等离子体天线激励源的设计毕业设计

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1、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 400-500MHz精细可调的射频信号并通过按

2、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Abstract： To realize the high frequency communications plasma antenna drivesource which frequency and power can both be adjusted,block design has been used inthis system. RF signal is produced by the AD9858 is controled By comp

3、uter.Withbuttons,the atmega128 single-chipcontrolis the DA so as to control voltagecontrolled amplifiers,then power adjustable can be realized.Withthe 0.4 W amplifierdriver stage circuit consists of high frequency transistor 2SC3356 and AH101,we candrive the final stage power amplifier which consist

4、 of RD15HVF1 and has 20Wmaximum power. The power detection module is made up of a decay and a detectorscomposed ofthe schottky diodes.Microcontroller calculates the power with the peakvalue output by the detector and collected by the AD, at the same time ,it also controlsthe liquid crystal to displa

5、y frequency and power reality. According to the test, thisdriving source can produce the 400-500MHz fine and adjustable rf signal by operatingcomputer and can control 5-20W output power with the buttons, it realizes sometechnical difficulties like the SPC rf power amplification, rf frequency control

6、ling andpower detecting and so on.Keywords: vco， SCM， rf power amplifier， power detection毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示

7、了谢意。作 者签 名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的

8、研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书指导教师评阅书指导教师评价：指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的

9、治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格

10、2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师：指导教师：（签名）单位：单位：（盖章）年年月月日日评阅教师评阅书评阅教师评阅书评阅教师评价：评阅教师评价：一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决

11、实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师：评阅教师：（签名）单位：单位：（盖章）年年月月日日南华大学电气工程学院毕业设计（论文）i教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解

12、、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所选

13、等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年年月月日日教学系意见：教学系意见：系主任：系主任：（签名）年年月月日日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.错误！未定义书签。错误！未定义书签。1.1.2 国内研究成果及研究发展趋势.错误！未定义书签。错误！未定义书签。1.2 等离子体天线激励源研究的目的与意义.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2 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 系统方案论证与比

14、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.92.1 正弦波的产生.92.1.1 DDS 的原理.92.1.2AD9858 的简介. 112.1.3 信号质量.122.2 压控放大器.132.2.1ADL5330 简介.132.2.2 压控放大器电路设计.142.3 功放电路的设计.152.3.1 驱动级电路.152.4 末级功放电路设计.242.4.1 RD15HVF1 简介.242.4.2 RD15HVF1 功放电路设计.26南华大学

15、电气工程学院毕业设计（论文）iii2.5ATmega128 单片机硬件电路设计. 322.5.1ATmega128 芯片介绍.322.5.2ATmega128 内部结构. 352.5.3ATmega128 系统电路设计.362.6 显示部分硬件电路设计.372.6.112864 液晶硬件电路设计.372.7A/D 和 D/A 硬件电路设计.392.7.1 TLC2543 串行 A/D 转换模块. 392.7.2 12 位串行 D/A 转换器 TLV5638 应用实例. 412.7.3 单片机与 TLV5638 接口电路设计. 433 系统软件设计.443.1单片机程序设计.443.2 WinN

16、WT4设置与操作.453.2.1 安装与基本设置.453.2.2 参数设置.474.系统调试、测试和总结.484.1 硬件调试.484.2 软件调试.484.3 软件硬件联调.494.4 系统测试.494.4.1 测试仪器.494.4.2 指标测试.495 总结.51谢辞.52参考文献.54附录一 系统元件清单.55附录二程序清单.56南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 1页，共 79页序序言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

17、在 2000 年建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

18、、发射比等离子体频率更低的信号，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

19、方向图等进行了研究； 西南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、不南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 2页，共 79页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

20、性气体构成。此时，等离子体可以利用激光照射、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

21、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：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

22、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。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。

23、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50负载电

24、阻上的功率达到 520W ；（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：1.2.1正弦波产生方案论证与比较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

25、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，

26、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 1.2.1 所示。如果只用一个锁相环，频率范围覆盖不了 400MHz-500MHz 的变化范围。因此可以考虑用多个 PLL 进行分段锁定。缺点是

27、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

28、图 1.2.1 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。1.2.2 控制器的选择方案论证与比较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 CPL

