等离子体天线激励源的设计毕业设计(编辑修改稿)

等离子体天线激励源的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

等因素有关，当电子能量较小时，在相同的压力下，氩的碰撞频率较小，氩的电离能较氦、氢和氮小，因此氩是一种较理想的的工作气体。 在较高的等离子频率和较低的电子碰撞频率条件下，表面波的波数接近于自由空间电磁波的波数，等离子体对表面波的衰减也小，等离子体柱上表面波的传播特性非常类似于在金属天线阵子上的传播特性，此时的柱状等离子体源即可作为天线阵子使用，已有实验证明该天线可以用作高频或射频微波通信。 本项目就 是为这样的等离子天线设计一种射频激励的激励源，其目的主要有两个，一是设计一个频率可调的激励源，这些激励源的参数可以通过一个控制器进行智能控制从而可以动态调整等离子天线的有效长度、辐射功率、辐射方向图等参数以适应各种情况的高频通信系统。 根据设计好的等离子天线，构造天线测量系统，探讨等离子激励源的频率及功率的变化对天线长度、效率等特性的影响，是本项目的目的之二。 本项目的研究意义在于这种等离子体天线相对于传统的金属天线而言具有许多独特的优点，主要包括： ① 隐形性。 当除去电离状态后，等离子天线将不会产生后向散射雷 达波，也不会吸收可降低电子对抗效能的高功率微波辐射。 ② 适应于多种信号。 等离子天线可具有动态重构的特性，如带宽、频率、增益和指向性。 ③ 便于远程部署。 等离子体天线可以比常规天线设计更轻、体积更小。 ④ 效率更高。 等离子体天线很好的降低冲击激励效应，从而提高了短脉冲雷达的性能。 这些独特的优点将使等离子天线技术具有广阔的应用前景，如用于海军水面舰与潜艇雷达天线、隐形飞机雷达天线和弹道导弹防御雷达天线等。 本项目对等离子体天线激励源的研制的意义还在于：对该激励源的输出频率和功率等参数智能控制而动态调整天线阻抗、带宽、 方向图及辐射功率等参数，相比普通南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 3 页，共 79 页 相控天线阵，等离子天线阵列不用活动部件就能高速的进行辐射方向图扫描。 另外等离子天线是对惰性气体的离化会发出各色绚丽的色彩，可以代替目前移动通信基站天线，起到天线美化效果。 因此对射频激励等离子体天线的激励源进行研制，特别是对该激励源的控制部分，还可以包括对天线参数的动态调整、自动测量进行控制显得非常重要和有意义。 南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 4 页，共 79 页 1 系统方案设计 设计任务与要求 设计制作一个 等离子体天线激励源。 基本要求 （ 1）正弦波输出频率范围： 400MHz～ 500MHz； （ 2）具有频率设置功能，频率步进： 100kHz； （ 3）输出信号频率稳定度：优于 102； （ 4）输出功率：在 50 负载电阻上的功率达到 5～ 20W ； （ 5）失真度：用示波器观察时无明显失真。 发挥部分 在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能： （ 1）能够检测功率并显示功率值； （ 2）功率可可在 5W～ 20W 内调节。 系统方案论证与比较 本题目的要求是设计一个正弦射频信号发生器，并且能够大功率输出同时实现频率和功率可控。 综合 各方面考虑，可以把这个系统分为几个子模块：信号源部分、控制处理部分、可控增益放大器、输大功率射频功放和功率检测部分。 本系统采用模块化制作，对各模块分析如下： 正弦波产生方案论证与比较 信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。 方案一：利用 RC、 LC 网络产生振荡信号。 利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 5 页，共 79 页 参数，来改变正弦振荡的频率。 这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。 但是如果要实现题目中要求的 1KHz 至 10MHz 那么宽的 频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。 因此该方案在设计之中不予考虑。 方案二：利用压控振荡器 VCO 产生振荡信号。 压控振荡器 （ 又称为 VCO 或 V/F 转换电路 ） 产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。 利用高频三极管可以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。 并且，可以用 DA 实现对电压的程控，成本低廉。 由于 VCO 的频率稳定度和频率精度太 低， 无法满足 本题目中对稳定度和频率精度 的 要求 ，故放弃这种方案。 