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1、南华大学电气工程学院毕业设计（论文）摘摘 要：要：为实现频率功率都可以调节的高频通信等离子体天线激励源，本系统采取模块化设计。采用计算机软件 WinNWT4控制的 AD9858 产生射频信号，按键通过 atmega128 单片机控制 DA 从而控制压控放大器实现功率可调，以高频三极管 2SC3356 和 AH101 构成 0.4W 功放驱动级电路驱动由 RD15HVF1 构成的最大功率 20W 的末级功放。一个衰减器和一个由肖特基二极管构成的检波器构成功率检测模块，单片机通过 AD 采集到检波器的输出的峰值算出功率，并控制液晶实时显示频率和功率。经测试本激励源可以通过操作计算机产生400-50
2、0MHz 精细可调的射频信号并通过按键控制 5-20W 的输出功率，实现了程控射频功放、射频频率控制和功率检测等技术难点。 关键词关键词：激励源、压控振荡器、单片机、射频功放、功率检测南华大学电气工程学院毕业设计（论文）iAbstract： To realize the high frequency communications plasma antenna drive source which frequency and power can both be adjusted,block design has been used in this system. RF signal is pro
3、duced by the AD9858 is controled By computer.With buttons,the atmega128 single-chip controlis the DA so as to control voltage controlled amplifiers,then power adjustable can be realized.With the 0.4 W amplifier driver stage circuit consists of high frequency transistor 2SC3356 and AH101,we can drive
4、 the final stage power amplifier which consist of RD15HVF1 and has 20W maximum power. The power detection module is made up of a decay and a detectors composed of the schottky diodes.Microcontroller calculates the power with the peak value output by the detector and collected by the AD, at the same
5、time ,it also controls the liquid crystal to display frequency and power reality. According to the test, this driving source can produce the 400-500MHz fine and adjustable rf signal by operating computer and can control 5-20W output power with the buttons, it realizes some technical difficulties lik
6、e the SPC rf power amplification, rf frequency controlling and power detecting and so on.Keywords: vco， SCM， rf power amplifier， power detection南华大学电气工程学院毕业设计（论文）ii目目 录录1、序言11.1等离子体天线激励源相关背景11.1.1 国外研究果及研究发展趋势11.1.2 国内研究成果及研究发展趋势11.2 等离子体天线激励源研究的目的与意义.22 系统方案设计.42.1 设计任务与要求42.1.1 基本要求.42.1.2发挥部分42.2
7、 系统方案论证与比较.42.2.1正弦波产生方案论证与比较42.2.2 控制器的选择方案论证与比较62.2.3 电源方案论证与选择72.2.4 射频功放方案的设计与选择82.3 系统总体设计.82、系统硬件设计102.1 正弦波的产生.102.1.1 DDS 的原理102.1.2 AD9858 的简介122.1.3 信号质量132.2 压控放大器.142.2.1 ADL5330 简介142.2.2 压控放大器电路设计.152.3 功放电路的设计162.3.1 驱动级电路162.4 末级功放电路设计202.4.1 RD15HVF1 简介202.4.2 RD15HVF1 功放电路设计21南华大学电
8、气工程学院毕业设计（论文）iii2.5 ATmega128 单片机硬件电路设计232.5.1ATmega128 芯片介绍.232.5.2 ATmega128 内部结构.252.5.3ATmega128 系统电路设计.272.6 显示部分硬件电路设计282.6.112864 液晶硬件电路设计.282.7 A/D 和 D/A 硬件电路设计.302.7.1 TLC2543 串行 A/D 转换模块 .302.7.2 12 位串行 D/A 转换器 TLV5638 应用实例.312.7.3 单片机与 TLV5638 接口电路设计.343 系统软件设计353.1 单片机程序设计.353.2 WinNWT4设
9、置与操作.363.2.1 安装与基本设置.363.2.2 参数设置.384.系统调试、测试和总结.394.1 硬件调试.394.2 软件调试.394.3 软件硬件联调.404.4 系统测试.404.4.1 测试仪器.404.4.2 指标测试.405 总结42谢辞43参考文献44附录一 系统元件清单45附录二程序清单46南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 0 页，共 70 页序言序言国外在等离子体天线研究上较多的是美国、澳大利亚。最先提出等离子体天线概念是用于海军通信领域，美国海军实验室从九十年代中开始等离子体天线的研究，取得了很好的结果。澳大利亚堪培拉电子工程与应用物理大学在2000 年建
10、立了等离子体装置试验室，研究射频激励方式的等离子体柱形天线，利用网络分析仪、频率仪等仪器设备进行试验测试，取得了预期效果。澳大利亚国立大学等离子体研究实验室，对等离子体天线基本物理概念与参数做了基本研究，并申请了大量专利。在研究内容上，A.D.Cheetham 在等离子体方面研究主要集中于螺旋波激励与射频能量耦合、等离子体参数的测量、控制系统等；G.G.Borg 则做了等离子体天线效率、信号幅度噪声幅度测量等实验；J.P.Rayner研究射频能量与等离子中波的耦合、天线理论，进行了天线参数测量等。Anderson 等人对电磁波沿等离子体表面传播进行分析，等离子体天线可以接受、发射比等离子体频率
11、更低的信号，当无激励源时，其电性能消失，在实验中发现等离子体本身的噪声并不是一个大问题。Y.Lee 等用 FDTD 方法计算了柱形等离子体天线的电磁场分布与远场辐射方向图。国内，电子对抗期刊在 1996 年专门介绍了美国海军实验室实验等离子天线的研究进展。电子科大刘良涛、祝大军、刘盛刚等曾介绍了几种等离子天线的工作原理，论述了表面波激励等离子体的阻抗、效率、噪声情况；杨兰兰等研究了表面波沿等离子体柱轴向传播的色散关系，说明当电磁波频率远小于等离子频率时，性能类似已有实验证明该天线可以用做高频或射频微波通信；中科院空间科学与应用的赵高伟等人用各种数值方法对天线的阻抗、辐射方向图等进行了研究；西南
12、核工业物理研究院金亚凡及成都理工大学王世庆等人对高频机理和射频激励的等离子体进行了初步的实验研究，其中王老师对射频激励源的研制进行了初步探讨和实践，但对于如何进行智能控制激励源输出参数动态调整和控制天线这方面还没有完备的研究出现。等离子体天线是指利用等离子体单元代替金属导体作为天线导电媒介的无线电天线。与传统的金属天线相比，等离子天线具有重量轻、天线参数可控、南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 1 页，共 70 页不工作时隐性及启动时间较短诸多优势使它在军事和商业通信领域有广阔的应用前景，因而备受世界各国的高度重视。等离子体天线一般通过在绝缘管内填充一定气压的惰性气体构成。此时，等离子体可
13、以利用激光照射、直流放电以及微波或射频激励耦合等方法使管内气体形成。气体的种类、压强以及激励信号的功率和频率等与等离子体频率 w 有关。等离子体的碰撞频率与形成等离子气体的种类、压强和电子能量 T 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
14、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：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。适应于多种信号。等离子天线可具有动态重构的特性
15、，如带宽、频率、增益和指向性。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。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南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 2 页，共 70 页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
16、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 3 页，共 70 页1 系统方案设计系统方案设计1.1 设计任务与要求设计任务与要求设计制作一个等离子体天线激励源。1.1.1 基本要求基本要求（1）正弦波输出频率范围：400MHz500MHz；（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 10-2；（4）输出功率：在负载电阻上的功率达到 520W ；50（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。1.1.2发挥部分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 5W20W 内调节。1.2 系统方案论证与比较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
