声呐发射机负载阻抗变化仿真分析

徐怡 王福林 蒋国军

（第七一五研究所，杭州，310023）

发射机是声呐装备实现电声转换的重要部分[1]。在声呐装备中，发射机与发射换能器相连接，主要功能是为声呐换能器提供特定频率与功率的电信号[2]。在工程应用中，不同声呐使用的发射换能器阻抗不相同，同一声呐由于水温、水深等工作环境的差异也可能导致发射换能器阻抗特性的差异，当发射机的负载阻抗变化时将引起发射机负载电压、输出电流等特性的改变。本文针对发射机负载阻抗变化的情况，对目前常用的发射机拓扑结构进行分析，给出发射机传递函数的求取方法。

1 发射机输出传递函数建立

为实现特定频率与功率的波形输出，发射机通常由前级AC/DC 与后级DC/AC 电路组成，DC/AC电路实现功率放大功能，当前SPWM 开关功放为主流技术，功放输出端连接发射换能器[3]。SPWM功放电路大多由桥式电路、滤波网络、输出变压器与其余辅助电路组成，如图1 所示，其中输出变压器与其余辅助电路在部分发射机中被裁剪。

图1 发射机常用连接框图

输入直流电压uin一定时，调制度一定的功放，其桥式电路输出电压u为一个确定值，不受负载阻抗影响，建立从桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo的传递函数，即可分析发射机输出电压的变化情况。发射机输出电压主要受负载阻抗、滤波网络、输出变压器及辅助电路的影响，根据目前常用的发射机拓扑结构，本文分带通滤波拓扑、带通滤波连接电感或电容拓扑、低通滤波拓扑三种典型电路结构分别分析负载阻抗对发射机的影响，其他电路结构可利用类似的方法分析。在分析过程中，所有元件均采用集中参数对发射机输出的影响，未考虑寄生参数的效应。

1.1 带通滤波拓扑电路的传递函数

桥式电路输出高压PWM 波，使用串联LC 带通滤波电路滤除带外载波和谐波，得到基波后经过输出变压器得到输出电压，这种拓扑结构是最常用的功放电路实现方法，等效电路如图2 所示。

图 2 带通滤波拓扑结构等效电路

将发射机负载阻抗定义为zL，输出变压器匝比为n，可导出从桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo的传递函数：从式（1）可见，带通滤波拓扑电路传递函数与负载阻抗zL有关，也就是说，其传递函数受负载阻抗影响。

1.2 带通滤波连接电感或电容拓扑电路的传递函数

在串联LC 带通滤波的基础上，发射机输出端根据实际需要可设计部分辅助电路，如在变压器输出侧设计调谐电感或者滤波电容等。输出侧设计调谐电感的拓扑等效电路如图3 所示。图中所示的增加调谐电感拓扑电路，可导出从桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo的传递函数：

输出侧设计滤波电容的拓扑等效电路如图4 所示。

图 3 带通滤波连接电感拓扑结构等效电路

图4 带通滤波连接电容拓扑结构等效电路

图4 中的增加滤波电容拓扑电路，可导出从桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo的传递函数：

从式（2）、（3）可见，带通滤波连接电感或电容拓扑电路传递函数与式（1）类似，受负载阻抗zL影响。

1.3 低通滤波拓扑电路的传递函数

桥式电路输出高压PWM 波，当输出基波频率较低时，也可使用低通滤波网络滤除带外载波和谐波，特别是在使用多重叠加技术的低频大功率发射机中，低通滤波网络有着广泛应用，等效电路如图5 所示。图中所示低通滤波拓扑电路，可导出从桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo的传递函数：

