多频带声呐换能器匹配网络以及线性功率放大器
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
水下声响设备发射机分为主动型声呐设备发射机和被动型声响设备发射机。声呐发射器在主动声响设备组成部分中占据很重要的地位，可以对整个系统的性能有很大的影响。声呐发射机的作用是通过特定的电路产生特定的大功率电信号：源信号通过功率放大器以及匹配网络提高其输出效率和带宽后，再经过换能器将电信号转换成声信号辖射到水介质中去。在不同的声呐设备系统中，选择的换能器也不一样，所以说发射机是特定的，面对特定的系统需要特定的发射机。随着现在社会水声探测应用和海底通信设备向宽带宽、低频率、大功率方向发展来提高信号的作用距离，从而引起各个设备电路单元的变革；又随着电子技术在高速、低功耗处理器方向的日益更新进步，发射机己经无法适应系统在低功耗方向的要求，因为原有的发射器单元逐渐成为了整个主动声呐设备系统中耗电最大的一个部分。更加急迫的是便携式水下通信设备、便携式水下探测设备等需要使用电池作为电源的声呐设备提出对发射机越来越高的性能要求：包括高传输效率、低功率损耗。
二、研究目的和意义
换能器的匹配网络和线性功率放大器的简要说明给本文的设计提供了比较坚实的理论和研究基础。由于在目前的对捕获海鱼的定位标记声响系统应用研究里，这个系统主要由两个窄带带宽的滤波器构成，并且很多研宄都是把宽带作为一个假设前提。这两个窄带带宽滤波器在两个频带之间利用开关进行切换，无法同时进行宽带内信号的探测和处理。基于此现状背景，本文中提出双频带下声呐换能器同时工作的匹配网络设计，能够提高整体的工作效率，降低成本。同时，为了减少换能器之间的干扰，提高系统的精准度，对系统设计的线性度有较高要求。在接下来的论述里，将首先就此声呐系统的设计进行一个总体的说明，一些基础的理论和系统的专门知识也会在正文开始部分进行一个较为精简的阐述，为后文中的分析铺塾。之后概述声呐匹配网络的分析，由于本文研究的频带范围较宽，从IkHz到IMHz，换能器的阻抗随宽带频率变换特性频繁，所以利用MATLAB软件编写了从IkHz到IMHz范围内的匹配网络算法程序。继而再提出整个系统的设计和实现方案：系统的实现将被分成几个子部分进行讲解，包括无源器件构成的声响换能器模型，换能器匹配网络以及线性功率放大器。在匹配网络部分，将就单频带下的带通贝塞尔滤波器和传统的利用开关转换的双频带匹配网络以及本文提出的双频带下同时工作的无需切换的匹配网络进行单独的讨论。最后，就电路的硬件实现以及实际测试给出数据结果以及仿真结果与测试结果的对比分析。
三、本文研究涉及的主要理论
在很早期时，声呐换能器的等效电路的概念就已经被前人提出并且进行了大量研宄和应用[1]。文章[1]中提出这个声响换能器的等效电路模型是由电感，电容以及电阻构成的无源电路结构，由于本文中所研究频带是从IkHz到IMHz的宽频带范围，声呐换能器的阻抗随频率点的变化的范围也比较大，所以需要进行声响换能器的宽带匹配网络设计。换能器的等效电路模型虽然己经被有所研宄，但是这个等效电路模型并不总是以一样的参数和结构出现，系统不同，使用的换能器也不同，具体要求也不同。声响换能器会受到环境等很多因素的影响，在不同的环境中受到的影响不同则会随之呈现不同的性能导致其模型参数也不同。这些影响因子主要包括自然环境条件例如温度、压力以及各种人为因素、多个换能器之间的相互影响以及普遍存在的老化过程。这些影响因素会使得声响换能器的属性发生些许偏移，从而导致其等效电路模型的参数值发生变化。一旦换能器的等效电路模型参数值变化，则会影响原本的声呐换能器匹配网络不再匹配。这有可能会造成电路频带部分偏移或者电路系统完全工作失误，从而导致声明系统彻底失效。