表面波等離子體激勵(lì)源設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了頻率及輸出功率可調(diào)的表面波等離子體激勵(lì)源， ADF4360-7產(chǎn)生850MHz~950MHz頻率的振蕩信號(hào)， ADL5330、兩級(jí)功率放大器、AD8318和C8051F020控制輸出功率。實(shí)現(xiàn)了表面波等離子體的激發(fā)。

關(guān)鍵詞：表面波；等離子體；激勵(lì)源

引言

利用微波在介質(zhì)表面激發(fā)出截止密度以上的等離子體，然后微波在介質(zhì)與等離子體間形成表面波的傳輸，具有一定電場(chǎng)強(qiáng)度的表面波在其傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)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(dǎo)入一介質(zhì)管，在介質(zhì)管壁上激發(fā)出表面波傳輸，即可在管內(nèi)生成表面波等離子體。

本文使用同軸激發(fā)器進(jìn)行等離子體激發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻能量通過(guò)電容耦合的方式引入激發(fā)器，通過(guò)內(nèi)套和腔體之間的電場(chǎng)激發(fā)出截止密度以上的等離子體，微波會(huì)在介質(zhì)與等離子體之間形成表面波。

圖1 等離子體同軸激發(fā)起

為研究等離子體激發(fā)過(guò)程的優(yōu)化及控制，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率和輸出功率可調(diào)的等離子體激勵(lì)源。
    
等離子體激勵(lì)源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

等離子體激勵(lì)源主要由5部分組成：信號(hào)源、功率放大單元、匹配電路、功率檢測(cè)電路和系統(tǒng)控制單元。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 等離子體激勵(lì)源系統(tǒng)整體框圖

信號(hào)源

信號(hào)源采用ADI公司的PLL-VCO ADF4360-7，其內(nèi)部集成了整數(shù)N合成器和壓控振蕩器(VCO)。通過(guò)改變VCO外置電感決定輸出中心頻率，在本系統(tǒng)中，VCO電感選在3.3nH，這允許頻率輸出范圍在850MHz~950MHz內(nèi)調(diào)整。另外，還集成了一個(gè)輸出頻率二分頻器，這樣可以將輸出頻率在425MHz~475MHz之間調(diào)整。工作在3.0V~3.6V之間，在不使用的時(shí)候可通過(guò)軟件關(guān)斷。

ADF4360-7共有3個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的3線SPI控制，可以通過(guò)C8051F020的SPI接口實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，SPI的時(shí)鐘頻率不能太高(>15kHz)，否則配置過(guò)程會(huì)失敗。通過(guò)設(shè)置C8051F020中的SPI0CKR寄存器，降低SPI接口時(shí)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(nèi)相應(yīng)數(shù)據(jù)即可改變輸出頻率。

經(jīng)測(cè)量，ADF4360-7直接輸出信號(hào)的功率只有-6dBm，為提高信號(hào)輸出功率，采用M/A COMM的1:1傳輸線變壓器ETC1-1-13，實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端的處理，可以使信號(hào)輸出功率提高到3dBm，滿足對(duì)后級(jí)功率放大器的推動(dòng)要求，提高系統(tǒng)功率可調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)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(cè)器相配合，可以實(shí)現(xiàn)一條完整的、功率可控的信號(hào)發(fā)送通道。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得ADL5330的功率增益與VGAIN引腳的控制電壓基本成線性關(guān)系。

M67760HC是多級(jí)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(dòng)BLV950放大板，可實(shí)現(xiàn)最大150W的功率。

通過(guò)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(shí)現(xiàn)最大60dB的動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍。

匹配電路

同軸激發(fā)器的結(jié)構(gòu)決定其阻抗成容性。使用π型匹配電路(1電感2電容)實(shí)現(xiàn)功率放大電路和同軸激發(fā)器的匹配。固定電感線圈不變，根據(jù)檢測(cè)到的反射系數(shù)，通過(guò)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)電容，直至反射系數(shù)達(dá)到要求(<0.1)。

