水聲寬帶換能器阻抗匹配電路設計

李路路，王振宇，郭　慶

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林　541004；2.北華大學 文學院，吉林 吉林　132013)

水聲寬帶換能器阻抗匹配電路設計

李路路1，王振宇2，郭慶1

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林541004；2.北華大學 文學院，吉林 吉林132013)

摘要：為提高水聲寬帶換能器電聲轉換效率，設計了一種動態阻抗匹配電路。該電路通過模擬開關控制串聯電感，實現各頻點阻抗匹配的粗調。基于變容二極管容值可變的特性，電路引入變容二極管，實現匹配電路的微量調整。最后對發射端電流進行實時監測，根據監測電流在線調諧電路匹配狀態。測試結果表明，在相同發射條件下，采用動態阻抗匹配電路，各碼元信號傳輸距離增加0.5～4.5 m，電聲轉換效率顯著提高。

關鍵詞：水聲換能器；阻抗匹配；在線調諧

水聲通信系統中，換能器與信號源阻抗是否匹配，對數據的發送和接收起關鍵作用。當聲納器件工作在非諧振狀態時，聲納器件發熱量大，壽命短，嚴重時甚至無法使用。當其工作在諧振狀態時，電聲能量轉換效率高，器件發熱小，系統功耗小、效率高[1]。因此，為提高聲納器件電聲轉換效率，必須對聲納器件的發射電路進行阻抗匹配。

傳統的換能器阻抗匹配電路采用串聯或者并聯電感的方式，消除換能器電容量對發射電路的影響，提高電聲轉換效率。而水聲通信系統中，換能器阻抗在頻帶內隨諧振頻率變化，傳統的換能器阻抗匹配電路無法完成換能器與信號源在整個頻帶內的阻抗匹配。為此，針對水聲通信系統換能器阻抗匹配難的問題，設計了一種寬帶換能器動態匹配電路，實現信號源與換能器阻抗匹配狀態的在線監測與調整。

1換能器阻抗分析

圖1　傳統阻抗匹配電路Fig.1　Traditional impedance matching circuit

2阻抗匹配電路分析與設計

阻抗匹配電路主要解決調諧和變阻問題。調諧使信號源的頻率等于換能器諧振頻率，信號源負載呈純電阻狀態；變阻改變負載的有功電阻，使其與發射端的輸出電阻接近，實現最大功率傳輸[4]。傳統的換能器調諧方法采用串聯電感調諧，但由于換能器靜態電容隨溫度、工作時間而變化，影響調諧電路的性能[5]。因此，在換能器兩端并聯電容，以減小靜態電容對匹配電路的影響。匹配電路如圖1所示。圖中L、C分別為匹配電路中的串聯電感和并聯電容。該電路對于發射頻率單一的窄帶換能器，參數變化微小，可實現窄帶換能器的阻抗匹配。對于水聲通信系統中的寬帶換能器，由于碼元頻率交替變化，引起換能器阻抗變化，導致電路失配。為此，對阻抗匹配電路的影響因素進行分析，并引進一種動態匹配的方法，以消除換能器固有參數對阻抗匹配電路性能的影響。

2.1阻抗匹配電路分析

為驗證換能器參數C0、Ld、Cd、Rd對電路工作狀態的影響，分別固定其中3個參數，從調諧和變阻兩方面對單一參數的影響進行分析。該匹配電路阻抗：

(1)

其中：R0、X0分別為電阻分量、電抗分量；ω為換能器的諧振角頻率。要滿足理想的匹配狀態，則

(2)

(3)

水聲換能器靜態電容C0的數量級為10-9F，動態電阻Rd的數量級為102Ω，通信頻率為幾十至幾百千赫茲[6]，可得：

(4)

(5)

(6)

(7)

1)若Ld、Cd不發生變化，C0或Rd變化。由式(2)、(6)可知，C0變化對R0影響不大，可以忽略。由式(7)可知，C0或Rd的變化對X0產生影響。若C0或Rd增大，則X0<0呈容性；若C0或者Rd減小，則X0>0呈感性。

2)若C0和Rd不發生變化，Ld或Cd變化。由式(2)、(6)可知，Ld或者Cd變化對R0影響可以忽略。由式(7)可知，在C0和Rd不變的情況下，X0≈0；若C0或Rd發生變化，則Ld或Cd變化將放大X0變化量，造成電路嚴重失配。

