一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置及其实现方法
一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及大功率高频激励源技术领域，具体设及一种大功率高频激励源的阻抗 匹配装置及实现方法，能够实现电磁超声激励源的高性能输出，可应用于埋地钢质管道电 磁超声内检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，管道定期检验主要采用外检测的方式，但是外检测难W发现未融合、夹渣、 气孔及裂纹等焊接缺陷和应力腐蚀微裂纹等微观缺陷，单纯依靠人工巡检和传统外检测方 式并不能保证管道的安全运行，必须实施管道在线内检测。国内外在油气管线内检测方面 做了大量的工作，提出了多种检测技术，其中部分技术已被应用并取得了良好的效果。该些 技术包括；超声检测技术、漏磁检测技术、祸流检测技术、射线检测技术等。然而上述检测 技术在实际应用中存在操作复杂性高、检测精度低、检测效率低等缺点，限制了其在管道内 检测上的进一步推广和应用。埋地钢质管道电磁超声内检测技术相比其他内检测技术，具 有非接触、无需任何禪合剂、不受检测条件限制、检测速度快、能产生各类波形等显著优点， 在直接评估管线的缺陷类型、位置与安全等级等方面更具有独特优势。但电磁超声技术的 特殊工作机制，其换能器的换能效率很低，加之管道复杂的内检测环境，管壁往往附着有石 油、蜡等其它杂物，限制了换能器的换能效率，影响了检测的效果，而提高换能器的工作效 率，需要通过改善大功率高频激励源和高灵敏度检测探头阵列两种途径加W解决。在激励 源研发方面，相关的技术难题尚未得到突破，因此为了使其得到高性能输出，且能够激励换 能器的能量高效转化，需要提出一种能够实现其高性能输出的阻抗匹配网络及其参数计算 方法。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现其高性能输出的阻抗匹配 装置及其实现方法。
[0004] 本发明提供了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信号源、DE类射频功 率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；
[0005]所述DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管Si与第二功率管S2串联，第一电 容Cl及第二电容C2分别并联在所述第一功率管S1和所述第二功率管S2上，在所述第一功 率管和所述第二功率管中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，所 述谐振电感Lt的另一端为补偿电感Ly、负载等效阻抗Z=R与S2的源极构成的回路，所述 串联谐振输出电路的工作频率为f。；
[0006] 所述阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；
[0007] 所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗2。=R"+jX。或并联型等效阻 巧
[0008] 作为本发明进一步的改进，若所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗 2。=R"+jX。，所述阻抗匹配网络为：
[0009] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0010] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0011] 作为本发明进一步的改进，若所述电磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗
，所述阻抗匹配网络为：
[0012] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0013] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0014] 作为本发明进一步的改进，串联谐振输出电路的工作频率满足；fi< fa< f 2;
[00巧]其中，
L= Lt+Lx。
[0016] 本发明还提供了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，包括W下步 骤：
[0017] 步骤1，设定所述DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z=R，根据所述电磁超 声换能器的额定功率来确定所述阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可W得出所述DE 类射频功率放大器的直流电压V。。；
[001 引
（1)
[0019]步骤2,根据公式（2)计算出所述第一功率管Si与所述第二功率管S 2上并联的第 一电容Cl及第二电容C2的值；
[0020]
(2)
[0021] 其中，所述第一功率管Si和所述第二功率管S2自身的寄生电容；
[0022] 步骤3,设定所述串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素Q，工作频率为f。，根据公式 (3)、（4)、（5)、做分别计算出所述补偿电感Ly、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；
[0027] 步骤4,根据所述电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选 取其阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数；
[0028] 步骤5,根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出所述阻抗匹配装置的工作效率最 高的阻抗匹配网络。
[0029] 作为本发明进一步的改进，步骤4中，若所述电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。 =R〇+jX〇,
[0030] 阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将A1代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值；
[0034]或，
[003引阻抗匹配系数由公式（10)计算得出，将A2代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的电抗值诺电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值诺电抗值为负数，则为容抗，得出 电容值。
[0039] 作为本发明进一步的改进，步骤4中，若所述电磁超声换能器为并联型等效阻抗
，根据公式（13)、（14)先将并联型等效阻抗
转换为串联型等效 阻抗2。=R"+巧。；
