[發明專利]利用開關型非福斯特系統的換能器帶寬拓寬方法及裝置

在審

• 申請號: 202210669046.7
• 申請日: 2022-06-14
• 公開（公告）號: CN114978919A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 楊鑫;李姝汛;張智賀;許夢偉;歐陽曉平
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H04L41/0896
• 分類號: H04L41/0896;H04B11/00;H04B13/02
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強;劉冬

本發明提供一種利用開關型非福斯特系統的電聲換能器帶寬拓寬方法及裝置。電聲換能器帶寬拓寬端連接有構成開關型非福斯特系統的單相全橋逆變器、第一電容、第一電感。單相全橋逆變器的兩個輸入端分別與直流供電模塊的兩個輸出端對應電連接；第一公共連接端、第二公共連接端分別與第一電感一端、第一電容一端對應電連接；第一電感另一端、第一電容另一端、功率放大器一個輸出端相互電連接。電聲換能器帶寬拓寬方法包括：調整單相全橋逆變器的調制度、調制相角，從而拓寬電聲換能器帶寬。

技術領域

本發明涉及水聲通信技術領域，涉及一種利用開關型非福斯特系統的換能器帶寬拓寬方法及裝置。

背景技術

隨著水下無線通信技術及探測手段的不斷發展，聲波由于其在水介質中的高波速、低衰減頻率等優點，成為了能在水下遠距離傳遞信息的唯一載體。由此衍生出了能夠研究水聲傳播規律和水下信號處理的水聲技術，而水聲技術中關鍵的一環就是電聲換能器。電聲換能器是一種可以遠距離傳輸信息的大功率能量轉換設備，主要由電磁儲能元件和機械振動系統組成：儲能元件負責在某種物理效應下完成電機轉換，機械振動系統負責輸出轉換后的能量，即聲能。電聲換能器按照能量轉換的機理可以分為5大類：壓電換能器、電動換能器、電磁換能器、靜電換能器，磁致伸縮換能器。為了獲得最大的輸出響應，換能器通常在其機械諧振的頻率范圍內工作，該頻段內機械支路中的電抗較小，靜態等效電感(容)主導系統的無功響應，其輸入阻抗呈感(容)性。

為了提高以上所述大功率電聲換能器的傳輸效率和品質，需要增設一個阻抗匹配網絡以抵消換能器靜態電抗帶來的無功損耗，拓展系統共振帶寬。傳統的無源匹配方式受制于增益帶寬理論，只能在單一頻率下抵消靜態電抗，不適用于寬帶匹配。

非福斯特電路已經有了很長的研究歷史：1953年Linwill基于Rodolph Sanon提出非福斯特器件的概念首次利用晶體管實現了接地型的負阻抗變換器；Antoniou在1972年提出利用差分輸入電路結構實現浮地型差分結構負阻抗變換器(Negative impedanceconverter，NIC)。近年來關于非福斯特電路的研究也一直在持續：2018年Ting-Yen Shih等人使用晶體管構造了負阻抗轉換器，并結合電流緩沖器和變壓器設計了一種新的非福斯特傳輸匹配架構，匹配后的電性小型天線的傳輸效率相較于匹配前至多提高了34.4dB，并在其工作頻段(26-89MHz)都能保持較好的穩定性；2020年Curtis Rasmussen借助一個運放組成負阻抗變換器，并由兩個電阻器控制反饋增益，產生一個負電容，并將其匹配于壓電諧振器上，將帶寬拓展了三倍。

但目前的非福斯特電路集中應用于微型天線等小型聲源，因為負阻抗變換器所使用的晶體管和運放的輸出能力有限，只適用于于高頻段微小功率設備，不能滿足大功率聲輻射器的帶寬拓展要求，即現有的非福斯特寬帶匹配方法無法適用于類似電聲換能器的大功率聲源。

發明內容

本發明的目的在于針對現有非福斯特電路不能滿足大功率聲輻射器的帶寬拓展要求的問題，提供一種利用開關型非福斯特系統的電聲換能器帶寬拓寬方法及裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種利用開關型非福斯特系統的電聲換能器帶寬拓寬方法，電聲換能器驅動信號由功率放大器提供，所述電聲換能器的集中參數模型具有振動系統等效電路結構；

所述開關型非福斯特系統包括連接于所述電聲換能器驅動端的單相全橋逆變器、第一電容、第一電感；所述單相全橋逆變器的兩個開關管具有第一公共連接端，另外兩個開關管具有第二公共連接端；所述單相全橋逆變器的兩個輸入端分別與直流供電模塊的兩個輸出端對應電連接；所述第一公共連接端、第二公共連接端分別與第一電感一端、第一電容一端對應電連接；所述第一電感另一端、第一電容另一端、功率放大器一個輸出端相互電連接于第一電連接點；

當所述電聲換能器輸入阻抗為容性時：所述電聲換能器一個驅動端連接至第一電連接點，所述功率放大器另一個輸出端、電聲換能器另一個驅動端均連接至第二公共連接端；