CN115021702A - 一种超音频电磁发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于超音频电磁技术领域，尤其涉及一种超音频电磁发射电路，包括谐振匹配电路与发射天线连接，所述谐振匹配电路包括三组串联的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃，所述第一电容C₁并联第一电感L₁，所述第一电容C₂并联第一电感L₂。解决天线长度变化，谐振电容失配的问题，降低了阻抗随频率变化的斜率，提高对长导线电感变化的适应程度。

Description

一种超音频电磁发射电路

技术领域

本发明属于超音频电磁技术领域，尤其涉及一种超音频电磁发射电路。

背景技术

由于电性源发射机采用长导线作为发射天线，长导线的电感值较高，常规电缆大概在1.5mH/km(10平方电缆)，低于10kHz时，阻抗在100欧姆的水平，发射频率继续上升时，阻抗线性提高，100kHz时，阻抗提高到1000欧姆，此时要达到1A的发射电流，发射电压不低于1000V。电缆在高压高频工作时，电缆的绝缘将受到严峻考验，此时电缆的分布电容将产生较大漏电流，导致发射天线的电流不一致加剧，同时为了提高电缆绝缘强度，需要增加电缆的绝缘层厚度，对于工程应用不利。

为了降低高频条件下发射天线的阻抗，可以通过LC谐振方式降低阻抗，采用单频谐振时，偏出谐振频率后，阻抗迅速增加，在要求发射频率范围是10Hz-500kHz，如果按照500V电压水平(常规三相交流***的耐压水平)，阻抗不大于500欧姆的要求下，大概需要配置10个谐振电容进行匹配，而且由于天线长度变化，会引起谐振电容失配。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超音频电磁发射电路，解决天线长度变化，谐振电容失配的问题。

本发明是这样实现的，一种超音频电磁发射电路，包括谐振匹配电路与发射天线连接，所述谐振匹配电路包括三组串联的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃，所述第一电容C₁并联第一电感L₁，所述第一电容C₂并联第一电感L₂。

进一步地，发射频率范围包括：100kHz～200kHz，200kHz～300kHz，300kHz～400kHz，400kHz～500kHz。

进一步地，根据经验值确定第一电感L₁和第一电感L₂的取值范围，给第一电感L₁和第一电感L₂赋值取值范围内的一个最小值，取一个变化步长为单位逐渐增大L₂，在此过程中计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值，当L₂取得最大值后，以步长为单位增大第一电感L₁，重复上述过程，直到第一电感L₁取得最大值，得到多组的电容电感组合；对电容电感组合进行筛选，选取各发射频率范围内频率稳定性在80％以上的组合，得到各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合。

进一步地，选择各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合的原则满足：第一电感L₁与第一电感L₂保持一直，在切换发射频率范围时，只需要改变第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值。

进一步地，通过牛顿迭代的方式计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值；采用如下的公式：

C^(k+1)＝C^(k)-[F′(C^(k))]^-1F(C^(k))

C＝(C₁，C₂，C₃)^T

F＝(f₁，f₂，f₃)^T

其中k为迭代次数，带入初始值C(0)，逐次迭代解出第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃的值。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明方法提出多谐振的宽频带范围的发射，通过多谐振设计，能够使500欧姆以下的频率范围达到150kHz，配置3组谐振网络即可覆盖500kHz的频率范围，同时降低了阻抗随频率变化的斜率，提高对长导线电感变化的适应程度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的设备结构示意图；

图2是单频谐振与多频谐振时阻抗随频率变化曲线；

图3发射天线电感0.5mH时0-500kHz的阻抗曲线(分段阻抗匹配)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，本发明提出一种超音频电磁发射电路，多谐振的宽频带范围的发射，通过多谐振设计，能够使500欧姆一下的频率范围达到150kHz，配置3组谐振网络即可覆盖500kHz的频率范围，同时降低了阻抗随频率变化的斜率，提高对长导线电感变化的适应程度。

谐振匹配电路结构包括：谐振匹配电路包括三组串联的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃，所述第一电容C₁并联第一电感L₁，所述第一电容C₂并联第一电感L₂。