[004引再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数Ai，将代入公式巧）、（9)得出X。和的Xb电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电 容值；或，
[004引再根据公式（10)计算出匹配系数^2,将代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。
[0044] 本发明的有益效果为；
[0045] 1、阻抗匹配装置一方面满足了大功率输出，另一方面提高了换能器的换能效率；
[0046] 2、DE类射频功率放大器拓扑电路的简化，减小了大功率阻抗匹配装置的体积，W 适应管道内检测技术对仪器小型化的苛刻要求；
[0047] 3、提出了阻抗匹配装置高效工作的最佳操作频率范围f。，可大幅地提高DE类射频 功率放大器的输出功率，并实现电磁超声换能器能量的高效转化；
[0048] 4、本发明提出的阻抗匹配装置的实现方法可同时获得二至四种阻抗匹配网络，从 而为激励源与电磁超声换能器之间的高性能传输提供多种阻抗匹配网络选择。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明实施例所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置结构示意图。
[0050] 图2为图1中DE类射频功率放大器原理图。
[0051] 图3为图1中阻抗匹配网络的示意图。
[0052] 图4为当电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0053] 图5为又一种当电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0054] 图6为当电磁超声换能器为并联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[00巧]图7为又一种当电磁超声换能器为并联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0056] 图8为电磁超声换能器的并联型等效阻抗Z。转换为串联型等效阻抗Z。的转换方 法不意图。
【具体实施方式】
[0057] 下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0058] 如图1-3所示，本发明实施例的一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信 号源、DE类射频功率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；
[0059]DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管Si与第二功率管S2串联，第一电容Cl 及第二电容C2分别并联在第一功率管S1和第二功率管S2上，在第一功率管和第二功率管 中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，谐振电感Lt的另一端为补 偿电感Ly、负载等效阻抗Z=R与S2的源极构成的回路，串联谐振输出电路的工作频率为 f。；
[0060] 阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；
[0061] 电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z"=R"+jX。或并联型等效阻抗
[0062] 如图4-5所示，若电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z"=R"+巧。，阻抗 匹配网络为：
[0063] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0064] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0065] 如图6-7所示，若电磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗
阻抗匹配网络为：
[0066] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0067]等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[006引其中，串联谐振输出电路的工作频率满足；fi<f。<f2;
[006引其中，
L=Lt+Lx。
[0070] 本发明实施例的一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，包括W下步 骤：
[0071] 步骤1，设定DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z=R，根据电磁超声换能器 的额定功率来确定阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可W得出DE类射频功率放大器 的直流电压V。。；
[0072]
(1)
[0073] 步骤2,根据公式（2)计算出第一功率管Si与第二功率管S,上并联的第一电容Cl 及第二电容C2的值；
[0074]
C2)
[007引其中，Cdss为第一功率管S1和第二功率管S2自身的寄生电容；
[007引步骤3,设定串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素Q足够高，一般选取5-15,W使输 出电流或者输出电压为正弦波，工作频率为f。，根据公式（3)、（4)、巧）、（6)分别计算出补 偿电感Ly、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；
[0081] 步骤4,根据电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选取其 阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数；
[0082] 如图4-5所示的阻抗匹配装置，若电磁超声换能器为串联型等效阻抗2。=1?。+巧。， [008引阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将A1代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值；
[0084]
(7)
[0087]或，
[008引阻抗匹配系数A,由公式（10)计算得出，将A2代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的电抗值诺电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值诺电抗值为负数，则为容抗，得出 电容值。
[0092] 如图6-7所示的阻抗匹装置，若电磁超声换能器为并联型等效阻抗
