【正文】 附錄一 系統(tǒng)元件清單 45附錄二程序清單 46iv序言國外在等離子體天線研究上較多的是美國、澳大利亞。澳大利亞堪培拉電子工程與應(yīng)用物理大學(xué)在2000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)備進行試驗測試，取得了預(yù)期效果。在研究內(nèi)容上，、等離子體參數(shù)的測量、控制系統(tǒng)等；、信號幅度噪聲幅度測量等實驗；、天線理論，進行了天線參數(shù)測量等。國內(nèi)，電子對抗期刊在1996年專門介紹了美國海軍實驗室實驗等離子天線的研究進展。等離子體天線是指利用等離子體單元代替金屬導(dǎo)體作為天線導(dǎo)電媒介的無線電天線。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(gòu)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(guān)。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。根據(jù)設(shè)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。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。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。等離子體天線可以比常規(guī)天線設(shè)計更輕、體積更小。等離子體天線很好的降低沖擊激勵效應(yīng)，從而提高了短脈沖雷達的性能。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。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。（1）正弦波輸出頻率范圍：400MHz～500MHz；（2）具有頻率設(shè)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。 系統(tǒng)方案論證與比較本題目的要求是設(shè)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。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。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。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。方案二：利用壓控振蕩器VCO產(chǎn)生振蕩信號。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。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。這個方案是在方案二的基礎(chǔ)上，用鎖相環(huán)將VCO輸出的頻率鎖定在所需的頻率上。如果只用一個鎖相環(huán)，頻率范圍覆蓋不了400MHz500MHz的變化范圍。缺點是硬件復(fù)雜，增加了調(diào)試難度。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）。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）。而且，電路相對簡單易行。綜上所述，我們采用了方案四作為信號源。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(yīng)用。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?，F(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。方案二：采取MCS51單片機作為控制中心?？梢杂脜R編或者C語言進行開發(fā)。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。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。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）。方案四：采用AVR單片機ATmega128作為主控制器。因此ATmega128控制芯片能很好的滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。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(wù)比較多。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。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(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。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。與線性電源相比，PWM開關(guān)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。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。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。 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。常用于小功率發(fā)射機的發(fā)射管，效率大于50%。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。常用于大功率發(fā)射機、射頻功放等。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。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)。單片機控制顯示模塊12864實時顯示頻率和功率。②。(3)D/A輸出的階梯形波形，經(jīng)低通（帶通）濾波，成為質(zhì)量符合需要的模擬波形。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。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(qū)動DAC，輸出模擬量。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(guān)系為： （24）其中N是相位累加器的字長。