29、D （Complex ProgrammableLogic Device）集成的门数目不会很多。现场可编程门阵列 FPGA（FieldProgrammable GateArray） 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

30、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 ATm

31、ega128 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

32、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。1.2.3 电源方案论证与选择电源方案论证与选择方案一：采用线性可调电源 LM317LM317 是可调节 3 端正电压稳压器，在输出电压范围 1.2 伏到 37 伏时能够提供超过 1.5A

33、 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

34、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1.2.4 射频功放方案的设计与选择射频功放方案的设计与选择方案一：采用三极管功放管 C1970C1970 是常用的射频发射管， 增益大于 9.2dB， 带宽 175MHz， 最大功率 5W，最大电源电压 40V，常用电源电压 13.8V。常用于

35、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 RD15HVF1RD15HVF1 是射频 MOSFET 功率晶体管，当 Vdd=12.5V，f=175MHz 时Pout15W，Gp14dB。当 Vdd=12.5V，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

36、较容易满足要求，故采用方案二。1.3 系统总体设计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 0.4W 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

37、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：图 1.3.1 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2、系统硬件设计、系统硬件设计2.1 正弦波的产生正弦波的产生2.1.1 DDS 的原理的原理DDS 是数字可编程的高频合成器，其基本结构框图如图 2.1 所示，图 2.1DDS 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:改变查表寻址的时钟 CLOCK 的频率， 可以改变输出波形的频率。改变寻址的步长来改变输出信

38、号的频率.DDS 即采用此法。步长即为对数字波形查表的相位增量，由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。(3)D/A 输出的阶梯形波形，经低通（带通）滤波，成为质量符合需要的模拟波形正弦输出的 DDS 原理图如图 2.2 所示。设相位累加器的位宽为 2N， sin 表的大小为 2p，累加器的高 P 位用于寻址 sin 表，时钟 Clock 的频率为 fc， 若累加器按步进为 1 地累加直至溢出一遍的频率为Ncoutff2（2-1）南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 10页，共 79页图 2.2 正弦输出的 DDS 原理图若以 M 点为步长，产生的信号频率为NcoutfMf2（2

39、-2）M 称为频率控制字。DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360o范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动 DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过 2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态， 相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个 DDS 系统输出一个正弦波。输出正弦波周期为MTTNco2（2-3）频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：c

40、NoutffM2120NM（2-4）其中 N 是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS 的最小分辨率为南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 11页，共 79页Ncoff2min（2-5）与 PLL 不同， DDS 的输出频率可以瞬时地改变， 即可以实现跳频， 这是 DDS的一个突出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。2.1.2AD9858 的简介的简介信号波形产生部分，采用了专用 DDS 芯片 AD9858。AD9858 是 AD 公司于 2003 年推出的一款高性能 DDS 芯片，其工作频率高达 1GHz，内置一个 10 位

41、DAC，杂散性能指标更高于以前的产品。该器件采用先进的 DDS 技术，内置一个高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高 500+MHz 的频率捷变模拟输出正弦波。AD9858 专为提供快速跳频和精密调谐分辨率（32 位频率调谐字）而设计。频率调谐和控制字以并行（8 位）或串行加载格式载入 AD9858。该器件内置一个集成式电荷泵（CP）和相位频率检波器（PFD） ，适合同时要求高速 DDS 与锁相环功能的频率合成应用。此外还提供一个片内模拟混频器，适合同时拥有 DDS、PLL 和混频器的应用，如频率转换环路、调谐器等。AD9858 的时钟输入上还具有二分频特性，使外

42、部时钟速率可以高达 2 GHz。AD9858 的额定工作温度范围为40C至+85C 工业温度范围。AD9858 凭借优良的性能可广泛应用于甚高频超高频本振合成器、雷达、蜂窝基站跳频合成器等许多领域。系统要求产生 400MHz到 500MHz 的频率范围，频率步进为 100kHz，可知，用该芯片可以很好地实现。AD9858 是具有 32 位的相位累加器，本系统所用的外部振荡源是 50MHz 的晶振。振荡源信号经过 420 倍频（可程序控制）后，作为系统时钟。输出信号频率的计算公式为：32250000000kFTWfout204,2031kkM为倍频数，（2-6）从上式可以看出，频率步进最小可以达