如 图8所示，根据公式（13)、（14)先将并联型等效阻抗
转换为串联型等效阻抗 Z"=R"+巧。；
[009引再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数Ai，将代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电 容值；或，
[0096] 再根据公式（10)计算出匹配系数^2,将代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。
[0097] 步骤5,最后，根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出阻抗匹配装置的工作效率 最高的阻抗匹配网络。
[0098] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，包括信号源、DE类射频功率 放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器； 所述DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管S1与第二功率管S 2串联，第一电容C i 及第二电容C2分别并联在所述第一功率管S i和所述第二功率管S 2上，在所述第一功率管 和所述第二功率管中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，所述谐 振电感Lt的另一端为补偿电感Lx、负载等效阻抗Z = 1?与S2的源极构成的回路，所述串联 谐振输出电路的工作频率为f。； 所述阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络； 所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。或并联型等效阻抗2. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，若所述电 磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。，所述阻抗匹配网络为： 等效负载阻抗Z与电抗Xa串联，再连接电抗X b和阻抗Z。;或， 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X a和阻抗Z。。3. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，若所述电 磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗，所述阻抗匹配网络为： 等效负载阻抗Z与电抗Xa串联，再连接电抗X b和阻抗Z n;或， 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X a和阻抗Z n。4. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，串联谐振 输出电路的工作频率满足：f\< f。< f 2; 其中，，L =Lt+Lx 〇5. -种如权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤1，设定所述DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z = R，根据所述电磁超声换 能器的额定功率来确定所述阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可以得出所述DE类射 频功率放大器的直流电压V。。；(1) 步骤2,根据公式（2)计算出所述第一功率管51与所述第二功率管S2I并联的第一电 容C1及第二电容C2的值；(2) 其中，Ctjss为所述第一功率管S i和所述第二功率管S 2自身的寄生电容； 步骤3,设定所述串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素 Q，工作频率为f。，根据公式（3)、 (4)、（5)、（6)分别计算出所述补偿电感Lx、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；步骤4,根据所述电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选取其 阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数； 步骤5,根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出所述阻抗匹配装置的工作效率最高的 阻抗匹配网络。6. 根据权利要求5所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，步骤4中，若所述电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。= R。+」_父。， 阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将λ 入公式（8)、（9)得出X JPXb的电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值；或， 阻抗匹配系数λ2由公式（10)计算得出，将λ 2代入公式（11)、（12)，得出X JPX1Ja 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。7. 根据权利要求5所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，步骤4中，若所述电磁超声换能器为并联型等效阻抗'，根据公式（13)、 (14)先将并联型等效阻抗转换为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。；(13) (14) 再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数A1，将A1R入公式（8)、（9)得出Xa和的X b电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值； 或， 再根据公式（10)计算出匹配系数λ 2，将λ2入公式（11)、（12)，得出XJP Xb的电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值。
【专利摘要】本发明公开了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信号源、DE类射频功率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管S1与第二功率管S2串联，第一电容C1及第二电容C2分别并联在S1和S2上，在S1和S2中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，谐振电感Lt另一端为补偿电感Lx、负载等效阻抗Z＝R与S2的源极构成的回路，串联谐振输出电路的工作频率为fo；阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Zo＝Ro+jXo或并联型等效阻抗本发明的有益效果为：实现电磁超声激励源的高性能输出，且能够激励换能器的能量高效转化。
