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利用微波在介質表面激發出截止密度以上的等離子體，然后微波在介質與等離子體間形成表面波的傳輸，具有一定電場強度的表面波在其傳輸的范圍內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。將微波導入一介質管，在介質管壁上激發出表面波傳輸，即可在管內生成表面波等離子體。 本文使用同軸激發器進行等離子體激發，其結構如圖1所示。射頻能量通過電容耦合的方式引入激發器，通過內套和腔體之間的電場激發出截止密度以上的等離子體，微波會在介質與等離子體之間形成表面波。 圖1 等離子體同軸激發起 為研究等離子體激發過程的優化及控制，本文設計了一個頻率和輸出功率可調的等離子體激勵源。 等離子體激勵源系統整體結構 等離子體激勵源主要由5部分組成：信號源、功率放大單元、匹配電路、功率檢測電路和系統控制單元。系統整體框圖如圖2所示。 圖2 等離子體激勵源系統整體框圖 信號源 信號源采用ADI公司的PLL-VCO ADF4360-7，其內部集成了整數N合成器和壓控振蕩器(VCO)。通過改變VCO外置電感決定輸出中心頻率，在本系統中，VCO電感選在3.3nH，這允許頻率輸出范圍在850MHz"950MHz內調整。另外，還集成了一個輸出頻率二分頻器，這樣可以將輸出頻率在425MHz"475MHz之間調整。工作在3.0V"3.6V之間，在不使用的時候可通過軟件關斷。 ADF4360-7共有3個寄存器，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使用一個簡單的3線SPI控制，可以通過C8051F020的SPI接口實現。實驗中發現，SPI的時鐘頻率不能太高(>15kHz)，否則配置過程會失敗。通過設置C8051F020中的SPI0CKR寄存器，降低SPI接口時鐘頻率，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寄存器內相應數據即可改變輸出頻率。 經測量，ADF4360-7直接輸出信號的功率只有-6dBm，為提高信號輸出功率，采用M/A COMM的1:1傳輸線變壓器ETC1-1-13，實現差分轉單端的處理，可以使信號輸出功率提高到3dBm，滿足對后級功率放大器的推動要求，提高系統功率可調節范圍。 放大電路 放大電路由3部分組成，VGA ADL5330、功放模塊M67760HC和BLV950實現的高功率放大板。 ADL5330提供1MHz"3GHz寬頻帶，集成了寬帶放大器和衰減器單片VGA。與功率檢測器相配合，可以實現一條完整的、功率可控的信號發送通道。 通過實驗測得ADL5330的功率增益與VGAIN引腳的控制電壓基本成線性關系。 M67760HC是多級集成式的功放模塊，4mW的功率輸入可輸出20W的功率。以M67760HC的輸出功率推動BLV950放大板，可實現最大150W的功率。 通過改變ADL5330 VGAIN的輸入電壓，可以方便地控制放大電路的輸出功率，實現最大60dB的動態調整范圍。 匹配電路 同軸激發器的結構決定其阻抗成容性。使用π型匹配電路(1電感2電容)實現功率放大電路和同軸激發器的匹配。固定電感線圈不變，根據檢測到的反射系數，通過調整匹配網絡的可調電容，直至反射系數達到要求。 圖3 激勵源系統軟件整體流程圖 實驗結果 使用本激勵系統可順利地激發出表面波等離子體。本文初步研究了被激發等離子體柱長度與激發器饋入功率的關系，驗證了在同一頻點激發長度與饋入功率的平方根成正比這一結論。 結語 系統中所用各功能模塊程序都已調試出來，并能順利運行。在沒有操作系統的情況下，系統的各功能模塊任務的調度比較困難。為解決這一問題，實現靈活高效的任務調度，需使用實時的嵌入式操作系統，如uC/OS-II，下一步的系統改善工作將集中在這方面進行 |
