表面波等離子體激勵源設計

摘要：本文設計了頻率及輸出功率可調的表面波等離子體激勵源， ADF4360-7產生850MHz~950MHz頻率的振蕩信號， ADL5330、兩級功率放大器、AD8318和C8051F020控制輸出功率。實現了表面波等離子體的激發。

關鍵詞：表面波；等離子體；激勵源

引言

利用微波在介質表面激發出截止密度以上的等離子體，然后微波在介質與等離子體間形成表面波的傳輸，具有一定電場強度的表面波在其傳輸的范圍內可生成和維持高密度的等離子體，因此稱為表面波等離子體。將微波導入一介質管，在介質管壁上激發出表面波傳輸，即可在管內生成表面波等離子體。

本文使用同軸激發器進行等離子體激發，其結構如圖1所示。射頻能量通過電容耦合的方式引入激發器，通過內套和腔體之間的電場激發出截止密度以上的等離子體，微波會在介質與等離子體之間形成表面波。

圖1 等離子體同軸激發起

為研究等離子體激發過程的優化及控制，本文設計了一個頻率和輸出功率可調的等離子體激勵源。
    
等離子體激勵源系統整體結構

等離子體激勵源主要由5部分組成：信號源、功率放大單元、匹配電路、功率檢測電路和系統控制單元。系統整體框圖如圖2所示。

圖2 等離子體激勵源系統整體框圖

信號源

信號源采用ADI公司的PLL-VCO ADF4360-7，其內部集成了整數N合成器和壓控振蕩器(VCO)。通過改變VCO外置電感決定輸出中心頻率，在本系統中，VCO電感選在3.3nH，這允許頻率輸出范圍在850MHz~950MHz內調整。另外，還集成了一個輸出頻率二分頻器，這樣可以將輸出頻率在425MHz~475MHz之間調整。工作在3.0V~3.6V之間，在不使用的時候可通過軟件關斷。

ADF4360-7共有3個寄存器，分別是F寄存器、R寄存器和N寄存器。配置的順序是上電-> R寄存器-> F寄存器-> N寄存器。前后順序不能顛倒，否則，ADF4360-7不能鎖定。在F寄存器和N寄存器之間有最少10ms的間隔。ADF4360-7使用一個簡單的3線SPI控制，可以通過C8051F020的SPI接口實現。實驗中發現，SPI的時鐘頻率不能太高(>15kHz)，否則配置過程會失敗。通過設置C8051F020中的SPI0CKR寄存器，降低SPI接口時鐘頻率，可以避免這種情況。在不改變鑒相頻率、控制方式的情況下，只需改變N寄存器內相應數據即可改變輸出頻率。

經測量，ADF4360-7直接輸出信號的功率只有-6dBm，為提高信號輸出功率，采用M/A COMM的1:1傳輸線變壓器ETC1-1-13，實現差分轉單端的處理，可以使信號輸出功率提高到3dBm，滿足對后級功率放大器的推動要求，提高系統功率可調節范圍。

放大電路

放大電路由3部分組成，VGA ADL5330、功放模塊M67760HC和BLV950實現的高功率放大板。

ADL5330提供1MHz~3GHz寬頻帶，集成了寬帶放大器和衰減器單片VGA。與功率檢測器相配合，可以實現一條完整的、功率可控的信號發送通道。

通過實驗測得ADL5330的功率增益與VGAIN引腳的控制電壓基本成線性關系。

M67760HC是多級集成式的功放模塊，4mW的功率輸入可輸出20W的功率。以M67760HC的輸出功率推動BLV950放大板，可實現最大150W的功率。

通過改變ADL5330 VGAIN的輸入電壓，可以方便地控制放大電路的輸出功率，實現最大60dB的動態調整范圍。

匹配電路

同軸激發器的結構決定其阻抗成容性。使用π型匹配電路(1電感2電容)實現功率放大電路和同軸激發器的匹配。固定電感線圈不變，根據檢測到的反射系數，通過調整匹配網絡的可調電容，直至反射系數達到要求(<0.1)。

功率檢測電路

檢測電路由方向度為20dB的雙定向耦合器、兩個30dB衰減器和兩個射頻對數檢測器AD8318組成。系統功率放大器輸出功率經雙定向耦合器，輸出正向和反向的耦合功率，通過衰減器把功率衰減到AD8318的安全測量范圍。

