适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法技术

本发明专利技术提供了一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的PWM信号进行功率放大；所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；所述滤波单元能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配。本发明专利技术能够通过集成化、模块化的设计，使得该数字功放能够安装在拖线阵用小型圆柱形铝筒内。

Digital power amplifier and matched filtering method for active towed transmission line array

【技术实现步骤摘要】
适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法
本专利技术涉及电子技术应用领域，具体地，涉及一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法。
技术介绍
传统的功放有A类、B类、AB类和C类。这几类放大器都属于线性放大器，对输入的模拟信号直接进行线性放大，因此非线性失真较小。但是这几类放大器工作在线性放大区中，使得内部晶体管在工作时要消耗相当一部分功率，即使在静态工作模式下，晶体管也要消耗一定的功率，这使得功放的效率受到很大的限制。D类放大器的概念在1959年由Baxandall提出，与A、B、AB和C类等功率放大器相比，D类功放的特点是：输出级MOS管工作于开关状态，效率较高，将能量利用率从传统的50％提高到了90％以上；其次D类功放能大大减小发射机的体积，节约成本。近几年来，电子技术的发展使MOS管开关频率大大提高，导通损耗也减小了许多，使得D类功放能够在保证高效率的前提下达到模拟功放的性能，已经广泛应用于消费电子和专业的音频产品中。在拖曳发射线列阵的应用中，由于系统庞大、结构复杂、负载特殊等情况，一般D类功放无法满足其使用要求。首先，传统的D类功放只适用于驱动扬声器等纯阻性负载，而拖曳发射线列阵中负载为发射换能器，发射换能器是容性负载，其阻抗随频率变化而变化，容易导致功放输出端产生尖峰，从而损坏功率管；其次，传统的D类功放无负反馈，容易造成信号失真率大，同时引起电磁辐射问题。再者，传统D类功放功能比较单一，不具备与外部设备的交互能力，鉴于拖曳发射线列阵工作时处于拖曳状态，功放必须具有自检功能，能实时监控功放的工作状态。专利文献CN110463034A公开了一种数字功率放大器，属于功率放大器领域，所述数字功率放大器包括：第一DSM、第二DSM、第一PWM、第二PWM、低通滤波器、数字上变频器、梳状滤波器和功率放大器；第一PWM与第一DSM耦合，用于调制第一DSM输入第一DSM信号，并输出第一PWM信号；第二PWM与第二DSM耦合，用于调制第二DSM输入的第二DSM信号，并输出第二PWM信号；低通滤波器分别与第一PWM和第二PWM耦合；数字上变频器与低通滤波器耦合，用于调制低通滤波后的第一PWM信号和低通滤波后的第二PWM信号，并输出预定射频频率的第三PWM信号；梳状滤波器与数字上变频器耦合，用于抑制第三PWM信号的PWM谐波；功率放大器与梳状滤波器耦合，用于对谐波抑制后的第三PWM信号进行功率放大处理。该专利并不能很好地适用于主动拖曳发射线列阵中。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法。根据本专利技术提供的一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的PWM信号进行功率放大；所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；所述滤波单元在功放单元与负载之间起桥接作用，能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配，同时滤除功率信号中的高频噪声，还原出有用信号。优选地，所述信号预处理单元包括：滤波控制电路、增益控制电路、环路滤波器、PWM调制器、时序控制电路和通路控制器；所述滤波控制电路、增益控制电路能够对输入的模拟信号进行噪声滤除和增益控制；所述滤波控制电路、增益控制电路与环路滤波器连接。优选地，所述环路滤波器能够将功放单元输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较，从而对功放输出信号进行补偿、校正，改善功放线性度，降低电源中纹波。所述环路滤波器包括：环路滤波器输出端；所述环路滤波器输出端与PWM调制器相连。优选地，所述PWM调制器能够对环路滤波器输出的波形进行调制，产生PWM信号，送入时序控制电路；所述时序控制电路与PWM调制器相连，所述时序控制电路能够在PWM调制器输出的PWM信号中引入死区时间，避免功放单元上下桥臂同时导通而损坏；所述通路控制器能够控制时序控制器与功放单元的通断；当通路控制器接通时，功放单元有输入信号，当通路控制器断开时，功放单元无输入信号。优选地，所述功放单元包括：门极驱动电路、H桥电路以及信息采样电路；所述门极驱动电路与所述时序控制电路相连，用于提高时序控制电路输出信号的驱动能力，保证H桥正常工作；所述H桥电路包括：4个大功率MOSFET；所述H桥电路能够对门极驱动电路的输出信号进行放大，产生高压、大电流的功率信号，H桥输出与匹配滤波器相连。优选地，所述信息采集电路能够分别取样H桥电路供电端的电流信息、H桥输出端的电压信息以及H桥的工作温度；所述信息采集电路能够将电流信息和温度信息送入控制单元；所述信息采集电路能够将电压信息送入所述环路滤波器。优选地，所述控制单元包括：主控电路、485通信电路；所述主控电路与所述信息采集电路连接，用于采集电流和温度信息；所述主控电路与485通信电路连接，用于实现与上位机的通信；所述主控电路与信号预处理单元连接，用于控制所述信号预处理单元中的通路控制器是否工作，从而实现对功放单元的保护控制；所述485通信电路能够用于接收上位机的访问命令，然后将功放单元的工作状态信息打包上传给上位机，实现对功放单元的实时监控。根据本专利技术提供的一种匹配滤方法，采用适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：步骤一：根据设计指标要求的工作频带，结合换能器实测阻抗值(电导B和电纳G)和发射响应SvL，由式M1确定GX的值；其中，SvLmax为频带内的最大发射电压响应，G为换能器等效电纳，GX为匹配滤波单元等效电纳；步骤二：指定值，按式M2计算值；其中，为匹配滤波单元相角；步骤三：由式M3计算BL2值，由公式M4和式M5求得R、ZX；其中，BL2为电感L2的电导值，ZX为L2、C2和换能器组成网络等效复阻抗；步骤四：由式M6确定ZLC值；其中ZLC为L1、C1等效串联阻抗；步骤五：由式M7确定L1、C1值；阵元固有谐振点功率不能有明显提升，即L1、C1值的谐振点应在由BL2和B回路谐振点附近；一般来讲，L1、C1的值需要在各频率点进行反复计算和修正，直到各点的均满足要求，并且也满足式M1所示的带宽要求为止。优选地，所述与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有小体积、大功率的特点；通过集成化、模块化的设计，使得该数字功放能够安装在拖线阵用小型圆柱形铝筒内，实现最大输出功率400W。2、本专利技术所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有高可靠性的特点；除了在集成化和模块化方面采取了一定措施，保证了元件较低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；/n所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；/n所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的PWM信号进行功率放大；/n所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；/n所述滤波单元能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配，同时滤除功率信号中的高频噪声。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；
所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；
所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的PWM信号进行功率放大；
所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；
所述滤波单元能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配，同时滤除功率信号中的高频噪声。


