一种新型的高频声呐发射机的研制
王雪平 邓锴 吴健波
摘 要： 针对发射机的工作频率和发射功率的要求，设计并实现了一种高频声呐发射机。从基础理论出发，结合功率电路的理论、经验和设计方法，提出一种全新的高频声呐发射机的设计方案。对该声呐发射机进行了水池试验，在工作频率为5 MHz时匹配特定换能器可以满足发射功率要求。
关键词： 高频声呐发射机； 匹配网络； 换能器； 变压器
中图分类号： TN02?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0089?04
Abstract： A high?frequency sonar transmitter was designed and implemented according to the transmitter requirement for the operating frequency and transmitting power. Proceeding from the foundation theory， a new design scheme of the high?frequency sonar transmitter is proposed in combination with the theory， experience and design method of the power circuit. The sonar transmitter was performed with the pool experiment. The sonar transmitter can meet the requirement of the transmitting power， when it is matched with a specific transducer， and its working frequency is 5 MHz.
Keywords： high?frequency sonar transmitter； matching network； transducer； transformer
0 引 言
近年来，随着人类开发和利用海洋的步伐加快，水声技术作为开发海洋最有效的手段之一，对水声设备也提出了更高的要求。现代电子技术的飞速发展，使得设计一种高频、大功率、小体积的高频声呐发射机成为可能。本文介绍的高频声呐发射机其主电路采用全桥逆变结构，开关器件选用开通电荷极小的N沟道MOSFET，配合电流驱动能力足够大的驱动电路，驱动高频变压器工作，变压器输出的电压信号经匹配滤波回路还原为正弦波激励换能器。与换能器匹配联调实验结果证明，该发射机可满足工作频率为5 MHz换能器的功率要求。
1 高频声呐发射机的系统组成
发射机的主要技术指标为：工作频率[f0=5 MHz]，输出功率[PMAX≥70 W]。发射机电路主要由信号发生电路、信号隔离电路、滤波整流电源、信号隔离驱动与功率放大电路、匹配滤波电路等部分组成，电路框图见图1。
图1 发射机的组成框图
其主要特点是：
（1） 功率放大电路中的功率放大器件采用高频NMOS，主电路采用全桥逆变结构，电路的工作效率高。
（2） 功率放大电路将FPGA主板输出的地信号进行功率放大，驱动后级的换能器工作，占空比可调；
（3） 匹配滤波电路可以改善后级负载的阻抗特性，滤除信号的高频杂波，使得换能器获得最佳的输出功率，提高了电能的利用率。
高频声呐发射机的设计与实现有两个关键点：一是功率MOSFET的驱动电路；二是阻抗匹配，能否设计好这两部分电路，成了高频声呐发射机实现的关键问题。本文设计的高频发射机实现的难点是发射频率高，同时水下机载应用要求发射机的体积小、效率高。
1.1 信号隔离电路设计
信号隔离电路主要起信号的隔离作用，避免信号之间的干扰，提高信号的抗干扰能力，在后级电路出现问题时，也能起到保护前级FPGA的作用。
信号隔离电路采用的隔离器件是ADUM1400，ADUM1400采用的是ADI公司的4通道数字隔离器，该隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。该器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。ADUM1400不需要外部驱动器和其他分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，ADUM1400的功耗只有光耦合器的[110～16。]
