基于磁感應通信的E類放大器設計研究?

王 顥 謝 旭 王宇航

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著水下無線通信網絡的快速發展，磁感應通信以其可靠性和低延遲方面的優勢，逐漸成為國內外學者研究的一個熱點。在磁感應通信系統的研究中，低頻發射機是一個關鍵問題［1］。低頻發射機設計可采用全橋拓撲、D類放大器拓撲及E類放大器拓撲等，從設計成本、設計難度、輸出穩定性等指標綜合評估，采用E類放大器設計小型低頻發射機具有良好前景［2］。文獻［3～5］中，對E類放大器工作原理進行了詳細數學分析，文獻［6］提出了一種推挽結構的E類放大器，同樣能夠像傳統E類放大器一樣實現軟切換且理論效率值能夠達到100%，并且使輸出功率提高到單E類放大器的4倍。將這種推挽結構放大器應用到水下磁感應通信中，對于提高水下磁感應通信的傳輸距離具有重要意義。

2 推挽式E類放大器工作原理與設計分析

2.1 工作原理

推挽式E類放大器的電路結構如圖1所示，兩個單E類放大器組合在一起形成一個推挽式E類放大器。推挽式E類放大器結構包括直流電源UCC、扼流電感 L1、L2、開關管 Q1、開關管 Q2、并聯電容C1、C2、諧振電容Cr和諧振電感Lr組成的濾波電路、負載R。在實際系統中，還可能包含阻抗匹配電路［7～8］。放大器的工作波形如圖2所示，圖2（b）、（c）顯示開關管Q1、Q2交替導通，每個開關管導通時，將與之并聯的電容短路，形成單個E類放大器工作，因此流過負載的電流由兩個單E類放大器提供，同時分擔了諧振峰值電壓。在開關管承受相同的電壓時，使得放大器的負載電流為單E類放大器的2倍，輸出功率為單個E類放大器的4倍。

圖1 推挽E類放大器的電路結構

圖2 推挽E類放大器的工作波形

2.2 設計分析

與常規E類放大器設計思路不同，由于在磁感應通信中，通常使用多匝線圈作為發射天線，阻值較小，電感值較高，為電小天線。繼續使用傳統E類放大器設計，會造成天線兩端電壓值較高，對于開關管的最大電壓和電流承載有較高要求［9～10］。并且負載阻抗較小會導致線路損耗較大，降低系統效率。因此在磁感應通信中的E類放大器設計需兼顧開關管性能要求和阻抗匹配問題。使用推挽結構可以降低對開關管的性能要求。

2.3 放大器參數分析

由于推挽式E類放大器電路結構完全對稱，其設計參數與單E類放大器的設計參數相同，即L1=L2，C1=C2。根據文獻［6］的數學分析，確定直流電源UCC，系統工作頻率f，扼流電感L1、L2，并聯電容C1、C2的值，可得輸出功率為

傳統的開關功放由于開關管導通瞬間電壓、電流很大，致使導通損耗很大，E類放大器通過在開關管兩側并聯合適的電容，實現開關管的ZVS，降低開關管的導通損耗［11～12］。文獻［6］中根據前人工作得出了經驗值β=0.862326。

負載峰值電流Im，負載輸出電流與開關管的相位差φ，參數A和B可由下式得：

2.4 負載阻抗變換分析

針對磁感應通信需求設計的阻抗變換等效電路結構如圖3所示。其中，U1為高頻交流電壓，Lf、Ls分別為變壓器初級電感和次級電感，Rf、Rs分別為變壓器的初級內阻和次級內阻，Cf、CA分別是變壓器初級回路和環天線回路的補償電容。

