近日ky体育app，湖南大学杨鑫诠释和结合者，造出一种数字非福斯特（Non-Foster）电路。

图 | 杨鑫（起原：杨鑫）

比较已有电路，本次电路能将电声辐射装配的责任带宽提高 5 倍以上，功率处理才略提高 3 个数目级以上。

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

（起原：Nature Communications）

总的来说，其主要具备以下三大上风：

率先，能已毕具有任性频散效应的负阻抗特点。

即本次电路的端口负阻抗特点，会跟着共振缔造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相关，它能已毕平凡的限度，故能已毕及时合成等效的负阻抗值。

其次，能在极大限度参数鸿沟之内，保持系统的褂讪性。

即在数字微处理器之中，欺诈预编译的自妥当比例谐振限度器，不错针对本次电路已毕障碍的负反馈限度。

这么一来，在掩盖不褂讪性的同期，还能在不同责任频率之下，已毕考究的主动追踪才略和及时可调才略。

再次，通过使用开关电力电子器件，本次电路能在功率等第上，已毕飞跃式的提高。

即它能在远距离图像传输中，提供褂讪的、具有频散效应的及时等效负阻抗特点。

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，导致它所能已毕的最宽频率鸿沟被甩掉在 4kHz 以内。

惟有在这一频率鸿沟之内，其就能用于大功率电声换能器。因此，尤其是在低频水声规模，它能灵验提高水声通讯系统的信息传输效能和传输速率。

不外，该团队以为本次效果最大的价值在于：为筹备 Non-Foster 电路提供了全新的念念路。

它不仅能提高通盘电路的功率等第，也处理了传统 Non-Foster 电路的褂讪性问题。

在不久的改日，瞻望本次电路的应用鸿沟，大约覆盖传统 Non-Foster 电路的绝大无数应用鸿沟。

比如：

将其用于小天线中，不错增强天线的带宽与辐射增益，从而晋升辐射效能；

将其用于雷达探伤系统中，不错提高雷达系统的分辨率和贤慧度，使其更好地探伤和识别宗旨；

将其用于超声成像和核磁共振中，不错提高医疗缔造成像的澄莹度和图像质地，匡助大夫已毕更准确的会诊。

总的来说，但凡基于共振旨趣创造的缔造，本次数字 Non-Foster 电路都能发达一定作用。

（起原：Nature Communications）

共振的“矛”与“盾”

据了解，本次商量要从“共振”这两个字提及。

基于共振旨趣出身的材料、器件和缔造，正在潜移暗化地转换东说念主类生计。

比如：用于辐射和接管漫天信息所使用的电磁天线，再比如东说念主们享受奥密音乐时所使用的扬声器等。

可是，在信息通讯规模，共振——自己是一个矛盾的办法。

一方面，共振为东说念主们提供了远距离的灵验辐射增益，从云尔毕了缔造的微型化和普及化。

另一方面，偏离共振频率所带来的增益正在急剧下跌，这导致缔造的责任带宽变窄，随之出现辐射效能裁减、以及传输信息缺失等情况。

关于这种缔造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”。

频年来，商量东说念主员通过引入时变、有源和非线性系统，也曾建议多种大约冲破物理极限的步伐。

其中，Non-Foster 电路发达着迫切作用。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调造出这种元件。

与此同期，现存的 Non-Foster 电路赓续存在以下局限：

其一，必须依赖无源器件才调已毕这种电路。

所谓无源器件，即领有本色电感或本色电容的器件，因此它们具有特定的规格和公役精度，这会导致 Non-Foster 电路的具有闹翻特征的参数空间，不成在邻接鸿沟之内已毕任性调度。

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

其二，Non-Foster 电路的性能，会受到褂讪性问题的制肘。

关于 Non-Foster 元件来说，它是基于某种具有正反馈的放大器云尔毕的，但是这种放大器的褂讪性较差。

同期，关于联系电路的已毕来说，必须磋商到电路布局和附加器件所带来的寄生问题，假如未能充分磋商这一问题，也会导致不褂讪景色的出现。

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等第的甩掉，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，该团队勾引了这种数字 Non-Foster 电路。

（起原：Nature Communications）

既发表论文，又“一说念下蛋”

事实上，在刚定下课题之时，该团队独一不错细宗旨是：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：大约已毕特别高的功率等第。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，该奈何基于开关器件，来筹备电路拓扑和限度计谋？一驱动，他们并不是十分明晰。

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，该团队初步细目了电路筹备与限度计谋的决策。不仅如斯，着实每当更换决策之时，他们都会再行进行仿真分析。

尽管破耗了不少选藏期间，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、以及声辐射系统的交融愈发潜入，为此他们还苦求了 4 项专利（现在已授权 3 项）。

而在电路筹备与要领编译这两个阶段，为了保质保量地提高效能，该团队取舍“共同学习，孤立筹备”的原则。

岂论是筹备印刷电路板、照旧学习数字信号处理编程，杨鑫都要求通盘同学使用通常的教程，为的是便捷天下进行相互交流。

而在熟谙掌抓筹备步伐之后，再要求每一位同学“背靠背”地开展孤立筹备。

随后，他们参预带宽考据和通讯考据的阶段。

带宽考据，指的是在褂讪现象之下，测试电路的输出特点，并将其与仿真分析收尾加以对比。

期间，需要针对电路的损耗特点、褂讪性、以及裂缝等进行分析。

通讯推行考据，指的是将本次电路加载到电声换能器上，进行远距离的通讯推行。

期间，该团队不仅对比了远距离接管声息的强度，并尝试进行图像传输。

为了呈现最空想的推行效果，每天晚上凌晨 2 点到 4 点，课题组在推行室最舒畅的时候开展通讯推行，历经邻接两周的测试，终于呈现出最空想的推行效果。

借此说明：在远距离的图像传输中，本次电路大约提供褂讪的、具有频散效应的及时等效负阻抗特点，并能提高信息的传输效能和传输质地。

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]。

湖南大学杨鑫诠释和张智贺博士是共吞并作，杨鑫诠释、以及华中科技大学祝雪丰诠释、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）诠释担任共同通讯作家。

图 | 联系论文（起原：Nature Communications）

“更快”“更宽”

在后续经营上，课题组将朝着“更快”和“更宽”的宗旨前进。

“更快”，指的是提高本次电路的反应速率。

由于本次电路取舍的是闭环反馈限度步伐，因此它的反应速率比传统 Non-Foster 电路要慢。

尽管这是不可幸免的，但是该团队以为依然具有优化的空间。

比如：

其一，还能进一格式优化限度器。

其中波及的问题有：奈何针对限度系统与瞬态反应之间的平直关系开展表面分析？奈何针对限度器参数加以动态调整与筹备，以便已毕更快的反应速率？

课题组以为这内部大有著述可作念，越过是不错与神经鸠合数据驱动步伐、或 AI 期间进行集结。

其次，立异通讯经过中的信号辐射计谋与调信号制计谋。

关于系统的动态反应经过来说，其赓续期为多个阶段。因此，奈何通过调整信号调制的计谋，来对动态反应经过进行分段优化，已毕信号源与电路之间的同步动态调整，是该团队的后续宗旨之一。

“更宽”，指的是在更宽的频率鸿沟之内，已毕高功率等第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。

这三个部分分辨在运算速率与精度、开关损耗、电路输出波形质地上，甩掉了其在更高频率和更宽频带上的应用。

而要处理这一问题，就不成只是通过更换电路元件来处理，很有可能要通过筹备全新的拓扑结构来处理，以让本次电路已毕更浩荡的应用出路。

参考汉典：

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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