專利名稱：一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及阻抗匹配技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在工作狀態(tài)下阻抗發(fā)生變化時的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
阻抗匹配是指負載阻抗與信號源內(nèi)阻抗或傳輸線特性阻抗之間的特定配合關(guān)系。 在信號源給定的情況下，通常需要在負載和信號源之間增加一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)一般采用無源器件(電容、電感)將負載阻抗匹配成信號源內(nèi)阻抗或傳輸線特性阻抗的復(fù)共軛，從而減小負載端的功率反射，使負載上獲得最大的功率，同時還可起到抑制諧波的作用。以下將以壓電陶瓷超聲換能器作為負載示例來說明現(xiàn)有的阻抗匹配方法及其存在問題。壓電陶瓷超聲換能器是一種由壓電陶瓷構(gòu)成的，以壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的器件。近年來，壓電陶瓷超聲換能器在水聲、無損檢測、雷達、地球物理及生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。以高強度聚焦超聲 (High Intensity Focused Ultrasound)治療技術(shù)為例，超聲功率源(即，信號源)通過傳輸線將電功率傳輸至壓電陶瓷超聲換能器，超聲換能器作為電聲轉(zhuǎn)換器件，將電磁波換成聲波，并在體外將聲波聚焦在人體內(nèi)部的病灶處，從而實現(xiàn)體外無創(chuàng)治療。壓電陶瓷超聲換能器由壓電陶瓷表面鍍金屬材料制作而成，其等效電路模型較復(fù)雜，電阻抗也一般為復(fù)阻抗。而功率源源阻抗和傳輸線特性阻抗一般為50歐姆，如直接將壓電陶瓷超聲換能器與傳輸線相連接，勢必在傳輸線末端產(chǎn)生極強的功率反射，使傳輸線中形成駐波，嚴(yán)重時還可能損壞功率源。因此，需要采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對壓電陶瓷超聲換能器和傳輸線進行阻抗匹配。

圖1是采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對壓電陶瓷超聲換能器和傳輸線進行阻抗匹配的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，功率源100產(chǎn)生的電功率通過傳輸線101傳輸，超聲換能器103與傳輸線101之間采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)102進行阻抗匹配，以減小功率反射，提高功率傳輸效率。采用Pi型和T型網(wǎng)絡(luò)的單頻匹配網(wǎng)絡(luò)由于簡單易用而成為大功率應(yīng)用場合下常用的阻抗匹配方法。圖2a和圖2b分別為高強度聚焦超聲應(yīng)用中T型匹配網(wǎng)絡(luò)200和Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)210的電路拓撲結(jié)構(gòu)，其中，204表示超聲功率源，205表示超聲功率源內(nèi)阻抗(簡稱源阻抗)或傳輸線特性阻抗，206表示壓電陶瓷超聲換能器的負載阻抗，201和202表示 T型匹配網(wǎng)絡(luò)200中的電感，203表示T型匹配網(wǎng)絡(luò)200中的電容，207和209表示Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)210中的電容，208表示Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)210中的電感。設(shè)計Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)210和T型匹配網(wǎng)絡(luò)200的關(guān)鍵在于確定電路網(wǎng)絡(luò)中的無源器件(即，電感和電容)的參數(shù)。由于Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)210與T型匹配網(wǎng)絡(luò)200互為對偶電路，所以這里僅以T型網(wǎng)絡(luò)200為例，介紹現(xiàn)有的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。現(xiàn)有T型匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法一般是基于品質(zhì)因數(shù)Q的基礎(chǔ)上的，即首先根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的諧波抑制(濾波)性能要求來確定品質(zhì)因數(shù)Q，再根據(jù)相應(yīng)的計算公式來確定匹配網(wǎng)絡(luò)中電感、電容的值。以下，將源阻抗或傳輸線特性阻抗205記為Rs，將換能器阻抗206記為Z1,將電感 201記為L1,將電感202記為L2,將電容203記為C。匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的任務(wù)就是確定電感Lp 電感L2和電容C的值。常用的基于Q的設(shè)計方法首先選定好Q，使Q彡l/2sqrt(k-l) (k ^ 1)或者 Q彡l/2sqrt(l/k-l)) (k彡1)，其中k = RsZ^R1，R1為壓電陶瓷換能器阻抗206中的電阻，同時如下定義參數(shù)Q1和Q2
權(quán)利要求
1.一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連接在信號源的正極和負載一端的連接點與信號源的負極和負載另一端的連接點之間，包括用于實現(xiàn)阻抗匹配的無源器件，其特征在于，所述無源器件的值使得所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，按照以下步驟確定所述無源器件的值確定信號源內(nèi)阻抗或傳輸線特性阻抗、負載阻抗和負載阻抗的最大變化量； 選擇初始品質(zhì)因數(shù)，并重復(fù)以下步驟，直到得到合適的品質(zhì)因數(shù)為止 判斷當(dāng)前的品質(zhì)因數(shù)是否同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求，如果同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求，則將當(dāng)前的品質(zhì)因數(shù)確定為最終的品質(zhì)因數(shù)，否則執(zhí)行以下步驟 如果諧波抑制性能指標(biāo)不滿足要求，則增大品質(zhì)因數(shù)； 如果穩(wěn)定性指標(biāo)不滿足要求，則減小品質(zhì)因數(shù)； 根據(jù)確定的最終的品質(zhì)因數(shù)來確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的無源器件的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)為負載反射系數(shù)的相角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為T型匹配網(wǎng)絡(luò)或Pi型匹配網(wǎng)絡(luò)。
5 .一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，包括確定信號源內(nèi)阻抗或傳輸線特性阻抗、負載阻抗及其最大變化量； 選擇初始品質(zhì)因數(shù)，并重復(fù)以下步驟，直到得到合適的品質(zhì)因數(shù)為止 判斷當(dāng)前的品質(zhì)因數(shù)是否同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求，如果同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求，則將當(dāng)前的品質(zhì)因數(shù)確定為最終的品質(zhì)因數(shù)，否則執(zhí)行以下步驟 如果諧波抑制性能指標(biāo)不滿足要求，則增大品質(zhì)因數(shù)； 如果穩(wěn)定性指標(biāo)不滿足要求，則減小品質(zhì)因數(shù)； 根據(jù)確定的最終的品質(zhì)因數(shù)來確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的無源器件的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)為負載反射系數(shù)的相角。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為T型匹配網(wǎng)絡(luò)或Pi 型匹配網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的無源器件的值使得所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)同時滿足諧波抑制性能指標(biāo)的要求和阻抗變化時阻抗匹配的穩(wěn)定性指標(biāo)的要求。相應(yīng)地，提供一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法。本發(fā)明綜合考慮壓電陶瓷超聲換能器阻抗變化和諧波抑制性能，從而使得在工作狀態(tài)下負載阻抗發(fā)生變化時仍能保證良好的阻抗匹配效果。
文檔編號H03H7/06GK102457242SQ20101051254
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者王 華, 譚堅文 申請人:重慶融海超聲醫(yī)學(xué)工程研究中心有限公司