[发明专利]基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统

说明书

本发明提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，所述系统包括一个非谐振源线圈、三个谐振频率相同的谐振线圈(包括发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及一个非谐振负载线圈。每个谐振线圈通过在绝缘非磁性材料框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器来实现对单个线圈谐振频率的调控。并通过利用基于三阶宇称‑时间对称非厄米系统的物理性质，通过调节所述线圈之间的耦合距离，使系统处于三阶奇异点处。当外加的微小扰动作用在任意一个谐振线圈上时，所述三阶系统的频率响应随外加扰动的立方根变化而变化，微小扰动的效果被显著放大，所述系统的感应灵敏度显著增强。

技术领域

本发明涉及无线探测技术及无线传感器(sensor)技术领域，具体来说涉及基于三个谐振线圈耦合谐振行为进行无线感知的系统。

背景技术

在许多工业及医学领域中，物理或化学量的监测技术对我们来说十分重要。然而，很多情况下测试对象与传感器之间无法使用导线建立直接的连接，例如医疗上的眼内压力监测，汽车工业中的轮胎压力监测以及高温压力传感等技术领域。因此，在测量技术领域中无线传感器对实现这些苛刻条件中的非接触测量有着潜在的优势。近年来，基于电感—电容(LC)谐振电路的无源型无线传感器已在诸多测量领域被提出，如应用在压力，应力和药物释放等方面。这类无源型无线传感器一般由电感和电容器件组成谐振体。通过外界因素改变谐振体中的电感量或电容量，使之产生共振频率的移动，外界因素的扰动因而被监测到。然而，由于传感器固有分辨率的限制，无源型无线传感器的灵敏度成为其在超灵敏探测中的限制因素之一，因此实现超高灵敏度的无线感知系统已成为目前亟待解决的问题。

非厄米(Non-Hermitian)系统是一种系统能量可以和外界环境发生交换的开放物理系统。非厄米简并，也叫奇异点(Exceptional Points)，是指所述系统与外界环境相互作用的情况下，系统参数空间的本征值以及相应的本征矢量同时发生了简并，为设计开放物理系统提供了一种新的途径。在光学领域，利用奇异点附近相变突变的性质可以发掘损耗诱导透明，激光模式可选择性等一些奇异的现象。当外部微扰作用在二阶奇异点时，系统的本征频率发生移动，随扰动量的平方根变化而变化。类似地，当扰动作用在n(n为大于2的整数)阶奇异点时，系统的本征频率劈裂随扰动的1/n次方变化而变化。即当扰动作用在高阶奇异点(三阶及其以上)时，微扰的影响更进一步被放大，系统的灵敏度进一步增强。

值得注意的是，近年来，关于二阶奇异点的研究集中在激光技术和光子结构理论的领域中，而高阶奇异点的研究目前局限在耦合的声学和光学谐振腔中。因此，利用高阶奇异点的物理性质有望实现超高灵敏度的无源型无线感知系统。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其包括非谐振源线圈、三个谐振频率相同的谐振线圈(发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及非谐振负载线圈；借此，三阶奇异点可通过调节基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称的三个相同谐振频率的谐振线圈的系统的损耗和各个谐振线圈之间的耦合距离实现。外加扰动通过微调谐振线圈的谐振频率来实现，以令系统的频率偏移随扰动量的立方根的变化而变化，进而使任何一个谐振线圈的谐振频率发生微小扰动使得整个三线圈系统的各本征频率发生显著变化，实现对微小扰动的超高灵敏的无线探测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于三阶宇称时间对称的无源型无线传感系统，其包括：非谐振源线圈、非谐振负载线圈、以及PT对称且谐振频率相同的三个谐振线圈，所述谐振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非谐振源线圈与所述非谐振负载线圈之间；所述非谐振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非谐振负载线圈相邻设置；其中，所述系统通过调节所述非谐振线圈和一个所述谐振线圈之间的耦合距离以实现三阶奇异点；所述系统通过微调所述谐振线圈的谐振频率以实现外加扰动；令所述系统的频率响应随所述外加扰动的立方根的变化而变化，增强所述系统的灵敏度。