系統(tǒng)方案論證與比較 ..................................................................................... 4 正弦波產(chǎn)生方案論證與比較 ............................................................ 4 控制器的選擇方案論證與比較 .......................................................... 6 電源方案論證與選擇 .......................................................................... 7 射頻功放方案的設(shè)計與選擇 .............................................................. 8 系統(tǒng)總體設(shè)計 ................................................................................................. 8 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ...........................................................................................