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关键词： 矩量法   部分元等效电路   多层快速多极子算法   稀疏近似逆  

摘要： 三维集成在系统级别依靠传统的互连方法来实现垂直堆叠,现在已被广泛用于实现高速数字系统的高密度和高性能。然而,系统的高密度和高复杂性也导致了系统在建模和分析等方面面临着新的挑战,信号完整性(SI)和电源完整性(PI)问题越发得到关注。本文拟采取部分元等效电路(PEEC)算法对三维复杂互连与封装结构的等效电路参数进行精确高效提取。本文针对三维复杂互连与封装结构的电磁仿真问题,主要研究了以下部分。 首先,本文推导了表面积分方程和体积分方程的基本公式。然后,介绍了利用矩量法(MoM)求解积分方程的基本原理及详细步骤,以及几何建模和电流建模过程。最后,给出了求解电路问题详细计算方法。 其次,针对多层印刷电路板(PCB)中的SI问题,研究了基于表面积分方程矩量法的部分元等效电路法(SIE-MoM-PEEC)。目前PEEC方法多使用矩形剖分,难以适应复杂的三维集成电路形状。针对任意形状PCB走线的SI分析问题,首先采用了曲面三角形单元和RWG(Rao-Wilton-Glisson)基函数分别对PEEC方法中的PCB走线和电流进行几何剖分和电流离散,以提高建模精度和减少未知量;然后,从混合位积分方程推导出各部分元件(包括部分电感元件和部分电容元件)的表达式,并建立兼容SPICE的等效电路模型;其次,研究曲面三角形单元建模情况下的奇异性/近奇异性积分方法,实现精确数值积分;最后,在成熟商业软件ADS基础上,将CRWG-PEEC提取的等效电路模型应用于SPCIE求解,并对一个平面螺旋电感进行S参数提取,证明该方法的正确性。 接下来,为精确求解有损耗传输线的损耗、功率、电位和电流分布,以及端口阻抗参数提取等SI、PI问题,研究了基于体积分方程矩量法的部分元等效电路法(VIE-MoMPEEC)。首先,推导了VIE-MoM-PEEC构建过程,包括电路参数表达式及其奇异性处理。然后,研究了电路外加集总参数,实现了外加源及外加电阻。最后,通过数值算例,验证了不同仿真环境下,算法的有效性、准确性和灵活性。 为了进一步降低计算复杂度和提升求解大规模电路SI&PI问题的能力,本文引入了基于多层快速多极子(MLFMA)算法框架下的VIE-MoM-PEEC混合快速算法,并验证了算法的有效性、准确性和灵活性。同时,为加速电路矩阵方程的迭代收敛,提出了一种有效的稀疏近似逆(SAI)预条件技术,相应数值算例,验证了该预条件技术的高效性。 综上所述,本文的研究成果为解决三维复杂互连与封装结构模型的等效电路参数提取问题提供了高效的解决方案,具有一定的实际工程意义。