【IPC分类】H03H11/28
【公开号】CN104901650
【申请号】CN201510280132
【发明人】王新华, 王奇之, 周文清, 滕利臣, 张璇
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月27日
【技术领域】
[0001] 本发明设及大功率高频激励源技术领域，具体设及一种大功率高频激励源的阻抗 匹配装置及实现方法，能够实现电磁超声激励源的高性能输出，可应用于埋地钢质管道电 磁超声内检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，管道定期检验主要采用外检测的方式，但是外检测难W发现未融合、夹渣、 气孔及裂纹等焊接缺陷和应力腐蚀微裂纹等微观缺陷，单纯依靠人工巡检和传统外检测方 式并不能保证管道的安全运行，必须实施管道在线内检测。国内外在油气管线内检测方面 做了大量的工作，提出了多种检测技术，其中部分技术已被应用并取得了良好的效果。该些 技术包括；超声检测技术、漏磁检测技术、祸流检测技术、射线检测技术等。然而上述检测 技术在实际应用中存在操作复杂性高、检测精度低、检测效率低等缺点，限制了其在管道内 检测上的进一步推广和应用。埋地钢质管道电磁超声内检测技术相比其他内检测技术，具 有非接触、无需任何禪合剂、不受检测条件限制、检测速度快、能产生各类波形等显著优点， 在直接评估管线的缺陷类型、位置与安全等级等方面更具有独特优势。但电磁超声技术的 特殊工作机制，其换能器的换能效率很低，加之管道复杂的内检测环境，管壁往往附着有石 油、蜡等其它杂物，限制了换能器的换能效率，影响了检测的效果，而提高换能器的工作效 率，需要通过改善大功率高频激励源和高灵敏度检测探头阵列两种途径加W解决。在激励 源研发方面，相关的技术难题尚未得到突破，因此为了使其得到高性能输出，且能够激励换 能器的能量高效转化，需要提出一种能够实现其高性能输出的阻抗匹配网络及其参数计算 方法。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现其高性能输出的阻抗匹配 装置及其实现方法。
[0004] 本发明提供了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信号源、DE类射频功 率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；
[0005]所述DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管Si与第二功率管S2串联，第一电 容Cl及第二电容C2分别并联在所述第一功率管S1和所述第二功率管S2上，在所述第一功 率管和所述第二功率管中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，所 述谐振电感Lt的另一端为补偿电感Ly、负载等效阻抗Z=R与S2的源极构成的回路，所述 串联谐振输出电路的工作频率为f。；
[0006] 所述阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；
[0007] 所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗2。=R"+jX。或并联型等效阻 巧
[0008] 作为本发明进一步的改进，若所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗 2。=R"+jX。，所述阻抗匹配网络为：
[0009] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0010] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0011] 作为本发明进一步的改进，若所述电磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗
，所述阻抗匹配网络为：
[0012] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0013] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0014] 作为本发明进一步的改进，串联谐振输出电路的工作频率满足；fi< fa< f 2;
[00巧]其中，
L= Lt+Lx。
[0016] 本发明还提供了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，包括W下步 骤：
[0017] 步骤1，设定所述DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z=R，根据所述电磁超 声换能器的额定功率来确定所述阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可W得出所述DE 类射频功率放大器的直流电压V。。；
[001 引
（1)
[0019]步骤2,根据公式（2)计算出所述第一功率管Si与所述第二功率管S 2上并联的第 一电容Cl及第二电容C2的值；
[0020]
(2)
[0021] 其中，所述第一功率管Si和所述第二功率管S2自身的寄生电容；
[0022] 步骤3,设定所述串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素Q，工作频率为f。，根据公式 (3)、（4)、（5)、做分别计算出所述补偿电感Ly、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；
[0027] 步骤4,根据所述电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选 取其阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数；
[0028] 步骤5,根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出所述阻抗匹配装置的工作效率最 高的阻抗匹配网络。
[0029] 作为本发明进一步的改进，步骤4中，若所述电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。 =R〇+jX〇,
[0030] 阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将A1代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值；
[0034]或，