方案三：利用锁相环进 （ PLL） 行间接频率合成。 这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将 VCO 输出的频率锁定在所需的频率上。 PLL 使输出频率的稳定度和精度 ， 接近参考振荡源 （ 通常用晶振 ） ，如图 所示。 如果只用一个锁相环，频率 范围 覆盖不了 400MHz500MHz 的变化范围。 因此可以考虑用多个 PLL 进行分段锁定。 缺点是硬件复杂，增加了调试难度。 因此也不采用这种方案。 方案四：直接数字合成法 （ DDS）。 DDS 或 DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称，通 常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理 ， 从 “ 相位 ”的概念出发进行频率合成。 这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波 ， 而且可以控制波形的初始相位，还可以用 DDS 方法产生任意波形 （ AWG）。 利用专用的 DDS9858 芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高。 而且，电路相对简单易行。 同时 使用WinNWT4 软件来 控制 参数简单方便 ， 可产生高精度 500MHz 以内的射频信号 ，压控振荡器 VCO 图 锁相环框图 低通滤波器 LPF 鉴 相 PD 参考振荡器 f0 南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 6 页，共 79 页 能够满足本题中的信号稳定度和精度的要求 ，故 选用此方案。 综上所述，我们采用了方案 四 作为信号源。 控制器的选择方案论证与比较 方案一：采取 FPGA 或者 CPLD 控制。 近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。 采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。 用它们作为系统的 “ 神经中枢 ” ，可以采用 VHDL 或者 Verilog语言来描述。 但是一般来说，复杂可编程逻辑器件 CPLD（ Complex Programmable Logic Device） 集成的门数目不会很多。 现场可编程门阵列 FPGA（ Field Programmable Gate Array） 是新一代的可编程器件，但是 需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在 RAM 中的程序会丢失。 这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。 方案二：采取 MCS51 单片机作为控制中心。 MCS51 系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。 可以用汇编或者 C 语言进行开发。 并且这种单片机的接口电路丰富。 缺点是运行速度不够快， 12 个时钟周期一条指令，如果用 12MHz 的晶振，执行一条指令最快也要 1us。 因此不适合高速的控制。 方案三：采取 ADuC841 芯片作为主控 ADuC841 是美国模拟器件公司 （ ADI） 生产的内嵌 MCU的高性能、多通道12 位数据采集系统芯片，它具有体积小、功耗低等诸多特点。 它具有与 8051 兼容的内核， 12 个中断源、 2 个优先级、双数据指针、扩展的 11 位堆栈指针。 每条指令一个时钟周期，最大的工作时钟为 25MHz（ 5V时）及 16MHz（ 3V时）。 用该芯片来控制 DDS，可以完美地实现系统的指标性能要求。 方案四：采用 AVR 单片机 ATmega128 作为主控制器。 8 位的 ATmega128 共 64 只管脚， 53 个可承受 5V 电压的 I/O 口， 128K 字节的系统内可编程 Flash（ 具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW） 、 4K 字节的 EEPROM、 4K 字节的 SRAM、 32 个通用工作寄存器、实时时钟 RTC、 4 个南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 7 页，共 79 页 灵活的具有比较模式和 PWM 功能的定时器 / 计数器 （ T/C） 、两个 USART、面向字节的两线接口 TWI、 8 通道 10 位 ADC（ 具有可选的可编程增益 ） 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、 SPI 串行端口、以及六种可以通过软件选择的省电模式，理想的低功耗工作模式更能起到节电的作用。 