信号隔离电路如图2所示，ADUM1400隔离器采用5 V电源供电，仅需要在输入信号端连接一个下拉电阻，不需额外的分立器件，即可实现信号的隔离。
1.2 高频驱动电路设计
由于设计的发射机是工作频率为5 MHz的单频发射机，所以必须保证驱动电路有足够的驱动能力可在较短时间将功率MOSFET可靠開通或关闭。传统的功率MOSFET的驱动电路多采用三级管或小功率的NMOS搭建推挽驱动电路，推挽驱动电路能够提供足够的驱动电流，但是其上升时间和下降时间较长，且电路结构复杂，不易实现[1]。
本设计选用的驱动芯片是UCC27211驱动器，该驱动器基于常见UCC27200驱动器，对性能进行改进。其主要的工作指标[2]为：
（1） 可输出高边和低边两路驱动信号；
（2） 4 A吸收电流，4 A源输出电流；
（3） 7.2 ns上升时间，5.5 ns下降时间；
（4） 上拉和下拉电阻为0.9 Ω。
采用UCC27211驱动器设计的驱动电路非常简单，由于在芯片上集成了一个额定电压为120 V的自举二极管，因此无需采用外部分立式二极管，仅仅需要提供去耦电容和储能电容。驱动电路的电路图如图3所示，与栅极电阻并联的二极管为功率MOSFET的电容放电提供一个低阻抗泄放通路[3]。
本设计采用功率MOSFET，其栅极电荷[Qg-typ=][3.3 nC，]为了控制功率MOSFET在高频开关过程中产生的开关损耗，应满足 [ton≤10 ]ns，估计所需的平均开关电流，[Iav=Qgton=3.3 nC10 ns>0.33 A。]考虑到功率MOSFET的栅射极是容性结构，需要栅极电阻抑制回路中的寄生电感在驱动脉冲作用下产生的振荡，栅极电阻的阻值过大将使开关电流减小，开关时间和开关损耗增加，其阻值过小则难抑制振荡，本设计结合实验方式确定栅极电阻的阻值，以保证在平均开关电流大于0.33 A的同时驱动回路的振荡尽可能的小[3]。
发射机工作时，驱动回路存在的寄生电感在高速开关过程中产生的电压瞬变、栅极电阻不能完全抑制，仍会耦合到其他电路产生噪声干扰，当开关频率为5 MHz时，噪声干扰更为严重。为减小寄生电感产生的噪声，必须减小驱动回路寄生电感，一个布局良好的电路可有效地减小驱动回路的面积，从而减小回路的寄生电感[4]。本设计选用的驱动片和功率MOSFET封装和引脚顺序有利于减小驱动回路的面积，布局图见图4，驱动电路和功率MOSFET紧密连接，几乎所有的走线都可直接相连，其中阴影部分A1和A2 分别是同一桥臂的上管和下管的驱动回路所包围的面积。
1.3 功率放大电路设计
由于该发射机系统应用于水下，所以必须保证系统的高效性。传统的水声发射机功率放大器主要有AB类放大器和D类放大器，本设计采用的功率放大电路为全桥逆变结构D类放大器，由于电路开关频率很高，所以必须选择开关速度很高的功率放大器件[5]，Vishay公司产品双N沟道的MOSFET SIS990DN[6]就是一种开关时间可达10 ns以下的高速功率器件，而且器件里封装了两个N沟道的MOSFET，漏源极之间可承受高达100 V的电压，所以工作电源可有多种选择，建议最大的工作电源为48 V。SIS990DN的总门极电荷[Qg]仅有3.3 nC，且导通电阻仅[85 mΩ，]不仅易于驱动，也易于降低开关损耗和导通损耗，提高电源的转换效率。
变压器都有一定的工作效率，功率放大电路所需的输出功率直接利用换能器的功率除以变压器效率[η变]得到[7]，计算公式如下：
[P功放=P换η变]
假设发射机系统变压器的工作效率为50%，变压器输出的有效功率为70 W，可算得功率放大电路的最小输出功率为140 W。根据最坏情况估算，当环境温度[TC=70]℃，SIS990DN的最大电流[ID=9.7]A，那么[P功放=ID×UDS=140 ]W，可算得功率放大电路的工作电压[UDS≥14.4 ]V，即可满足功率要求。
2 匹配网络设计
为了保证高效地将发射电功率传输到换能器上，需要进行负载匹配，由于发射机采用的是D类开关功放，换能器匹配除了起调谐匹配、阻抗匹配作用外，还起滤波作用[8]。发射机中的匹配有调谐匹配和阻抗匹配，调谐匹配是指采用外加的阻抗元件与负载的电抗成分相互抵稍，使等效负载整体趋于纯阻态，以减少功传输过程中的无功成分。阻抗匹配主要利用变压器完成，变压器具有阻抗变换的作用，能够变换换能器的有功电阻，使系统满足最大功率传输。