参见图1所示，根据电路原理图，本电路的负载***的总阻抗Z可由下式(1)决定：

其中ω为发射波形角频率，“//”代表并联。由谐振的基本原理可知，需要使电路中容抗与感抗幅值相等，相位相反，彼此抑制。此时，电路总阻抗为线圈内阻R₀，实现电路整体谐振的目的。即：

公式(2)：Z＝R₀

通过上述两个公式可以得到下述关系式：公式(3)：

ω⁶(L₁L₂L₃C₁C₂C₃)-ω⁴(L₁L₂C₂C₃+L₂L₃C₂C₃+L₁L₂C₁C₃+L₁L₂C₁C₂)+ω²(L₁C₃+L₂C₃+L₂C₂+L₃C₃+L₁C₁)-1＝0

公式(3)可发现，该方程不止一个解。因此，该匹配电路可以实现多频点谐振。

将发射频率范围100kHz～500kHz划分范围为：100kHz～200kHz，200kHz～300kHz，300kHz～400kHz，400kHz～500kHz。确定各发射频率范围对应的电容电感值：

根据经验值确定第一电感L₁和第一电感L₂的取值范围，给第一电感L₁和第一电感L₂赋值取值范围内的一个最小值，取一个变化步长为单位逐渐增大L₂，在此过程中计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值，当L₂取得最大值后，以步长为单位增大第一电感L₁，重复上述过程，直到第一电感L₁取得最大值，得到多组的电容电感组合；对电容电感组合进行筛选，选取各发射频率范围内频率稳定性在80％以上的组合，得到各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合。

通过牛顿迭代的方式计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值；采用如下的公式：

C^(k+1)＝C^(k)-[F′(C^(k))]^-1F(C^(k))

C＝(C₁，C₂，C₃)^T

F＝(f₁，f₂，f₃)^T

其中k为迭代次数，带入初始值C(0)，逐次迭代解出第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃的值。

选择各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合的原则满足：第一电感L₁与第一电感L₂保持一直，在切换发射频率范围时，只需要改变第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值。更进一步的，可以选择只有一个电容不同的参数组合，这样调节时，每个频率范围切换时只改变一个器件参数即可。

参见图2，本发明比较单频谐振与多频谐振时阻抗随频率变化曲线，采用本发明的阻抗变化小于单频谐振的阻抗。

通过本发明结构在100kHz～200kHz，200kHz～300kHz，300kHz～400kHz，400kHz～500kHz范围内采用本发明的多频谐振方案，每个频率范围切换时只改变一个器件参数。最终***的阻抗曲线如图3所示。

根据图3所示，在10Hz～500kHz发射频率范围之内，天线负载阻抗不大于500欧姆，能够保证高频发射电流。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超音频电磁发射电路，其特征在于，包括谐振匹配电路与发射天线连接，所述谐振匹配电路包括三组串联的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃，所述第一电容C₁并联第一电感L₁，所述第一电容C₂并联第一电感L₂。

2.按照权利要求1所述的超音频电磁发射电路，其特征在于，发射频率范围包括：100kHz～200kHz，200kHz～300kHz，300kHz～400kHz，400kHz～500kHz。

3.按照权利要求2所述的超音频电磁发射电路，其特征在于，根据经验值确定第一电感L₁和第一电感L₂的取值范围，给第一电感L₁和第一电感L₂赋值取值范围内的一个最小值，取一个变化步长为单位逐渐增大L₂，在此过程中计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值，当L₂取得最大值后，以步长为单位增大第一电感L₁，重复上述过程，直到第一电感L₁取得最大值，得到多组的电容电感组合；对电容电感组合进行筛选，选取各发射频率范围内频率稳定性在80％以上的组合，得到各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合。

4.按照权利要求3所述的超音频电磁发射电路，其特征在于，选择各发射频率范围对应的最佳的电容电感组合的原则满足：第一电感L₁与第一电感L₂保持一直，在切换发射频率范围时，只需要改变第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值。

5.按照权利要求3所述的超音频电磁发射电路，其特征在于，通过牛顿迭代的方式计算相应的第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃值；采用如下的公式：

C^(k+1)＝C^(k)-[F′(C^(k))]^-1F(C^(k))

C＝(C₁，C₂，C₃)^T

F＝(f₁，f₂，f₃)^T

其中k为迭代次数，带入初始值C(0)，逐次迭代解出第一电容C₁、第二电容C₂以及第三电容C₃的值。

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