基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器。

背景技术

拓扑绝缘体是一种内部绝缘、表面导电的电子材料，由于其不同寻常的物理特性—即天然鲁棒性，使其在物理系统中获得了越来越多的关注，其发现者在2014年获得诺贝尔物理学奖。拓扑绝缘体最引人注目的物理特性是其具有天然的鲁棒性，该特性不需要反馈系统即可实现，具有较高的应用价值，然而，由于其复杂物理特性，该领域目前主要处于理论研究阶段，尚未广泛应用于航空航天、兵器船舶等工程领域。

通常电子系统的抗干扰特性是通过在数字模块中采用自适应算法实现，人们尚未考虑过在前端模拟系统实现抗干扰特性。后期，采用诸如自动增益调节放大器等有源器件对输入噪声和信号动态变化进行控制。然而，这种方法通常会受到电源/地等外部噪声的干扰，并且受到放大器自身饱和特性等因素的制约。

另外，现有的模拟谐振器通常容易受到外界环境或者自身加工误差的干扰，导致其谐振频特性发生变化。

因此，亟待一种能够在前端模拟的无源部分实现抗干扰的谐振器。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器，包括：多个基本单元、第一耦合电感、第二耦合电感、第一耦合电容和第二耦合电容，其中，所述基本单元由小于或者等于四个的谐振器、小于或者等于四个的接地电容、小于或者等于四个的接地电感并联构成，且所有谐振器、接地电容与接地电感个数总和为四，每个基本单元内部采用所述第一耦合电感或所述第一耦合电容进行耦合，每个基本单元之间采用所述第二耦合电感或或所述第二耦合电容进行耦合，最终电路的实空间拓扑结构类似于Ammann-Beenker的准晶结构。

本发明实施例的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器，利用拓扑绝缘体的天然鲁棒性，通过采用电气元件接地模拟原子的谐振，及电容或者电感模拟原子之间的耦合模拟凝聚态系统中的拓扑绝缘体，在前端模拟系统的无源部分实现天然抗干扰的鲁棒性谐振器，当电容与电感具有偏差时，谐振器的谐振特性不会发生较大变化，解决了以现有技术在数字信号处理部分以及模拟前端的有源部分实现抗干扰容易受到电源/地等影响的问题，也解决了其他模块对数据主链路的影响和干扰；可为在微波、太赫兹频段实现抗干扰谐振器提供一种崭新的设计思路，也可广泛应用于生物医学、资源勘探、航空航天等对环境噪声敏感的民用以及军用领域。

另外，根据本发明上述实施例的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述谐振器由一个谐振接地电感和一个谐振电容并联组成，其中，所述谐振接地电感的电感大小与所述第一耦合电感的电感大小相同，所述谐振电容的电容大小与所述第一耦合电容的电容大小相同。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个基本单元的的四个电气元件等效于高阶拓扑绝缘体中每个晶体单元中电子的四个不同轨道运动特性。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述基本单元中有一个接地电容可选，有六个接地电感可选。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基本单元由一个谐振器、任意三个接地电感并联构成，或由一个谐振器、一个接地电容、任意两个接地电感并联构成，或由两个谐振器、任意两个接地电感并联构成，或由两个接地电容、任意两个接地电感并联构成，或由任意四个接地电感并联构成，或由任意一个接地电容、任意三个接地电感并联构成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于Ammann-Beenker的准晶结构四个顶角的基本单元分别与两个基本单元耦合，除顶角外的外侧基本单元均与三个基本单元耦合。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于Ammann-Beenker的准晶结构满足空间C4旋转对称性，四个顶角均具谐振特性。

发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器的电路示意图；

图2是本发明一个实施例的电路系统谐振频率与阻抗的分布关系示意图；

图3是本发明一个实施例的对应于频率ω

图4是本发明一个实施例的理论计算电路的四个边角处的频域特性示意图；

图5是本发明一个实施例的元件误差为10％时的谐振频率分布图。

图6是本发明一个实施例的元件误差为10％时四个边角的谐振特性示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器。

