通过“特殊节点”可增强无线传感器的灵敏度
射频无线传感器是智能对象和物联网组件的重要组成部分。例如，无线无电池电感电容（LC）传感器广泛应用于监测人体的重要生理因素（如监测眼疾、充血性心力衰竭或脑损伤的微型传感器）或评估桥梁等民用基础设施的结构健康。
通常，这些系统的工作方式是利用外部无线读取器，通过发送射频信号和处理接收到的反向散射信号来询问完全无源、无芯片的微传感器。待感测的信息被编码在反向散射射频信号中，并且可以通过读取谐振频率的位移来解码。
然而，人们都知道，长期以来这些无源微传感器由于其工作环境和需要满足较小的占地面积的需求，数据收集质量和灵敏度都很差。
发散特殊节点相比于标准特殊节点的优势
研究人员最近发现，锁定在特殊节点（EP）的无线系统可以在实际应用中增强无源无线传感器的灵敏度。
如果复杂电子系统在平衡的、空间分离的增益和损耗下工作，它们可以满足奇偶时间（PT）对称性。从数学上讲，这些系统可以用“非厄米有效哈密顿量”来描述。这样的系统的一个特性是，可以存在某些条件EPs（称为特殊节点），即系统的参数空间中的分支节点奇点，其中两个或多个特征值及其对应的特征向量在该节点处合并并退化。
芝加哥伊利诺伊大学（University of Illinois at Chicago）电子与计算机工程系副教授陈沛妍（Pai Yen Chen）解释说：“发散的特殊节点EPs通常在具有PT对称性的两态开放系统中观测到，导致泰勒级数展开变得奇异、无法收敛。”
在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的研究报告中，芝加哥伊利诺伊大学的陈教授和密歇根理工大学的拉米·艾尔·加纳尼教授领导的一个研究小组对不同特殊节点附近的铂对称性断裂进行了实验观察，并与中佛罗里达大学克理奥尔分校的Demetrios Christodoulides教授合作，从理论上介绍并实验证明了一种新型的PT对称射频电子和遥测系统，它结合了EPs和发散点（这是另一种与复函数极点相关的数学奇点）。
这些几乎发散的特殊节点（DEP）比标准EPs得到的特征频率分岔要大得多，如下图所示：
双链路三级PT对称遥测系统原理图（左）和实际本征频率图（右）
发散特殊节点加大分叉效应 提高微传感器的灵敏度
最近，高阶PT对称性在量子和光学系统中得到了研究，这表明由夹在增益/损耗点之间的中性元素构成的光学PT三聚体可以具有三阶特殊节点。在这些系统中，特征值分岔的水平随着中性元数目的增加而增加。为了实现超灵敏的光学PT传感器，有时需要在增益/损耗点之间设置一个大的中性光学元件阵列。
然而，在这项工作中，由陈和El Gangay领导的研究小组表明，形成遥测传感系统的简单的RF电子Pt三聚体足以实现目标，达到最大的分叉效应。这是因为DEP（发散的特殊节点）的出现为分岔效应提供了一个巨大的倍增因子，而在PT对称的光学或量子系统中，这种结果没有相似之处。
陈说，“我们提出的技术将通过利用DEP周围显著的分岔效应显著提高微传感器的灵敏度，”在操作过程中，微传感器阻抗的任何微小变化（作为目标特性的函数）都可能导致测量的反向散射光谱中共振频率的大幅偏移。”
他说：“简言之，我们将本德1998年在量子力学中首次提出的PT对称性概念转化为RF遥测传感系统，将遥测电路布置成PT对称非厄米哈密顿量的量子模拟，启发我们找出DEP对提高无线微传感器灵敏度起关键作用的条件。”
多元素PT对称遥测传感系统市场前景广阔
该团队的革命性研究成果为构建具有非凡灵敏度和可分辨性的新一代遥测和无电池无线微型和纳米传感器铺平了道路。这可能会给无线植入物和可穿戴电子设备、软机器人以及车辆、飞机、民用基础设施和恶劣环境中的射频传感器带来显著的好处。
研究人员认为，这项工作还可以扩展到其他微波、毫米波和太赫兹无线系统。
这项工作最重要的应用之一可能是即时点监测和诊断。可穿戴和可植入的微传感器需要更高的数据精度和质量，以及更高的采样率，以便构建一个有效和可信的医疗物联网。
这种遥测技术还可以提高微传感器对压力、应变、温度、湿度、生化、气体等的监测性能。
该小组目前正在与伊利诺伊大学医学院合作，演示和商业化一种PT对称无线眼压（IOP）传感器。眼压（或IOP）是青光眼唯一已知的征兆，这已成为60岁以上人群失明的主要原因，仅在美国，这种疾病就影响了约300万人。
Sakhdari指出：“基于DEP增强的PT对称遥测方法，我们正在构建一种用于实时、连续监测眼压的微创植入式无线传感器。我们希望我们的新遥测技术将大大提高传感器灵敏度、可分辨性、临床安全性和患者舒适度。”
该团队目前面临的挑战之一是设计能够减轻DEP信噪比恶化的宽带稳定电路，因为有源电路中的大频率漂移和信号放大会伴随着噪声和不稳定性的增加。Hajizadegan说，这需要多学科的努力，包括应用物理学和电气工程，以最大限度地发挥与DEP相关的无线、全被动微传感器的潜力。
陈总结说“我们提出的多元素PT对称遥测传感系统可以应用于各种现实世界的健康监测系统和临床实践中，这些系统需要微创的、连续运行的无线微纳传感器。在下一代无线可穿戴和可植入式电子领域，DEPs和PT对称性领域或有大量的继续研究机会。目前，灵敏度增强、最佳电路拓扑和最佳器件工程的基本限制在DEP中是开放性研究问题。”
