金松健;张福洪
【摘 要】The broadband matching technology of transducer is a key link in the design of underwater acoustic communication transmitter system.A well-matched circuit can effectively reduce the power loss,improve the load power,and at the same time,expand the working bandwidth.The traditional broadband matching technology based on the theory usually involves a large number of formula calculations.Later period,CAD(computer aided design),is introduced into the technology,while MATLAB-based realfrequency technology also need a design of effective and efficient algorithm,and this usually would take a lot of time and effort.By using the MACH matching module in ADS software and adding a pre-bandpass filter to it,the real-frequency match for the S-parameter of the measured transducer impedance is implemented.The whole process is done by computer.And later by tuning the reactance components,a fairly ideal matching effect could be achieved.This method could almost eliminate all the computational derivation,and thus is of great engineer
ing practical value.%换能器的宽带匹配技术是水声通信发射机系统设计的关键一环.匹配良好的电路,能有效减少电路的功率损耗,提高负载功率,同时还能有效扩展工作带宽.传统的宽带匹配技术基于的理论通常需要大量的公式计算,后期引入计算机辅助设计(CAD),但基于MATLAB仿真的实频技术也需要设计出一个有效且高效的算法,而这通常需要消耗大量的时间与精力.利用ADS软件中的一个MACH匹配模块,创造性地对其添加一个前置带通滤波器,可对实测换能器阻抗特性S参数进行实频匹配.该过程全程由计算机计算完成,后期对电抗元器件进行调谐,可以达到较为理想的匹配效果.实践表明,这种方法省去了几乎所有的计算推导,具有较大的工程实用价值. 【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2017(050)002
放血笔【总页数】5页(P210-214)
【关键词】ADS;水声通信;换能器;宽带匹配;实频技术
【作 者】金松健;张福洪
【作者单位】杭州电子科技大学,浙江杭州310018;杭州电子科技大学,浙江杭州310018
【正文语种】中 文
【中图分类】挤压爆破TN929
海洋充斥着各种各样的神秘与危险，同时它也蕴含着丰富的自然资源。现代经济、科技以及军事等领域，都逐渐开始了对海洋资源的开发。
随着海洋资源的逐步开发，在水中建立良好的通信显得十分重要。在实际使用中，声纳设备要求发射系统具有较高的功率因数、较大的发射功率和理想的发射波形；换能器的性能优劣是直接影响发射系统的性能；而功率放大器与换能器之间的良好匹配，则是保证发射系统性能的重要手段[1-2]。水中的信道条件十分复杂，因为它受温度、深度、季节、水域、梯度等各种因素的影响。因此，水声信道是一个窄带、多径效应严重的时变、频变、空变的信道，直接导致信号频率需要较低频。而现在的水声通信信号一般会采用PSK、OFDM、QAM、DPSK等调制方式，此时已调信号变为多频点多幅度的信号叠加。所以，发射机想要发射已调信号，需要一个较大的带宽，因此要求对换能器做宽带匹配。从匹配
技术的发展情况来看，单频点匹配的理论基础已经想当成熟。然而，由于换能器在不同频带内呈现不同的阻抗特性，且阻抗数值起伏较大，使得设计阻抗匹配网络时，具有一定的难度[3]，且其阻抗特性通常无法用某一个函数去表达。因此，想做好一个宽带的阻抗匹配，需要庞大的计算量。
