本技术公开了一种基于单向耦合实现APT对称的无线传感系统及传感方法,该无线传感系统包括四个谐振器以及读取端跟随器和传感端跟随器;通过在无线传感系统中添加的读取端跟随器和传感端跟随器,将传统APT对称系统中谐振器之间的虚数耦合替换成实数耦合,从而实现了APT对称系统中不同谐振器之间的无线连接。同时,系统工作在EP点左右时,其工作频率的数量显著变化,从而能够通过调节读取端跟随器和传感端跟随器的耦合速率,使无线传感系统的两个工作频率处于重叠和分岔的交界处,完成EP点的校准,使无线传感系统工作在高灵敏度状态。
背景技术
非厄米哈密顿量可以用于描述开放量子系统和经典波系统。哈密顿量的非厄米性通常意味着其特征值为复数。然而,一类满足宇称时间(PT)对称性的非厄米系统可以拥有实数特征值,其哈密顿量(HPT
)在空间反转算符(P)和时间反转算符(T)的联合作用下保持不变,即 PTHPT
(PT)−1
= HPT
。在光学、电子学和声学等领域中,PT对称系统的各种奇特现象已被广泛研究。PT对称系统的特征值和特征态在特殊点(EPs)处会同时合并,从而区分出 PT对称态和破缺态。在 EP 处,系统对扰动表现出超高灵敏度的响应。这种响应通常遵循~ε1/n
(即1/n 阶),其中ε为扰动,n为特征值的数量。在电子学领域中,通过耦合 RLC 谐振器构建增益-损耗分布的 PT 对称传感器,已成功应用于检测压力、湿度或距离等量,具有高灵敏度的特性。通常使用矢量网络分析仪(VNA)检测系统响应,同时充当系统增益提供驱动信号。然而,笨重的 VNA 不适合实验室外使用。尽管存在低成本且便携的替代品,但它们往往无法提供足够的输出功率或满足不同应用所需的灵活扫频功能。通过实现一种时域自振荡增益(通常利用构建于非线性饱和区的正反馈运算放大),可以使工作频率自适应地匹配特征值,从而避免使用 VNA 进行频率扫描。
然而,现有基于自振荡增益的无 VNA 检测方法在实际应用中受限于在传感操作前难以将传感器校准至EP。S. Assawaworrarit 等人,在论文 “Robust wireless powertransfer using a nonlinear parity-time-symmetric circuit” 中在对包含耦合RLC谐振器的 PT 对称双稳态系统的仿真与实验表明,在调节耦合系数时,PT 对称态与破缺态之间的转换是渐变的而非突变的。这归因于增益的非线性特性,导致工作频率与谐振器的固有谐振频率不匹配。此外,由于系统的双稳态特性和单一增益,系统中仅存在一个工作频率,尽管 PT 对称状态下存在两个可能的工作频率。因此,缺乏明确的 EP 位置来区分 PT对称态与破缺态。在现有的基于自振荡电路的检测方法中,仿真和实验中未能清晰地观察到 PT 对称传感器的理论 1/2 阶灵敏度。并且现有的基于PT对称传感器中, 大都通过移动器件之间的距离去完成 EP点的校准,这是一种机械式的调节方法。此外,现有APT 对称结构中用于连接两个增益的有线电阻耦合(虚数耦合)的限制,是一个有线连接的结构,且仅仅依赖于谐振器之间的距离对EP点进行机械调节,调节方式较为困难。
实现思路