43、到Hzfstep2 . 004. 02)204(5000000032（2-7）这个设计中用 5 倍频，算得Hzfstep0257. 0255000000032是题目所要求的南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 12页，共 79页步进量的 3883 倍。如果已知输出频率，可以由下式算得控制字：outoutffFTW836.38550000000232（2-8）2.1.3 信号质量信号质量(1) 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。时钟信号由晶振产生，它的频稳度优于 10-6。(2) 频率的值的精度，决定于 DDS 的相位分辨率。即由 DDS 的相位累加器的字宽和 ROM 函数表决定。本题要求

44、频率按 100Hz 步进，但实际上可以达到小于 1Hz 的步进。所以说 DDS 可达到很高的频率分辨率。(3) 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分可分为以下几个部分： 采样信号的镜像频率分量。DDS 信号是由正弦波的离散采样值的数字量经 D/A 转换为阶梯形的模拟波形的。所以存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像频率分量。 D/A 的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表示为S/D+N=6.02B+1.76 dB（2-9）其中 B 为 D/A 的字宽， 所用的 DDS 有 10 位的 D/A， 信噪比可达

45、到 60dB 以上。 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的 ROM 表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样） ，可以减少这些杂波分量。 D/A 转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在 N 频率处。这些杂波分量的幅度较小。 其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。D/A 后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量， 可以滤去带外的高频杂散分量，但是，无法滤去落在低通带内的杂散分量。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 13页，共 79页2.2 压控放大器压控放大器2.2.1ADL5330 简介简介AD

46、L5330 是工作频率为 10Hz 至 3GHz 的压控放大/衰减器。 采用单电源 4.75V 到 5.25 V 供电，其内部结构如图 2.3 所示。具有高线性度（OIP3 =31dBm 900MHz） （注：OIP3 是输出 3 阶截获点，是衡量功放的线性度的指标，两个参数之间的差就是功放的增益，参数数值越高，线性度越好） 。同时也具有很低的固有输出噪声（150dBm /Hz 900MHz） 。其输入阻抗和输出阻抗都为 50。可作为单端输入单端输出型器件使用，也可作为差分输入差分输出型使用。增益宽范围为34dB 至+ 22dB（工作在 900MHz 时） ，对应的控制电压范围为 0.1V 到

47、 1.4V，增益控制精度20 mV /dB。图 2.3ADL5330 的内部结构图南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 14页，共 79页图 2.4 ADL5330 频率-增益曲线图如图 2.4 可知，频率 f=500MHz，可得，当 VGain=0.2V ，Gain=-32dB；当 VGain=0.4V ，Gain=-24dB；当 VGain=0.6V ，Gain=-14dB；当 VGain=0.8V ，Gain=-4dB；当 VGain=1.0V ，Gain=6dB；当 VGain=1.2V ，Gain=16dB；当 VGain=1.6V ，Gain=22dB。由这些数据，便可以确定增益

48、控制电压 VGain 与增益 Gain 的关系，从而建立起 D/A 数据与增益的关系。2.2.2 压控放大器电路设计压控放大器电路设计压控放大器电路原理图如图 2.5 所示，采用 5V 单电源供电，P3 接口用于接D/A 输出，VCO 产生的射频信号由射频输入端 P2 输入，经放大后由输出端 P6输出接下一级放大器。本电路采用单端输入输出，即 P1、P5 接地。电路中 C1、C3、C5、C6、C7、C8、C11、C12、C13、C15 是去耦电容，减少电源中的交流成分经电源流入放大器产生的影响。L1、L2 是隔离电感和去耦电容 C12、C13，南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 15页，共

49、 79页避免放大后的信号经电源影响其他电路。C2、C4、C14、C16 是耦合电容，交流信号经耦合电容输入输出，隔离直流分量。图 2.5 ADL5330 的电路原理图2.3 功放功放电路电路的设计的设计本题所采用的功放电路由四级构成，第一级由 1 个 2SC3356 构成的射级跟随器，第二级由 2SC3356 构成的共射级放大器，第三级是由高频管 AH101 构成的射频放大，第四级是压控放大器，最后一级是由射频 MOSFET 功率晶体管RD15HVF1 构成的大功率功放。前三级和压控放大器一起为最后一级提供驱动，最后一级为主要功放级。2.3.1 驱动级电路驱动级电路驱动级功放位于压控振荡器和末

