雙螺旋平面線圈電磁特性研究

趙瑩琦

摘要：電磁無損檢測是以電磁技術為基礎的一項新興技術，應用廣泛。本文以HFSS為平臺，對平面螺旋線圈結構中的雙螺旋阿基米德平面線圈進行仿真，觀測其在搭建由金屬小貼片構成的四棱錐罩前后的電磁特性，對其特性進行比對分析，得到了這一結構可以有效改變磁場分布的結論，實現了磁場聚焦效應的研究目標。

關鍵詞：通電螺旋線圈;電磁特性;磁場聚焦效應

中圖分類號：TN379 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0055-02

0 引言

電磁無損檢測是以電磁技術為基礎的一項新興技術，在醫學、工業等領域的檢測、探測方面有著廣泛的應用。漏磁檢測是以鐵磁性材料所具有的高磁導率特性作為基礎的一種探測方法。鐵磁性材質的物件在被外磁場磁化時，假使表面是均勻、光滑、連續的，那么幾乎沒有磁感線從物件的表面穿出。但當材料表層或內部存在缺陷時，磁感線將會改變途經，形成缺陷漏磁場[1]。漏磁檢測主要是應用在探測領域，為了提高精度及成像，要實現像素小的特點。因此，在發射端，能量要聚集，使發射出來的探測磁場分布聚集，實現磁場聚焦效應。

通電螺旋線圈可以看成一種具有螺旋形狀的天線，由于該結構在寬頻帶上具備優異且可被利用的特性，因而很快于各領域得到了普遍應用。通電螺旋線圈通常由導電性能良好的金屬螺旋線組成，由同軸線饋電，同軸線的心線和螺旋線的一端相連接，同軸線的外導體則和接地的金屬網或者接地平板相連接[2]。本文將利用左手材料具有后向波導以及負折射率的特性，實現通電螺旋線圈電磁設計、仿真及分析，實現近場磁場聚焦效應。

1 螺旋線圈設計

本文設計采用HFSS軟件[3]，提出了雙螺旋阿基米德平面線圈的設計。一個完整的雙螺旋阿基米德平面線圈由三部分構成：上部的雙螺旋阿基米德螺線;中部的三角形形狀的漸變線饋電巴倫構成的饋電面，材料采用最常用的環氧樹脂板材;最下面的接地平板部分。

從阿基米德螺旋線圈上方磁感線分布的俯視觀察，磁感線的方向是從圓盤的一側穿出，從其對側穿入，穿過圓盤中心的磁感線強度最大，穿過圓盤四周的磁感線強度最小。

以此為基礎，我們可以設想，如果讓從圓盤四周穿出的那一部分磁感線，在穿出圓盤的“途中”，由于遇到了一些阻礙，讓其改變分布軌跡，不再從圓盤四周穿出，而是從圓盤的中心穿出，就可以讓圓盤中心位置的磁場強度進一步增強，圓盤四周的磁場強度進一步削弱，將分布在四周的磁場強度聚集在中心點附近，這樣，便可以實現磁場聚焦效應，如圖1所示。

通過查閱資料發現，金屬小貼片對磁場可以有屏蔽的作用，而且，當金屬貼片之間的距離在十分之一波長時，屏蔽效果就已經比較理想。故設計了由金屬小貼片構成的四棱錐罩。

由搭建的雙螺旋阿基米德平面線圈與搭建由金屬小貼片構成的四棱錐罩結合起來，便完成了對平面螺旋線圈定向性改變的結構設計。在這個結構的上方，構造一個極薄的空氣圓盤，如圖2所示。作為實體來觀測線圈上方的磁場分布情況。

2 仿真與分析

利用HFSS14仿真得到了設計的電磁特性。在此僅研究S11參數在該頻段1.5GHz—4.5GHz范圍內的掃頻結果、三維增益方向圖以及軸向方向增益方向圖。S參數，亦即散射參數，在此我們主要研究其中的S11參數。S11為輸入反射系數，表示的是有多少能量被反射回源端，這個數值越少越好。在此項電磁特性上，選取S11<-10dB。

我們將對圖1和圖2的電磁特性分析結果，進行綜合的對比分析。

表1結果比較與分析：縱向來看，第一列的圖（a）、圖（b）和圖（c）所示的是雙螺旋阿基米德平面線圈在結構上方的磁場分布、磁感線以及水平方向磁場強度幅值圖;第二列的圖（d）、圖（e）和圖（f）所示的是雙螺旋阿基米德平面線圈在增設由金屬小貼片構成的四棱錐罩后，其上方的磁場分布、磁感線以及水平方向磁場強度幅值圖。縱向的三幅圖在實質上是一樣的，只是表現形式不同，他們都可以表示磁場在空氣實體上某一點的磁場強度，故其左邊的刻度值是一致的，在每一點的磁場強度也是一樣的。從橫向來看，以最直觀的歸一化之后的磁場強度分布圖，即圖（c）和圖（f）例。在圖（c）中，靠近空氣圓盤中心的較大范圍內，磁場強度在圖上都為淺綠色，其數值在5.6286e-001至5.8571e-001之間;在圖（f）中靠近空氣圓盤中心，磁場分布的強度值在6.3143e-001至6.5429e-001之間，在離圓盤中心中等距離處，其磁場強度才逐漸減弱。在圓盤靠近邊緣的地方，兩者的磁場分布強度大致相近，但是圖（f）相比圖（c），能量的連續性更強，并且更向中心聚攏集中。因此，我們可以看到，通過圖（c）和圖（f）的比較，磁場在螺旋結構上方的能量出現了明顯的聚集。

這也就說明，通過在螺旋結構上方搭建由金屬小貼片構成的四棱錐罩，可以有效地改變磁場的分布，讓磁場的能量更加集中，實現聚焦效應。

3 結語

本設計以HFSS為操作平臺，對雙螺旋阿基米德平面線圈來進行研究。通過仿真實驗，觀測在其結構上方增設金屬小貼片構成的金屬罩后，此結構對磁場分布的影響。從實驗結果可以看出，在搭建了此結構后，雙螺旋阿基米德平面線圈上方中心位置的磁場強度有明顯的增強，成功達到了磁場的聚焦效應的效果。

參考文獻

[1] 黃松齡.電磁無損檢測新技術[M].清華大學出版社，2014.

[2] 李杰，楊方清，董建峰.左手材料在天線中的應用研究進展[J].材料導報，2011，25（07）：56-62.

[3] 趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M].中國水利水電出版社，2010.

Research on Electromagnetic Characteristics of Double Helix Plane Coil

ZHAO Ying-qi

（Guangzhou University Sontan college， Zengcheng? Guangdong? 511370）

Abstract：Electromagnetic non-destructive detection is an emerging technology based on electromagnetic technology and it has been widely。The HFSS as a platform， to simulate the planar spiral coil structure of the double spiral of Archimedes planar coil， observing the in building consists of a small metal patch of pyramid cover before and after the electromagnetic characteristics， the characteristics were compared and analyzed， obtained the structure can effectively change the magnetic field distribution of the conclusion， the realization of the focusing effect of the magnetic field， the goal of the research.

Key words：current helical coil; electromagnetic properties; focusing effect on magnetic field