大功率電聲轉換技術突破聲輻射物理極限

發布時間：2024-05-26 10:00 原文鏈接：大功率電聲轉換技術突破聲輻射物理極限

湖南大學電氣與信息工程學院教授楊鑫課題組與華中科技大學教授祝雪豐，中國工程院院士、湘潭大學材料科學與工程學院院長歐陽曉平團隊，紐約市立大學教授Andrea Alù合作，利用數字控制技術和碳化硅MOSFET開關器件，首次在大功率電聲發射領域創建了數字非福斯特（Non-Foster）系統。

該系統通過對端口輸出電壓與電流之間的幅相關系進行控制，從而實時合成具有頻散效應的“反常識的”負阻抗特性，實現了亞波長共振系統的帶寬增強，打破了電聲轉換的Chu物理極限，在聲波和電磁波遠距離信息傳輸與探測等領域具有重要應用前景。5月21日，該成果該發表在Nature Communications上。

非福斯特元件也就是“負電容”或“負電感”，它違背了福斯特電抗理論，在自然界中并不實際存在，必須要通過有源器件和負阻抗變換進行實現。

非福斯特元件誕生以來，人們對它的理解和研究在不斷探索和拓寬。然而，模擬非福斯特電路由于無源RLC器件元件值和公差的限制，可用的參數空間有限，且無法連續實時調節。現有非福斯特元件寬帶匹配能力和實際應用潛力難以發揮。

楊鑫課題組通過對端口輸出電壓與電流間的幅相關系進行任意控制，從而實時合成具有頻散效應的等效負阻抗特性。通過在數字微處理器中預編譯的自適應比例諧振控制器，實現對不同工作頻率良好的主動跟蹤性能和實時可調能力。此外，使用開關電力電子器件實現在功率等級上飛躍式提高。

更重要的是，團隊通過控制器設計確保傳遞函數的極點在較大的參數范圍內保持在復雜平面的穩定部分，成功地規避了非福斯特電路固有的不穩定性。研究提出的數字非福斯特電路能在遠距離圖像傳輸過程中提供穩定、具有頻散效應的實時等效負阻抗特性，并與模擬非福斯特匹配網絡對比，將電聲發射裝置的工作帶寬提高了五倍以上，功率處理能力提高了三個數量級以上。其原理和方法可被廣泛應用于各類亞波長共振系統裝備，有重要的工程應用價值。