科学家研发数字非福斯特电路，功率处理本事提高3个数目级，能用于远距离声通讯或无线通讯

近日，湖南大学杨鑫教育和互助者，造出一种数字非福斯特（Non-Foster）电路。

图 | 杨鑫（源头：杨鑫）

比较已有电路，本次电路能将电声放射装配的责任带宽提高 5 倍以上，功率处理本事提高 3 个数目级以上。

瞻望这一效果可被用于各种亚波长共振系统装备，包括电声放射、电磁天线、宽带超材料等。

（源头：Nature Communications）

总的来说，其主要具备以下三大上风：

率先，能竣事具有苟且频散效应的负阻抗特质。

即本次电路的端口负阻抗特质，会跟着共振确立责任频率的变化而变化。

关于此前的 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）构成的电路结构）。

而关于本次电路来说，针对端口电压与端口电流之间的幅相关连，它能竣事日常的箝制，故能竣事及时合成等效的负阻抗值。

其次，能在极大箝制参数范围之内，保持系统的涌现性。

即在数字微处理器之中，哄骗预编译的自顺应比例谐振箝制器，不错针对本次电路竣事波折的负反馈箝制。

这么一来，在掩盖不涌现性的同期，还能在不同责任频率之下，竣事雅致的主动追踪本事和及时可调本事。

再次，通过使用开关电力电子器件，本次电路能在功率品级上，竣事飞跃式的提高。

即它能在远距离图像传输中，提供涌现的、具有频散效应的及时等效负阻抗特质。

但是，课题组坦言本次电路在硬件上和软件上，依旧存在一些不及，导致它所能竣事的最宽频率范围被箝制在 4kHz 以内。

只好在这一频率范围之内，其就能用于大功率电声换能器。因此，尤其是在低频水声鸿沟，它能有用提高水声通讯系统的信息传输遵守和传输速率。

不外，该团队合计本次效果最大的价值在于：为贪图 Non-Foster 电路提供了全新的想路。

它不仅能提高通盘电路的功率品级，也措置了传统 Non-Foster 电路的涌现性问题。

在不久的未来，瞻望本次电路的应用范围，概况覆盖传统 Non-Foster 电路的绝大普遍应用范围。

比如：

将其用于小天线中，不错增强天线的带宽与放射增益，从而提高放射遵守；

将其用于雷达探伤系统中，不错提高雷达系统的分辨率和智谋度，使其更好地探伤和识别主见；

将其用于超声成像和核磁共振中，不错提高医疗确立成像的清醒度和图像质料，匡助医师竣事更准确的会诊。

总的来说，但凡基于共振旨趣创造确凿立，本次数字 Non-Foster 电路都能施展一定作用。

（源头：Nature Communications）

共振的“矛”与“盾”

据了解，本次盘考要从“共振”这两个字提及。

基于共振旨趣出身的材料、器件和确立，正在潜移暗化地转变东说念主类生计。

比如：用于放射和接受漫天信息所使用的电磁天线，再比如东说念主们享受巧妙音乐时所使用的扬声器等。

然则，在信息通讯鸿沟，共振——本人是一个矛盾的想法。

一方面，共振为东说念主们提供了远距离的有用辐射增益，从而竣事了确立的袖珍化和普及化。

另一方面，偏离共振频率所带来的增益正在急剧下跌，这导致确立的责任带宽变窄，随之出现辐射遵守裁减、以及传输信息缺失等情况。

关于这种确立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”。

比年来，盘考东说念主员通过引入时变、有源和非线性系统，依然忽视多种概况冲破物理极限的纪律。

其中，Non-Foster 电路施展着伏击作用。而 Non-Foster 元件，则是指阻抗-频率弧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表面，因此它在当然界中并不存在，必须通过有源器件和负阻抗变换才能造出这种元件。

与此同期，现存的 Non-Foster 电路频频存在以下局限：

其一，必须依赖无源器件才能竣事这种电路。

所谓无源器件，即领有本体电感或本体电容的器件，因此它们具有特定的规格和公役精度，这会导致 Non-Foster 电路的具有错乱特征的参数空间，不可在接续范围之内竣事苟且调度。

同期，关于 Non-Foster 电路端口负阻抗的调整来说，频频还需要手动更换电路元件。

其二，Non-Foster 电路的性能，会受到涌现性问题的制肘。

关于 Non-Foster 元件来说，它是基于某种具有正反馈的放大器而竣事的，但是这种放大器的涌现性较差。

同期，关于联系电路的竣事来说，必须琢磨到电路布局和附加器件所带来的寄生问题，假如未能充分琢磨这一问题，也会导致不涌现表象的出现。

其三，关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品级的箝制，从而导致 Non-Foster 电路无法在高功率条目下使用。

