Design and Implementation of a Class-D Amplifier and Impedance Matching for Underwater Acoustic Transmissions

Underwater acoustic communication is a critical technology for a wide range of applications, including environmental monitoring, resource exploration, and military operations. Acoustic modems, which convert digital data into sound waves for transmission through water, are fundamental to these systems. However, a significant challenge lies in the efficient amplification of signals driving piezoelectric transducers. These transducers, essential for converting electrical signals into acoustic waves, present a highly reactive and frequency-dependent impedance, which can severely limit the performance of traditional power amplifiers. This thesis addresses the critical issue of power efficiency and impedance matching in underwater acoustic modems. The primary goal is to replace the conventional Class-AB amplifier, often characterized by low efficiency and high thermal dissipation when driving reactive loads, with a more advanced and efficient solution. The proposed approach involves the design and implementation of a high-efficiency Class-D power amplifier coupled with a custom impedance matching network. Class-D amplifiers operate transistors as switches, theoretically achieving up to 100% efficiency and making them ideal for power-intensive applications. The design process begins with the characterization of the piezoelectric transducer using the Butterworth-Van Dyke (BVD) equivalent circuit model to accurately represent its electrical behaviour. Subsequently, an L-C impedance matching network is designed with a dual purpose: first, to transform the transducer's complex impedance into an optimal, purely resistive load for the amplifier, thereby ensuring maximum power transfer; second, to serve as a low-pass filter that reconstructs the analog signal from the amplifier's Pulse-Width Modulated (PWM) output, removing high-frequency switching harmonics. The designed system was validated through simulation and experimental testing. The results demonstrate a significant improvement in overall performance, with the Class-D amplifier delivering higher power to the load with minimal heat generation. The matching network proved effective in achieving the target resistive impedance at the 25 kHz operating frequency, providing a stable frequency response and a usable bandwidth suitable for narrowband acoustic communication. This work confirms that the integrated design of a Class-D amplifier and a tailored impedance matching network offers a robust and efficient solution to enhance the transmission capabilities of underwater acoustic modems.

La comunicazione acustica subacquea rappresenta una tecnologia di importanza cruciale per un’ampia gamma di applicazioni, che spaziano dal monitoraggio ambientale all’esplorazione di risorse, fino alle operazioni in ambito militare. I modem acustici, dispositivi che convertono dati digitali in onde sonore per la trasmissione attraverso l’acqua, costituiscono l’elemento fondamentale di tali sistemi. Tuttavia, una delle principali criticità risiede nell’amplificazione efficiente dei segnali destinati a pilota re i trasduttori piezoelettrici. Questi ultimi, essenziali per la conversione dei segnali elettrici in onde acustiche, presentano un’impedenza fortemente reattiva e dipendente dalla frequenza, che può compromettere significativamente le prestazioni degli a mplificatori di potenza tradizionali. La presente tesi affronta il problema cruciale dell’efficienza di potenza e dell’adattamento d’impedenza nei modem acustici subacquei. L’obiettivo principale consiste nel sostituire il convenzionale amplificatore in Classe AB – tipicamente caratterizzato da bassa efficienza e da elevata dissipazione termica nel pilotaggio di carichi reattivi – con una soluzione più avanzata ed efficiente. L’approccio proposto prevede la progettazione e realizzazione di un amplificatore di potenza in Classe D ad alta efficienza, accoppiato a una rete di adattamento d’impedenza dedicata. Gli amplificatori in Classe D gestiscono i transistor come interruttori, raggiungendo teoricamente un’efficienza prossima al 100%, e risultano pertanto id eali per applicazioni che richiedono un’elevata potenza con ridotte perdite energetiche. Il processo progettuale ha inizio con la caratterizzazione del trasduttore piezoelettrico mediante il modello equivalente di Butterworth–Van Dyke (BVD) , che ne descrive accuratamente il comportamento elettrico. Successivamente, è stata sviluppata una rete di adattamento d’impedenza L–C con duplice funzione: da un lato trasformare l’impedenza complessa del trasduttore in un carico puramente resistivo ottim ale per l’ampli ficatore, garantendo il massimo trasferimento di potenza; dall’altro agire come filtro passa-basso per la ricostruzione del segnale analogico dall’uscita Pulse- Width Modulated (PWM) dell’amplificatore, eliminando le armoniche di commutazione ad alta frequenza. Il sistema progettato è stato validato attraverso simulazioni e prove sperimentali. I risultati ottenuti evidenziano un significativo miglioramento delle prestazioni complessive: l’amplificatore in Classe D è in grado di erogare maggiore potenza al carico con minima generazione di calore, mentre la rete di adattamento si è dimostrata efficace nel raggiungere l’impedenza resistiva desiderata alla frequenza operativa di 25 kHz, garantendo una risposta in frequenza stabile e una banda passante ade guata alla comunicazione acustica strettamente banda-limitata. Questo lavoro conferma che l’integrazione tra un amplificatore in Classe D e una rete di adattamento d’impedenza appositamente progettata rappresenta una soluzione solida ed efficiente per migl iorare le capacità di trasmissione dei modem acustici subacquei.