50、级功放之间。 因为压控振荡器的输出功率非常小，所以驱动级的设计主要是考虑在保持线性的条件下获得尽可能高的增益。如果驱动级的增益不够会导致对末级功率放大器的增益指标要求更加苛刻。一般末级功率放大器在要求高效率的情况下，很难获得所要求的高增益。由以上叙述可以看出系统驱动级功率放大器的设计与实现作为整个功放系统的驱动级，其好南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 16页，共 79页坏直接决定了整个功放系统的性能。驱动级由2SC3356构成的射级跟随器、三极管2SC3356构成的共射级放大器、 高频管AH101构成的射频放大器和压控放大器一起组成，承担了与前级匹配并驱动末级功放的任务，如图2.6所示。

51、图 2.6 驱动级电路图南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 17页，共 79页由图2.6 驱动级电路原理图， 经过仔细的布局布线后生成驱动级电路如图2.7所示。图 2.7 电路 PCB 图(1) 直流偏置电路的设计在器件的技术参数中，半导体厂家通常会给出放大器的直流工作电压和电流。本设计采用技术参数给定的第一级射极跟随器器（Vb=1.38V，Ve=738mV） ，第二级放大器（n=9 V，d=200mA） 。直流工作点来设计直流偏置电路。良好的直流偏置设计目标是选择适当的静态工作点，并在晶体管参数和温度变化的范围内， 保持静态工作点的恒定。本功放采取先对直流供电并联不同值的滤波电容用以滤除

52、供电电压中不同频率的纹波，再通过射频扼流圈把直流电压馈入大器。射频扼流圈对直流相当于短路， 对射频信号相当于开路防止射频信号泄实际中一般用电感来代替射频扼流圈能够起到相同的作用。(2) 2SC3356 简介2SC3356 硅超高频低噪声功率管是一种基于 N 型外延层的晶体管。具有高功率增益、低噪声特性、大动态范围和理想的电流特性。主要应用于超高频低噪南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 18页，共 79页声功率管主要应用于 VHJF，UHF，CATV 高频宽带低噪声放大器。一般参数：类别：NPN-硅通用晶体管；集电极-发射极电压 VCEO：1 2V；集电极-基极电压 VCBO:20V；发射极

53、-基极电压 VEBO:3.0V ；集电极直流电流IC:100mA ；总耗散功率（TA=25）Ptot:225mW ；工作结温 Tj:150；贮存温度 Tstg:-65150；极性：NPN 型 ；结构：扩散型； 材料：硅（Si） ；封装材料：塑料封装。电性能参数 （TA=25） ： 击穿电压:V （BR） CEO=12V， V （BR） CBO=20，V（BR）EBO=3.0 ；直流放大系数 hFE:50300 ；集电极-基极截止电流ICBO:100nA（最大值） ；发射极-基极截止电流 IEBO:100nA（最大值） ；特征频率 fT:7.0GHz； 封装： SOT-23； 功率特性： 中功率

54、 ； 集电极允许电流： 0.1 （A） ；集电极最大允许耗散功率：0.2（W） 。(3)AH101 简介AH101 是中等功率增益块提供了很好的动态范围使用一个低成本的表面的包装。 单电源供电和无条件稳定内部匹配装置的结合，使同时完美适用于窄带和宽带。优越的散热设计使它的 OIP3 达到+ 45dBm 工作在温度为+ 85时。平均无故障时间大于 100 年。图 2.8 是它的封装图和引脚功能，AH101 的电学参数如表 2.1 所示，可见其工作频率范围 50-1500MHz ，增益一般为 13.5dB。图 2.8 AH101 的封装和引脚功能南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 19页，共

55、79页表 2.1AH101 的电学参数由图2.9频率与增益关系可见在50MHz到1000MHz范围内增益在14dB到13dB，减小在1dB范围以内。由图2.10频率与噪声的关系图可知在50MHz到1000MHz范围内噪声功率在3dB到4dB左右。图 2.9 频率-增益关系图图 2.10 频率-噪声关系图图 2.11 是 AH101 芯片资料上提供的参考电路，用作驱动 RF 功放，采用 100pF电容作为输入输出耦合电容，56pF、100pF 和 1.0uF 的电容作为电源滤波电容，470uF 的电感作为扼流电感。图 2.11 是参考射频 PCB，全部采用小尺寸的贴片封装，信号线使用直线并由覆地