为了弥补上述不及，该团队开辟了这种数字 Non-Foster 电路。

（源头：Nature Communications）

既发表论文，又“全手下蛋”

事实上，在刚定下课题之时，该团队独一不错详情的是：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）。

比较有源器件，开关器件的上风在于：概况竣事很是高的功率品级。这亦然功率在毫瓦级别、以至功率在更初级别的传统 Non-Foster 电路所无法匹敌的。

但是，该若何基于开关器件，来贪图电路拓扑和箝制计谋？一运转，他们并不是十分了了。

为此，他们充分调研了已有的 Non-Foster 电路，并开展了仿真分析。

通过此，该团队初步详情了电路贪图与箝制计谋的决策。不仅如斯，险些每当更换决策之时，他们都会再行进行仿真分析。

尽管破耗了不少可贵时期，但是这让课题组得以大大裁减试错资本。

况兼，在仿真分析和表面分析之中，他们关于数字 Non-Foster 电路、以及声放射系统的涌现愈发长远，为此他们还恳求了 4 项专利（现在已授权 3 项）。

而在电路贪图与要津编译这两个阶段，为了保质保量地提高遵守，该团队给与“共同学习，孤苦贪图”的原则。

岂论是贪图印刷电路板、照旧学习数字信号处理编程，杨鑫都要求悉数同学使用疏导的教程，为的是肤浅大众进行彼此交流。

而在熟悉掌持贪图纪律之后，再要求每一位同学“背靠背”地开展孤苦贪图。

随后，他们插足带宽考据和通讯考据的阶段。

带宽考据，指的是在涌现情景之下，测试电路的输出特质，并将其与仿真分析结果加以对比。

期间，需要针对电路的损耗特质、涌现性、以及过错等进行分析。

通讯践诺考据，指的是将本次电路加载到电声换能器上，进行远距离的通讯践诺。

期间，该团队不仅对比了远距离接受声息的强度，并尝试进行图像传输。

为了呈现最想象的践诺效果，每天晚上凌晨 2 点到 4 点，课题组在践诺室最适意的时候开展通讯践诺，历经接续两周的测试，终于呈现出最想象的践诺效果。

借此解释：在远距离的图像传输中，本次电路概况提供涌现的、具有频散效应的及时等效负阻抗特质，并能提高信息的传输遵守和传输质料。

最终，联系论文以《用于宽带阻抗匹配的非福斯特启发型数字电子器件》（Digital non-Foster-inspired electronics for broadband impedance matchingD）为题发在 Nature Communications[1]。

湖南大学杨鑫教育和张智贺博士是共灭亡作，杨鑫教育、以及华中科技大学祝雪丰教育、湘潭大学欧阳晓平院士、好意思国纽约市立大学安德烈·阿卢（Andrea Alù）教育担任共同通讯作家。

图 | 联系论文（源头：Nature Communications）

“更快”“更宽”

在后续推测上，课题组将朝着“更快”和“更宽”的主见前进。

“更快”，指的是提高本次电路的反馈速率。

由于本次电路给与的是闭环反馈箝制纪律，因此它的反馈速率比传统 Non-Foster 电路要慢。

尽管这是不可幸免的，但是该团队合计依然具有优化的空间。

比如：

其一，还能进一局面优化箝制器。

其中波及的问题有：若何针对箝制系统与瞬态反馈之间的径直关系开展表面分析？若何针对箝制器参数加以动态调整与贪图，以便竣事更快的反馈速率？

课题组合计这内部大有著作可作念，尽头是不错与神经网罗数据驱动纪律、或 AI 技巧进行连合。

其次，翻新通讯历程中的信号放射计谋与调信号制计谋。

关于系统的动态反馈历程来说，那频频刻为多个阶段。因此，若何通过调整信号调制的计谋，来对动态反馈历程进行分段优化，竣事信号源与电路之间的同步动态调整，是该团队的后续主见之一。

“更宽”，指的是在更宽的频率范围之内，竣事高功率品级与高效的负阻抗匹配。

关于本次电路来说，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、滤波装配。

这三个部分别离在运算速率与精度、开关损耗、电路输出波形质料上，箝制了其在更高频率和更宽频带上的应用。

而要措置这一问题，就不可只是通过更换电路元件来措置，很有可能要通过贪图全新的拓扑结构来措置，以让本次电路竣事更无边的应用出路。

参考府上：

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

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