2.根据权利要求1所述的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，所述信号预处理单元包括：滤波控制电路、增益控制电路、环路滤波器、PWM调制器、时序控制电路和通路控制器。
所述滤波控制电路、增益控制电路能够对输入的模拟信号进行噪声滤除和增益控制；
所述滤波控制电路、增益控制电路与环路滤波器连接。


3.根据权利要求2所述的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，所述环路滤波器能够将功放单元输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较；
所述环路滤波器包括：环路滤波器输出端；
所述环路滤波器输出端与PWM调制器相连。


4.根据权利要求3所述的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，所述PWM调制器能够对环路滤波器输出的波形进行调制，产生PWM信号，送入时序控制电路；
所述时序控制电路与PWM调制器相连，所述时序控制电路能够在PWM调制器输出的PWM信号中引入死区时间；
所述通路控制器能够控制时序控制器与功放单元的通断。


5.根据权利要求1所述的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，其特征在于，所述功放单元包括：门极驱动电路、H桥电路以及信息采样电路；
所述门极驱动电路与所述时序控制电路相连；
所述H桥电路包括：4个MOSFET；
所述MOSFET的功率大于设定阈值...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫淦，尹子源，陈煌彪，
申请(专利权)人：上海船舶电子设备研究所中国船舶重工集团公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31