CN108288961A - 一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路 - Google Patents

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吴宜荣
陈可榕
陈锦凯
林国芳
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    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/28—Impedance matching networks

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Abstract

本发明公开了一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，包括第一变压器、第一电感和第一电容器，所述第一变压器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器的输出端所述第一电感的输入端相连；所述第一电感的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感的输出端通过第一电容器接地。所述匹配网络电路还包括第二电容器，所述第二电容器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第二电容器的输出端与所述第一变压器相连。与现有技术相比，本发明结构的匹配电路具有良好的带内平坦度，该匹配网络电路结构简单且应用前景广。

Description

一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路
技术领域
本发明涉及水下通信设备领域，具体涉及一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路。
背景技术
随着海洋战略意义的提升与海洋开发需求的日益增长，国内外研究者越来越重视对宽频带、大功率声源的研究与开发。性能良好的宽频带大功率声源可以满足水声通信、水声遥测遥控、海洋勘探和水下监测等多种领域的应用需求，因此，宽频带、大功率发射技术是现代水声发展的重要方向，也是应用技术的一个难点问题。要实现水声信号的宽频带和大功率发射，除了需要良好的发射机和换能器外，很大程度上还依赖于换能器与发射机的功率放大器之间的良好匹配。作为宽带大功率水声发射***的关键技术之一，换能器与功率放大器之间的匹配网络设计，尤其是低频、宽频带、大功率的应用上，具有重要意义。因此，要实现良好的功率放大器与换能器之间的匹配，匹配网络的设计尤为重要。换能器与功率放大器之间的匹配网络的最主要的作用是使换能器的输出声源级SL达到一定数值，并且在工作频带内有较好的平坦度。然而，传统匹配网络大多是针对音频点、窄带信号设计，而宽带换能器的带内阻抗起伏变化不规则，难以用解析式表示，导致传统的匹配网络设计方法很难适用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能适用于水下通信设备换能器与功率放大器匹配的低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，包括第一变压器、第一电感和第一电容器，所述第一变压器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器的输出端所述第一电感的输入端相连；所述第一电感的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感的输出端通过第一电容器接地。
本发明的有益效果在于：所述第一变压器将输入端的电压提升到合适的范围后，再由第一电感和第一电容器将输出端的阻抗匹配到所需要的值内。本申请结构的匹配网络具有良好的带内平坦度，尤其适用于低频、宽频带、大功率的换能器与功率放大器之间的匹配。
附图说明
图1为本发明实施例1～2的水声匹配网络电路的结构示意图；
图2为本发明实施例1～2的水声匹配网络电路的应用结构示意图；
图3为本发明实施例1的换能器的阻抗参数图；
图4为本发明实施例1的换能器的目标电压图；
图5为本发明实施例1的区配电路的电压响应曲线图；
图6为本发明实施例1的换能器的输出声源级。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，包括第一变压器、第一电感和第一电容器，所述第一变压器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器的输出端所述第一电感的输入端相连；所述第一电感的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感的输出端通过第一电容器接地。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：所述第一变压器将输入端的电压提升到合适的范围后，再由第一电感和第一电容器将输出端的阻抗匹配到所需要的值内。本申请结构的匹配网络具有良好的带内平坦度，尤其适用于低频、宽频带、大功率的换能器与功率放大器之间的匹配。
进一步地，所述匹配网络电路还包括第二电容器，所述第二电容器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第二电容器的输出端与所述第一变压器相连。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：设置第二电容器保护后级电路，将输入端的直流成分隔开，同时与第一电感构成带通滤波网络，滤除输出端的无用信号。
进一步地，所述匹配网络电路的输入端与外设功率放大器的输出端相连，所述匹配网络电路的输出端与外设换能器的输入端相连。
进一步地，匹配网络电路的输出端电压值U1需满足以下关系式：其中，U0为换能器输出端电压值，SL为换能器输出声源级目标值，所述SV为换能器的发射电压响应值。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：根据换能器指标，输出声源级SL＝SV+20lgU，U为换能器两端电压。SV为发射电压响应，是换能器的固有参数；若要使输出声源级SL一定，则U必与SV相关。在制作匹配网络时，根据换能器SV值与换能器阻抗值设定匹配网络，才能使SV+20lgU在工作频带内较平坦。