[003引阻抗匹配系数由公式（10)计算得出，将A2代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的电抗值诺电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值诺电抗值为负数，则为容抗，得出 电容值。
[0039] 作为本发明进一步的改进，步骤4中，若所述电磁超声换能器为并联型等效阻抗
，根据公式（13)、（14)先将并联型等效阻抗
转换为串联型等效 阻抗2。=R"+巧。；
[004引再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数Ai，将代入公式巧）、（9)得出X。和的Xb电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电 容值；或，
[004引再根据公式（10)计算出匹配系数^2,将代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。
[0044] 本发明的有益效果为；
[0045] 1、阻抗匹配装置一方面满足了大功率输出，另一方面提高了换能器的换能效率；
[0046] 2、DE类射频功率放大器拓扑电路的简化，减小了大功率阻抗匹配装置的体积，W 适应管道内检测技术对仪器小型化的苛刻要求；
[0047] 3、提出了阻抗匹配装置高效工作的最佳操作频率范围f。，可大幅地提高DE类射频 功率放大器的输出功率，并实现电磁超声换能器能量的高效转化；
[0048] 4、本发明提出的阻抗匹配装置的实现方法可同时获得二至四种阻抗匹配网络，从 而为激励源与电磁超声换能器之间的高性能传输提供多种阻抗匹配网络选择。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明实施例所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置结构示意图。
[0050] 图2为图1中DE类射频功率放大器原理图。
[0051] 图3为图1中阻抗匹配网络的示意图。
[0052] 图4为当电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0053] 图5为又一种当电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0054] 图6为当电磁超声换能器为并联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[00巧]图7为又一种当电磁超声换能器为并联型等效阻抗Z。的阻抗匹配网络。
[0056] 图8为电磁超声换能器的并联型等效阻抗Z。转换为串联型等效阻抗Z。的转换方 法不意图。
【具体实施方式】
[0057] 下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0058] 如图1-3所示，本发明实施例的一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信 号源、DE类射频功率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；
[0059]DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管Si与第二功率管S2串联，第一电容Cl 及第二电容C2分别并联在第一功率管S1和第二功率管S2上，在第一功率管和第二功率管 中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，谐振电感Lt的另一端为补 偿电感Ly、负载等效阻抗Z=R与S2的源极构成的回路，串联谐振输出电路的工作频率为 f。；
[0060] 阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；
[0061] 电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z"=R"+jX。或并联型等效阻抗
[0062] 如图4-5所示，若电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z"=R"+巧。，阻抗 匹配网络为：
[0063] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0064] 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[0065] 如图6-7所示，若电磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗
阻抗匹配网络为：
[0066] 等效负载阻抗Z与电抗X。串联，再连接电抗Xb和阻抗Z。;或，
[0067]等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X。和阻抗Z。。
[006引其中，串联谐振输出电路的工作频率满足；fi<f。<f2;
[006引其中，
L=Lt+Lx。
[0070] 本发明实施例的一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，包括W下步 骤：
[0071] 步骤1，设定DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z=R，根据电磁超声换能器 的额定功率来确定阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可W得出DE类射频功率放大器 的直流电压V。。；
[0072]
(1)
[0073] 步骤2,根据公式（2)计算出第一功率管Si与第二功率管S,上并联的第一电容Cl 及第二电容C2的值；
[0074]
C2)
[007引其中，Cdss为第一功率管S1和第二功率管S2自身的寄生电容；
[007引步骤3,设定串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素Q足够高，一般选取5-15,W使输 出电流或者输出电压为正弦波，工作频率为f。，根据公式（3)、（4)、巧）、（6)分别计算出补 偿电感Ly、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；
[0081] 步骤4,根据电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选取其 阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数；
[0082] 如图4-5所示的阻抗匹配装置，若电磁超声换能器为串联型等效阻抗2。=1?。+巧。， [008引阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将A1代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值；
[0084]
(7)
[0087]或，