因此，換能器各參數的變化對匹配電路中電阻分量R0影響較小，但C0或Rd的變化對電路中電抗分量X0影響較大，使電路呈感性或容性，不能達到良好的匹配效果。

2.2動態阻抗匹配電路設計

為消除換能器參數C0、Rd對匹配電路的影響，設計了動態阻抗匹配電路，如圖2所示。其中，動態阻抗匹配電路中電感L′為可調電感，如圖3所示。可調電感利用控制器對電子開關量進行控制，從而調節串聯電路中的電感值；電路中串聯一個變容二極管，改變變容二極管的反向電壓，可調節其PN結電容Cj[7]。通過調節阻抗匹配電路中電感量和電容量，消除換能器參數變化對電路的影響。

圖2　動態阻抗匹配電路Fig.2　Dynamic impedance matching circuit

圖3　可調電感Fig.3　Adjustable inductance

動態阻抗匹配電路阻抗：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3動態阻抗匹配電路性能測試

為驗證動態阻抗匹配電路的性能，將動態阻抗匹配電路應用于水聲通信系統發射電路，該電路采用諧振頻率為28 kHz水平無方向性柱形水聲換能器，換能器的靜態電容C0=18.4 nF，動態電阻Rd=299.14 Ω，并聯諧振頻率Fp=30.375 kHz，串聯諧振頻率Fs=27.595 kHz，動態電感Ld=7.923 mH，帶寬B=10 kHz。水聲通信系統發射電路如圖4所示。圖4中串聯電感L′(30 mH

圖4　水聲通信系統發射電路Fig.4　Emission circuit of underwater acoustic system

動態阻抗匹配電路、傳統阻抗匹配電路應用于水聲通信系統發射電路的測試數據如表1所示。從表1可看出，當碼元頻率相同時，采用動態阻抗匹配電路，換能器發射電流增大9～18 mA，傳輸距離增加0.5～4.5 m，提高了換能器電聲轉換效率；當碼元頻率不同時，動態阻抗匹配電路發射電流、信號傳輸距離穩定，換能器帶寬范圍內阻抗匹配良好。

表1　測試數據

當阻抗匹配電路穩定工作時，換能器的發射信號歸一化波形如圖5所示。從圖5可看出，動態阻抗匹配電路改善了碼元信號發射電壓，提高了換能器的電聲轉換效率。

圖5　換能器的發射信號Fig.5　Transmitting signal of transducer

4結束語

為提高水聲寬帶換能器電聲轉換效率，設計了一種寬帶換能器動態阻抗匹配電路，解決了寬帶換能器在通信系統中阻抗匹配難的問題。通過理論分析，獲得電路中影響阻抗匹配的參數，并采用電感串聯匹配法，設計了阻抗匹配電路，該電路根據電流反饋信號在線調整串聯電感值和變容二極管的結電容，消除了換能器變化參數對阻抗匹配電路的影響，提高了水聲寬帶換能器的電聲轉換效率。

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編輯：曹壽平

Design of impedance matching circuit for underwater acoustic broadband transducer

LI Lulu1, WANG Zhenyu2, GUO Qing1

(1.School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.College of Literature, Beihua University, Jilin 132013, China)

Abstract：In order to improve the electroacoustic efficiency of the broadband transducer, a dynamic impedance matching circuit is designed. The coarse tuning of matching circuit in every frequency point is implemented by controlling the series inductance with the analog switch. Based on the variable capacitance value of the varactor, the matching circuit is tuned. The current value of transmitting terminal is monitored in real time, the state of the matching circuit is tuned on-line according to the current value. Test results show that the transmission distance of each code element signal is increased 0.5-4.5 m by using dynamic impedance matching circuit in the same transmitting condition, the electroacoustic efficiency of the broadband transducer is improved significantly.

Key words：underwater acoustic transducer; impedance matching; online tuning

收稿日期：2015-12-02

基金項目：廣西自然科學基金(2014GXNSFAA118393)；廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室主任基金(YQ15116，YQ15103)；桂林市科學研究與技術開發計劃(20150103-3)

通信作者：郭慶(1962-)，男，陜西武功人，教授，研究方向為嵌入式測控系統、微弱信號檢測、海洋環境監測。E-mail: sxgq@guet.edu.cn

中圖分類號：TN929

文獻標志碼：A

文章編號：1673-808X(2016)02-0104-04

引文格式：李路路，王振宇，郭慶.水聲寬帶換能器阻抗匹配電路設計[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(2):104-107.