电气院杨鑫教授课题组在大功率电声转换领域取得新进展

Non-Foster（非福斯特）元件是指阻抗-频率曲线具有负斜率特征的元件。由于非福斯特元件违背了福斯特电抗理论，在自然界中并不实际存在，必须要通过有源器件和负阻抗变换进行实现。自非福斯特元件诞生以来，实现了诸多颠覆性成果，如“低频吸波隐身”，“远程高效无线电能传输”等。然而，模拟非福斯特电路由于无源RLC器件元件值和公差的限制，可用的参数空间有限，且无法连续实时调节。同时，以正反馈运算放大器为核心元件的拓扑结构限制了模拟非福斯特元件的功率处理能力和稳定性。上述局限性使得现有非福斯特元件的实际应用潜力难以发挥。

近日，湖南大学电气与信息工程学院杨鑫教授课题组，与华中科技大学祝雪丰教授、湘潭大学欧阳晓平院士、纽约市立大学Andrea Alù教授合作，利用数字控制技术和碳化硅MOSFET开关器件，首次在大功率电声发射领域创建了数字非福斯特系统,克服了传统模拟非福斯特电路应用稳定差、功率等级低以及参数无法实时任意调节的不足，突破了声辐射的“Chu”物理极限。实验证明所提出的数字非福斯特电路能够在远距离图像传输的过程中提供稳定的，具有频散效应的实时等效负阻抗特性，并且与模拟非福斯特匹配网络对比，将电声发射装置的工作带宽提高了五倍以上，功率处理能力提高了三个数量级以上。其原理和方法可被广泛应用于各类亚波长共振系统装备，包括电声发射，电磁天线，宽带超材料等，具有重要的工程应用价值。

（a）以正反馈运算放大器为核心元件的模拟non-Foster电路。（b）模拟non-Foster电路离散的负阻抗特性参数空间。（c）基于开关电力电子器件和数字控制器的数字non-Foster电路。（d）数字non-Foster电路连续的具有频散效应的等效负阻抗特性参数空间。

该研究成果以“Digital non-Foster-inspired electronics for broadband impedance matching”为题，于5月21日发表在Nature Communications上。杨鑫教授和张智贺博士是该论文的共同第一作者，湖南大学为第一通讯单位，团队成员许梦伟、李姝汛和张远洪参与了该项目研究。

研究得到了国家自然科学基金（52077071）和湖南省科技厅（湖湘人才聚集工程项目2019RS1028）资助。此外，杨鑫教授课题组在大功率电声发射领域申请17项专利（已授权10项）。

空气声道中图像传输实验装置图与结果对比图。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48861-6

来源：电气院

编辑：文康怡

责任编辑：文亦佳