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集总电路的磁通传输网络图——磁通流(MFF)图

已有 728 次阅读 2024-9-28 13:42 |个人分类:电路观点|系统分类:科研笔记

集总电路的准静态电磁场规律,总结为两个方程:电荷建立电标势的泊松方程和安培-麦克斯韦环流建立磁矢势的泊松方程,详见《电磁场的波动方程与准静态方程》。可见,集总电路通过电荷磁通两种能量载体的传输,实现电磁信号和能量的传递和转化。

从集总电路的准静态电磁场方程出发,可推导出集总电路的统一磁通传输方程和系统模型。详见《电路中的电磁场(10——从电磁场基本方程推导电路的磁通传输方程及其动力学模型》。

集总电路的磁通传输系统模型,描述了两种对象(磁通泵和回路)的三种相互作用(回路之间的磁场相互作用,磁通泵之间的电场相互作用,回路与磁通泵之间的磁通交互作用)。

磁通传输系统的“两种对象三种关联“,用相应的符号表示,就得到了集总电路的磁通传输网络图——磁通流(Magnetic Flux Flow, MFF)图。

磁通传输系统模型各要素与MFF图符号的对应关系,如图1所示。可以看到,一个电路的MFF图就是该电路磁通传输系统模型的图形表示:磁通传输系统的两种对象以及两种对象间的三种关联,都一一用图形符号表示。

绘制完成一个电路的MFF图,即得该电路的磁通传输方程和系统模型,用于电路仿真分析。该分析方法,回归了电路的电磁场基本规律,不再依赖图论定理基尔霍夫定律列写电路方程。

磁通流(MFF)图,是一般化的载流子流图在磁通传输系统中的应用,详见《哥尼斯堡电路学(6)—载流子流(ECF)图》。

 图1-磁通传输模型及其MFF图.jpg

1. 集总电路的磁通传输模型及其MFF图符号

 

附:MFF图示例

1)常规RLC电路的MFF图。一个典型RLC电路的MFF图,详见《电路的载流子流图示例(1—— 一个简单RLC电路》。

2)纯超导回路的MFF图。磁通变换器是一种纯超导回路,其MFF图,见于《电路的载流子流图示例(10——超导磁通变换器(Flux Transformer》。

3)约瑟夫森结电路的MFF图。典型的约瑟夫森结电路有:

超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)电路,单磁通量子(Single Flux QuantumSFQ)电路,超导量子比特(Qubit)等。

一个约瑟夫森结磁通泵电路的MFF图:

电路的载流子流图示例(3—— 一个约瑟夫森结电路

常见SFQ数字逻辑电路的MFF图:

电路的载流子流图示例(4—— TTLSFQ逻辑电路

电路的载流子流图示例(5—— 约瑟夫森传输线 (JTL) 电路

电路的载流子流图示例(6——约瑟夫森结D触发器电路

电路的载流子流图示例(7——约瑟夫森结与门(AND-gate)电路

电路的载流子流图示例(8——约瑟夫森结或门(OR-gate)电路

电路的载流子流图示例(9——约瑟夫森结非门(NOT-gate)电路

常见SQUID磁敏感电路的MFF图:

电路的载流子流图示例(11——射频超导量子干涉仪(RF-SQUID)电路

电路的载流子流图示例(12——直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)电路

电路的载流子流图示例(13——射频与直流双拼超导量子干涉仪(BI-SQUID)电路

电路的载流子流图示例(14双弛豫振荡超导量子干涉仪(DRO-SQUID)电路

电路的载流子流图示例(15——超导量子干涉滤波器(SQIF)电路

电路的载流子流图示例(16——超导量子干涉仪阵列(SQUID-array)电路

 

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电磁场通量分配模型(Electromagnetic-Flux-Distribution Model)是一种以电荷和磁通为载流子,分析约瑟夫森结电路、相滑移结电路等相位相关(phase-dependent电路的通用模型。其对应的 磁通流通图(Magnetic-Flux-Flow diagramMFF diagram)和 电通流图(Electric-charge-flow diagramECF diagram)是描绘电荷和磁通传输的交互式电路图,能帮助我们更直观地分析载流子的电磁场相互作用,加深对电路功能的理解 [1-4]。特别的,MFF图以磁通为载流子,直观的诠释了 具有宏观量子效应的超导约瑟夫森结电路 的工作原理。

[1] Y. L. Wang, " Electromagnetic-Field-Based Circuit Theory and Charge-Flux-Flow Diagrams," arXiv:2403.16025, pp. 1-40, 2024. https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.16025

[2] Y. L. Wang, "An Electromagnetic-Flux-Distribution Model for Analyses of Superconducting Josephson Junction Circuits and Quantum Phase-Slip Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 5, pp. 1-6, Aug 2022.

[3] Y. L. Wang, "Magnetic-Flux-Flow Diagrams for Design and Analysis of Josephson Junction Circuits," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 33, no. 7, pp. 1-8, Oct 2023

[4] Y. L. Wang, "A general flux-Based Circuit Theory for Superconducting Josephson Junction Circuits," arXiv:2308.01693, pp. 1-35, 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01693



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