进一步地，匹配网络的阻抗及各元器件参数应满足以下关系式：其中Z总为匹配网络阻抗，为第一电容器阻抗，为第二电容器阻抗，为第一电感阻抗，Z换能器为换能器阻抗，为变压器匝比。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：合理设计第一电容器、第二电容器、第一变压器和第一电感的参数，以实现对水声匹配网络输出端电压的良好控制，本发明第一电容器、第二电容器、第一变压器和第一电感的参数应使匹配网络的输入阻抗在频率范围内电抗尽量小、电阻尽量保持恒定。
请参照图1-5所示，本发明的实施例一为：一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，包括第一变压器T1、第一电感L1和第一电容器C2，所述第一变压器T1的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器T1的输出端所述第一电感L1的输入端相连；所述第一电感L1的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感L1的输出端通过第一电容器C2接地。所述匹配网络电路还包括第二电容器C1，所述第二电容器C1的输入端与匹配网络电路输入端相连，第二电容器C1的输出端与所述第一变压器T1相连。所述匹配网络电路的输入端与外设功率放大器的输出端相连，所述匹配网络电路的输出端与外设换能器的输入端相连。匹配网络电路的输出端电压值U1需满足以下关系式：其中，U0为换能器输出端电压值，SL为换能器输出声源级目标值，所述SV为换能器的发射电压响应值。所述第一电容器、第二电容器、第一变压器和第一电感的参数取值，匹配网络的阻抗及各元器件参数设计应满足以下关系式：其中Z总为匹配网络阻抗，为第一电容器阻抗，为第二电容器阻抗，为第一电感阻抗，Z换能器为换能器阻抗，为变压器匝比。本实施例中，第一电容器取值为33μF，第二电容器取值为1.2nF，第一电感器取值为2.1mH，变压器匝比为11。
本电路结构的工作原理如下：通过第一变压器T1将电压提升到合适的范围；第一电感L1和第一电容器C2组合将换能器的阻抗匹配到所需要的范围内，同时与第二电容器C1构成带通滤波网络，滤除功放输出的无用信号。换能器的阻抗参数如图3所示，图3中标号1所指为imag值曲线，标号2所指曲线为real值曲线。设置目标SL值及带内平坦度后，通过公式可计算出目标电压值，目标SL值设为195dB，带内平坦度设为3dB，得到目标电压范围如图4所示。合理设计C1、C2、T1、L1参数后，得到电压响应曲线，如图5所示。声源级SL达到195dB，且带内平坦度在1.7dB内，如图6所示。对安装有带本发明匹配网络电路的设备的水池声源级测试结果如表1所示。
表1
频率(KHz) 4 4.5 5 5.5 6
声源级(dB) 196.1 195.8 195.0 196.6 196.7
从表1可以看出，通过本发明结构的匹配网络电路，可使水池的声源级SL达到195dB，且带内平坦度在1.7dB以内。
请参照图1～2，本发明的实施例二为：一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，包括第一变压器、第一电感和第一电容器，所述第一变压器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器的输出端所述第一电感的输入端相连；所述第一电感的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感的输出端通过第一电容器接地。所述匹配网络电路还包括第二电容器，所述第二电容器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第二电容器的输出端与所述第一变压器相连。所述匹配网络电路的输入端与外设功率放大器的输出端相连，所述匹配网络电路的输出端与外设换能器的输入端相连。匹配网络电路的输出端电压值U1需满足以下关系式：其中，U0为换能器输出端电压值，SL为换能器输出声源级目标值，所述SV为换能器的发射电压响应值。
综上所述，本发明提供的一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，具有良好的带内平坦度，该匹配网络电路结构简单且应用前景广。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，其特征在于：包括第一变压器、第一电感和第一电容器，所述第一变压器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第一变压器的输出端所述第一电感的输入端相连；所述第一电感的输出端与匹配网络电路输出端相连，所述第一电感的输出端通过第一电容器接地。
2.根据权利要求1所述的低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，其特征在于：所述匹配网络电路还包括第二电容器，所述第二电容器的输入端与匹配网络电路输入端相连，第二电容器的输出端与所述第一变压器相连。
3.根据权利要求1所述的低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，其特征在于：所述匹配网络电路的输入端与外设功率放大器的输出端相连，所述匹配网络电路的输出端与外设换能器的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，其特征在于：匹配网络电路的输出端电压值U1需满足以下关系式：其中，U0为换能器输出端电压值，SL为换能器输出声源级目标值，所述SV为换能器的发射电压响应值。
5.根据权利要求3所述的低频、宽频带、大功率水声匹配网络电路，其特征在于：匹配网络的阻抗及各元器件参数应满足以下关系式：其中Z总为匹配网络阻抗，为第一电容器阻抗，为第二电容器阻抗，为第一电感阻抗，Z换能器为换能器阻抗，为变压器匝比。
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