功率檢測(cè)電路

檢測(cè)電路由方向度為20dB的雙定向耦合器、兩個(gè)30dB衰減器和兩個(gè)射頻對(duì)數(shù)檢測(cè)器AD8318組成。系統(tǒng)功率放大器輸出功率經(jīng)雙定向耦合器，輸出正向和反向的耦合功率，通過(guò)衰減器把功率衰減到AD8318的安全測(cè)量范圍。

AD8318是基于半導(dǎo)體的單片對(duì)數(shù)檢測(cè)器,它把精確度和很寬的動(dòng)態(tài)范圍結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)55dB的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍。有功率檢測(cè)和功率自動(dòng)控制兩種模式，本系統(tǒng)工作在功率檢測(cè)模式。

AD8318的輸出檢測(cè)電壓與輸入的功率成反比關(guān)系,在線性工作范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)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(duì)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(shù)與X軸的交點(diǎn)，單位為dBm或dBV。

用兩個(gè)不同功率的信號(hào)(一個(gè)在輸入范圍的頂端，另一個(gè)在底端)和測(cè)量相應(yīng)的檢測(cè)器輸出電壓來(lái)完成對(duì)數(shù)放大器的校準(zhǔn)。斜率和截距可用公式(2)、(3)計(jì)算：
(2)
     (3)
一旦計(jì)算出斜率和截距，就可由檢測(cè)器的輸出電壓通過(guò)公式(4)計(jì)算出AD8318的輸入功率：
PIN(未知數(shù))=VOUT(測(cè)量值)/SLOPE+INTERCEPT                   (4)
結(jié)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(jì)算出系統(tǒng)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(cè)電壓的監(jiān)測(cè)可以計(jì)算出同軸激發(fā)器的饋入功率的大小，放大電路和同軸激發(fā)器之間的反射系數(shù)、駐波系數(shù)：，。

系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制由C8051F020負(fù)責(zé)，實(shí)現(xiàn)以下功能：
1. 通過(guò)SPI接口對(duì)ADF4360-7設(shè)置，并利用MUXOUT對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；
2. 通過(guò)ADC接口檢測(cè)兩個(gè)AD8318輸出的電壓，計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率、反射系數(shù)和駐波系數(shù)。
3.通過(guò)DAC接口設(shè)置ADL5330的工作增益，調(diào)整系統(tǒng)整體輸出功率。在DAC 2.45V基準(zhǔn)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(tài)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元NAND閃存
(K9F2808)、USB2.0通信接口(ISP1581)等人機(jī)接口功能。通過(guò)K9F2808存儲(chǔ)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果，并可以將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB2.0接口傳輸?shù)絇C上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。
    
系統(tǒng)軟件流程

在系統(tǒng)上電后，先對(duì)C8051F020的數(shù)字交叉開關(guān)和SED1335液晶控制器進(jìn)行初始化，在LCD 上顯示系統(tǒng)輪廓，包括信號(hào)源頻率、正向傳輸功率、反射功率、反射系數(shù)以及駐波比。

確定設(shè)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(gòu)成的閉環(huán)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)鍵盤改變系統(tǒng)頻率和輸出功率，并通過(guò)ISP 1581 USB2.0接口將存儲(chǔ)在K9F2808中的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C中。系統(tǒng)整體流程如圖3所示。

圖3 激勵(lì)源系統(tǒng)軟件整體流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用本激勵(lì)系統(tǒng)可順利地激發(fā)出表面波等離子體。本文初步研究了被激發(fā)等離子體柱長(zhǎng)度與激發(fā)器饋入功率的關(guān)系，驗(yàn)證了在同一頻點(diǎn)激發(fā)長(zhǎng)度與饋入功率的平方根成正比這一結(jié)論。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)中所用各功能模塊程序都已調(diào)試出來(lái)，并能順利運(yùn)行。在沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)的各功能模塊任務(wù)的調(diào)度比較困難。為解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)靈活高效的任務(wù)調(diào)度，需使用實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)，如uC/OS-II，下一步的系統(tǒng)改善工作將集中在這方面進(jìn)行?！?BR>    
參考文獻(xiàn)
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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