由大阪大學(xué)工程學(xué)研究生院的安部雅之教授和東京宏志教授領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，開發(fā)了一種高精度的時域三維電路模擬器，用于量化電磁(EM)噪聲并闡明其來源，以便進行電子和電氣電路布局以降低EM噪聲。

在日常生活中，普通電器插入電壓插座就會啟動，當(dāng)電器插上電源時，電勢的“差”就會施加到插頭上，產(chǎn)品中的電路就會被驅(qū)動。然而，電磁噪聲來源于電勢的“和”，這是我們通常不太注意的。

由于很難想象電勢的“總和”在電路中產(chǎn)生的原因、地點和時間，因此噪聲處理僅基于技術(shù)訣竅。這項研究結(jié)果不僅可以量化傳統(tǒng)電路理論中通常使用的物理量的“差”，而且可以量化物理量的“和”，這可以作為電磁噪聲現(xiàn)象的根源。隨著用電設(shè)備的普及，我們的生活變得越來越方便，電磁噪聲引起的問題風(fēng)險也增加了。因此，可視化電磁噪聲的產(chǎn)生過程，并了解它是如何產(chǎn)生在尖端電路設(shè)計中是非常重要的。

在這項研究中，該小組開發(fā)了一種量化導(dǎo)致電磁噪聲物理量“總和”的計算方法，以及一種可以可視化噪聲現(xiàn)象來源的模擬器。具體地說，是能夠直接計算以標(biāo)量勢、電荷、矢量勢和電流為變量的聯(lián)立偏微分積分方程，這些變量是構(gòu)成電路三維導(dǎo)體中的電磁物理量。此外，該小組還開發(fā)了一種連接電路元件（電壓源、電阻器等）的算法。以任意邊界作為輸入，這項研究中開發(fā)的方法，使可視化導(dǎo)電材料中的物理量如何隨時間傳播和變化成為可能。

因此，可以直觀地了解EM噪聲產(chǎn)生的原因、地點和時間，并開發(fā)出從根本上消除EM噪聲來源的電路設(shè)計，該方法還考慮了高精度確定電路特性的導(dǎo)體形狀。在演示實驗中，觀察了本研究開發(fā)的計算技術(shù)，以逼真地再現(xiàn)實驗波形。未來，該小組將利用這項研究技術(shù)，闡明各種常用電路導(dǎo)體產(chǎn)生的電位“總和”造成電磁噪聲現(xiàn)象，并將研究結(jié)果應(yīng)用于無噪音電路設(shè)計。該研究小組的目標(biāo)是實現(xiàn)一個“無噪音”設(shè)備，并期望理論和計算可以導(dǎo)致低功耗的無噪音設(shè)備。

從麥克斯韋方程出發(fā)，計算了多層平面電路中的電磁現(xiàn)象，研究提出了一種計算二維導(dǎo)體中電勢和電流密度的數(shù)值方法，將其隨時間發(fā)展看作是波的傳播現(xiàn)象。與部分單元等效電路法類似，研將平面導(dǎo)體劃分為小的有限體積單元，然后用時域有限差分方法求解輸運方程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用在多傳輸線中所用的方法，提出了一種多層平面邊界的計算方法。描述了多層平面與集總參數(shù)電路耦合的邊界條件，并從多傳輸線情況引入了一種算法來降低與二維擴展密切相關(guān)的計算代價。

博科園｜研究/來自：大阪大學(xué)

參考期刊《科學(xué)報告》

DOI: 10.1038/s41598-019-53288-x

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