[008引阻抗匹配系数A,由公式（10)计算得出，将A2代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的电抗值诺电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值诺电抗值为负数，则为容抗，得出 电容值。
[0092] 如图6-7所示的阻抗匹装置，若电磁超声换能器为并联型等效阻抗
如 图8所示，根据公式（13)、（14)先将并联型等效阻抗
转换为串联型等效阻抗 Z"=R"+巧。；
[009引再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数Ai，将代入公式巧）、（9)得出X。和Xb的电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电 容值；或，
[0096] 再根据公式（10)计算出匹配系数^2,将代入公式（11)、（12)，得出X。和Xb的 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。
[0097] 步骤5,最后，根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出阻抗匹配装置的工作效率 最高的阻抗匹配网络。
[0098] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，包括信号源、DE类射频功率 放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器； 所述DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管S1与第二功率管S 2串联，第一电容C i 及第二电容C2分别并联在所述第一功率管S i和所述第二功率管S 2上，在所述第一功率管 和所述第二功率管中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，所述谐 振电感Lt的另一端为补偿电感Lx、负载等效阻抗Z = 1?与S2的源极构成的回路，所述串联 谐振输出电路的工作频率为f。； 所述阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络； 所述电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。或并联型等效阻抗2. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，若所述电 磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。，所述阻抗匹配网络为： 等效负载阻抗Z与电抗Xa串联，再连接电抗X b和阻抗Z。;或， 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X a和阻抗Z。。3. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，若所述电 磁超声换能器的等效阻抗为并联型等效阻抗，所述阻抗匹配网络为： 等效负载阻抗Z与电抗Xa串联，再连接电抗X b和阻抗Z n;或， 等效负载阻抗Z与电抗Xb并联，再连接电抗X a和阻抗Z n。4. 根据权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置，其特征在于，串联谐振 输出电路的工作频率满足：f\< f。< f 2; 其中，，L =Lt+Lx 〇5. -种如权利要求1所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤1，设定所述DE类射频功率放大器的负载等效阻抗为Z = R，根据所述电磁超声换 能器的额定功率来确定所述阻抗匹配装置的输出功率P。，由公式（1)可以得出所述DE类射 频功率放大器的直流电压V。。；(1) 步骤2,根据公式（2)计算出所述第一功率管51与所述第二功率管S2I并联的第一电 容C1及第二电容C2的值；(2) 其中，Ctjss为所述第一功率管S i和所述第二功率管S 2自身的寄生电容； 步骤3,设定所述串联谐振输出电路Lt-Ct的品质因素 Q，工作频率为f。，根据公式（3)、 (4)、（5)、（6)分别计算出所述补偿电感Lx、谐振电感Lt、谐振电容Ct和总电感L的值；步骤4,根据所述电磁超声换能器的说明书选取其阻抗形式为串联型或并联型，选取其 阻抗为感性或容性，计算所选取的阻抗匹配网络的参数； 步骤5,根据计算出的阻抗匹配网络的参数，选出所述阻抗匹配装置的工作效率最高的 阻抗匹配网络。6. 根据权利要求5所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，步骤4中，若所述电磁超声换能器为串联型等效阻抗Z。= R。+」_父。， 阻抗匹配系数A1由公式（7)计算得出，将λ 入公式（8)、（9)得出X JPXb的电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值；或， 阻抗匹配系数λ2由公式（10)计算得出，将λ 2代入公式（11)、（12)，得出X JPX1Ja 电抗值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容 值。7. 根据权利要求5所述的大功率高频激励源的阻抗匹配装置的实现方法，其特征在 于，步骤4中，若所述电磁超声换能器为并联型等效阻抗'，根据公式（13)、 (14)先将并联型等效阻抗转换为串联型等效阻抗Z。= R Λ?Χ。；(13) (14) 再根据公式（7)计算出阻抗匹配系数A1，将A1R入公式（8)、（9)得出Xa和的X b电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值； 或， 再根据公式（10)计算出匹配系数λ 2，将λ2入公式（11)、（12)，得出XJP Xb的电抗 值；若电抗值为正数时，则为感抗，得出电感值；若电抗值为负数，则为容抗，得出电容值。
【专利摘要】本发明公开了一种大功率高频激励源的阻抗匹配装置，包括信号源、DE类射频功率放大器、阻抗匹配网络和电磁超声换能器；DE类射频功率放大器的电路中，第一功率管S1与第二功率管S2串联，第一电容C1及第二电容C2分别并联在S1和S2上，在S1和S2中点处，连接由谐振电容Ct和谐振电感Lt构成的串联谐振电路，谐振电感Lt另一端为补偿电感Lx、负载等效阻抗Z＝R与S2的源极构成的回路，串联谐振输出电路的工作频率为fo；阻抗匹配网络分为串联型阻抗匹配网络或并联型阻抗匹配网络；电磁超声换能器的等效阻抗为串联型等效阻抗Zo＝Ro+jXo或并联型等效阻抗本发明的有益效果为：实现电磁超声激励源的高性能输出，且能够激励换能器的能量高效转化。
【IPC分类】H03H11/28
【公开号】CN104901650
【申请号】CN201510280132
【发明人】王新华, 王奇之, 周文清, 滕利臣, 张璇
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月27日
最新回复(0)