近日，北京大學(xué)電子學(xué)院聯(lián)合西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院先進(jìn)電磁調(diào)控與能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究中心在非厄米無線傳感領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次提出普適非厄米臨界點(diǎn)（Critical Point，CP）概念，并設(shè)計(jì)出新型無線傳感電子電路架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了微弱信號的高精度、遠(yuǎn)距離、高信噪比實(shí)時無線監(jiān)測。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》上。
不同傳感架構(gòu)示意圖 西安交通大學(xué)供圖
無線傳感技術(shù)因能突破物理連接限制，在封閉空間/復(fù)雜環(huán)境下的電網(wǎng)監(jiān)測、航空航天高端裝備、先進(jìn)可植入健康醫(yī)療以及具身智能/物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，由于傳統(tǒng)無線傳感架構(gòu)受固有損耗特性制約，難以實(shí)現(xiàn)微小信號的遠(yuǎn)距離高精度探測。雖然基于宇稱—時間（PT）對稱的傳感架構(gòu)可提升性能，但需嚴(yán)格的平衡增益-損耗配置，對元件參數(shù)和強(qiáng)耦合系數(shù)要求苛刻，且在奇異點(diǎn)（EP）附近熱噪聲急劇放大，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。
研究突破了上述局限，提出了一種非平衡增益—損耗配置的普適非厄米臨界點(diǎn)無線傳感架構(gòu)。與傳統(tǒng)架構(gòu)及PT對稱架構(gòu)相比，該架構(gòu)約束條件更為寬松，展現(xiàn)出獨(dú)特且豐富的動力學(xué)特性，不僅實(shí)現(xiàn)了超高品質(zhì)因數(shù)和更遠(yuǎn)的無線探測距離，還從根本上解決了傳感靈敏度、信噪比與耦合強(qiáng)度之間長期存在的權(quán)衡難題。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該架構(gòu)用于耦合系數(shù)傳感時，可解析低至1.92×10的耦合系數(shù)變化，探測極限較PT對稱架構(gòu)提升超過七倍；且因耦合系數(shù)與特征頻率解耦，可有效消除電容變化引起的頻率響應(yīng)干擾。同時，用于微小非對稱電容傳感時，能探測低至2.5×10的擾動（對應(yīng)約0.6飛法的電容變化），較以往報(bào)道結(jié)果提升2—3個數(shù)量級。
特別值得一提的是，該傳感架構(gòu)在振動噪聲復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境下仍能穩(wěn)定捕捉微小非對稱電容變化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時信號監(jiān)測。此外，該架構(gòu)還可拓展至無線電能傳輸?shù)阮I(lǐng)域，為高效無線供能提供新路徑。此項(xiàng)研究有效推動了非厄米動力學(xué)理論向無線傳感實(shí)用化邁進(jìn)，為開發(fā)高分辨率、高靈敏度、高信噪比的無線電子傳感器件與系統(tǒng)提供了新的理論框架和技術(shù)方案。
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