图5 低通滤波拓扑结构等效电路

式（4）表明，低通滤波电路传递函数同样受负载阻抗zL影响。

2 典型参数仿真分析

2.1 带通滤波拓扑电路的仿真分析

利用Matlab 软件，将式（1）代入具体参数，取某一比较接近实际常用的参数代入。变压器匝比n取3.5，负载阻抗zL仅取阻性负载进行仿真，从100 Ω～10 kΩ，电阻变化步进跨度100 Ω，对于zL含电抗的分析方法类似，频率从200 Hz～8 kHz，频率变化步进跨度20 Hz，可得到如图6 所示三维曲面图。图中显示，在同一频率下负载阻抗变化时，桥式电路输出电压u对发射机负载电压uo的传递函数具体数值随之变化，即负载电压随之改变。在实际设计与分析中，可根据具体参数绘制如图6 所示三维曲面图，即可得到每一点的传递函数值。

图6 带通滤波拓扑电路传递函数典型参数仿真结果

值得注意的是，本文分析示例仅针对负载阻抗中电阻部分改变的情况，且只针对电路中的集中参数进行分析。在实际工作中，若同时考虑负载阻抗的电阻与电抗的变化以及器件的寄生参数，则能得到更全面的分析结果。

2.2 带通滤波连接电感或电容拓扑电路的仿真分析

以串联LC 带通滤波连接电感拓扑为例，利用Matlab 软件，取比较接近实际常用的参数。变压器匝比n取6.7，调谐电感L2取10 mH，频率从200 Hz～8 kHz，频率变化步进跨度20 Hz，负载阻抗ZL取电阻部分，从100 Ω～10 kΩ，电阻变化步进跨度100 Ω，可得到如图7 所示三维曲面图。图中，传递函数在4～5 kHz 之间有个谐振峰，对于串联滤波网络，通常谐振峰设计的与工作频段相近，在工作频段内随负载阻抗电阻的增大传递函数值增大。

图7 带通滤波连接电感拓扑电路传递函数典型参数仿真结果

2.3 低通滤波拓扑电路的仿真分析

利用Matlab 软件，仍以接近实际常用的参数代入进行仿真，滤波电感L取2 mH，滤波电容C取1μF，频率从200 Hz～8 kHz, 频率变化步进跨度20 Hz，负载阻抗ZL取电阻部分，从100 Ω～10 kΩ，电阻变化步进跨度100 Ω，可得到如图8 所示三维曲面图。图中，传递函数在3～4 kHz 之间有个谐振峰，对于低通滤波网络，通常谐振峰设计在大于工作频段处，在工作频段随负载阻抗电阻的增大传递函数值增大。

图8 低通滤波拓扑电路传递函数典型参数仿真结果

3 结论

本文针对声呐发射机负载阻抗变化情况，分带通滤波拓扑、带通滤波连接电感或电容拓扑、低通滤波拓扑三种典型的不同电路形式进行分析，建立了从发射机桥式电路输出电压u到发射机负载电压uo基于集中参数的稳态传递函数，并分别开展了基于常用典型参数的带通滤波、带通滤波连接电感、低通滤波传递函数Matlab 仿真，绘制了传递函数曲面图。

从传递函数可知，不同电路形式下负载阻抗变化对发射机传递函数影响方式不同，所选取参数不同传递函数具体数值变化趋势也不尽相同。针对工程应用实际，可根据本文所述方式导出传递函数，代入具体参数后绘制传递函数曲面图，分析对应各点的传递函数具体数值及其变化趋势。

通常负载阻抗的电阻部分越大，传递函数具体数值越大，相应的输出电压也越高；针对带通滤波拓扑，负载阻抗越大，滤波效应越不明显，谐波含量越高，阻抗越小，滤波效果越好，谐波含量越低，但带宽越窄；针对带通滤波连接电感及低通滤波等拓扑，传递函数存在谐振峰，谐振峰附近传递函数绝对值较大，可实现明显的升压，但其随频率的变化较快，表现为频带内输出电压起伏较大，根据实际需求可选择设计在谐振峰附近或远离谐振峰。

本文所提供的分析方法可为前期参数设计提供理论支持，并针对负载阻抗呈现阻性情况，以集中参数进行仿真和分析，在实际分析中若想要得到更全面的结果，需要对负载阻抗的电阻与电抗同时进行分析，必要时甚至需考虑元器件的寄生参数作更深入的研究。