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关键词： IPMC致动器   迟滞非线性   Levy辨识法   逆模型   逆迟滞电路  

摘要： 离子聚合物金属复合材料（Ion-exchange Polymer-Metal Composites简称IPMC）,作为致动器具有响应速度快、致动变形大、驱动电压低等特点,由于其性能类似于生物肌肉,被称为“人工肌肉”,在航天事业、生物医学、仿生机构等领域具有巨大的应用前景。然而IPMC响应机理复杂、对环境条件与材料参数变化敏感且本身具有迟滞特性,位移跟踪困难,严重影响了该材料的开发与应用。 为解决上述问题,对IPMC致动器进行迟滞建模并设计出能够使用硬件进行迟滞补偿的电路。本文首先设计一套完整的IPMC实验平台,基于Lab VIEW开发了数据采集与测试平台,测试了IPMC在不同频率、不同幅值的低频交流电压下的位移响应特性,建立了详细的特性数据库。 接着通过改进非线性的等效电路模型,提出了分布式的IPMC非线性等效电路模型,并以此为基础建立了IPMC的等效电路分段模型。接着以3V低频交流电压作为输入,根据正弦电压下IPMC和线性模型具有的相似性,表现出相似的响应曲线,确定了IPMC致动器在0.1-10Hz下的幅值与相位差,根据输入输出数据绘制出系统的幅相特性曲线,并使用Levy辨识法建立了IPMC的线性高阶模型。并通过实验验证两种模型平均相对误差均低于3%。 基于已辨识的正模型N=3阶传递函数G（s）,通过调换输入输出并串联一个三阶低通滤波器模型H（s）,建立逆模型G-1（s）。根据所建立的逆模型,以运算放大电路为基础,设计并建立逆迟滞补偿电路,达到使用硬件解决IPMC的迟滞非线性的目的,并在仿真软件中对逆迟滞补偿电路的准确性进行了验证。 实物焊接逆迟滞补偿电路并将其作为前馈补偿后,为了进一步消除误差,建立了具有逆迟滞电路补偿和PID结合的复合控制方法,并搭建了复合控制实验平台进行实验验证与分析。实验结果表明,所设计的逆迟滞补偿电路能较好补偿IPMC致动器的迟滞非线性特性,实现了使用硬件补偿IPMC致动器迟滞非线性的目的。同时具有逆迟滞电路补偿和PID结合的复合控制方法能够较准确的跟踪位移,平均绝对误差和均方根误差始终低于0.1mm,较好实现了精确控制。

关键词： 电路板   缺陷检测   故障检测   YOLOv8   Informer  

摘要： 随着电子信息产业的高速发展,电路板的生产制作工艺不断提高,电路板的集成度提高,元器件愈加密集,提升性能的同时,也给电路板的缺陷和故障检测提出了更高的要求和挑战。传统的人工检测方式费时费力,效率低下,弊端突出。而自动光学检测方式和红外测温检测方式有着高效、无损、无接触、易操作的特点,成为当前检测的两种主流方法。但是,这两项技术在面临密集程度愈来愈高的电路板检测时,也呈现了一些不足。考虑到近年来蓬勃发展的深度学习技术在缺陷检测中体现的性能优势,本文拟将该技术融入基于可见光图像和红外测温的电路板缺陷检测中,以提高缺陷检测的准确性和可靠性。本文的主要工作包含如下几个方面。 首先,针对基于经典YOLOv8网络的电路板可见光图像元器件目标检测中,存在小型元器件引发的缺陷识别准确率不高的问题,提出了一种基于YOLOv8网络改进的电路板缺陷检测方法。该方法对高分辨率图像采用基于切片方式的训练和检测方案,可以解决现有的基于整图检测方式在小目标识别上存在信息丢失的不足;同时,该方法对网络的Neck模块进行结构改进,以优化小目标元器件的识别效果;最后,提出了基于目标检测结果的电路板元器件丢失、错焊判定算法。为了验证所提方法的有效性,采集构建了实验数据集,分别对各改进点进行了对比实验,与改进前的网络相比,目标检测指标m AP50提升了11.9%,缺陷检测准确率94%,实验结果表明所提方法取得了显著提升。 其次,针对基于Informer网络的电路板红外测温故障检测中,存在着因网络特征提取不够丰富、局部细节特征丢失、没有衡量不同通道与任务相关性,导致的检测准确度不高的问题,提出了一种基于Informer优化的电路板故障检测方法。该方法使用FCN来优化前馈网络结构,提高了特征提取的精度;采用多尺度特征融合方式来提升模型对局部细节特征的提取能力;设计了一种基于通道注意力机制的模块来计算不同芯片数据与故障的相关性。为验证所提方法的有效性,设计了数据采集平台,采集构建实验数据集,设计了模型改进对比实验和经典时间序列分类模型对比实验进行验证,实验结果表明所提方法较原始方法准确率取得了显著提升,可以有效地应用于电路板故障检测任务中。

