طراحی و ساخت دستگاه تطبیق امپدانس پهن‌باند برای سامانه‌های سوناری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه جامع امام حسین

2 دانشگاه دریایی امام خامنه ای

3 محقق

چکیده

سامانه‌های اولتراسونیک از مبدل‌های کوارتز و سرامیکی برای تولید توان صوتی استفاده می‌کنند. محدودیت اصلی در تولید این توان، ناکافی بودن توان الکتریکی ورودی به‌دلیل ضریب توان کم و امپدانس بالای مبدل است. در این کار یک روش قاعده‌مند برای طراحی شبکه‌های تطبیق امپدانس الکتریکی باند پهن با ارائه یک روش تلفیقی جدید، با کمک ترکیبی از روش موسوم به محاسبه مستقیم فرکانس واقعی (RFDT) و روش CAD برای مبدل‌های اولتراسوند پیزوالکتریک استفاده شده است. فرآیند طراحی و ساخت شامل پنج مرحله کلی است: 1) تعیین مدار معادل مبدل پیزوالکتریک بر اساس میزان ادمیتانس اندازه‌گیری شده در بازه فرکانسی مطلوب و تحت شرایط کاری واقعی با کابل 100 متری و عمق مناسب در یک استخر بدون انعکاس مناسب 2) طراحی مجموعه ای از شبکه‌های تطبیق امپدانس، با استفاده از نمودار اسمیت کامپیوتری با نرم افزار ADS وSMITHCHART.V.4 3) استخراج و اجرای مدل شبیه‌سازی مبدل با تطبیق برای ارزیابی بهره و توان بازگشتی و پهنای باند شبکه‌های تطبیق امپدانس طراحی شده و بررسی اثربخشی رویکرد ارائه‌شده از طریق طراحی، اجرا، و مشخصه‌سازی شبکه‌های تطبیق امپدانس برای مبدل انتشار صوتی پهن‌باند 4) طراحی مدارات جانبی برای هوشمندسازی و انتخاب IMN مناسب؛ 5) ساخت EIMN هوشمند مورد نظر و آزمایش نهایی. نتایج حاصله از این تحقیق، در بهترین حالت تطبیق و شرایط ایده‌آل، در شبیه‌سازی با ADS، 85 دسی‌بل بهبود برای S11 و 26دسی‌بل بهبود برای S21 ارائه می‌نماید. در شرایط کاری و با استفاده از المان‌های اندازه واقعی فیلترها، 58 دسی‌بل بهبود در S11 و 26 دسی‌بل بهبود در S21 بدست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


     Vivek T. Rathod , “A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators and Transducers” mdpa.electronics, 2019
[2] J. Arnold, S. Gonçalves, L. Bravo Roger, S. Mühlen, “Electrical Impedance of Piezoelectric Ceramics under Acoustic Loads” TOEE,uploaded by Francisco J.Arnold on 04 March 2017.
[3] Y. Wang, D. Sun, J. Yong “Design of Broadband Matching Circuit for Underwater Acoustic Communication Transducer”  ISRME 2015
[4] Y. Yang, X. Wei , L. Zhang , W. Yao, “The Effect of Electrical Impedance Matching on the Electromechanical Characteristics ofSandwiched Piezoelectric Ultrasonic Transducers” MDPI, December 2017
 [5]       F. Peisen, C. Bingyan, Z. Changping, Zhou Yan, Z. Ruigen, X. Xiaohui  , G. Yulin, “Characteristics of electrical matching for power piezoelectric transducer” IEEE 2017
[6] J-y. Kiml, S. M.Thajeell, S. Choil, D. Kiml, S. Lee, H. Lee, W. Moon , “Design of Adaptive Matching Circuit for Sonar System” (ITEC) Pohang Univ 2016
[7] Mohammad Alibakhshikenari1*, Bal S. Virdee2, Pancham Shukla2, Chan H. See3,4, Raed A. Abd‑Alhameed5, Francisco Falcone6 & Ernesto Limiti1 “Improved adaptive impedance matching for RF front‑end systems of wireless transceivers” natureresearch 2020.
[8] William bodget "3.5 to 30 MHZ automatic antenna impedance matching system" senior project "electrical engineering  department california" august 2012
[9] Haiying Huang, , and Daniel Paramo “Broadband Electrical Impedance Matching for Piezoelectric Ultrasound Transducers” IEEE 2011.
[10]      S. Lin , J. Xu, “Effect of the Matching Circuit on the Electromechanical Characteristics of Sandwiched Piezoelectric Transducers” MDPI, January 2017
[11]      C. Covaci, A. Gontean, “SPICE Model of a Piezoelectric Transducer” IEEE 2018
[12]      V. Matko, M, Milanoviˇc, “Detection Principles of Temperature Compensated Oscillators with Reactance Influence on Piezoelectric Resonator” MDPI 2020
[13]      Y. CHEN, S. WANG, H. ZHOU, Q. XU, Q. WANG, J. ZHU, “A systematic analysis of the radial resonance frequency spectra of the PZT-based (Zr/Ti = 52/48) piezoceramic thin disks” Journal of Advanced Ceramics 2020
[14]      A. Bybi, H. Drissi, M. Garoum, A. Hladky, “One-Dimensional Electromechanical Equivalent Circuit for Piezoelectric Array Elements” Springer Nature Switzerland AG 2019
 [15]     M. J. Hagmann, “Analysis and equivalent circuit for accurate wideband calculations of the impedance for a piezoelectric transducer having loss” AIP Advances, 2019
[16]      R. Queirós, P. S. Girão, A. C. Serra, “Single-Mode Piezoelectric Ultrasonic Transducer Equivalent Circuit Parameter Calculations and Optimization Using Experimental Data” 2004 , uploaded by Ricardo Queirós on 21 April 2015