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。AD9858專為提供快速跳頻和精密調(diào)諧分辨率（32位頻率調(diào)諧字）而設(shè)計。該器件內(nèi)置一個集成式電荷泵（CP）和相位頻率檢波器（PFD），適合同時要求高速DDS與鎖相環(huán)功能的頻率合成應(yīng)用。AD9858的時鐘輸入上還具有二分頻特性，使外部時鐘速率可以高達2 GHz。C至+85176。AD9858憑借優(yōu)良的性能可廣泛應(yīng)用于甚高頻／超高頻本振合成器、雷達、蜂窩基站跳頻合成器等許多領(lǐng)域。AD9858是具有32位的相位累加器，本系統(tǒng)所用的外部振蕩源是50MHz的晶振。輸出信號頻率的計算公式為： （26）從上式可以看出，頻率步進最小可以達到 （27）這個設(shè)計中用5倍頻，算得是題目所要求的步進量的3883倍。時鐘信號由晶振產(chǎn)生，它的頻穩(wěn)度優(yōu)于106。即由DDS的相位累加器的字寬和ROM函數(shù)表決定。所以說DDS可達到很高的頻率分辨率。失真與雜波的成分可分為以下幾個部分：① 采樣信號的鏡像頻率分量。所以存在著以采樣頻率為折疊頻率的一系列鏡像頻率分量。 ③ 相位累加器截斷造成的雜波。通過提高時鐘頻率或采用插值的方法增加每個周期中的點數(shù)（過采樣），可以減少這些雜波分量。這些雜波分量的幅度較小。D/A后面的低通濾波器可以濾去鏡像頻率分量和諧波分量，可以濾去帶外的高頻雜散分量，但是，無法濾去落在低通帶內(nèi)的雜散分量。 V到 V供電。同時也具有很低的固有輸出噪聲（?150 dBm /Hz 900MHz）?？勺鳛閱味溯斎雴味溯敵鲂推骷褂?，也可作為差分輸入差分輸出型使用。 ADL5330的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ADL5330頻率增益曲線圖，頻率f=500MHz，可得，l 當VGain= ，Gain=32dB；l 當VGain= ，Gain=24dB；l 當VGain= ，Gain=14dB；l 當VGain= ，Gain=4dB；l 當VGain= ，Gain=6dB；l 當VGain= ，Gain=16dB；l 當VGain= ，Gain=22dB。 ，采用5V單電源供電，P3接口用于接D/A輸出，VCO產(chǎn)生的射頻信號由射頻輸入端P2輸入，經(jīng)放大后由輸出端P6輸出接下一級放大器。電路中CCCCCCC1C1C1C15是去耦電容，減少電源中的交流成分經(jīng)電源流入放大器產(chǎn)生的影響。CCC1C16是耦合電容，交流信號經(jīng)耦合電容輸入輸出，隔離直流分量。前三級和壓控放大器一起為最后一級提供驅(qū)動，最后一級為主要功放級。因為壓控振蕩器的輸出功率非常小，所以驅(qū)動級的設(shè)計主要是考慮在保持線性的條件下獲得盡可能高的增益。一般末級功率放大器在要求高效率的情況下，很難獲得所要求的高增益。驅(qū)動級由2SC3356構(gòu)成的射級跟隨器、三極管2SC3356構(gòu)成的共射級放大器、高頻管AH101構(gòu)成的射頻放大器和壓控放大器一起組成，承擔(dān)了與前級匹配并驅(qū)動末級功放的任務(wù)。(1) 直流偏置電路的設(shè)計在器件的技術(shù)參數(shù)中，半導(dǎo)體廠家通常會給出放大器的直流工作電壓和電流。直流工作點來設(shè)計直流偏置電路。本功放采取先對直流供電并聯(lián)不同值的濾波電容用以濾除供電電壓中不同頻率的紋波，再通過射頻扼流圈把直流電壓饋入大器。(2) 2SC3356簡介2SC3356硅超高頻低噪聲功率管是一種基于N型外延層的晶體管。主要應(yīng)用于超高頻低噪聲功率管主要應(yīng)用于VHJF，UHF，CATV高頻寬帶低噪聲放大器。電性能參數(shù)（TA=25℃）：擊穿電壓:V（BR）CEO=12V，V（BR）CBO=20，V（BR）EBO= ；直流放大系數(shù)hFE:50~300 ；集電極基極截止電流ICBO:100nA（最大值）；發(fā)射極基極截止電流IEBO:100nA（最大值） ；特征頻率fT:；封裝：SOT23；功率特性：中功率 ；集電極允許電流：（A）； 集電極最大允許耗散功率：（W）。單電源供電和無條件穩(wěn)定內(nèi)部匹配裝置的結(jié)合，使同時完美適用于窄帶和寬帶。平均無故障時間大于100年。 AH101的封裝和引腳功能 AH101的電學(xué)參數(shù)，減小在1dB范圍以內(nèi)。全部采用小尺寸的貼片封裝，信號線使用直線并由覆地面包圍，電路板兩面覆地并多點接地。首先在Multisim中找到所有需要元器件并設(shè)置好參數(shù)，然后按照原理圖連接好電路，按要求放置電源和地及所需的儀器，并在輸入輸出放置探針，便于觀測參數(shù)。由波形圖可以觀測到：（1）輸出波形與輸入波形形狀完全一樣，幅值大概是輸入的6倍左右，結(jié)果與式210相符。（3）輸出波形光滑無毛刺，可見該電路的噪聲系數(shù)很小。 。在200MHz~1GHz的范圍內(nèi)電路的相移固定為180度。=，=,交流電壓表讀數(shù)V=。由表可見VDSS額定值可達30V，直流電壓的額定值高達4A，額定功率更是高達48W，從而保證了我們射頻大功率的要求。阻抗原圖是用于描述某一電路或元件高頻阻抗特性的圖表，通過觀察阻抗原圖就可以準確地分析其阻抗特性。、輸出15W、+。 RD15HVF1功放電路設(shè)計，RR1R14為Q3柵極提供直流電壓VDS，是Q3溝道打開以保證正常工作。CC5為電位器R13消抖。 所示。RR1R12構(gòu)成輸入的電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)最大功率傳輸。C2為78L09輸出濾波，減小輸出電壓紋波。小電感電容LCC3構(gòu)成LC網(wǎng)絡(luò)大大提高功放的高頻特性，C3同時充當輸出耦合電容。增加電路高頻特性。此外，對電路進行了大面積的雙面覆地并規(guī)律的加了很多過孔，減小了經(jīng)地線的串擾。輸入輸出都使用同軸線連接，極大的避免了射頻干擾。在直流等效電路中，把所有電容都看成開路，所有電感都看成短路，只保留電阻和晶體管。，輸出波形的幅值為6V。，由幅頻特性曲線可以看出電路在450MHz時增益最大，往兩邊逐漸下降使電路的帶寬為100MHz。，電壓表的讀數(shù)為V`=，I`=，從而可以計算出輸入阻抗。因此可以看出柵極電流幾乎為零，功放的功率為19,04W。 ATmega128芯片介紹ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來下載應(yīng)用程序到應(yīng)用Flash存儲器。ATmega128單片機的功能特點如下：（1）高性能、低功耗的AVR 8位微處理器（2）先進的RISC結(jié)構(gòu)① 133條指令