表面波等离子体激励源设计

摘要：本文设计了频率及输出功率可调的表面波等离子体激励源， ADF4360-7产生850MHz~950MHz频率的振荡信号， ADL5330、两级功率放大器、AD8318和C8051F020控制输出功率。实现了表面波等离子体的激发。

关键词：表面波；等离子体；激励源

引言

利用微波在介质表面激发出截止密度以上的等离子体，然后微波在介质与等离子体间形成表面波的传输，具有一定电场强度的表面波在其传输的范围内可生成和维持高密度的等离子体，因此称为表面波等离子体。将微波导入一介质管，在介质管壁上激发出表面波传输，即可在管内生成表面波等离子体。

本文使用同轴激发器进行等离子体激发，其结构如图1所示。射频能量通过电容耦合的方式引入激发器，通过内套和腔体之间的电场激发出截止密度以上的等离子体，微波会在介质与等离子体之间形成表面波。

图1 等离子体同轴激发起

为研究等离子体激发过程的优化及控制，本文设计了一个频率和输出功率可调的等离子体激励源。
    
等离子体激励源系统整体结构

等离子体激励源主要由5部分组成：信号源、功率放大单元、匹配电路、功率检测电路和系统控制单元。系统整体框图如图2所示。

图2 等离子体激励源系统整体框图

信号源

信号源采用ADI公司的PLL-VCO ADF4360-7，其内部集成了整数N合成器和压控振荡器(VCO)。通过改变VCO外置电感决定输出中心频率，在本系统中，VCO电感选在3.3nH，这允许频率输出范围在850MHz~950MHz内调整。另外，还集成了一个输出频率二分频器，这样可以将输出频率在425MHz~475MHz之间调整。工作在3.0V~3.6V之间，在不使用的时候可通过软件关断。

ADF4360-7共有3个寄存器，分别是F寄存器、R寄存器和N寄存器。配置的顺序是上电-> R寄存器-> F寄存器-> N寄存器。前后顺序不能颠倒，否则，ADF4360-7不能锁定。在F寄存器和N寄存器之间有最少10ms的间隔。ADF4360-7使用一个简单的3线SPI控制，可以通过C8051F020的SPI接口实现。实验中发现，SPI的时钟频率不能太高(>15kHz)，否则配置过程会失败。通过设置C8051F020中的SPI0CKR寄存器，降低SPI接口时钟频率，可以避免这种情况。在不改变鉴相频率、控制方式的情况下，只需改变N寄存器内相应数据即可改变输出频率。

经测量，ADF4360-7直接输出信号的功率只有-6dBm，为提高信号输出功率，采用M/A COMM的1:1传输线变压器ETC1-1-13，实现差分转单端的处理，可以使信号输出功率提高到3dBm，满足对后级功率放大器的推动要求，提高系统功率可调节范围。

放大电路

放大电路由3部分组成，VGA ADL5330、功放模块M67760HC和BLV950实现的高功率放大板。

ADL5330提供1MHz~3GHz宽频带，集成了宽带放大器和衰减器单片VGA。与功率检测器相配合，可以实现一条完整的、功率可控的信号发送通道。

通过实验测得ADL5330的功率增益与VGAIN引脚的控制电压基本成线性关系。

M67760HC是多级集成式的功放模块，4mW的功率输入可输出20W的功率。以M67760HC的输出功率推动BLV950放大板，可实现最大150W的功率。

通过改变ADL5330 VGAIN的输入电压，可以方便地控制放大电路的输出功率，实现最大60dB的动态调整范围。

匹配电路

同轴激发器的结构决定其阻抗成容性。使用π型匹配电路(1电感2电容)实现功率放大电路和同轴激发器的匹配。固定电感线圈不变，根据检测到的反射系数，通过调整匹配网络的可调电容，直至反射系数达到要求(<0.1)。

功率检测电路

检测电路由方向度为20dB的双定向耦合器、两个30dB衰减器和两个射频对数检测器AD8318组成。系统功率放大器输出功率经双定向耦合器，输出正向和反向的耦合功率，通过衰减器把功率衰减到AD8318的安全测量范围。

AD8318是基于半导体的单片对数检测器,它把精确度和很宽的动态范围结合起来,实现55dB的动态检测范围。有功率检测和功率自动控制两种模式，本系统工作在功率检测模式。

AD8318的输出检测电压与输入的功率成反比关系,在线性工作范围内，对数放大器的输出可用公式(1)近似求出。
    
(1)
其中，SLOPE是输出电压相对于输入功率的变化量，单位为mV/dB；INTERCEPT是外推的线性传递函数与X轴的交点，单位为dBm或dBV。

用两个不同功率的信号(一个在输入范围的顶端，另一个在底端)和测量相应的检测器输出电压来完成对数放大器的校准。斜率和截距可用公式(2)、(3)计算：
(2)
     (3)
一旦计算出斜率和截距，就可由检测器的输出电压通过公式(4)计算出AD8318的输入功率：
PIN(未知数)=VOUT(测量值)/SLOPE+INTERCEPT                   (4)
结合AD8318的输入功率和双定向耦合器的耦合度、衰减器的衰减度，可以用公式(5)计算出系统功率放大器的正向传输功率和反射功率：
P=PIN+20(耦合器方向度)+30(衰减器衰减度)                                     (5)
利用A D8318输出检测电压的监测可以计算出同轴激发器的馈入功率的大小，放大电路和同轴激发器之间的反射系数、驻波系数：，。

系统控制电路

系统控制由C8051F020负责，实现以下功能：
1. 通过SPI接口对ADF4360-7设置，并利用MUXOUT对其工作状态进行检测；
2. 通过ADC接口检测两个AD8318输出的电压，计算对应的功率、反射系数和驻波系数。
3.通过DAC接口设置ADL5330的工作增益，调整系统整体输出功率。在DAC 2.45V基准电压、12位工作模式下，DAC最小输出分辨率为0.6mV。
4. 提供键盘(8279控制器)、LCD(G121C-SED1335控制器)、固态的数据存储单元NAND闪存
(K9F2808)、USB2.0通信接口(ISP1581)等人机接口功能。通过K9F2808存储系统检测结果，并可以将所存储的数据通过USB2.0接口传输到PC上，进行实验数据的进一步分析。
    
系统软件流程

在系统上电后，先对C8051F020的数字交叉开关和SED1335液晶控制器进行初始化，在LCD 上显示系统轮廓，包括信号源频率、正向传输功率、反射功率、反射系数以及驻波比。

确定设置ADF4360-7的输出频率和ADL5330的放大增益。利用定向耦合器、衰减器、AD8318和C8051F020构成的闭环对匹配网络进行调整。在系统运行过程中，可通过键盘改变系统频率和输出功率，并通过ISP 1581 USB2.0接口将存储在K9F2808中的检测数据传输到PC中。系统整体流程如图3所示。

图3 激励源系统软件整体流程图

实验结果

使用本激励系统可顺利地激发出表面波等离子体。本文初步研究了被激发等离子体柱长度与激发器馈入功率的关系，验证了在同一频点激发长度与馈入功率的平方根成正比这一结论。

结语

系统中所用各功能模块程序都已调试出来，并能顺利运行。在没有操作系统的情况下，系统的各功能模块任务的调度比较困难。为解决这一问题，实现灵活高效的任务调度，需使用实时的嵌入式操作系统，如uC/OS-II，下一步的系统改善工作将集中在这方面进行。■
    
参考文献
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