水声宽带换能器阻抗匹配电路设计

李路路，王振宇，郭　庆

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林　541004；2.北华大学 文学院，吉林 吉林　132013)

水声宽带换能器阻抗匹配电路设计

李路路1，王振宇2，郭庆1

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林541004；2.北华大学 文学院，吉林 吉林132013)

摘要：为提高水声宽带换能器电声转换效率，设计了一种动态阻抗匹配电路。该电路通过模拟开关控制串联电感，实现各频点阻抗匹配的粗调。基于变容二极管容值可变的特性，电路引入变容二极管，实现匹配电路的微量调整。最后对发射端电流进行实时监测，根据监测电流在线调谐电路匹配状态。测试结果表明，在相同发射条件下，采用动态阻抗匹配电路，各码元信号传输距离增加0.5～4.5 m，电声转换效率显著提高。

关键词：水声换能器；阻抗匹配；在线调谐

水声通信系统中，换能器与信号源阻抗是否匹配，对数据的发送和接收起关键作用。当声纳器件工作在非谐振状态时，声纳器件发热量大，寿命短，严重时甚至无法使用。当其工作在谐振状态时，电声能量转换效率高，器件发热小，系统功耗小、效率高[1]。因此，为提高声纳器件电声转换效率，必须对声纳器件的发射电路进行阻抗匹配。

传统的换能器阻抗匹配电路采用串联或者并联电感的方式，消除换能器电容量对发射电路的影响，提高电声转换效率。而水声通信系统中，换能器阻抗在频带内随谐振频率变化，传统的换能器阻抗匹配电路无法完成换能器与信号源在整个频带内的阻抗匹配。为此，针对水声通信系统换能器阻抗匹配难的问题，设计了一种宽带换能器动态匹配电路，实现信号源与换能器阻抗匹配状态的在线监测与调整。

1换能器阻抗分析

图1　传统阻抗匹配电路Fig.1　Traditional impedance matching circuit

2阻抗匹配电路分析与设计

阻抗匹配电路主要解决调谐和变阻问题。调谐使信号源的频率等于换能器谐振频率，信号源负载呈纯电阻状态；变阻改变负载的有功电阻，使其与发射端的输出电阻接近，实现最大功率传输[4]。传统的换能器调谐方法采用串联电感调谐，但由于换能器静态电容随温度、工作时间而变化，影响调谐电路的性能[5]。因此，在换能器两端并联电容，以减小静态电容对匹配电路的影响。匹配电路如图1所示。图中L、C分别为匹配电路中的串联电感和并联电容。该电路对于发射频率单一的窄带换能器，参数变化微小，可实现窄带换能器的阻抗匹配。对于水声通信系统中的宽带换能器，由于码元频率交替变化，引起换能器阻抗变化，导致电路失配。为此，对阻抗匹配电路的影响因素进行分析，并引进一种动态匹配的方法，以消除换能器固有参数对阻抗匹配电路性能的影响。

2.1阻抗匹配电路分析

为验证换能器参数C0、Ld、Cd、Rd对电路工作状态的影响，分别固定其中3个参数，从调谐和变阻两方面对单一参数的影响进行分析。该匹配电路阻抗：

(1)

其中：R0、X0分别为电阻分量、电抗分量；ω为换能器的谐振角频率。要满足理想的匹配状态，则

(2)

(3)

水声换能器静态电容C0的数量级为10-9F，动态电阻Rd的数量级为102Ω，通信频率为几十至几百千赫兹[6]，可得：

(4)

(5)

(6)

(7)

1)若Ld、Cd不发生变化，C0或Rd变化。由式(2)、(6)可知，C0变化对R0影响不大，可以忽略。由式(7)可知，C0或Rd的变化对X0产生影响。若C0或Rd增大，则X0<0呈容性；若C0或者Rd减小，则X0>0呈感性。

2)若C0和Rd不发生变化，Ld或Cd变化。由式(2)、(6)可知，Ld或者Cd变化对R0影响可以忽略。由式(7)可知，在C0和Rd不变的情况下，X0≈0；若C0或Rd发生变化，则Ld或Cd变化将放大X0变化量，造成电路严重失配。

因此，换能器各参数的变化对匹配电路中电阻分量R0影响较小，但C0或Rd的变化对电路中电抗分量X0影响较大，使电路呈感性或容性，不能达到良好的匹配效果。

2.2动态阻抗匹配电路设计

为消除换能器参数C0、Rd对匹配电路的影响，设计了动态阻抗匹配电路，如图2所示。其中，动态阻抗匹配电路中电感L′为可调电感，如图3所示。可调电感利用控制器对电子开关量进行控制，从而调节串联电路中的电感值；电路中串联一个变容二极管，改变变容二极管的反向电压，可调节其PN结电容Cj[7]。通过调节阻抗匹配电路中电感量和电容量，消除换能器参数变化对电路的影响。

图2　动态阻抗匹配电路Fig.2　Dynamic impedance matching circuit

图3　可调电感Fig.3　Adjustable inductance

动态阻抗匹配电路阻抗：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3动态阻抗匹配电路性能测试

为验证动态阻抗匹配电路的性能，将动态阻抗匹配电路应用于水声通信系统发射电路，该电路采用谐振频率为28 kHz水平无方向性柱形水声换能器，换能器的静态电容C0=18.4 nF，动态电阻Rd=299.14 Ω，并联谐振频率Fp=30.375 kHz，串联谐振频率Fs=27.595 kHz，动态电感Ld=7.923 mH，带宽B=10 kHz。水声通信系统发射电路如图4所示。图4中串联电感L′(30 mH

图4　水声通信系统发射电路Fig.4　Emission circuit of underwater acoustic system

动态阻抗匹配电路、传统阻抗匹配电路应用于水声通信系统发射电路的测试数据如表1所示。从表1可看出，当码元频率相同时，采用动态阻抗匹配电路，换能器发射电流增大9～18 mA，传输距离增加0.5～4.5 m，提高了换能器电声转换效率；当码元频率不同时，动态阻抗匹配电路发射电流、信号传输距离稳定，换能器带宽范围内阻抗匹配良好。

表1　测试数据

当阻抗匹配电路稳定工作时，换能器的发射信号归一化波形如图5所示。从图5可看出，动态阻抗匹配电路改善了码元信号发射电压，提高了换能器的电声转换效率。

图5　换能器的发射信号Fig.5　Transmitting signal of transducer

4结束语

为提高水声宽带换能器电声转换效率，设计了一种宽带换能器动态阻抗匹配电路，解决了宽带换能器在通信系统中阻抗匹配难的问题。通过理论分析，获得电路中影响阻抗匹配的参数，并采用电感串联匹配法，设计了阻抗匹配电路，该电路根据电流反馈信号在线调整串联电感值和变容二极管的结电容，消除了换能器变化参数对阻抗匹配电路的影响，提高了水声宽带换能器的电声转换效率。

参考文献:

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编辑：曹寿平

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

基金项目：广西自然科学基金(2014GXNSFAA118393)；广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金(YQ15116，YQ15103)；桂林市科学研究与技术开发计划(20150103-3)

通信作者：郭庆(1962-)，男，陕西武功人，教授，研究方向为嵌入式测控系统、微弱信号检测、海洋环境监测。E-mail: sxgq@guet.edu.cn

中图分类号：TN929

文献标志码：A

文章编号：1673-808X(2016)02-0104-04

引文格式：李路路，王振宇，郭庆.水声宽带换能器阻抗匹配电路设计[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(2):104-107.