微電子碩士論文開題報告范文精選

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　　論文題目：多頻帶聲吶換能器匹配網絡以及線性功率放大器

　　一、選題背景

　　水下聲響設備發射機分為主動型聲吶設備發射機和被動型聲響設備發射機。聲吶發射器在主動聲響設備組成部分中占據很重要的地位，可以對整個系統的性能有很大的影響。聲吶發射機的作用是通過特定的電路產生特定的大功率電信號：源信號通過功率放大器以及匹配網絡提高其輸出效率和帶寬后，再經過換能器將電信號轉換成聲信號轄射到水介質中去。在不同的聲吶設備系統中，選擇的換能器也不一樣，所以說發射機是特定的，面對特定的系統需要特定的發射機。隨著現在社會水聲探測應用和海底通信設備向寬帶寬、低頻率、大功率方向發展來提高信號的作用距離，從而引起各個設備電路單元的變革；又隨著電子技術在高速、低功耗處理器方向的日益更新進步，發射機己經無法適應系統在低功耗方向的要求，因為原有的發射器單元逐漸成為了整個主動聲吶設備系統中耗電最大的一個部分。更加急迫的是便攜式水下通信設備、便攜式水下探測設備等需要使用電池作為電源的聲吶設備提出對發射機越來越高的性能要求：包括高傳輸效率、低功率損耗。

　　二、研究目的和意義

　　換能器的匹配網絡和線性功率放大器的簡要說明給本文的設計提供了比較堅實的理論和研究基礎。由于在目前的對捕獲海魚的定位標記聲響系統應用研究里，這個系統主要由兩個窄帶帶寬的濾波器構成，并且很多研宄都是把寬帶作為一個假設前提。這兩個窄帶帶寬濾波器在兩個頻帶之間利用開關進行切換，無法同時進行寬帶內信號的探測和處理。基于此現狀背景，本文中提出雙頻帶下聲吶換能器同時工作的匹配網絡設計，能夠提高整體的工作效率，降低成本。同時，為了減少換能器之間的干擾，提高系統的精準度，對系統設計的線性度有較高要求。在接下來的論述里，將首先就此聲吶系統的設計進行一個總體的說明，一些基礎的理論和系統的專門知識也會在正文開始部分進行一個較為精簡的闡述，為后文中的分析鋪塾。之后概述聲吶匹配網絡的分析，由于本文研究的頻帶范圍較寬，從IkHz到IMHz，換能器的阻抗隨寬帶頻率變換特性頻繁，所以利用MATLAB軟件編寫了從IkHz到IMHz范圍內的匹配網絡算法程序。繼而再提出整個系統的設計和實現方案：系統的實現將被分成幾個子部分進行講解，包括無源器件構成的聲響換能器模型，換能器匹配網絡以及線性功率放大器。在匹配網絡部分，將就單頻帶下的帶通貝塞爾濾波器和傳統的利用開關轉換的雙頻帶匹配網絡以及本文提出的雙頻帶下同時工作的無需切換的匹配網絡進行單獨的討論。最后，就電路的硬件實現以及實際測試給出數據結果以及仿真結果與測試結果的對比分析。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　在很早期時，聲吶換能器的等效電路的概念就已經被前人提出并且進行了大量研宄和應用[1]。文章[1]中提出這個聲響換能器的等效電路模型是由電感，電容以及電阻構成的無源電路結構，由于本文中所研究頻帶是從IkHz到IMHz的寬頻帶范圍，聲吶換能器的阻抗隨頻率點的變化的范圍也比較大，所以需要進行聲響換能器的寬帶匹配網絡設計。換能器的等效電路模型雖然己經被有所研宄，但是這個等效電路模型并不總是以一樣的參數和結構出現，系統不同，使用的換能器也不同，具體要求也不同。聲響換能器會受到環境等很多因素的影響，在不同的環境中受到的影響不同則會隨之呈現不同的性能導致其模型參數也不同。這些影響因子主要包括自然環境條件例如溫度、壓力以及各種人為因素、多個換能器之間的相互影響以及普遍存在的老化過程。這些影響因素會使得聲響換能器的屬性發生些許偏移，從而導致其等效電路模型的參數值發生變化。一旦換能器的等效電路模型參數值變化，則會影響原本的聲吶換能器匹配網絡不再匹配。這有可能會造成電路頻帶部分偏移或者電路系統完全工作失誤，從而導致聲明系統徹底失效。在海軍的聲吶應用領域里，IkHz到lOkHz通常被定義為中頻，lOOHz到500Hz被定義為低頻段。從上述中我們已經知道本文中研究的頻帶為IkHz到IMHz，這個頻帶被分成兩個頻率段，以頻率650kHz為分界點，從IkHz到650kHz在此文中被定義為低頻段，而從650kHz被定義為高頻段范圍，這是相對于文中的頻率而言。在正式介紹本文的工作之前，先對前人的研究做一個簡單的總結：R。Ramesh和D。D。Ebenezer在其論文[5]中提到，換能器等效電路不僅僅是聲吶換能器需要，也是功率放大器的設計需要考慮的，因為功率放大器的設計是用來驅動匹配網絡和聲吶換能器的，匹配網絡在一定程度上影響了功率放大器的效率。在Ramesh以及Ebenezer的這篇論文中，對于雙頻帶下興趣頻段的等效電路做了介紹以及電路的仿真，并且給出了其仿真波形。文中提到等效電路是由三個電路串聯橋臂互相并聯而成。這三個串聯橋臂分別是：其中一個橋臂是由一個單獨的電容構成，這個電容被稱之為并聯電容；另一個橋臂和第三個橋臂結構相同，都是由相同的元器件構成，這些元器件包括靜態電容，靜態電感以及一個電阻，雖然是相同的元器件，但是是不同的數值。為了得到在雙頻帶下換能器的等效電路模型，R。Ramesh利用了最小二乘逼近方法。在全篇論文中，強調的重心都放在了利用最小二乘逼近法的改善上，通過對這個方法的改進，盡可能的減少模型與真實換能器之間的誤差，提高其精度。在進行最小二乘法之前，需要先提供元器件的初始值，利用這些初始值作為迭代方法的初始條件，然后進行不斷的迭代去逼近真實的換能器。這些改善的方法用來盡可能的減小各個頻率點的差值平方的總和，這些差值平方是由測量的數值和計算的數值得到的方程結果[5]。同時，采用微分和偏微分的數學方法進行二乘法的改進。最后，作者將初始數值，改進后的數值以及精度都陳列在數據表格中。從表格中可以看出，大部分的數值都得到了很大程度的改善。