圖3 阻抗變換電路結構

假設變壓器變比為M，變壓器的等效輸入阻抗為Z=RT+jωLT，在諧振條件下為純阻性。由基爾霍夫定律得：

由式（11）可知，RA越小，Z越大，磁感應通信的環天線的電阻通常較小，大小約幾歐姆。通過以上阻抗變換后，減小了線路損耗，提高了傳輸效率。

3 基于磁感應通信的E類放大器設計與分析

基于磁感應通信的E類放大器系統電路結構如圖4所示。

圖4 基于磁感應通信的E類放大器系統電路結構

3.1 電路參數設計

假設環天線電阻R1=0.47Ω ，電感L1=403μH。設置β的值為0.8，考慮到電感損耗，取品質因數Q=5。放大開關管選用型號為IRF7807的MOS?FET，其耐壓值為30V，最大導通電流為8.3A，導通電阻為25mΩ；直流輸入電壓為5V，系統頻率為15.15kHz。變壓器T1和T2相同，初級電感Lf=72μH，次級電感Ls=3.5μH。計算所得放大器系統電路參數如表1所示。

表1 電路參數

3.2 仿真分析

利用Multisim軟件對基于磁感應通信的E類放大器電路進行仿真。開關管Q1、Q2的工作波形如圖5所示，信號源V2和V3同頻率，相位相差180°，驅動開關管Q1、Q2交替導通，且導通時電位差極小，實現了ZVS軟開關。天線的電流波形如圖6所示，信號波形無失真。

圖5 仿真中開關管的工作波形

圖6 仿真中天線電流波形

計算得，在直流輸入電壓為5V時，天線電流峰值為3.66A，天線輻射功率為3.15W，放大器效率為95.4%。仿真中直流輸入電流為0.66A，可見該放大器為電流型放大器，通過大電流驅動天線工作，避免了電壓型放大器驅動時，大部分電壓加載到天線電抗上，輻射功率較小的問題，提高了磁感應通信系統的總體效率。

基于磁感應通信的E類放大器的頻域響應如圖7所示。放大器的3db帶寬為476Hz，計算得，在14.927kHz時，天線輻射功率為1.63W，系統效率為90%，在15.40kHz時，天線輻射功率為1.62W，系統效率為88%。該放大器可以用在MSK調制的磁感應通信系統中。

圖7 仿真中放大器的頻域響應

3.3 樣機分析

根據設計參數和仿真分析制作試驗樣機如圖8所示。由于元器件功率限制，將限流電阻R2改為5Ω，大幅度減小放大器輸出功率，以保證實驗的安全性。

圖8 放大器樣機

實驗平臺如圖9所示，使用Tektronix AFG5252作為放大器觸發源，兩個40cm直徑50匝線圈作為收發天線，電阻2.2Ω，電感403μH，R&S ESPI3作為磁感應通信接收機。

圖9 磁感應通信實驗平臺

基于磁感應通信的E類放大器在實測中的工作波形如圖10、圖11所示，開關管Q1，Q2交替導通，由于所用的變壓器為手工繞制，與設計電感存在誤差，導致加載到天線兩端的波形存在部分失真現象。

圖10 樣機開關管工作波形

圖11 天線電壓波形

磁感應通信接收端收到的信號強度如圖12所示，可以計算此時發射天線的輻射功率為25mW，效率為60%。逐漸減小限流電阻，增加直流電壓，測得該變壓器極限功率為2W，此時天線的輻射功率為1.45W，系統效率為73%，延長了磁感應通信距離。后續選用耐壓值更高的元器件，可將限流電阻減小，提高輻射功率和系統效率，拓展磁感應通信的有效距離。

圖12 接收端信號強度

4 結語

本文分析了基于磁感應通信的E類放大器設計，并對其進行仿真分析，該放大器的帶寬可達476Hz，滿足MSK調制需求。搭建試驗樣機，并接入磁感應通信系統中進行測試，驗證了設計的可行性。試驗顯示，該放大器能夠以73%的系統效率驅動天線輻射1.45W的功率。后續更換性能更好的元器件，輻射功率和系統效率還可以繼續提高，進一步拓展磁感應通信距離。