科学家研发数字非福斯特电路功率处理能力提高3个数量级能用于远距离声通讯或无线通信

2024-06-27 13:57:46

　　江南体育app下载对于此前的 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。

　　即在数字微处理器之中，利用预编译的自适应比例谐振，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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　事实上，在刚定下课题之时，该团队唯一可以确定的是：要使用开关器件来代替传统 Non-Foster 电路中的有源器件（比如运算放大器和晶体管）。

　　相比有源器件，开关器件的优势在于：能够实现非常高的功率等级。这也是功率在毫瓦级别、甚至功率在更低级别的传统 Non-Foster 电路所无法匹敌的。

　　通过此，该团队初步确定了电路设计与控制策略的方案。不仅如此，几乎每当更换方案之时，他们都会重新进行仿真分析。

　　而且，在仿真分析和理论分析之中，他们对于数字 Non-Foster 电路、以及声发射系统的理解愈发深刻，为此他们还申请了 4 项专利（目前已授权 3 项）。

　　而在电路设计与程序编译这两个阶段，为了保质保量地提高效率，该团队采用“共同学习，独立设计”的原则。

　　不管是设计印刷电路板、还是学习数字信号处理编程，杨鑫都要求所有同学使用相同的教程，为的是方便大家进行互相交流。

　　为了呈现最理想的实验效果，每天晚上凌晨 2 点到 4 点，课题组在实验室最安静的时候开展通信实验，历经连续两周的测试，终于呈现出最理想的实验效果。

　　湖南大学杨鑫教授和张智贺博士是共同一作，杨鑫教授、以及华中科技大学祝雪丰教授、湘潭大学欧阳晓平院士、美国纽约市立大学安德烈·阿卢（Andrea Alù）教授担任共同通讯作者。

　　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。

　　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？如何针对参数加以动态调整与设计，以便实现更快的响应速度？

　　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。

　　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。

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