本设计中声呐发射机系统的负载是单频工作的压电式水声换能器，阻抗分析仪测试换能器在频率为5 MHz时换能器的等效电路如图5所示，可以等效为一个电感和一个电阻并联。
2.1 调谐匹配
调谐匹配有串联匹配和并联匹配，其主要的思想是通路增加电容或电感使电路谐振，呈纯阻性。串联匹配和并联匹配主要应用于发射信号为单频或信号或带宽较窄的场合。
本设计中声呐换能器为感性负载，可以通过并联或串联电容来调节换能器的阻抗，将等效负载调节至纯阻状态。并联匹配如图5（b）所示，当并联电容满足[C=1ω2SL1]时，等效电路就可以达到谐振，谐振部分相当于开路，此时，等效电路中仅剩下有功电阻[R1，]无功损耗减少，功率传输增大。串联匹配如图5（c）所示，进行串联匹配后，系统的输入阻抗为：
综上所述，通过串联匹配和并联匹配对比，可以发现：
（1） 串联匹配比并联匹配所需电容的容值大；
（2） 虽然串联匹配比并联匹配具有更小的等效电阻，在激励不变的情况下可增大功率传输。但是发射机工作在高频状态下，并联匹配可在换能器端更易得到高的等效电压。
声呐发射机工作在5 MHz时，等效电阻大更易进行阻抗匹配，输出更高的等效电压，所以本设计采用并联匹配。
2.2 阻抗匹配
阻抗匹配是采用变压器改变换能器的有功电阻，使其与功放的输出电阻接近或相等，以达到最佳功率传输匹配，使换能器获得最大输出功率。
变压器的参数主要有线圈匝比及初次级的线圈匝数。下面对这两个参数的计算进行简要讨论，[Un1]为变压器初級匝数，[Un2]为变压器次级匝数。[fs]为变压器的工作频率，[VDS]为功率MOSFET管压降，[P]为变压器输出功率，[R1]为换能器的等效电阻。
线圈匝比的计算过程如下[8]：
（1） 初级电压：[Un1；]
（2） 次级电压：[Un2，]由功率公式[P=U2n2R1，可得][Un2=][R1×P；]
（3） 线圈的匝比[n=Un1Un2。]
考虑到变压器的损耗及功放管的效率，实际的匝比为理论的[11.5，]所以确定线圈的最终匝比为[ns=n×11.5]。
已知匝数比，只要计算出初级线圈的匝数，次级线圈的匝数也就确定了。[N1]为初级线圈匝数，[N2]为次级线圈匝数，把负载[R1]等效到变压器的初级，等效阻抗为[n2sRL]。[L]为变压器初级的电感，在变压器的初级电路中，理论上变压器初级的感抗应远远大于等效阻抗，即[ωsL?n2sRL，]一般取[ωsL≥10n2sRL。]因此，可以计算出初级线圈的电感量：
[L≥10n2sRLωs] （4）
计算得知变压器的最小初级电感量，可通过绕线后测量初级电感的方式最终确定初级和次级的匝数。
3 水池实验结果分析
为了检验发射机在实际工作环境中的运行效果，测试发射机系统的工作性能及各种工作参数，进行了水池试验。在频率为5 MHz时，阻抗分析仪测得换能器的阻抗为8 Ω。
隔离电路输出的两个驱动波形如图6所示，从图6可以清晰地看出驱动波形仍然为状态良好的方波，表明驱动信号实现隔离的同时没有失真，实现了抗干扰的功能，而且两个驱动信号之间保留一定的死区时间。驱动电路输出的高端和低端驱动信号如图7所示，尽管驱动信号的波形有毛刺分布，但仍是状态良好的方波，电路设计采取的抑制振荡措施效果显著。
变压器输出的电压和电流波形（电压波形为单边波形，图中幅值幅度小的为电压波形）如图8所示，从图8中可以看出电压信号和电流的相位基本一致，采用并联电容进行的谐振匹配将换能器调节至近似纯阻状态，提高了电能的利用率。采用示波器的数学功能计算变压器的输出功率（有效功率），输出的功率[PMAX≥70] W，满足该发射机的最大发射功率要求。
4 结 语
水池实验证明，这种新型的高频发射机系统具有体积小、抗干扰性强的特点，适合在水下测流测速系统中使用，制作并成功调试了硬件电路，最后进行了水池测试实验，对发射机的可靠性及工作性能都进行了测试。给出了发射机关键参数的测量结果，实验结果表明，这种新型的高频发射机系统设计正确，工作可靠，可应用于水下测流测速系统中。
参考文献
[1] 綦慧，郝亚川.电动汽车功率驱动单元设计[J].计算机测量与控制，2008，16（11）：1594?1595.
