利用开关型非福斯特系统的换能器带宽拓宽方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种利用开关型非福斯特系统的电声换能器带宽拓宽方法及装置。电声换能器带宽拓宽端连接有构成开关型非福斯特系统的单相全桥逆变器、第一电容、第一电感。单相全桥逆变器的两个输入端分别与直流供电模块的两个输出端对应电连接；第一公共连接端、第二公共连接端分别与第一电感一端、第一电容一端对应电连接；第一电感另一端、第一电容另一端、功率放大器一个输出端相互电连接。电声换能器带宽拓宽方法包括：调整单相全桥逆变器的调制度、调制相角，从而拓宽电声换能器带宽。从而拓宽电声换能器带宽。从而拓宽电声换能器带宽。

【技术实现步骤摘要】
利用开关型非福斯特系统的换能器带宽拓宽方法及装置


[0001]本专利技术涉及水声通信
，涉及一种利用开关型非福斯特系统的换能器带宽拓宽方法及装置。

技术介绍

[0002]随着水下无线通信技术及探测手段的不断发展，声波由于其在水介质中的高波速、低衰减频率等优点，成为了能在水下远距离传递信息的唯一载体。由此衍生出了能够研究水声传播规律和水下信号处理的水声技术，而水声技术中关键的一环就是电声换能器。电声换能器是一种可以远距离传输信息的大功率能量转换设备，主要由电磁储能元件和机械振动系统组成：储能元件负责在某种物理效应下完成电机转换，机械振动系统负责输出转换后的能量，即声能。电声换能器按照能量转换的机理可以分为5大类：压电换能器、电动换能器、电磁换能器、静电换能器，磁致伸缩换能器。为了获得最大的输出响应，换能器通常在其机械谐振的频率范围内工作，该频段内机械支路中的电抗较小，静态等效电感(容)主导系统的无功响应，其输入阻抗呈感(容)性。
[0003]为了提高以上所述大功率电声换能器的传输效率和品质，需要增设一个阻抗匹配网络以抵消换能器静态电抗带来的无功损耗，拓展系统共振带宽。传统的无源匹配方式受制于增益带宽理论，只能在单一频率下抵消静态电抗，不适用于宽带匹配。
[0004]非福斯特电路已经有了很长的研究历史：1953年Linwill基于Rodolph Sanon提出非福斯特器件的概念首次利用晶体管实现了接地型的负阻抗变换器；Antoniou在1972年提出利用差分输入电路结构实现浮地型差分结构负阻抗变换器(Negative impedance converter，NIC)。近年来关于非福斯特电路的研究也一直在持续：2018年Ting
‑
Yen Shih等人使用晶体管构造了负阻抗转换器，并结合电流缓冲器和变压器设计了一种新的非福斯特传输匹配架构，匹配后的电性小型天线的传输效率相较于匹配前至多提高了34.4dB，并在其工作频段(26
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89MHz)都能保持较好的稳定性；2020年Curtis Rasmussen借助一个运放组成负阻抗变换器，并由两个电阻器控制反馈增益，产生一个负电容，并将其匹配于压电谐振器上，将带宽拓展了三倍。
[0005]但目前的非福斯特电路集中应用于微型天线等小型声源，因为负阻抗变换器所使用的晶体管和运放的输出能力有限，只适用于于高频段微小功率设备，不能满足大功率声辐射器的带宽拓展要求，即现有的非福斯特宽带匹配方法无法适用于类似电声换能器的大功率声源。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有非福斯特电路不能满足大功率声辐射器的带宽拓展要求的问题，提供一种利用开关型非福斯特系统的电声换能器带宽拓宽方法及装置。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种利用开关型非福斯特系统的电声换能器带宽拓宽方法，电声换能器驱动信号由功率放大器提供，所述电声换能器的
集中参数模型具有振动系统等效电路结构；
[0008]所述开关型非福斯特系统包括连接于所述电声换能器驱动端的单相全桥逆变器、第一电容、第一电感；所述单相全桥逆变器的两个开关管具有第一公共连接端，另外两个开关管具有第二公共连接端；所述单相全桥逆变器的两个输入端分别与直流供电模块的两个输出端对应电连接；所述第一公共连接端、第二公共连接端分别与第一电感一端、第一电容一端对应电连接；所述第一电感另一端、第一电容另一端、功率放大器一个输出端相互电连接于第一电连接点；
[0009]当所述电声换能器输入阻抗为容性时：所述电声换能器一个驱动端连接至第一电连接点，所述功率放大器另一个输出端、电声换能器另一个驱动端均连接至第二公共连接端；
[0010]当所述电声换能器输入阻抗为感性时，所述电声换能器一个驱动端连接至第二公共连接端，所述功率放大器另一个输出端、电声换能器另一个驱动端相互电连接；
[0011]所述电声换能器带宽拓宽方法包括：
[0012](M1)当所述电声换能器输入阻抗为容性时，根据下式计算单相全桥逆变器的调制度m
’
、调制相角θ
s
，其中
[0013]m
’
＝m1+Δm1；
[0014][0015]θ
s
＝θ
m
；
[0016]其中，ω＝2πF
s
，V
dc
为所述直流供电模块的输出电压，L
s
、C
s
分别为第一电容的电容值、第一电感的电感值；E
