来源:DeepTech深科技
近日,湖南大学杨鑫教授和合作者,造出一种数字非福斯特(Non-Foster)电路。
![图 | 杨鑫(来源:杨鑫)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/38/w1080h1358/20240616/0fef-88e52f8f45ff188402a8d637bafd2540.jpg)
相比已有电路,本次电路能将电声发射装置的工作带宽提高 5 倍以上,功率处理能力提高 3 个数量级以上。
预计这一成果可被用于各类亚波长共振系统装备,包括电声发射、电磁天线、宽带超材料等。
![(来源:Nature Communications)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/303/w706h397/20240616/2de1-6bdf082d6d8d92e7331b1bf112ed26f2.jpg)
总的来说,其主要具备以下三大优势:
首先,能实现具有任意频散效应的负阻抗特性。
即本次电路的端口负阻抗特性,会随着共振设备工作频率的变化而变化。
对于此前的 Non-Foster 电路来说,它依赖于无源物理 RLC 元件(注:RLC 指的是一种由电阻(R)、电感(L)、电容(C)组成的电路结构)。
而对于本次电路来说,针对端口电压与端口电流之间的幅相关系,它能实现广泛的控制,故能实现实时合成等效的负阻抗值。
其次,能在极大控制参数范围之内,保持系统的稳定性。
即在数字微处理器之中,利用预编译的自适应比例谐振控制器,可以针对本次电路实现间接的负反馈控制。
这样一来,在规避不稳定性的同时,还能在不同工作频率之下,实现良好的主动跟踪能力和实时可调能力。
再次,通过使用开关电力电子器件,本次电路能在功率等级上,实现飞跃式的提高。
即它能在远距离图像传输中,提供稳定的、具有频散效应的实时等效负阻抗特性。
但是,课题组坦言本次电路在硬件上和软件上,依旧存在一些不足,导致它所能实现的最宽频率范围被限制在 4kHz 以内。
只要在这一频率范围之内,其就能用于大功率电声换能器。因此,尤其是在低频水声领域,它能有效提高水声通信系统的信息传输效率和传输速度。
不过,该团队认为本次成果最大的价值在于:为设计 Non-Foster 电路提供了全新的思路。
它不仅能提高整个电路的功率等级,也解决了传统 Non-Foster 电路的稳定性问题。
在不久的将来,预计本次电路的应用范围,能够覆盖传统 Non-Foster 电路的绝大多数应用范围。
比如:
将其用于小天线中,可以增强天线的带宽与发射增益,从而提升发射效率;
将其用于雷达探测系统中,可以提高雷达系统的分辨率和灵敏度,使其更好地探测和识别目标;
将其用于超声成像和核磁共振中,可以提高医疗设备成像的清晰度和图像质量,帮助医生实现更准确的诊断。
总的来说,凡是基于共振原理创造的设备,本次数字 Non-Foster 电路都能发挥一定作用。
![(来源:Nature Communications)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/254/w699h355/20240616/0701-21f4805f169c8280c324a0e7cd769579.jpg)
共振的“矛”与“盾”
据了解,本次研究要从“共振”这两个字说起。
基于共振原理诞生的材料、器件和设备,正在潜移默化地改变人类生活。
比如:用于发射和接收漫天信息所使用的电磁天线,再比如人们享受美妙音乐时所使用的扬声器等。
然而,在信息通信领域,共振——本身是一个矛盾的概念。
一方面,共振为人们提供了远距离的有效辐射增益,从而实现了设备的小型化和普及化。
另一方面,偏离共振频率所带来的增益正在急剧下降,这导致设备的工作带宽变窄,随之出现辐射效率降低、以及传输信息缺失等情况。
对于这种设备尺寸与增益和带宽之间存在的物理极限,学界将其称之为“Chu 极限”。
近年来,研究人员通过引入时变、有源和非线性系统,已经提出多种能够突破物理极限的方法。
其中,Non-Foster 电路发挥着重要作用。而 Non-Foster 元件,则是指阻抗-频率曲线具有负斜率特征的元件,即具有“负电感”或“负电容”的元件。
但是,由于 Non-Foster 元件违背了福斯特电抗理论,因此它在自然界中并不存在,必须通过有源器件和负阻抗变换才能造出这种元件。
与此同时,现有的 Non-Foster 电路往往存在以下局限:
其一,必须依赖无源器件才能实现这种电路。
所谓无源器件,即拥有实际电感或实际电容的器件,因此它们具有特定的规格和公差精度,这会导致 Non-Foster 电路的具有离散特征的参数空间,不能在连续范围之内实现任意调节。
同时,对于 Non-Foster 电路端口负阻抗的调整来说,往往还需要手动更换电路元件。
其二,Non-Foster 电路的性能,会受到稳定性问题的掣肘。
对于 Non-Foster 元件来说,它是基于某种具有正反馈的放大器而实现的,但是这种放大器的稳定性较差。
同时,对于相关电路的实现来说,必须考虑到电路布局和附加器件所带来的寄生问题,假如未能充分考虑这一问题,也会导致不稳定现象的出现。
其三,对于晶体管或运算放大器等有源器件来说,它们会受到非线性效应和供电等级的限制,从而导致 Non-Foster 电路无法在高功率条件下使用。
为了弥补上述不足,该团队开发了这种数字 Non-Foster 电路。
![(来源:Nature Communications)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/463/w685h578/20240616/33f5-49f61246676ddee8389c63f5a22319d3.jpg)
![](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/64/w750h114/20240616/a8a3-38ffc8a83912bef9794f0f1cc3a3658a.png)
“更快”“更宽”
在后续计划上,课题组将朝着“更快”和“更宽”的目标前进。
“更快”,指的是提高本次电路的响应速度。
由于本次电路采用的是闭环反馈控制方法,因此它的响应速度比传统 Non-Foster 电路要慢。
尽管这是不可避免的,但是该团队认为依然具有优化的空间。
比如:
其一,还能进一步地优化控制器。
其中涉及的问题有:如何针对控制系统与瞬态响应之间的直接关系开展理论分析?如何针对控制器参数加以动态调整与设计,以便实现更快的响应速度?
课题组认为这里面大有文章可做,特别是可以与神经网络数据驱动方法、或 AI 技术进行结合。
其次,改进通信过程中的信号发射策略与调信号制策略。
对于系统的动态响应过程来说,其往往分为多个阶段。因此,如何通过调整信号调制的策略,来对动态响应过程进行分段优化,实现信号源与电路之间的同步动态调整,是该团队的后续目标之一。
“更宽”,指的是在更宽的频率范围之内,实现高功率等级与高效的负阻抗匹配。
对于本次电路来说,它在结构上主要包括三个部分:数字信号微处理器、开关器件、滤波装置。
这三个部分分别在运算速度与精度、开关损耗、电路输出波形质量上,限制了其在更高频率和更宽频带上的应用。
而要解决这一问题,就不能仅仅通过更换电路元件来解决,很有可能要通过设计全新的拓扑结构来解决,以让本次电路实现更广阔的应用前景。
![参考资料:](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240616s/352/w874h278/20240616/7e83-7f01056980e15bfe9643eef07c74709a.png)
1.Yang, X., Zhang, Z., Xu, M. et al. Digital non-Foster-inspired electronics for broadband impedance matching. Nat Commun 15, 4346 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48861-6
排版:初嘉实
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