关键词： GaN HEMT   小信号等效电路   噪声模型   PRC噪声模型   温度噪声模型  

摘要： 作为宽禁带功率半导体设备的典范,氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）在高频和高功率领域展现出极大的应用前景。为了生产适用于广泛应用的可靠GaN HEMT,至关重要的是准确预测GaN HEMT的性能。本文的创新之处在于引入通道电阻RL来改进GaN HEMT的等效电路模型,提升模型的精确度,并重点研究改进GaN HEMT的噪声模型的建模技术,在常温下采用不同的方法对晶体管的噪声进行建模和仿真验证。本课题的主要研究内容如下: （1）由于器件噪声建模的有效性主要取决于所采用的小信号提取的精度,因此本文首先着重研究基于通道电阻RL建立改进的小信号等效电路模型,经过分析确定采用数学修正法对等效电路元件进行解析提取,以克服寄生元件随栅极偏置电压变化而显著变化的问题,提高小信号模型（Small Signal Model,SSM）参数的精确性。并对本征元件的偏置依赖性进行分析,寻找通道电阻RL与栅极偏置电压之间的关系,探索改进模型的优势。 （2）然后基于上述改进的SSM,建立相应的等效噪声电路模型。通过二端口网络的等效表征方法,利用实测得到的晶体管的几个主要噪声参数,经过一系列的矩阵计算消除寄生部分的影响,提取出本征部分的噪声。接着采用不同的建模方法对热噪声进行建模。通过计算可以表征噪声的功率谱密度,在常温条件下建立改进后的噪声模型来描述噪声特性。 （3）最后验证GaN HEMT等效电路模型。将本文所建模型嵌入到ADS仿真平台,仿真验证改进模型的有效性和精确性,结合各个性能参数分析改进SSM的实用性。此外,通过S参数分析还可以得到改进模型的使用方法。将建立的改进PRC噪声等效电路模型和温度噪声等效电路模型进行仿真以获取四个噪声参数,与实测的四个噪声参数进行对比,验证所建立噪声模型的有效性。