56、面包围，电路板两面覆地并多点接地。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 20页，共 79页图 2.11AH101 参考电路图 2.12AH101 参考 PCB2.3.2 驱动级电路驱动级电路仿真仿真为了进一步研究功放驱动电路的增益、 频响特性、 相频特性、 输出失真情况、功率、输入阻抗等参数，对功放驱动级电路进行仿真。首先在 Multisim 中找到所有需要元器件并设置好参数，然后按照原理图连接好电路，按要求放置电源和地及所需的仪器，并在输入输出放置探针，便于观测参数。最后得到仿真电路如图 2.13 所示。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 21页，共 79页2SC33562sc3356

57、aR1220R2470R3390R456R533C11.0FVCC13.8VXFG1XSC1ABExt Trig+_+_C21.0FXBP1INOUT?V(p-p):?1.29?V?V(rms):?457?mV?V(dc):?-1.58?mV?Freq.:?450?MHz?V(p-p):?200?mV?V(rms):?70.7?mV?V(dc):?1.46?uV?Freq.:?450?MHz图 2.13 仿真电路打开电源后探针参数如图 2.13 所示，可以看到输入 Vi=200mV 时，输出Vo=1.29V,增益45. 6mV200V29. 1ViVoA（2-10）图 2.14 信号发生器输出

58、信号参数信号发生器设置的参数如图 2.14 所示，示波器的输出的波形如图 2.15。由波形图可以观测到： （1）输出波形与输入波形形状完全一样，幅值大概是输入的南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 22页，共 79页6 倍左右， 结果与式 2-10 相符。 （2） 输出与输入波形的相位相差刚好 180 度。 （3）输出波形光滑无毛刺，可见该电路的噪声系数很小。图 2.15 示波器的显示将图 2.15 中的波形提取出来得到图 2.16。图 2.16 根据示波器制作的图表南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 23页，共 79页提取图 2.13 中的频谱分析仪的图形得到图 2.16 幅频特性曲线

59、和图 2.17 相频特性曲线。图 2.16 电路的幅频特性由图 2.16 可以看到电路在 200MHz1GHz 的范围内幅频特性曲线非常平滑稳定 20dB。由图 2.17 可以看到，在 200MHz1GHz 的范围内电路的相移固定为180 度。图 2.17 电路的相频特性在电路中加入电压表、电流表和功率计测电路的输入阻抗和功率，测试电路如图 2.18。2SC33562sc3356aR1220R2470R3390R456R533C11.0FVCC13.8VXFG1XSC1ABExt Trig+_+_C21.0FXWM1VIXMM1XMM2图 2.18 输入阻抗和功率测试电路南华大学电气工程学院毕

60、业设计（论文）第 24页，共 79页图 2.19 功率计读数由图 2.19 功率计读数可知功率 P=565.8mW， 由图 2.20 可知交流电流表读数I=1.317mA,交流电压表读数 V=70.711mV。故可求得输入阻抗，969.53mA317. 1mV711.70IV=Zin（2-11）图 2.20 电流表电压表读数2.4 末末级功放电路设计级功放电路设计2.4.1 RD15HVF1 简介简介RD15HVF1 是一款 MOS FET 型晶体管，它主要是为超高频、甚高频功率放大。绝对最大额定参数如表 2.2 所示，由表可见 VDSS额定值可达 30V，直流电压的额定值高达 4A， 额定功

61、率更是高达 48W， 从而保证了我们射频大功率的要求。但同时对输入功率也要求也比较高，额定值在 1.5W（输入输阻抗都为 50时） ，所以输入级要加功放驱动级。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 25页，共 79页表 2.2 绝对最大额定参数阻抗原图是用于描述某一电路或元件高频阻抗特性的图表，通过观察阻抗原图就可以准确地分析其阻抗特性。RD15HVF1 的阻抗特性如图 2.21RD15HVF1 阻抗圆图所示，图 2.21 RD15HVF1 输入输出阻抗圆图取其在 f=520MHz 和 f=175MHz 时的输入输出阻抗值得到表 2.3。在表中可以看到当输入 0.6W175MHz 的信号、输