关键词： 轨道电路   故障诊断   深度学习   集成智能优化   小波变换  

摘要： 铁路作为国家重要基础设施,承担着经济发展的重要责任。在铁路高速发展的背景下,轨道电路故障诊断的智能化水平亟待提升。传统人工检修存在主观性强、判别效率低等问题,有必要考虑引入智能算法快速准确定位轨道电路故障,提高维修效率。因此,本文选用ZPW-2000型无绝缘轨道电路,在现有故障诊断研究的基础上,开展了以下工作: 1)对轨道电路的组成结构及工作原理进行阐述,并对其常见故障类型及故障原因进行总结归纳。依据轨道电路结构原理建立基于四端网络理论的仿真模型,与实测数据进行对比验证,结果显示最大误差为4.80%,为后续章节的研究内容提供理论基础。 2)针对现有的轨道电路故障诊断方法在复杂环境中受到噪声干扰的限制,提出了一种时频智能深度网络故障诊断方法。首先,对原始感应电压信号进行连续小波变换转换得到小波时频图,将信号的时域和频域信息相结合。其次,将时频图输入到深度置信网络中,以半监督的方式进行提取高层次、抽象特征。最后,通过哈里斯鹰算法对最小二乘支持向量机的惩罚因子和核函数参数进行优化,建立最优的HHO-LSSVM诊断模型,为基于数据驱动的轨道电路故障诊断提供了可行的解决方案。 3)针对轨道电路故障的随机性和复杂性,采用单一诊断模型存在提取特征片面,且模型结构经验设计不合理的问题,提出了算法集成智能优化故障诊断方法。首先以轨道电路信号集中监测系统的电压检测量建立故障特征集,使用卷积神经网络提取特征空间信息,长短期记忆网络提取时间特征信息,从而使轨道电路故障诊断所提取的特征兼具时空信息。同时,引入遗传算法优化上述深度神经网络的结构及参数,并结合强化学习中的Q-learning方法对两个组合网络特征级的输出权重进行进一步优化。最后,使用多层感知器对深度网络的分类误差进行拟合修正,提高模型对轨道电路的故障诊断精度。仿真结果表明,利用智能优化的深度网络模型对轨道电路的故障诊断相较于单一模型、精炼设计的组合模型识别率可达99.28%,评价指标等均有所提升。通过引入更全面的优化方法和网络结构,在特征提取和模型优化方面更全面和精确,从而进一步提高了轨道电路故障诊断的性能。

关键词： 微波功率模块   增益均衡理论   自动电平控制电路   耦合器  

摘要： 微波功率模块广泛应用于军事领域和民用领域,在现代电子战和卫星通信中发挥着不可替代的作用。微波功率模块由固态驱动模块、行波管放大器、集成电源调节器三部分组成,其集合了驱动模块和行波管的优点,具有高增益、低噪声、高集成度、高输出功率、高效率等优点。固态驱动模块位于行波管之前,给行波管提供输入功率,由于行波管的增益为中间高两边低的曲线,为保证微波功率模块最终输出相对平坦的功率曲线,需要用均衡器连接在驱动模块和行波管之间用来作匹配。高低温环境下驱动模块的工作状态会严重影响整个模块的工作性能,其输出功率会发生波动,因此在电路结构中加入自动电平控制系统能有效减少功率波动。 针对自动电平电路系统中耦合器宽频带与小型化的要求,对平行耦合微带线的原理进行研究分析,传统平行线耦合器通过增加多节耦合线来实现宽频带,但这与小型化尺寸相冲突。本文采用单节平行线与接地孔相结合的形式,设计了一款工作于6～18GHz的单节宽带耦合器,耦合度为20d B,相比于两节或三节平行线耦合器,尺寸显著减小,为9.8mm×9mm。本文还针对T型节理论进行研究,采用直通微带线与薄膜电阻组成T型节的形式,再在耦合支路上搭载谐振枝节,设计了一款工作于2～18GHz的耦合器,耦合度为20d B,尺寸5.2mm×4.4mm,实现耦合器的超宽频带与小型化。 本文针对行波管的技术需求,完成了两款小型化的带有自动电平控制功能的均衡放大驱动模块。第一款驱动放大器工作频带7.5～18GHz,搭载单节平行线耦合器,输出分别为低模和高模两种工作模式,并装有两种不同均衡曲线的阶跃阻抗枝节均衡器,用来匹配后级行波管不同模式下的增益曲线,两种模式下的均衡精度小于1.5d B,高低温测试下,各个频点输出功率波动小于1.5d B。第二套移相固态均衡模块工作频带6～18GHz,搭载T型耦合器,均衡量17.7d B,均衡精度小于1d B。高低温测试下,各个频点输出功率波动小于2d B,移相64态的均方根最大误差小于6°。两款固态驱动模块均符合指标要求。 本文的研究对宽带耦合器的设计、固态驱动模块的输出功率控制有实际工程意义。