[2] Texas Instruments. UCC27200 datasheet [EB/OL]. [2011?10?13]. http：//www.ic37.com/TI/UCC27200_datasheet_5907084/.
[3] 车平，覃桂科，葉健.高频大功率脉宽调制声呐发射机的研制[J].声学与电子工程，2006（2）：36?38.
[4] 崔景霖，刘晓科，耿志祥，等.一体化脉冲式半导体激光器驱动电路及其布局[J].探测与控制学报，2012，34（5）：5?10.
[5] 严孝海.高频声呐发射机的研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.
[6] VISHAY. SIS900DN datasheet [EB/OL]. [2013?06?21]. http：//www.vishay.com/product？docid=62903.
[7] 黄熠，黄建国，景连友.一种小型高效水声发射机的设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，19（6）：1438?1441.
[8] 俞宏沛，袁崇尧.换能器与发射机的阻抗匹配[J].声学技术，1991（1）：22?29.
摘 要： 针对发射机的工作频率和发射功率的要求，设计并实现了一种高频声呐发射机。从基础理论出发，结合功率电路的理论、经验和设计方法，提出一种全新的高频声呐发射机的设计方案。对该声呐发射机进行了水池试验，在工作频率为5 MHz时匹配特定换能器可以满足发射功率要求。
关键词： 高频声呐发射机； 匹配网络； 换能器； 变压器
中图分类号： TN02?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0089?04
Abstract： A high?frequency sonar transmitter was designed and implemented according to the transmitter requirement for the operating frequency and transmitting power. Proceeding from the foundation theory， a new design scheme of the high?frequency sonar transmitter is proposed in combination with the theory， experience and design method of the power circuit. The sonar transmitter was performed with the pool experiment. The sonar transmitter can meet the requirement of the transmitting power， when it is matched with a specific transducer， and its working frequency is 5 MHz.
Keywords： high?frequency sonar transmitter； matching network； transducer； transformer
0 引 言
近年来，随着人类开发和利用海洋的步伐加快，水声技术作为开发海洋最有效的手段之一，对水声设备也提出了更高的要求。现代电子技术的飞速发展，使得设计一种高频、大功率、小体积的高频声呐发射机成为可能。本文介绍的高频声呐发射机其主电路采用全桥逆变结构，开关器件选用开通电荷极小的N沟道MOSFET，配合电流驱动能力足够大的驱动电路，驱动高频变压器工作，变压器输出的电压信号经匹配滤波回路还原为正弦波激励换能器。与换能器匹配联调实验结果证明，该发射机可满足工作频率为5 MHz换能器的功率要求。