AD8318是基于半導體的單片對數檢測器,它把精確度和很寬的動態范圍結合起來,實現55dB的動態檢測范圍。有功率檢測和功率自動控制兩種模式，本系統工作在功率檢測模式。

AD8318的輸出檢測電壓與輸入的功率成反比關系,在線性工作范圍內，對數放大器的輸出可用公式(1)近似求出。
    
(1)
其中，SLOPE是輸出電壓相對于輸入功率的變化量，單位為mV/dB；INTERCEPT是外推的線性傳遞函數與X軸的交點，單位為dBm或dBV。

用兩個不同功率的信號(一個在輸入范圍的頂端，另一個在底端)和測量相應的檢測器輸出電壓來完成對數放大器的校準。斜率和截距可用公式(2)、(3)計算：
(2)
     (3)
一旦計算出斜率和截距，就可由檢測器的輸出電壓通過公式(4)計算出AD8318的輸入功率：
PIN(未知數)=VOUT(測量值)/SLOPE+INTERCEPT                   (4)
結合AD8318的輸入功率和雙定向耦合器的耦合度、衰減器的衰減度，可以用公式(5)計算出系統功率放大器的正向傳輸功率和反射功率：
P=PIN+20(耦合器方向度)+30(衰減器衰減度)                                     (5)
利用A D8318輸出檢測電壓的監測可以計算出同軸激發器的饋入功率的大小，放大電路和同軸激發器之間的反射系數、駐波系數：，。

系統控制電路

系統控制由C8051F020負責，實現以下功能：
1. 通過SPI接口對ADF4360-7設置，并利用MUXOUT對其工作狀態進行檢測；
2. 通過ADC接口檢測兩個AD8318輸出的電壓，計算對應的功率、反射系數和駐波系數。
3.通過DAC接口設置ADL5330的工作增益，調整系統整體輸出功率。在DAC 2.45V基準電壓、12位工作模式下，DAC最小輸出分辨率為0.6mV。
4. 提供鍵盤(8279控制器)、LCD(G121C-SED1335控制器)、固態的數據存儲單元NAND閃存
(K9F2808)、USB2.0通信接口(ISP1581)等人機接口功能。通過K9F2808存儲系統檢測結果，并可以將所存儲的數據通過USB2.0接口傳輸到PC上，進行實驗數據的進一步分析。
    
系統軟件流程

在系統上電后，先對C8051F020的數字交叉開關和SED1335液晶控制器進行初始化，在LCD 上顯示系統輪廓，包括信號源頻率、正向傳輸功率、反射功率、反射系數以及駐波比。

確定設置ADF4360-7的輸出頻率和ADL5330的放大增益。利用定向耦合器、衰減器、AD8318和C8051F020構成的閉環對匹配網絡進行調整。在系統運行過程中，可通過鍵盤改變系統頻率和輸出功率，并通過ISP 1581 USB2.0接口將存儲在K9F2808中的檢測數據傳輸到PC中。系統整體流程如圖3所示。

圖3 激勵源系統軟件整體流程圖

實驗結果

使用本激勵系統可順利地激發出表面波等離子體。本文初步研究了被激發等離子體柱長度與激發器饋入功率的關系，驗證了在同一頻點激發長度與饋入功率的平方根成正比這一結論。

結語

系統中所用各功能模塊程序都已調試出來，并能順利運行。在沒有操作系統的情況下，系統的各功能模塊任務的調度比較困難。為解決這一問題，實現靈活高效的任務調度，需使用實時的嵌入式操作系統，如uC/OS-II，下一步的系統改善工作將集中在這方面進行?！?BR>    
參考文獻
1. John Phillip Rayner, Adrian Philip Whichello and Andrew Desmond Cheetham, “Physical Characteristics of Plasma Antennas”， IEEE Trans. Plasma Sci., VOL. 32, NO. 1, FEBRUARY 2004
2. G. J. M. Hagelaar and S. Villeger ,“Simulation of Geometrical Effects on Surface Wave Discharges”, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 33, NO. 2, APRIL 2005