摘要： 可视化教学作为一种直观、高效的教学方法，逐渐受到教育工作者的青睐。“电流和电路”这一章节涉及电流的形成、电路的基本组成、串并联电路的特点等多个抽象概念，对于初学者来说理解起来较为困难。传统的教学方法依赖于文字和静态图片，难以直观地展示电流的动态过程和电路的工作原理。因此，教师有必要借助现代信息技术手段，构建初中物理可视化实验课堂，以帮助学生更好地掌握这一章节的内容。

关键词： 微细电火花加工   脉冲电源   反激电路   Marx电路  

摘要： 微细电火花加工(Micro Electrical Discharge Machining,micro-EDM)可加工各种复杂表面、窄缝、低刚度以及微细结构零件,且可保证较好的加工表面质量和加工精度,被广泛应用于航空航天等高端制造领域。在加工过程中,脉冲电源的有效击穿放电和单脉冲小能量直接决定着加工精度和加工效率。 本文基于微细电火花加工等效间隙模型及RC式脉冲电源的电气参数对放电电流的影响:采用反激电路对放电电容进行充电,实现充放电回路的电气隔离,同时降低脉冲电源能量损耗;在放电回路方面,借鉴Marx电路实现多个放电电容的并联充电和串联放电,不仅可以降低单个电容的充电电压,还能降低放电电容的等效容值,从而有效降低单次微细电火花加工的放电时间和能量。由此,提出反激电路和Marx电路级联组成的微细电火花加工脉冲电源电路。 对于充电回路,从能量守恒的角度,分析了反激电路对放电电容进行充电的工作过程。对于放电回路,分析了Marx电路串联放电阶段与单路RC的放电能量,验证Marx电路应用于微细电火花加工的优势。由反激电路和Marx电路级联组成的微细电火花加工脉冲电源电路,通过控制开关管的不同组合方式,可以处于多种工作模态,实现多种放电控制策略。针对微细电火花加工的有效击穿放电和单脉冲能量小的要求,采用串联放电控制策略;针对不同的能量等级需求以及加工过程放电脉冲要求,采用分组放电或组合放电控制策略。 实验室设计并搭建了基于Marx电路的微细电火花加工脉冲电源原理样机,验证了放电电容的电气参数对放电电流脉宽和电流峰值的影响。通过单路RC、两路Marx、三路Marx的放电对比,在输出电压固定的情况下,多个电容串联放电可以减小放电脉宽,从而降低单次放电加工的能量。

关键词： 印刷电路板   缺陷检测   YOLOv5   Swin-Transformer   轻量化模型  

摘要： 随着新一代信息技术的崛起,特别是人工智能和大数据的发展,电子通信等硬件行业正迎来新的发展机遇。印刷电路板作为电子和通信领域下游产品的关键部分,是制约行业发展的主要因素。在生产过程中,印制电路板的品质往往决定着生产的稳定性和安全。进行印刷电路板的缺陷测试,将促进电子产业的升级发展,对印刷电路板制造质量起着积极影响。但目前,由于传统的印刷电路板缺陷测试还存在着缺陷类型容易混乱,缺陷目标微小不易测量,检测速度较慢等问题。本文分别对上述这些问题展开研究,使用目标检测算法实现对印刷电路板的缺陷检测,主要内容如下: (1)分析了当前主流的两类目标检测框架。选择YOLOv5网络在PCB缺陷数据集上进行实验,分析使用YOLOv5进行PCB缺陷检测出现的漏检和误检问题,并针对问题提出解决办法。 (2)提出了一种基于YOLOv5-HSTE的检测模型。在YOLOv5s模型的基础上将Swin-Transformer架构引入特征提取网络,获取局部和全局信息的特征。增加一个针对小目标的预测特征层,新的多尺度检测结构使模型更好的利用特征信息。使用ECIOU＿Loss作为损失函数,实现电路板缺陷训练速度和准确率协同优化。实验结果表明,改进后的YOLOv5模型在PCB缺陷数据集上达到了98.7%平均准确率和97.4%的召回率,改进后的YOLOv5模型能更有效的对电路板缺陷进行分类和定位。 (3)提出一种基于OL-YOLOv5的轻量级检测模型。该方法首先使用Mobile Netv3作为特征提取网络,减小模型参数,降低模型复杂度。利用注意力机制增强网络的特征提取能力,联合Bi FPN和快速归一化融合进行加权特征融合,加快特征层的学习效率。再次,增加了轻量级解耦头,提高了检测精确率的同时加快了模型训练阶段的收敛速度。最后,对优化后的模型进行剪枝,实现模型的压缩。实验结果证明了OL-YOLOv5在电路板缺陷检测上的有效性,优化后的模型平均准确率m AP达到了98.6%,召回率达到99.1%,检测速度为117.06FPS,模型大小为5.48M,仅为原模型的40%。在检测精度和检测速度上达到平衡,满足实际应用中准确性和实时性的要求。 (4)搭建了一个印刷电路板检测系统。分析印刷电路板缺陷检测系统的基本功能和需求,采用Py Qt设计电路板检测系统的,能够实现数据的管理、缺陷图像的检测和视频的实时检测等功能,有效降低了检测的复杂性。