　　而在論文[6]和論文[7]中，主題都是關于濾波器的設計。首先，在F。N。KU陳述在文章[6]中的主要介紹了貝塞爾濾波器以及其改善方法，貝塞爾濾波器有其最大的一個特征是這個濾波器擁有很好的線性相位響應。文章對貝塞爾濾波器的介紹主要提到了貝塞爾濾波器的網絡綜合，貝塞爾方程多項式，貝塞爾濾波器完整的電路表格。這些基礎的知識介紹帶來貝塞爾濾波器的數學理論模型，這些可以幫助我們更好的了解貝塞爾濾波器的電路結構以及對這個濾波器的設計有一個接觸的框架了解。在基礎的介紹后，作者提出了一些爭對高階濾波器下存在的問題的解決方法。這些問題是：隨著貝塞爾濾波器的階數越來越高，計算的精度問題也就變得愈加突出。最后，作者就電路結構在有匹配考慮和沒有匹配考慮的兩種情景下的插入損耗做出了一個比較，用三個表格和兩個圖表給出了比較的結果。從那些圖表中，我們可以得出插入損耗在貝塞爾濾波器的階數高于七階后保持相對穩定，但是這個濾波器的群延時會相對延長隨著濾波器的階數設計的增高。另外，在論文[7]中，C。Bowick主要提到了不同的濾波器設計的比較，包括巴特沃斯，切比雪夫以及貝塞爾濾波器，包括這些濾波器在低通高通帶通以及帶阻下的性能研宄和比較。在論文[15]中，作者提出用MathCAD程序進行巴特沃斯濾波器的設計。但是這篇文章所論述的方法只能限于巴特沃斯濾波器的應用，無論是低通帶通還是高通情況下。首先，作者利用巴特沃斯濾波器的傳輸函數和反射系數方程計算出各個元件器的數值。這個算法的最大優點是階梯型的濾波器的元器件數值計算不需要依賴于標準的巴特沃斯的系數。這個方法只需要部分參數值例如帶寬，阻帶頻率，信號源電阻以及負載電阻值。然后MathCAD程序會對所有的元器件數值進行計算，基于給出的參數值。最后，作者建立并且仿真了低通巴特沃斯濾波器和帶通巴特沃斯濾波器。不過，這個方法仍舊有其不足之處，因為此方法只能在了解一些必要的參數值的前提下進行。并且這個程序算法爭對巴特沃斯濾波器。大部分的論文閱讀都是爭對我們提過的換能器和濾波器。不能忽視的是，換能器和匹配網絡都是由功率放大器進行驅動的，就像我們之前討論的，功率放大器用來提高信號的功率，提高功率的轉換效率。在本論文中，線性功率放大器設計在信號源和換能器匹配網絡之間，功率放大器對信號源出來的信號進行放大后進入匹配網絡，從而達到換能器被轉換成聲波信號，達到對匹配網絡和換能器驅動的效用。由于功率放大器在電路中的重要功能，目前也有很多關于如何提高功率放大器性能的研究工作。例如，在J。Yim和他的同事在論文[21]中提到的D類推挽功率放大器，這個功率放大器工作在很高的電壓源下，同時擁有比較高的效率。