图1是本发明一个实施例的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器的电路示意图。

如图1所示，该谐振器10包括：多个基本单元、第一耦合电感L

其中，基本单元由小于或者等于四个的谐振器、小于或者等于四个的接地电容(有一种接地电容C

进一步地，谐振器由一个谐振接地电感L和一个谐振电容C并联组成，其中，谐振接地电感L的电感大小与第一耦合电感L

进一步地，如图1所示，本发明实施例中的基本单元可以由一个谐振器、任意三个接地电感并联构成，或由一个谐振器、一个接地电容、任意两个接地电感并联构成，或由两个谐振器、任意两个接地电感并联构成，或由两个接地电容、任意两个接地电感并联构成，或由任意四个接地电感并联构成，或由任意一个接地电容、任意三个接地电感并联构成等结构模拟高阶拓扑绝缘体中每个晶体单元中电子的四个不同轨道的单原子谐振运动，本领域技术人员在此不做具体结构限定，即当系统对结构尺寸有要求时，只要系统满足C4旋转对称性，即可删减部分单元，最后模拟设计出基于Ammann-Beenker(AB)准晶结构即可。

例如，如图1所示，3为由一个谐振接地电感L和一个谐振电容C并联构成的谐振器，2为接地电容C

进一步地，基于Ammann-Beenker(AB)准晶结构即为二维高阶拓扑绝缘体，二维高阶拓扑绝缘体的四个顶角的基本单元分别与两个基本单元耦合，除顶角外的外侧基本单元均与三个基本单元耦合。当基于Ammann-Beenker的准晶结构满足空间C4对称性时，具有实空间以及频域空间的谐振态，该谐振态通常也称为边角态(四个顶角均具谐振特性)，其具有鲁棒性，当拓扑特性不变时，谐振边角态始终具有较强的谐振特性。因此，本发明利用边角态模式可以实现一个具有天然抗干扰特性的谐振器。

进一步地，本发明可采用阻抗分析仪分别加载在电路的顶角以及其他任意端口，对其阻抗特性进行测量，以此验证其谐振特性，下面通过一个具体实施例的实验数据对本发明实施例提出的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器的谐振特性和抗干扰能力进行验证。

如图1所示，不同颜色的圆点表示接地电感或者接地电容，单元内部以及单元之间的虚线表示电感耦合，实线表示电容耦合，电容具体值为：C

如图2所示，本发明采用阻抗分析仪进行测试，得到了其阻抗谐振分布图，由图可知本发明实施例电路的阻抗与谐振频率分布特性，在频率ω

如图3所示，采用阻抗分析仪测量在中心谐振频率处电路所有节点的阻抗，由图可知阻抗在四个边角处阻抗较大，当该系统输入能量时，由基尔霍夫定律可知，此时在四个边角处将集中最大能量值。

如图4所示，采用理论计算得到的结果，可知本发明实施例电路的四个边角处均具有谐振特性，与图2相对应，结合图3可知，系统在四个边角处的确具有谐振特性。

如图5所示，采用理论计算得到的结果，可知本发明实施例电路的四个边角处均具有谐振特性，与图2相对应，结合图3可知，系统在四个边角处的确具有谐振特性图6(采用阻抗分析仪测量其阻抗随频率变化的特性)表示当元件误差为10％时，即使四个边角的谐振频率发生偏移，但是谐振特性依然保持不变。

综上，本发明实施例提出的基于拓扑绝缘体的鲁棒性谐振器，利用拓扑绝缘体的天然鲁棒性，通过采用电气元件接地模拟原子的谐振，及电容或者电感模拟原子之间的耦合模拟凝聚态系统中的拓扑绝缘体，在前端模拟系统的无源部分实现天然抗干扰的鲁棒性谐振器，当电容与电感具有偏差时，谐振器的谐振特性不会发生较大变化，解决了以现有技术在数字信号处理部分以及模拟前端的有源部分实现抗干扰容易受到电源/地等影响的问题，也解决了其他模块对数据主链路的影响和干扰；另外，本发明结构简单，成本低，并且无需考虑材料及其复杂的制备工艺，可以推广到微波、太赫兹以及光学波段，也可以指导其他物理系统的谐振器设计，例如声学、热力学以及机械力学系统，也可总结电路平台的独特优势，构建一套可应用于工程领域的新型谐振系统，为无源模拟系统中实现抗干扰提供了一种崭新的思路和方法。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。