关键词： 非厄米系统   高阶PT对称电路   非厄米奇异点   电容式传感器  

摘要： 自1998年PT(Parity-Time,PT)对称系统具有实数本征值被提出以来,PT对称系统奇特的物理特性一直是研究热点,针对PT对称性的研究从量子力学领域逐渐发展到经典物理波动系统,并在光学、电磁学、声学和电子学中得到了广泛应用。本研究基于经典物理电路的灵活性与PT对称的原理,构造了一种高阶PT对称电路,从理论模型、仿真与实验分析和实际应用等方面,分析了高阶PT对称电路奇异点(Exceptional Point,EP)的传感特性。论文的主要工作如下: (1)介绍了PT对称的概念及其机理,综述了PT对称的发展历程以及其在物理系统中的实现与应用,分析了PT对称系统在传感器领域的优势,阐述了PT对称电路传感的发展、优势及应用。从理论层面证明了PT对称性,阐述了PT对称性在电路中的实现机理,分析了负电阻的原理与实现方法。介绍了PT对称电路基于扰动的传感机理和传感特性。 (2)构造了一种高阶PT对称电路,仿真分析了高阶PT对称电路的EP传感特性与DP(Diabolic Point,DP)传感特性,证实了高阶PT对称电路实现传感器的优势。此外,进一步探讨了其基于非对称微扰和对称微扰的传感特性。对比验证了基于耦合电容微扰具有最佳传感性能,实验验证了负电阻的实现以及高阶PT对称电路的传感特性。 (3)基于高阶PT对称电路中耦合电容微扰,设计了电容式传感器,将环境参数作为系统微扰。构造了MIM型湿度敏感电容,实现了基于高阶PT对称电路的电容式湿度传感器。该湿度传感器能够达到0.09742%RH的湿度检测精度和12.56 KHz/%RH的湿度敏感度,与传统湿度传感器±2%RH的检测精度相比,湿度传感性能得到明显提升。计了变面积型电容式加速度计,实现了基于高阶PT对称电路的电容式加速度传感器。在弹簧线性范围内施加极小扰动时,基于高阶PT对称电路的电容式加速度传感器的加速度精度可达0.2%以下,加速度灵敏度可以达到58.5～59 p F/g。 论文基于PT对称的原理,提出并实现了高阶PT对称电路并验证了其基于耦合电容具有优越的传感特性,利用高阶PT对称电路非厄米奇异点的物理特性提升了传感器的传感性能,通过将高阶PT对称电路应用在传感器中,验证了该电路在微扰下的传感特性。论文的理论模型、模拟仿真及实验对传感领域研究具有重要参考价值。