1 高频声呐发射机的系统组成
发射机的主要技术指标为：工作频率[f0=5 MHz]，输出功率[PMAX≥70 W]。发射机电路主要由信号发生电路、信号隔离电路、滤波整流电源、信号隔离驱动与功率放大电路、匹配滤波电路等部分组成，电路框图见图1。
图1 发射机的组成框图
其主要特点是：
（1） 功率放大电路中的功率放大器件采用高频NMOS，主电路采用全桥逆变结构，电路的工作效率高。
（2） 功率放大电路将FPGA主板输出的地信号进行功率放大，驱动后级的换能器工作，占空比可调；
（3） 匹配滤波电路可以改善后级负载的阻抗特性，滤除信号的高频杂波，使得换能器获得最佳的输出功率，提高了电能的利用率。
高频声呐发射机的设计与实现有两个关键点：一是功率MOSFET的驱动电路；二是阻抗匹配，能否设计好这两部分电路，成了高频声呐发射机实现的关键问题。本文设计的高频发射机实现的难点是发射频率高，同时水下机载应用要求发射机的体积小、效率高。
1.1 信号隔离电路设计
信号隔离电路主要起信号的隔离作用，避免信号之间的干扰，提高信号的抗干扰能力，在后级电路出现问题时，也能起到保护前级FPGA的作用。
信号隔离电路采用的隔离器件是ADUM1400，ADUM1400采用的是ADI公司的4通道数字隔离器，该隔离器件将高速CMOS与单芯片空芯变压器技术融为一体，具有优于光耦合器等替代器件的出色性能特征。该器件不用LED和光电二极管，因而不存在一般与光耦合器相关的设计困难。简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征可消除光耦合器通常具有的电流传输比不确定、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。ADUM1400不需要外部驱动器和其他分立器件。此外，在信号数据速率相当的情况下，ADUM1400的功耗只有光耦合器的[110～16。]
信号隔离电路如图2所示，ADUM1400隔离器采用5 V电源供电，仅需要在输入信号端连接一个下拉电阻，不需额外的分立器件，即可实现信号的隔离。
1.2 高频驱动电路设计
由于设计的发射机是工作频率为5 MHz的单频发射机，所以必须保证驱动电路有足够的驱动能力可在较短时间将功率MOSFET可靠開通或关闭。传统的功率MOSFET的驱动电路多采用三级管或小功率的NMOS搭建推挽驱动电路，推挽驱动电路能够提供足够的驱动电流，但是其上升时间和下降时间较长，且电路结构复杂，不易实现[1]。
本设计选用的驱动芯片是UCC27211驱动器，该驱动器基于常见UCC27200驱动器，对性能进行改进。其主要的工作指标[2]为：
（1） 可输出高边和低边两路驱动信号；
（2） 4 A吸收电流，4 A源输出电流；
（3） 7.2 ns上升时间，5.5 ns下降时间；
（4） 上拉和下拉电阻为0.9 Ω。
采用UCC27211驱动器设计的驱动电路非常简单，由于在芯片上集成了一个额定电压为120 V的自举二极管，因此无需采用外部分立式二极管，仅仅需要提供去耦电容和储能电容。驱动电路的电路图如图3所示，与栅极电阻并联的二极管为功率MOSFET的电容放电提供一个低阻抗泄放通路[3]。
本设计采用功率MOSFET，其栅极电荷[Qg-typ=][3.3 nC，]为了控制功率MOSFET在高频开关过程中产生的开关损耗，应满足 [ton≤10 ]ns，估计所需的平均开关电流，[Iav=Qgton=3.3 nC10 ns>0.33 A。]考虑到功率MOSFET的栅射极是容性结构，需要栅极电阻抑制回路中的寄生电感在驱动脉冲作用下产生的振荡，栅极电阻的阻值过大将使开关电流减小，开关时间和开关损耗增加，其阻值过小则难抑制振荡，本设计结合实验方式确定栅极电阻的阻值，以保证在平均开关电流大于0.33 A的同时驱动回路的振荡尽可能的小[3]。