因此 ATmega128 控制芯片能很好的满足系统设计需求。 同时考虑到，输入输出的 接口需要较多的 I/O 口，而且这部分对单片机的速度要求 较 高。 在本系统中主控 需要完成键盘扫描、液晶显示、两块 D/A 和一块A/D 的工作，任务比较多。 此外考虑到设计成本， 应 选择一款 性价比较高的主控。 所以在此系统中，采用了 AVR 单片机 ATmega128 作为控制核心，选用 第四种 方案。 电源方案论证与选择 方案一：采用线性可调电源 LM317 LM317 是可调节 3 端正电压稳压器，在输出电压范围 伏到 37 伏时能够提供超过 的电流，此稳压器非常易于使用。 LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使 用方便、应用广泛的集成稳压块。 但 LM317 所能提供的功率较小且发热大，即产生的功耗大。 因此达不到本题驱动大功率功放的要求，故不采用此方案。 方案二：采用开关电源 开关电源是利用现代 电力电子技术 ，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由 脉冲宽度调制 （ PWM）控制 IC 和MOSFET 构成。 与线性电源相比， PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过 “斩波 ”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的 脉冲电压 来实现的。 脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。 一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。 通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。 最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 开关电源可以提供更高的功率，注意满足本题的要求，且功耗更低。 综合考虑功率和功耗两个因素，为了能够提供更大的功率，同时产生更少的热量，本题采用方案二。 南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 8 页，共 79 页 射频功放方案的设计与选择 方案一：采用三极管功放管 C1970 C1970 是常用的射频发射管，增益大于 ，带宽 175MHz，最大功率 5W，最大电源电压 40V，常用电源电压。 常用于小功率发射机的发射管，效率大于 50%。 可见其功率和频带远远不能满足本题的要求。 方案二：采用硅 MOSFET 功率晶体管 RD15HVF1 RD15HVF1 是射频 MOSFET 功率晶体管，当 Vdd=， f=175MHz 时 Pout15W， Gp14dB。 当 Vdd=， f=520MHz 时 Pout15W， Gp7dB，最大功率可达 40W，效率大于 50%。 常用于大功率发射机、射频功放等。 综合考虑本题频带和功率的要求， C1970的带宽 175MHz，最大功率只有 5W，可见满足不了本题 500MHz 的 15W 以上放大的要求。 显然 选用 RD15HVF1 作为射频功放管 ，比较容易满足要求，故采用方案二。 系统总体设计 综合上述方案，经过认真比较分析，本设计采用单片机 ATmega128 作为主控制核心， 压控振荡器 作为 射频 信号源，采用 ADL5330 压控放大器来调节功率 ，采用高频三极管 2SC3356 和高频管 AH101 构成 驱动电路驱动由射频MOSFET 功率晶体管 RD15HVF1 为核心的 功放 电路 主要功放模块。 通过按键将频率和功率值输入到单片机，单片机再通过 TLV5638 D/A 模块 分别 控制 压控振荡器产生信号的频率和 VGA 压控放大器 ADL5330 的放大倍数。 末级由衰减器、功率检测模块和 TLC2543A/D 模块检测功率并将功率值提供给单片机。 单片机控制显示模块 12864 实时显示频率和功率。 系统结构图如下： D D SP C 机 功 放 驱 动V G A 输 出功 放M C UD / A功 率 检 测A / D液 晶 显 示 模 块 图 系统总体结构图 南华大学电气工程学院 毕业设计（论文） 第 9 页，共 79 页 系统硬件设计 正弦波的产生 DDS 的原理 DDS 是 数字可编程的高频合成器 ，其基本结构框图如图 所示， 频 率控 制 字低 通滤 波相 位控 制 字时 钟 源D A CR A M加 法 器相 位寄 存 器累 加 器 图 基本结构框图 DDS 的工作过程为 : (1)将存于数表中的数字波形 ， 经数模转换器 D/A， 形成模拟量波形 . (2)两种方法可以改变输出信号的频率 : ①。