表面波等离子体激励源设计

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。

  
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