关键词： 多功能一体融合   可重构滤波器   Q值可控谐振单元   可控混合电磁耦合   可调非谐振节点  

摘要： 随着无线电子技术的飞速发展,越来越多具有不同标准的应用被提出,实现同时支持多标准、多应用、多任务的无线电子系统已成为无线技术领域的核心发展趋势。传统无线系统架构使用多个子系统模块满足不同应用需求,且系统中各种功能器件相互独立、彼此分散,在高密度应用需求和大规模阵列系统体系下,这样的架构会导致系统体积庞大、成本高昂等问题,难以满足各类民用移动通信终端与军用电子作战平台对小型化与轻量化日益增长的需求。多功能可重构一体化电路是突破上述瓶颈的有效途径,将系统中多种功能器件进行一体化融合设计,并使其能够根据不同应用与任务需求而灵活重构,可以大幅减小系统尺寸与重量、降低系统成本、提高系统灵活性。这一方向已成为现代无线技术领域的研究重点之一,其对推进无线系统小型轻量化、高效低耗化、智能一体化具有重要意义。 本文以无线系统射频前端中的滤波器为核心,围绕移相器、衰减器、射频开关、双工器、波束形成网络等重要功能器件与模块,深入开展多器件、多功能一体融合的可重构滤波电路关键技术研究,针对现有多功能可重构滤波电路功能融合度低、调谐范围窄、重构能力差等问题,提出了多种多功能融合与可重构滤波电路设计方法,有效提高了电路功能融合度与灵活重构能力,缩减了电路尺寸与重量,为高性能小型化、高集成一体化射频无线系统的实现提供了一条新思路。本文具体研究内容包括: 1.针对现有变容二极管调谐的可重构微带带通滤波器高频性能恶化严重的问题,提出了一种高频可重构微带带通滤波器设计方法,有效提升了变容二极管调谐的可重构微带带通滤波器在10 GHz以上工作频率的可重构滤波性能。该方法利用可重构高通与可重构低通滤波器级联形成可重构带通滤波器,通过对不同高低通滤波拓扑结构中变容二极管的损耗特性进行定量分析对比,明确了更适用于高频低品质因数条件的可重构高低通滤波拓扑结构,从而有效减缓了变容二极管低品质因数对滤波性能的恶化效果,最终实现对变容二极管调谐的可重构微带带通滤波器高频性能的有效改善。经测试,所研制的可重构微带带通滤波器工作频率可覆盖10.23-15.7 GHz,相对带宽可在32.48%-95.76%之间调节,插入损耗仅为2.55-3.86 dB,阻带抑制可在40 GHz的频率范围内保持在35 dB以上。 2.针对现有滤波移相器、滤波衰减器电路功能融合度低、调谐范围有限的问题,提出了一种可重构滤波/移相/衰减融合电路设计方法,基于无源正交矢量合成技术与可控Q值谐振技术,实现了可重构滤波、移相、衰减功能的高度一体化融合,显著提升了电路小型化与集成化水平。通过研究三联体滤波拓扑中不同耦合路径上的信号相位特征,创新地提出了直接在滤波电路内部构建正交矢量合成网络来调节输出相位的思想,利用传递函数映射法,推导了电路参数与幅度/相位响应间的定量函数关系,给出了在维持良好带通滤波幅度响应情况下的相位任意调节实现条件。在此基础上,进一步设计了一种谐振频率与Q值独立可控的谐振单元结构,通过调节谐振单元Q值大小,实现了对滤波器通带幅度的灵活调节。经测试,所研制的可重构滤波/移相/衰减融合电路工作频率可在0.75-0.95 GHz范围连续调节,输出相位调谐范围覆盖完整360°,衰减调谐范围可达10 dB。 3.针对现有滤波开关电路功能融合度低、重构能力差的问题,提出了滤波器、射频开关与双工器/移相器的融合集成方法,并以此分别设计了一款可重构双工器/滤波开关融合电路与一款可重构滤波开关/移相融合电路,实现了滤波开关与双工器/移相器的一体融合和灵活重构,有效提升了电路的灵活度与功能融合度。经测试,该可重构双工器/滤波开关融合电路可以通过调节谐振器的谐振频率及耦合系数实现在双工器与滤波开关这两种工作模式间的灵活切换,且两种模式的通带频率均连续可调。所研制的可重构滤波开关移相电路可在1.65-1.84 GHz的中心频率调谐范围内,实现对输出相位在360°范围内的连续调节,同时截止状态的隔离度大于40 dB。 4.针对现有滤波波束形成网络功能单一、调谐能力差、结构复杂的问题,提出了一种同时集成幅度、相位连续调节功能的1×4可重构滤波波束形成网络设计方法。该网络可以在形成可重构带通滤波响应的同时,实现对输出端口间相位差以及幅度比的连续调节,且其输出端口数量也可根据需求灵活改变,具有高度灵活的重构与调谐能力。作为网络的核心,本文首先设计了一款输出相差与输出功分比任意可调的1分2可重构滤波功分器,分析阐明了其任意输出相差与任意输出功分比的形成机理,并给出了相应的电路实现条件。接着,通过将滤波功分器级联,进一步搭建形成1×4可重构滤波波束形成网络。经测试,该滤波波束形成网络的工作频率调谐范围覆盖1.01-1.1 GHz,输出端口步进相移可在360°范围内连续调节,当该电路作为馈电网络用于四元线性天线阵列中时,天线阵列