发射机工作时，驱动回路存在的寄生电感在高速开关过程中产生的电压瞬变、栅极电阻不能完全抑制，仍会耦合到其他电路产生噪声干扰，当开关频率为5 MHz时，噪声干扰更为严重。为减小寄生电感产生的噪声，必须减小驱动回路寄生电感，一个布局良好的电路可有效地减小驱动回路的面积，从而减小回路的寄生电感[4]。本设计选用的驱动片和功率MOSFET封装和引脚顺序有利于减小驱动回路的面积，布局图见图4，驱动电路和功率MOSFET紧密连接，几乎所有的走线都可直接相连，其中阴影部分A1和A2 分别是同一桥臂的上管和下管的驱动回路所包围的面积。
1.3 功率放大电路设计
由于该发射机系统应用于水下，所以必须保证系统的高效性。传统的水声发射机功率放大器主要有AB类放大器和D类放大器，本设计采用的功率放大电路为全桥逆变结构D类放大器，由于电路开关频率很高，所以必须选择开关速度很高的功率放大器件[5]，Vishay公司产品双N沟道的MOSFET SIS990DN[6]就是一种开关时间可达10 ns以下的高速功率器件，而且器件里封装了两个N沟道的MOSFET，漏源极之间可承受高达100 V的电压，所以工作电源可有多种选择，建议最大的工作电源为48 V。SIS990DN的总门极电荷[Qg]仅有3.3 nC，且导通电阻仅[85 mΩ，]不仅易于驱动，也易于降低开关损耗和导通损耗，提高电源的转换效率。
变压器都有一定的工作效率，功率放大电路所需的输出功率直接利用换能器的功率除以变压器效率[η变]得到[7]，计算公式如下：
[P功放=P换η变]
假设发射机系统变压器的工作效率为50%，变压器输出的有效功率为70 W，可算得功率放大电路的最小输出功率为140 W。根据最坏情况估算，当环境温度[TC=70]℃，SIS990DN的最大电流[ID=9.7]A，那么[P功放=ID×UDS=140 ]W，可算得功率放大电路的工作电压[UDS≥14.4 ]V，即可满足功率要求。
2 匹配网络设计
为了保证高效地将发射电功率传输到换能器上，需要进行负载匹配，由于发射机采用的是D类开关功放，换能器匹配除了起调谐匹配、阻抗匹配作用外，还起滤波作用[8]。发射机中的匹配有调谐匹配和阻抗匹配，调谐匹配是指采用外加的阻抗元件与负载的电抗成分相互抵稍，使等效负载整体趋于纯阻态，以减少功传输过程中的无功成分。阻抗匹配主要利用变压器完成，变压器具有阻抗变换的作用，能够变换换能器的有功电阻，使系统满足最大功率传输。
本设计中声呐发射机系统的负载是单频工作的压电式水声换能器，阻抗分析仪测试换能器在频率为5 MHz时换能器的等效电路如图5所示，可以等效为一个电感和一个电阻并联。
2.1 调谐匹配
调谐匹配有串联匹配和并联匹配，其主要的思想是通路增加电容或电感使电路谐振，呈纯阻性。串联匹配和并联匹配主要应用于发射信号为单频或信号或带宽较窄的场合。
本设计中声呐换能器为感性负载，可以通过并联或串联电容来调节换能器的阻抗，将等效负载调节至纯阻状态。并联匹配如图5（b）所示，当并联电容满足[C=1ω2SL1]时，等效电路就可以达到谐振，谐振部分相当于开路，此时，等效电路中仅剩下有功电阻[R1，]无功损耗减少，功率传输增大。串联匹配如图5（c）所示，进行串联匹配后，系统的输入阻抗为：
综上所述，通过串联匹配和并联匹配对比，可以发现：
（1） 串联匹配比并联匹配所需电容的容值大；
（2） 虽然串联匹配比并联匹配具有更小的等效电阻，在激励不变的情况下可增大功率传输。但是发射机工作在高频状态下，并联匹配可在换能器端更易得到高的等效电压。
声呐发射机工作在5 MHz时，等效电阻大更易进行阻抗匹配，输出更高的等效电压，所以本设计采用并联匹配。
2.2 阻抗匹配
阻抗匹配是采用变压器改变换能器的有功电阻，使其与功放的输出电阻接近或相等，以达到最佳功率传输匹配，使换能器获得最大输出功率。