在海军的声呐应用领域里，IkHz到lOkHz通常被定义为中频，lOOHz到500Hz被定义为低频段。从上述中我们已经知道本文中研究的频带为IkHz到IMHz,这个频带被分成两个频率段，以频率650kHz为分界点，从IkHz到650kHz在此文中被定义为低频段，而从650kHz被定义为高频段范围，这是相对于文中的频率而言。在正式介绍本文的工作之前，先对前人的研究做一个简单的总结：R.Ramesh和D.D.Ebenezer在其论文[5]中提到，换能器等效电路不仅仅是声呐换能器需要，也是功率放大器的设计需要考虑的，因为功率放大器的设计是用来驱动匹配网络和声呐换能器的，匹配网络在一定程度上影响了功率放大器的效率。在Ramesh以及Ebenezer的这篇论文中，对于双频带下兴趣频段的等效电路做了介绍以及电路的仿真，并且给出了其仿真波形。文中提到等效电路是由三个电路串联桥臂互相并联而成。这三个串联桥臂分别是：其中一个桥臂是由一个单独的电容构成，这个电容被称之为并联电容；另一个桥臂和第三个桥臂结构相同，都是由相同的元器件构成，这些元器件包括静态电容，静态电感以及一个电阻，虽然是相同的元器件，但是是不同的数值。为了得到在双频带下换能器的等效电路模型，R.Ramesh利用了最小二乘逼近方法。在全篇论文中，强调的重心都放在了利用最小二乘逼近法的改善上，通过对这个方法的改进，尽可能的减少模型与真实换能器之间的误差，提高其精度。在进行最小二乘法之前，需要先提供元器件的初始值，利用这些初始值作为迭代方法的初始条件，然后进行不断的迭代去逼近真实的换能器。这些改善的方法用来尽可能的减小各个频率点的差值平方的总和，这些差值平方是由测量的数值和计算的数值得到的方程结果[5]。同时，采用微分和偏微分的数学方法进行二乘法的改进。最后，作者将初始数值，改进后的数值以及精度都陈列在数据表格中。从表格中可以看出，大部分的数值都得到了很大程度的改善。
而在论文[6]和论文[7]中，主题都是关于滤波器的设计。首先，在F.N.KU陈述在文章[6]中的主要介绍了贝塞尔滤波器以及其改善方法，贝塞尔滤波器有其最大的一个特征是这个滤波器拥有很好的线性相位响应。文章对贝塞尔滤波器的介绍主要提到了贝塞尔滤波器的网络综合，贝塞尔方程多项式，贝塞尔滤波器完整的电路表格。这些基础的知识介绍带来贝塞尔滤波器的数学理论模型，这些可以帮助我们更好的了解贝塞尔滤波器的电路结构以及对这个滤波器的设计有一个接触的框架了解。在基础的介绍后，作者提出了一些争对高阶滤波器下存在的问题的解决方法。这些问题是：随着贝塞尔滤波器的阶数越来越高，计算的精度问题也就变得愈加突出。最后，作者就电路结构在有匹配考虑和没有匹配考虑的两种情景下的插入损耗做出了一个比较，用三个表格和两个图表给出了比较的结果。从那些图表中，我们可以得出插入损耗在贝塞尔滤波器的阶数高于七阶后保持相对稳定，但是这个滤波器的群延时会相对延长随着滤波器的阶数设计的增高。另外，在论文[7]中，C.Bowick主要提到了不同的滤波器设计的比较，包括巴特沃斯，切比雪夫以及贝塞尔滤波器，包括这些滤波器在低通高通带通以及带阻下的性能研宄和比较。在论文[15]中，作者提出用MathCAD程序进行巴特沃斯滤波器的设计。但是这篇文章所论述的方法只能限于巴特沃斯滤波器的应用，无论是低通带通还是高通情况下。首先，作者利用巴特沃斯滤波器的传输函数和反射系数方程计算出各个元件器的数值。这个算法的最大优点是阶梯型的滤波器的元器件数值计算不需要依赖于标准的巴特沃斯的系数。这个方法只需要部分参数值例如带宽，阻带频率，信号源电阻以及负载电阻值。然后MathCAD程序会对所有的元器件数值进行计算，基于给出的参数值。