　　四、本文研究的主要內容

　　論文的主要工作是在設計實現符合聲響系統需求的聲吶系統寬帶聲吶換能器E配電路以及線性功率放大器。需達到的任務有：1，測量出商業聲吶換能器的輸入阻抗值，2利用MATLAB建立關于聲響換能器的模型，并且利用MATLAB得出換能器輸入阻抗計算的數值，3設計建立基于濾波器設計的E配網絡的單帶寬的匹配系統，并且進行驗證，4對基于諧波法得出的雙頻帶濾波器的匹配網絡，利用MATLAB進行合適的設計算法，由此算法得到我們需要的帶寬。在此基礎上進一步的任務為：1，驗證測試實際情況下的寬帶雙頻帶下基于濾波器設計的匹配網絡的性能，2利用LTSpice設計并且建立對超線性功率放大器的仿真，此線性功率放大器應擁有較少的諧波失真。

　　五、寫作提綱

　　致謝5—6

　　摘要6—7

　　ABSTRACT7—8

　　1序言9—12

　　2引言12—18

　　3聲吶匹配網絡分析18—20

　　4系統設計20—26

　　4。1系統框圖20—22

　　4。2濾波器分析22—24

　　4。3濾撥器類型選擇24—26

　　5系統實現方案26—56

　　5。1換能器等效電路27—34

　　5。1。1方法27—30

　　5。1。2仿真30—33

　　5。1。2。1低頻帶30—31

　　5。1。2。2高頻帶31—33

　　5。1。3換能器模型的電路總結33—34

　　5。2匹配網絡34—53

　　5。2。1方法34—48

　　5。2。1。1單頻帶帶通貝塞爾濾波器34—45

　　5。2。1。2雙頻帶帶通貝塞爾濾波器45—48

　　傳統方法45—47

　　定義45—46

　　電路46

　　計算46—47

　　雙頻帶同時工作的貝塞爾帶通濾波器方法47—48

　　5。2。2仿真48—53

　　5。2。2。1單低頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結果48—49

　　5。2。2。2單高頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結果49—50

　　5。2。2。3傳統雙頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結果50—52

　　5。2。2。4同時工作雙頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結果52—53

　　5。3線性功率放大器53—56

　　6測試56—64

　　6。1貝塞爾濾波器測試56—64

　　6。1。1測試系統56

　　6。1。2水下聲吶換能器測試數據圖56—57

　　6。1。3聲吶換能器匹配網絡水中測試57—63

　　6。1。4測試結果分析63—64

　　7結論64—65

　　參考文獻65—68

　　六、目前已經閱讀的主要文獻

　　[1]。D。P。Massa，"AnoverviewofElectroacousticTransducers"，10：17，05/06/2014

　　[2]。D。Stansfield，UnderwaterElectroacousticTransducers，BathUniversityPressandInstituteofAcoustics，pp。l05—115，119—122Chapter5，1990

　　[3]。W。K。Chen，Linearnetworksandsystems，BROOKS/COLEENGINEERINGDIVISION18：0201/07/2014

　　[4]。程書田。寬帶匹配網絡及應用研究。西安電子科技大學博士論文。1998

　　[5]。R。Ramesh，D。D。Ebenezer，"EquivalentCircuitForBroadbandUnderwaterTransduers"，IEEETRANSACTIONSONULTRASONICS，FERROELECTRICS，ANDFREQUENCYCONTROL，Vol。55，No。9，pp。2079—2083，September。2008。

　　[6]。F。N。Ku，C。H。LiaoandM。K。Tsay，"COMPLETELCLADDERBESSELFILTERTABULATION"，IEEE2007。

　　[7]。C。Bowick，RFCircuitDesign，Chapter3，Newnes，1982

　　[8]。R。ParthasarathyandS。John，"AGeneralizedAlgorithmfortheInversionofCauerTypeContinuedFractions"。IEEE，1980

　　[9]。Z。Ma，T。Shimizu，Y。Kobayashi，T。AnadaandG。Hagiwara，"DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFMICROWAVEDUAL—BANDBAND—PASSFILTERSUSINGMICROSTRIPCOMPOSITERESONATROS"，MICROWAVEANDOPTICALTECHNOLOGYLETTERS，Vol。50，No。6，June2008

　　[10]。W。K。Chen，Theoryanddesignofbroadbandmatchingnetworks，PergamonPress，1stEd，pp。217—300，1976

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