一、匹配概述
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输
出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把
换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出
效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流
有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐
作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

二、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载
阻抗。

一般在 D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载 Rl' 上的输出功率表
达式为：
式中， VAm为等效负载上的基波幅度；
vcc 为电源电压； vces 为功放管饱和压降，故
为了保证系统有一定功率余量 ( 因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电
阻都有损耗， po' 需要乘上一个约等于 1． 4— 1． 5 的系数。

即输出功率 po
为1．5Po' ；
从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载 RL’。

目
前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载 RL进行阻抗变换。

由高阻抗变
换为低阻抗。

一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为 n／ m，则输出功率 PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电 VCC为 220V，
VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。

则变压器初级的
Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比
以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕
制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。

它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。

为此，在设计时，应
选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力 Hc 的高饱和材料作铁芯。

一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度 B 的选取
铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm 也愈小。

ΔB 取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。

因此，在
设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。

为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度 B≤Bs／3 为宜，这里 Bs 为磁芯的最大和磁通密度。

2.要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥ 15RL'，其中 RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl 为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁
电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。

3．要考虑“集肤效应”的影响
在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。

这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方
法。

三、调谐匹配
由于压电换能器有静电容Co，磁致伸缩换能器有静电感LO，在换能器谐振
状态时，换能器上的电压 VRL与电流 IRL 间存在着一相位角φ，其输出功率 PO ＝VRLIRLcosφ。

由于φ的存在，输出功率达不到最大值。

只有当φ=0 时，输出功率达最大值。

因此为了使换能器上电压 VRL与电流 IRL 同相 ( φ=0)，则
必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。

对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感 L0 即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容 C0。

压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1．52 所示。

在等效电路图中
式中 R'(f) ，X'(f) 为串联电阻和电抗； R(f) ，G(f) ，B(f) 为并联电阻、电导和电纳。

它们都是频率的函数。

并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图 1-53 ， 1-54 是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1.由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L 串 <L 并
2.并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，
导纳圆图为二个重叠的圆。

3.串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的
输入电阻。

4.从串、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于
串联调谐。

5.目前在功率超声中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能器
负载有短路现象时，因串联调谐有电感串在发生器输出回路中，不会使功
放负载造成完全短路。

在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性负载
为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上串上一小电感可能也有好
处。

前面也曾提到，作为电压开关的 D 类功放，容性负载造成对高次谐波
的短路作用，会给开关带来危险。

但也要注意感性负载会使管子反峰电压
增加。

四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。

式中ω为线圈匝数，Sc 为铁芯有效截面积 (cm2) ；lc 铁芯平均磁路长度 (cm) ；μe铁芯有效磁导率，
式中，μ~铁芯磁导率 ,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1／μ ~,故
所以
由此可见电感 L 与间隙 lg 近似成反比，调节lg 间隙即可调节 LO。

设计电感有以下几个步骤；
(1)按ωs c 选铁芯
式中 V 为输出电压有效值 (V) ；f 为工作频率 (Hz) ；B 为铁芯磁感应强度。

一般选 MXO一 2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2)计算磁芯间隙 lg
(3)确定导线
考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集
肤效应的因素。

当f>10kHz 时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd 的2—10 倍，铜耗 pr 也要比直流铜耗 Pro 增大同样倍数。

令增大倍数为 k，则：Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的 1／k-1来选择。

关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度 B 来表示：
式中，μ 为导线磁导率， r 为导线电导率。

为减少集肤效应的影响，所选导线直径 D 必须小于两倍穿透深度 B，否则采用
扁平线或者高频线。

在功率超声中其频率为 15-40 千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。

匹配电感连续工作8 小时如果温升正常，则表明设计是成功的。