Fig. 1. Schema schematico utilizzato in questo studio. La variazione temporale della quantità fisica in un conduttore di circuito tridimensionale con elementi di circuito (la figura è un piano (2D) ma può anche essere una configurazione 3D). Inoltre, si può quantificare la componente somma che è all'origine del rumore elettromagnetico. Credito:Università di Osaka
Un gruppo di ricercatori dell'Università di Osaka guidati dal Prof. Masayuki Abe e dal Prof. Hiroshi Toki della Graduate School of Engineering Science ha sviluppato un simulatore di circuiti 3D ad alta precisione nel dominio del tempo per quantificare il rumore elettromagnetico (EM) e ne ha chiarito l'origine , consentendo il layout del circuito elettronico ed elettrico per ridurre il rumore EM.
Nella nostra quotidianità, i normali apparecchi elettrici si avviano quando sono collegati a una presa di tensione. Quando un apparecchio è collegato, la "differenza" di potenziale viene applicata alla spina, e il circuito elettrico nel prodotto è pilotato. Però, Il rumore EM nasce dalla "somma" dei potenziali, qualcosa a cui normalmente non prestiamo molta attenzione. Poiché è difficile visualizzare il motivo, dove, e quando la "somma" del potenziale si genera nei circuiti elettrici, i trattamenti antirumore sono dati semplicemente sulla base del know-how. I risultati di questa ricerca hanno permesso di quantificare non solo la "differenza" di grandezza fisica, che viene normalmente utilizzato nella teoria dei circuiti convenzionale, ma anche la "somma" della grandezza fisica, che può fungere da origine di fenomeni di rumore EM (Fig.1). Poiché le nostre vite stanno diventando sempre più convenienti a causa della diffusione di dispositivi alimentati dall'elettricità, è aumentato anche il rischio di problemi causati dal rumore EM. Perciò, visualizzare il processo di generazione del rumore EM e capire come si verifica sono molto importanti nella progettazione di circuiti all'avanguardia.
In questo studio, il gruppo ha sviluppato un metodo di calcolo per quantificare la "somma" delle grandezze fisiche, che causa rumore EM, nonché un simulatore in grado di visualizzare l'origine del fenomeno del rumore. Nello specifico, sono stati in grado di calcolare direttamente l'equazione integrale alle derivate parziali simultanee con le variabili del potenziale scalare, carica, potenziale vettore, e attuale, che sono grandezze fisiche EM nei conduttori tridimensionali costituenti il circuito (Fig.2). Per di più, il gruppo ha sviluppato un algoritmo che collega gli elementi del circuito (sorgenti di tensione, resistori, ecc.) a confini arbitrari come input. Il metodo sviluppato in questa ricerca consente di visualizzare come le quantità fisiche nei materiali conduttori di elettricità si propagano e cambiano nel tempo. Di conseguenza, è possibile capire intuitivamente perché, dove, e quando viene generato rumore EM, e sviluppare un progetto di circuito che elimini sostanzialmente l'origine del rumore EM.
Fig.2. Equazioni e variabili utilizzate in questo studio. La grandezza fisica utilizzata nell'elettromagnetismo viene calcolata come variabile. Le equazioni 1 e 2 rappresentano il potenziale ottenuto dalle equazioni di Maxwell, le cui sorgenti sono carica e corrente. Inoltre, la relazione tra corrente e carica è espressa usando l'equazione continua nell'Eq.3, e la relazione tra potenziale e corrente è espressa usando la legge di Ohm nell'Eq. 4. Risolvendo queste equazioni simultaneamente, si possono descrivere i fenomeni nel circuito. Credito:Università di Osaka
Fig.3. Risultati sperimentali e risultati di calcolo numerico ottenuti con questo metodo di ricerca e metodi convenzionali. Quando la differenza di potenziale è 0, il rumore EM non viene generato, e la differenza di potenziale generata indica l'EM generato piegando il cablaggio del circuito. Si può notare che questo metodo di ricerca riproduce l'esperimento con elevata precisione. Credito:Università di Osaka
Questo metodo considera anche la forma del conduttore che determina le caratteristiche del circuito con elevata precisione. Nell'esperimento dimostrativo, è stato osservato che la tecnologia di calcolo sviluppata in questo studio riproduce fedelmente la forma d'onda dell'esperimento (Fig.3). Nel futuro, il gruppo utilizzerà questa tecnologia di ricerca per chiarire il fenomeno del rumore EM causato dalla "somma" dei potenziali generati in vari conduttori di circuiti comunemente usati e applicherà i risultati alla progettazione di circuiti senza rumore.
Il gruppo di ricerca mira a realizzare una società "silenziosa", e si aspettano che le loro teorie e calcoli possano portare a apparecchiature silenziose con un basso consumo energetico. Stanno perseguendo attivamente sforzi per realizzare un'infrastruttura silenziosa e vogliono condurre ricerche sia di base che applicate sul rumore EM verso l'implementazione sociale di apparecchiature che riducano il rumore EM. Il Prof. Abe e il Prof. Toki sono alla ricerca di partner del mondo industriale in vari campi per tutto, dalla ricerca di base allo sviluppo applicato.
L'articolo "Formulazione nel dominio del tempo di un circuito piano multistrato accoppiato con circuiti a parametri concentrati usando le equazioni di Maxwell, " è stato pubblicato il 29 novembre in Rapporti scientifici .