任何匹配问题包括水声宽带匹配，都要面对匹配的最大带宽和最大容差。博德（Bode）、范诺（Fano）及尤拉（Euler）先后对它们的关系进行了探索，并形成了相应的理论成果[4]。宽带匹配理论上的研究是以他们三个的理论研究为基础发展而来。如今的宽带匹配大致包括3种：①相容阻抗法，该方法需要得到负载阻抗的解析表达式，然后对其零点进行劳伦特展开，之后还需要对反射系数作最小相位分解；②递归随机均衡法，利用高斯牛顿法不断迭代修正回归系数，从而拟合解决匹配问题；③实频匹配法，它只需要具体的阻抗数据，而这些数据都可以通过阻抗分析仪测量得出，而不需要在设计匹配网络前先假设其电路结构，也不需要负载具体的数学解析表达式[5]。上述方法在无线通信领域都有比较广泛的应用，也达到了不错的效果。但是，对于水声通信领域，各种宽带匹配技术非常有限，且效果也难以满足要求。
随着计算机技术的快速发展，研究人员开始把计算机辅助设计（CAD）技术应用到宽带匹配中，如smith圆图法、遗传算法、实频法等。本文在利用ADS（Advanced Design System）软件内部的一个实频匹配模块的基础上添加一个辅助模块，并根据负载换能器实测的阻抗特性进行宽带匹配。根据匹配后的负载功率曲线，验证了方法的可行性。
1.1 换能器的阻抗特性
换能器有多种类型，如磁致伸缩换能器、静电换能器和压电陶瓷换能器等。由于压电陶瓷换能器的性能和制造工艺较其他种类换能器具有诸多优势，所以压电陶瓷材料的超声换能器是目前应用最广泛的换能器[6]。本文采用的是由中国船舶重工集团公司第七一五研究所研制的QMY1834-1型换能器，其工作频带17～23 kHz，传输类型为OFDM型，传输距离约为1 km，误码率在10-6数量级，最大发射功耗10 W，接收功耗为2.4 W，数据存储达到32 GB，存储温度范围为-40～60 ℃。用矢量网络分析仪在消声池中测出换能器导纳Y=G+jB，且其实部及虚部随着频率（10～30 kHz）的变化曲线如图1所示（曲线1为实部G；曲线2为虚部B）。从图1可以看出，曲线1在f=19.699 kHz时达到峰值，即该频率值为换能器通带的中心频率。
散打护具
理论分析时，把换能器等效成一个动态电容C1、动态电感L1、动态电阻R1（电容、电感、电阻的值，是频率值的一个函数）的串联后，与一个静态电容C0并联的一个电路，如图2所示。此时的负载阻抗换能器RL可以用式（1）来表示。当然，这只是一个简单的模型，真正的换能器阻抗要复杂得多。
根据图2模型，可以得到换能器的阻抗表达式：
把阻抗Z表示成导纳Y的形式，则有：
其中：
这里，G与图1的曲线1对应，B则与曲线2对应。
1.2 换能器的阻抗匹配
由最大功率传输定理可以知道，在一个有源的线性阻抗的单端网络，当且仅当负载阻抗等于端口阻抗值时达到定理要求。此时，电路匹配，负载功率达到最大值。负载功率值Pmax的计算公式为：
根据图2，可以推算出：
以上为简化模型的阻抗匹配结果。而真实的宽带阻抗匹配复杂度难以直接计算。因此，下面将利用ADS软件计算与使用的换能器相匹配的电路。
2.1 匹配前负载的功率特性
首先在ADS中搭建好仿真模型，其中SRC1为交流信号源，Ro为估算的电路内阻，P_Probe为交流功率表，S1P则是矢量网络分析仪实测的换能器单端口S参数。此处的功率表显示结果为：
其中conj(IP)为电流的共轭，功率表测量的是负载的耗散功率。图3为匹配前电路。
该电路模型在信号频率为10～30 kHz、峰值电压为30 V时，负载的功率特性如图4所示。可以看出，此时的负载功率曲线与电导曲线相吻合。这是因为功率，即P∝G。但是，此时的峰值功率只有0.005 W，远远没有达到理想的功率值。此时的3 dB带宽也只有3.5 kHz，也没有达到目标值。因此，在没有进行匹配的情况下，换能器的功率及带宽都无法达到要求。
LED光柱
2.2 单频匹配
单频匹配是把换能器在中心频率点时的阻抗值作为匹配对象。根据f=19.699 kHz时的导纳值，计算此时的阻抗Z=229.3-j597.1 Ω。由图5可以看出，进行单频匹配后，通带带宽略大于4 kHz。带内的波动只有1.9 dB。但是，此时的最大功率值只有3.3 W，无法达到要求。
2.3 宽带实频匹配电路的设计
组件回收
在直接使用匹配模块进行匹配时，对于一个固定阻值的负载可以达到很好的效果。而对于换能器，由于其阻抗特性的复杂性，匹配效果并不理想。考虑到由于电路内阻为0.5 Ω，直接与换能器进行匹配跨度过大。在进行宽带实频阻抗匹配前引入一个前置带通滤波器，把0.5 Ω的电阻先匹配到50 Ω。此时，匹配模块需要做的是把50 Ω的电阻与换能器的S参数进行匹配，匹配电路见图6。其中，SRC1为交流信号源，MTCH为实频匹配模块，由计算机生成匹配电路。S1P为单端的换能器实测S参数，DT为前置带通滤波器。
根据参数指标对匹配模块进行设置，软件会自动生成匹配电路。此时，可以查看匹配模块的内部电路，如图7所示。其中，P1、P2为MTCH的两个端口。此时可以通过仿真来查看组件回收
生成的匹配模块的匹配效果，功率曲线见图8。根据图8中曲线可以看到，此时换能器的负载功率大约在6 W，工作带宽也接近5 kHz，但波形效果欠佳。
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