关键词： 废弃电路板   碱改性   铁氮掺杂   零价铁掺杂   抗生素   吸附  

摘要： 电路板是现代电子设备的重要组成部分,其产量和更替速度的不断增加导致了废弃电路板（Waste Printed Circuit Board,WPCB）的数量急剧增长。但WPCB的处理和利用仍然面临着诸多挑战,这种情况造成了一定程度的资源浪费和严重的环境健康问题。WPCB中的非金属部分（Non-metallic Fraction,NMF）占比达70%,包含塑料、树脂、纤维玻璃等材料组分,具有良好的改性应用潜力。本研究通过KOH活化和铁氮、零价铁-氮对NMF进行改性,构建具有特定表面性质的高值吸附剂,并以四环素（TC）、盐酸金霉素（CTC）、土霉素（OTC）作为典型抗生素代表,评价了NMF基改性碳材料对抗生素的吸附性能,探索了其吸附机制和构效关系,试图为提升WPCB的资源化回用和高值利用,缓解环境中抗生素污染提供理论和技术支撑。论文取得了一些有价值的结果: （1）碱改性显著改变了NMF的结构特征,增强了材料对TC类抗生素的吸附性能。NMF由无孔结构变成表面富孔结构;比表面积（SSA）由NMF的0.10 m2/g增大至2-K-750（N）的19.14 m2/g;碱改性也增加了材料表面的含氧官能团种类（如-O-C=O）。随KOH浓度的增加,改性材料对TC类抗生素的吸附能力先增大后略降低,在2 mol/L用量时效果最佳;随煅烧温度提升,吸附能力逐步增大。碱改性NMF材料对TC类抗生素的吸附性能与材料表面特征（如比表面积）呈正相关。综合性能和成本,2 mol/LKOH活化、有氧100℃煅烧制备的2-K-100（O）作为碱改性NMF代表,对TC、CTC和OTC的平衡吸附量分别可达45.63、46.39和43.36 mg/g;平衡吸附时间分别是360 h、24 h和360h;具有良好的循环利用性能,虽然5个循环后材料损失17%,但吸附性能仍保持在初始的93%以上,对抗生素的去除仍达90%以上。 （2）铁氮掺杂改性使2-K-100（O）的孔隙结构更加丰富,表面官能团种类更丰富（如Fe-O）。比表面积进一步增大,由2-K-100（O）的3.31 m2/g增大到Fe（3）-N（1）-KNMF-800的82.5 m2/g;且改性材料的比表面积与Fe含量呈良好的线性正相关（Y=3.79X+13.15,R2=0.98）。改性材料结构特征的改善提升了其对TC类抗生素的吸附性能,且吸附能力与比表面积呈正相关,平衡时间与比表面积呈负相关;如Fe（3）-N（1）-KNMF-800对TC、CTC和OTC的平衡吸附量达到了46.76、49.48和48.16 mg/g,平衡吸附时间降至72 h、12 h和72 h。Fe（3）-N（1）-KNMF-800在经过7次循环后仍可去除90%以上的抗生素,循环使用性能进一步提升。 （3）零价铁-N掺杂NMF可进一步提升2-K-100（O）的比表面积,且比表面积与Fe0含量呈线性正相关（Y=1.315X+31.35,R2=0.89）,如ZVI（3）-N（1）-KNMF的比表面积达到96.9 m2/g。ZVI-N掺杂NMF对TC类抗生素的吸附能力与其比表面积呈正相关,如对TC而言,拟二级吸附速率常数k2=0.004SSA-0.011（R2=0.95）。Fe0含量最高的ZVI（3）-N（1）-KNMF对TC、CTC和OTC的吸附性能最好,表现出更高的吸附速率（吸附平衡时间降为3、0.75和3 h）和更高的吸附量（Langmuir饱和吸附量达到了102.3、104.6和100.7 mg/g）。

关键词： 量子视频   量子直方图   并行计算   Grover搜索算法   超前进位全加器  

摘要： 直方图在数字图像处理中起着重要的统计作用,量子图像直方图作为量子图像处理中的一种预处理结果,其中包含着图像的灰度信息,并且直方图在后续的量子图像处理中扮演着重要的角色.就我们所知,仅仅存在少量的关于量子图像直方图的研究结果,并且关于量子视频直方图的研究还没有开始.因此,本文根据并行计算的思想,提出了一种新颖的量子视频直方图统计算法. 为了统计量子视频的直方图,设计了并行加法器.本文首先将经典的超前进位全加器推广到量子版本上,即在进行两个n-qubit非负整数的加法时,通过将n个量子比特分为多个群,在群内实行并行加法的同时,在群间实现级联运算,从而设计了量子超前进位全加器,它可以降低两个n-qubit非负整数在进行加法运算时由多个进位产生的延迟；其次,通过将多个量子比特分为一个群,可以得到量子超前进位全加器推广到多个进位的情况?随后,考虑一般情况下的加法,对非负定点小数和非负定点分数执行量子超前进位全加器,可以得到非负定点分数的量子超前进位全加器. 根据非负定点整数的量子超前进位全加器,并利用并行计算的思想,设计了可以实现2m个非负整数的加法的量子分层叠加加法器,并绘制了相应电路.量子分层叠加加法器可以以并行的方式更快地实现2m个非负整数的加法,从而可以实现大量数据的加法运算,并且减少了所需的存储资源,同时,与量子经典加法器(O（2m×2~n）)、量子Fourier变换加法器(O（2m×nlog2n）)、量子叠加加法器(O（2m×n）)的复杂度相比,量子分层叠加加法器将它们的复杂度减少为O（m2）. 这里受条带表示模型以及Yan Fei等人并行比较思想的启发,本文利用并行计算的思想来实现量子视频的直方图统计.首先将量子视频表征为条带的形式?其次对条带中的图像进行预处理,使得图像的尺寸变大,同时像素位置上的灰度值不发生改变,并对处理后的图像进行并行拼接?随后,对基于Grover搜索算法的量子图像直方图统计算法加以改动,并将改动后的算法与图像的拼接技术相结合,最终得到了量子视频的直方图统计算法及电路?最后,本文通过一个例子给出了量子视频直方图统计算法的详细过程.这里的量子视频的并行直方图统计算法可以更快速地统计大量图像数据,并且减少运行时间及存储资源.