变压器的参数主要有线圈匝比及初次级的线圈匝数。下面对这两个参数的计算进行简要讨论，[Un1]为变压器初級匝数，[Un2]为变压器次级匝数。[fs]为变压器的工作频率，[VDS]为功率MOSFET管压降，[P]为变压器输出功率，[R1]为换能器的等效电阻。
线圈匝比的计算过程如下[8]：
（1） 初级电压：[Un1；]
（2） 次级电压：[Un2，]由功率公式[P=U2n2R1，可得][Un2=][R1×P；]
（3） 线圈的匝比[n=Un1Un2。]
考虑到变压器的损耗及功放管的效率，实际的匝比为理论的[11.5，]所以确定线圈的最终匝比为[ns=n×11.5]。
已知匝数比，只要计算出初级线圈的匝数，次级线圈的匝数也就确定了。[N1]为初级线圈匝数，[N2]为次级线圈匝数，把负载[R1]等效到变压器的初级，等效阻抗为[n2sRL]。[L]为变压器初级的电感，在变压器的初级电路中，理论上变压器初级的感抗应远远大于等效阻抗，即[ωsL?n2sRL，]一般取[ωsL≥10n2sRL。]因此，可以计算出初级线圈的电感量：
[L≥10n2sRLωs] （4）
计算得知变压器的最小初级电感量，可通过绕线后测量初级电感的方式最终确定初级和次级的匝数。
3 水池实验结果分析
为了检验发射机在实际工作环境中的运行效果，测试发射机系统的工作性能及各种工作参数，进行了水池试验。在频率为5 MHz时，阻抗分析仪测得换能器的阻抗为8 Ω。
隔离电路输出的两个驱动波形如图6所示，从图6可以清晰地看出驱动波形仍然为状态良好的方波，表明驱动信号实现隔离的同时没有失真，实现了抗干扰的功能，而且两个驱动信号之间保留一定的死区时间。驱动电路输出的高端和低端驱动信号如图7所示，尽管驱动信号的波形有毛刺分布，但仍是状态良好的方波，电路设计采取的抑制振荡措施效果显著。
变压器输出的电压和电流波形（电压波形为单边波形，图中幅值幅度小的为电压波形）如图8所示，从图8中可以看出电压信号和电流的相位基本一致，采用并联电容进行的谐振匹配将换能器调节至近似纯阻状态，提高了电能的利用率。采用示波器的数学功能计算变压器的输出功率（有效功率），输出的功率[PMAX≥70] W，满足该发射机的最大发射功率要求。
4 结 语
水池实验证明，这种新型的高频发射机系统具有体积小、抗干扰性强的特点，适合在水下测流测速系统中使用，制作并成功调试了硬件电路，最后进行了水池测试实验，对发射机的可靠性及工作性能都进行了测试。给出了发射机关键参数的测量结果，实验结果表明，这种新型的高频发射机系统设计正确，工作可靠，可应用于水下测流测速系统中。
参考文献
[1] 綦慧，郝亚川.电动汽车功率驱动单元设计[J].计算机测量与控制，2008，16（11）：1594?1595.
[2] Texas Instruments. UCC27200 datasheet [EB/OL]. [2011?10?13]. http：//www.ic37.com/TI/UCC27200_datasheet_5907084/.
[3] 车平，覃桂科，葉健.高频大功率脉宽调制声呐发射机的研制[J].声学与电子工程，2006（2）：36?38.
[4] 崔景霖，刘晓科，耿志祥，等.一体化脉冲式半导体激光器驱动电路及其布局[J].探测与控制学报，2012，34（5）：5?10.
[5] 严孝海.高频声呐发射机的研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.
[6] VISHAY. SIS900DN datasheet [EB/OL]. [2013?06?21]. http：//www.vishay.com/product？docid=62903.
[7] 黄熠，黄建国，景连友.一种小型高效水声发射机的设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，19（6）：1438?1441.
[8] 俞宏沛，袁崇尧.换能器与发射机的阻抗匹配[J].声学技术，1991（1）：22?29.