m
、F
s
、θ
m
分别为所述功率放大器输出电压信号的振幅、频率、相角；Δm1是根据计算得到的调制度反馈量；Z
等效1
是对应于输入阻抗为容性的电声换能器的开关型非福斯特系统在第一电连接点与第二公共连接端之间的等效阻抗的实测值，C0为输入阻抗为容性的电声换能器的集中参数模型中静态等效电容的容值；
[0017](M2)当所述电声换能器输入阻抗为感性时，根据下式计算单相全桥逆变器的调制度为m
’
、调制相角θ
s
，其中
[0018]m
’
＝m2+Δm2；
[0019][0020][0021]其中，在输入阻抗为感性的电声换能器的集中参数模型中，所述静态等效电感与振动系统等效电路结构构成第一等效电路结构，Z
r
、θ
r
分别为所述第一等效电路结构的等效阻抗所对应的阻抗模、阻抗角；Δm2是根据jωL
e
‑
Z
等效2
计算得到的调制度反馈量；L
e
为所述集中参数模型中静态等效电感的电感值，Z
等效2
是对应于输入阻抗为感性的电声换能器的开关型非福斯特系统在第一电连接点与第二公共连接端之间的等效阻抗的实测值。
[0022]通过上述设置，使得单相全桥逆变器的调制度m
’
可以跟踪功率放大器输出电压信号的频率，从而可以拓展系统共振带宽，可随着功率放大器输出电压信号的频率而调整调制度，从而可以避免仅在单一频率下抵消静态等效电抗(静态等效电容或静态等效电感)，
从而适用于宽带匹配。通过将目标匹配的的值与实测得到的值相减(或jωL
e
‑
Z
等效2
)，从而计算得到调制度反馈量，从而可以实现闭环控制，使得控制精度更高。
[0023]通过上述设置，本专利技术设置了非福斯特阻抗匹配网络，产生负阻抗以抵消换能器静态电抗，从而可以提高电声换能器输出信号的传输效率和品质。
[0024]本专利技术中，当所述电声换能器输入阻抗为容性时，通过上述公式调整单相全桥逆变器的调制度m
’
、调制相角θ
s
，从而使得所述单相全桥逆变器、第一电容、第一电感构成的电路结构在第一电连接点与第二公共连接端之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用开关型非福斯特系统的电声换能器带宽拓宽方法，电声换能器(10)驱动信号由功率放大器(20)提供，所述电声换能器(10)的集中参数模型具有振动系统等效电路结构；其特征在于，所述开关型非福斯特系统包括连接于所述电声换能器(10)驱动端的单相全桥逆变器(30)、第一电容(1)、第一电感(2)；所述单相全桥逆变器(30)的两个开关管具有第一公共连接端(A)，另外两个开关管具有第二公共连接端(B)；所述单相全桥逆变器(30)的两个输入端分别与直流供电模块(4)的两个输出端对应电连接；所述第一公共连接端(A)、第二公共连接端(B)分别与第一电感(2)一端、第一电容(1)一端对应电连接；所述第一电感(2)另一端、第一电容(1)另一端、功率放大器(20)一个输出端相互电连接于第一电连接点(P1)；当所述电声换能器(10)输入阻抗为容性时：所述电声换能器(10)一个驱动端连接至第一电连接点(P1)，所述功率放大器(20)另一个输出端、电声换能器(10)另一个驱动端均连接至第二公共连接端(B)；当所述电声换能器(10)输入阻抗为感性时，所述电声换能器(10)一个驱动端连接至第二公共连接端(B)，所述功率放大器(20)另一个输出端、电声换能器(10)另一个驱动端相互电连接；所述电声换能器带宽拓宽方法包括：(M1)当所述电声换能器(10)输入阻抗为容性时，单相全桥逆变器(30)的调制度m
’
、调制相角θ
s
利用下式计算，其中m
’
＝m1+
△
m1；θ
s
＝θ
m
；其中，ω＝2πF
s
，V
dc
为所述直流供电模块(4)的输出电压，L
s
、C
s
分别为第一电容(1)的电容值、第一电感(2)的电感值；E
m
、F
s
、θ
m
分别为所述功率放大器(20)输出电压信号的振幅、频率、相角；Δm1是根据计算得到的调制度反馈量；Z
等效1
是对应于输入阻抗为容性的电声换能器(10)的开关型非福斯特系统在第一电连接点(P1)与第二公共连接端(B)之间的等效阻抗的实测值，C0为输入阻抗为容性的电声换能器(10)的集中参数模型中静态等效电容(51)的容值；(M2)当所述电声换能器(10)输入阻抗为感性时，单相全桥逆变器(30)的调制度m
’
、调制相角θ
s
利用下式计算，其中m
’
＝m2+Δm2：＝m2+Δm2：其中，在输入阻抗为感性的电声换能器(10)的集中参数模型中，所述静态等效电感(56)与振动系统等效电路结构构成第一等效电路结构，Z
r
、θ
r
分别为所述第一等效电路结构的等效阻抗所对应的阻抗模、阻抗角；Δm2是根据jωL
e
+Z
等效2
计算得到的调制度反馈量；L
e
为所述集中参数模型中静态等效电感(56)的电感值，Z
等效2
是对应于输入阻抗为感性的电声
换能器(10)的开关型非福斯特系统在第一电连接点(P1)与第二公共连接端(B)之间的等效阻抗的实测值。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，李姝汛，张智贺，许梦伟，欧阳晓平，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：