62、出 15W、电源 12.5V 时，输入阻抗为2.34-j8.01ohm， 输出阻抗3.06+j0.74ohm; 当输入3.0W175MHz的信号、 输出15W、电源 12.5V 时，输入阻抗为 5.42-j9.22ohm，输出阻抗 6.02+j12.34ohm。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 26页，共 79页表 2.3RD15HVF1 典型输入输出阻抗值2.4.2 RD15HVF1 功放电路设计功放电路设计RD15HVF1 功放电路如图 2.22 所示，R1、R13、R14 为 Q3 栅极提供直流电压 VDS，是 Q3 沟道打开以保证正常工作。通过调节 R13 可以调节 VDS，从而

63、改变静态工作点。C4、C5 为电位器 R13 消抖。L1、L2 在直流通路中相当于短路为 Q3 漏极与源极之间直接提供电源电压。直流等效电路如图 2.3.2.3 所示。L2是大电感，做扼流圈使用，与 C6、C9 、C10、C11 一起构成滤波电路，防止高频信号干扰电源，减少电源纹波。R10、R11、R12 构成输入的电阻匹配网络，实现最大功率传输。78L09 使电源电压降到 9V，再通过电阻调节提供栅极电压，避免全部使用电阻分压产生大量能量损耗，并能提供更平稳的驱动电压。C2 为78L09 输出滤波，减小输出电压纹波。C7、C12 同 R10、R11、R12 为 Q3 输入阻抗匹配，C12 同

64、时还担任输入耦合的作用。小电感电容 L1、C1、C3 构成 LC网络大大提高功放的高频特性，C3 同时充当输出耦合电容。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 27页，共 79页图 2.22 RD15HVF1 功放电路为原理图添加好与实际器件匹配的封装后生成 PCB 图，经过合理的布局布线后得到 PCB 图如顶层图 2.23 和底层图 2.24 所示。由图 2.23 可以看到 PCB 电路中使用了许多尺寸微小的贴片封装，增加电路高频特性。布局也采用直线布局法，信号线避免走弯线，减小了电磁辐射损耗。此外，对电路进行了大面积的双面覆地并规律的加了很多过孔，减小了经地线的串扰。图 2.23 功放电路

65、 PCB 顶层南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 28页，共 79页图 2.24 功放电路 PCB 底层电源接口采用穿针电容,具有非常好的高频滤波效果。输入输出都使用同轴线连接，极大的避免了射频干扰。板上可有散热槽，可安装散热片，保证功放管正常工作。元件布局如图 2.25 所示。图 2.25在直流等效电路中，把所有电容都看成开路，所有电感都看成短路，只保留电阻和晶体管，从而得到 RD15HVF1 功放电路的直流等效电路如图2.26。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 29页，共 79页图 2.26 RD15HVF1 功放直流等效电路2.4.3 功放电路仿真功放电路仿真根据功放电路原理图

66、画出仿真电路如图 2.27， 设置图中信号发生器的参数如图 2.28 所示，输入信号为 450MHz，1V 的射频信号。Q2 100um 100umVCC13.8VVDD9VR14.7kR21.0kKey=A70%R33.3kC18pFL115.0nHC28pFC38pFXFG1XSC1ABExt Trig+_+_C46.8pFXBP1INOUTR41.0k图 2.27 仿真电路图南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 30页，共 79页图 2.28 信号发生器参数示波器 XSC1 显示的输出波形如图 2.29，输出波形的幅值为 6V。所以求的增益 A=6。图 2.29 示波器输出波形南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 31页，共 79页频谱分析仪输出波形为电路的幅频特性曲线如图 2.29 所示，由幅频特性曲线可以看出电路在 450MHz 时增益最大，往两边逐渐下降使电路的带宽为100MHz。图 2.29 频谱分析仪输出波形输入阻抗和功率测试电路如图 2.30 所示， 其中 XWM1 和 XWM2 为功率计，XMM1 为电压表，XMM2 为电流表。Q2 100nm 100nmVCC