相控阵超声换能器高压发射电源的波束形成控制
相控阵超声技术通过电子控制阵列中各个阵元的发射延迟，实现超声波束的偏转、聚焦和扫描，在工业无损检测和医学超声成像领域具有革命性优势。其核心发射链路由高压脉冲电源驱动，但与传统的单晶片探头只需单一高压脉冲不同，相控阵系统对高压发射电源提出了关于时序、波形一致性与多通道协同的精细要求，这些要求直接服务于波束形成的物理本质。
波束形成的核心是时间延迟。为了在空间中某点形成聚焦或使波束偏转特定角度，需要精确控制激发每个阵元的高压脉冲的相对延迟时间。这个延迟量通常在纳秒到微秒量级，其精度直接决定了聚焦点的锐利度和偏转方向的准确性。因此，为每个阵元供电的高压脉冲发生器（通常是集成在探头内部或邻近的微型模块），其触发信号必须由一个高精度、低抖动的数字延迟发生器统一提供。延迟的抖动必须远小于超声波的周期（对于兆赫兹频率，周期为微秒量级，因此抖动需在纳秒甚至亚纳秒级），否则波前相干性会被破坏，导致旁瓣电平升高、主瓣展宽、成像对比度下降。这就要求控制高压开关（如MOSFET）的驱动电路具有极高的时序稳定性和抗干扰能力。
除了延迟，各通道发射脉冲波形的一致性同样至关重要。理想的波束形成要求所有阵元激发出的超声波波形（幅度、相位、频率）完全相同。这首先要求施加在每个阵元上的高压脉冲的幅度和形状高度一致。高压脉冲通常由电容通过开关对压电晶片放电产生，其幅度由充电电压决定，形状由回路参数（电容、电感、电阻）决定。因此，各通道的充电电压需要精密匹配和稳定，充电电压的源（通常是高压直流电源）需具有极低的纹波和漂移。各放电回路的参数，包括开关导通电阻、PCB走线电感、连接线参数乃至压电晶片本身的电容容差，都必须尽可能一致。在实际设计中，常采用模块化设计，每个通道使用完全相同的电路布局和元件，并通过微调元件（如可调电容或电阻）或在数字域进行幅度补偿来校正微小差异。
脉冲宽度与频率也是波束控制的可调参数。通过改变发射脉冲的宽度（即所含周期数），可以权衡探测深度与轴向分辨率。通过调节脉冲的基波频率（通常通过改变放电回路的阻尼特性或使用多周期方波调制实现），可以适应不同材料的声学特性。高压电源需要能灵活产生不同宽度和频率包络的脉冲，这通常通过控制开关的导通时间序列来实现。在更先进的编码发射技术中，可能需要发射复杂的调制脉冲（如线性调频脉冲），这对高压开关的响应速度和电源的波形合成能力提出了更高要求。
多通道高压电源的集成带来了散热和电磁干扰的挑战。数十甚至上百个紧密排列的高压脉冲通道同时工作，会产生可观的瞬时功率和热量。热设计必须确保各通道温度均衡，防止因温升差异导致电路参数漂移，破坏波形一致性。同时，高速高压脉冲会产生强烈的电磁干扰，通道间的串扰会直接影响延迟精度和波形纯度。这要求电源模块采用严格的屏蔽、隔离和接地设计：每个通道尽可能独立屏蔽；电源线与信号线正交走线；采用大面积接地层；甚至在高压输出端使用共模扼流圈来抑制共模噪声。
系统级的控制架构也影响着波束形成的灵活性。早期系统采用集中式高压脉冲发生器，通过长电缆连接各阵元，但电缆延迟和损耗难以精确控制。现代趋势是将高压脉冲发生器微型化并尽可能靠近阵元集成，通过低压数字总线（如LVDS）传输精确的触发和波形控制指令。这种分布式架构对高压电源模块的功耗、体积和抗干扰能力提出了更苛刻的要求，但能实现更好的波形一致性和更灵活的波束控制。
总之，相控阵超声换能器的高压发射电源，已不再是简单的“能量泵”，而是波束形成物理过程的“电子执行器”。其设计的优劣，通过纳秒级的延迟精度、毫伏级的幅度一致性和纯净的脉冲波形，直接映射到超声波在介质中传播后的空间干涉图样上。对高压电源技术细节的极致追求，是提升相控阵系统分辨率、穿透力和成像质量的底层基石。