最后，作者建立并且仿真了低通巴特沃斯滤波器和带通巴特沃斯滤波器。不过，这个方法仍旧有其不足之处，因为此方法只能在了解一些必要的参数值的前提下进行。并且这个程序算法争对巴特沃斯滤波器。大部分的论文阅读都是争对我们提过的换能器和滤波器。不能忽视的是，换能器和匹配网络都是由功率放大器进行驱动的，就像我们之前讨论的，功率放大器用来提高信号的功率，提高功率的转换效率。在本论文中，线性功率放大器设计在信号源和换能器匹配网络之间，功率放大器对信号源出来的信号进行放大后进入匹配网络，从而达到换能器被转换成声波信号，达到对匹配网络和换能器驱动的效用。由于功率放大器在电路中的重要功能，目前也有很多关于如何提高功率放大器性能的研究工作。例如，在J.Yim和他的同事在论文[21]中提到的D类推挽功率放大器，这个功率放大器工作在很高的电压源下，同时拥有比较高的效率。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
论文的主要工作是在设计实现符合声响系统需求的声呐系统宽带声呐换能器E配电路以及线性功率放大器。需达到的任务有：1，测量出商业声呐换能器的输入阻抗值，2利用MATLAB建立关于声响换能器的模型，并且利用MATLAB得出换能器输入阻抗计算的数值，3设计建立基于滤波器设计的E配网络的单带宽的匹配系统，并且进行验证，4对基于谐波法得出的双频带滤波器的匹配网络，利用MATLAB进行合适的设计算法，由此算法得到我们需要的带宽。在此基础上进一步的任务为：1，验证测试实际情况下的宽带双频带下基于滤波器设计的匹配网络的性能，2利用LTSpice设计并且建立对超线性功率放大器的仿真，此线性功率放大器应拥有较少的谐波失真。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：（略）
五、写作提纲
致谢 5-6
摘要 6-7
ABSTRACT 7-8
1 序言 9-12
2 引言 12-18
3 声呐匹配网络分析 18-20
4 系统设计 20-26
4.1 系统框图 20-22
4.2 滤波器分析 22-24
4.3 滤拨器类型选择 24-26
5 系统实现方案 26-56
5.1 换能器等效电路 27-34
5.1.1 方法 27-30
5.1.2 仿真 30-33
5.1.2.1 低频带 30-31
5.1.2.2 高频带 31-33
5.1.3 换能器模型的电路总结 33-34
5.2 匹配网络 34-53
5.2.1 方法 34-48
5.2.1.1 单频带带通贝塞尔滤波器 34-45
5.2.1.2 双频带带通贝塞尔滤波器 45-48
传统方法 45-47
定义 45-46
电路 46
计算 46-47
双频带同时工作的贝塞尔带通滤波器方法 47-48
5.2.2 仿真 48-53
5.2.2.1 单低频带带通贝塞尔滤波器仿真结果 48-49
5.2.2.2 单高频带带通贝塞尔滤波器仿真结果 49-50
5.2.2.3 传统双频带带通贝塞尔滤波器仿真结果 50-52
5.2.2.4 同时工作双频带带通贝塞尔滤波器仿真结果 52-53
5.3 线性功率放大器 53-56
6 测试 56-64
6.1 贝塞尔滤波器测试 56-64
6.1.1 测试系统 56
6.1.2 水下声呐换能器测试数据图 56-57
6.1.3 声呐换能器匹配网络水中测试 57-63
6.1.4 测试结果分析 63-64
7 结论 64-65
参考文献 65-68
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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