双螺旋平面线圈电磁特性研究

赵莹琦

摘要：电磁无损检测是以电磁技术为基础的一项新兴技术，应用广泛。本文以HFSS为平台，对平面螺旋线圈结构中的双螺旋阿基米德平面线圈进行仿真，观测其在搭建由金属小贴片构成的四棱锥罩前后的电磁特性，对其特性进行比对分析，得到了这一结构可以有效改变磁场分布的结论，实现了磁场聚焦效应的研究目标。

关键词：通电螺旋线圈;电磁特性;磁场聚焦效应

中图分类号：TN379 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0055-02

0 引言

电磁无损检测是以电磁技术为基础的一项新兴技术，在医学、工业等领域的检测、探测方面有着广泛的应用。漏磁检测是以铁磁性材料所具有的高磁导率特性作为基础的一种探测方法。铁磁性材质的物件在被外磁场磁化时，假使表面是均匀、光滑、连续的，那么几乎没有磁感线从物件的表面穿出。但当材料表层或内部存在缺陷时，磁感线将会改变途经，形成缺陷漏磁场[1]。漏磁检测主要是应用在探测领域，为了提高精度及成像，要实现像素小的特点。因此，在发射端，能量要聚集，使发射出来的探测磁场分布聚集，实现磁场聚焦效应。

通电螺旋线圈可以看成一种具有螺旋形状的天线，由于该结构在宽频带上具备优异且可被利用的特性，因而很快于各领域得到了普遍应用。通电螺旋线圈通常由导电性能良好的金属螺旋线组成，由同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属网或者接地平板相连接[2]。本文将利用左手材料具有后向波导以及负折射率的特性，实现通电螺旋线圈电磁设计、仿真及分析，实现近场磁场聚焦效应。

1 螺旋线圈设计

本文设计采用HFSS软件[3]，提出了双螺旋阿基米德平面线圈的设计。一个完整的双螺旋阿基米德平面线圈由三部分构成：上部的双螺旋阿基米德螺线;中部的三角形形状的渐变线馈电巴伦构成的馈电面，材料采用最常用的环氧树脂板材;最下面的接地平板部分。

从阿基米德螺旋线圈上方磁感线分布的俯视观察，磁感线的方向是从圆盘的一侧穿出，从其对侧穿入，穿过圆盘中心的磁感线强度最大，穿过圆盘四周的磁感线强度最小。

以此为基础，我们可以设想，如果让从圆盘四周穿出的那一部分磁感线，在穿出圆盘的“途中”，由于遇到了一些阻碍，让其改变分布轨迹，不再从圆盘四周穿出，而是从圆盘的中心穿出，就可以让圆盘中心位置的磁场强度进一步增强，圆盘四周的磁场强度进一步削弱，将分布在四周的磁场强度聚集在中心点附近，这样，便可以实现磁场聚焦效应，如图1所示。

通过查阅资料发现，金属小贴片对磁场可以有屏蔽的作用，而且，当金属贴片之间的距离在十分之一波长时，屏蔽效果就已经比较理想。故设计了由金属小贴片构成的四棱锥罩。

由搭建的双螺旋阿基米德平面线圈与搭建由金属小贴片构成的四棱锥罩结合起来，便完成了对平面螺旋线圈定向性改变的结构设计。在这个结构的上方，构造一个极薄的空气圆盘，如图2所示。作为实体来观测线圈上方的磁场分布情况。

2 仿真与分析

利用HFSS14仿真得到了设计的电磁特性。在此仅研究S11参数在该频段1.5GHz—4.5GHz范围内的扫频结果、三维增益方向图以及轴向方向增益方向图。S参数，亦即散射参数，在此我们主要研究其中的S11参数。S11为输入反射系数，表示的是有多少能量被反射回源端，这个数值越少越好。在此项电磁特性上，选取S11<-10dB。

我们将对图1和图2的电磁特性分析结果，进行综合的对比分析。

表1结果比较与分析：纵向来看，第一列的图（a）、图（b）和图（c）所示的是双螺旋阿基米德平面线圈在结构上方的磁场分布、磁感线以及水平方向磁场强度幅值图;第二列的图（d）、图（e）和图（f）所示的是双螺旋阿基米德平面线圈在增设由金属小贴片构成的四棱锥罩后，其上方的磁场分布、磁感线以及水平方向磁场强度幅值图。纵向的三幅图在实质上是一样的，只是表现形式不同，他们都可以表示磁场在空气实体上某一点的磁场强度，故其左边的刻度值是一致的，在每一点的磁场强度也是一样的。从横向来看，以最直观的归一化之后的磁场强度分布图，即图（c）和图（f）例。在图（c）中，靠近空气圆盘中心的较大范围内，磁场强度在图上都为浅绿色，其数值在5.6286e-001至5.8571e-001之间;在图（f）中靠近空气圆盘中心，磁场分布的强度值在6.3143e-001至6.5429e-001之间，在离圆盘中心中等距离处，其磁场强度才逐渐减弱。在圆盘靠近边缘的地方，两者的磁场分布强度大致相近，但是图（f）相比图（c），能量的连续性更强，并且更向中心聚拢集中。因此，我们可以看到，通过图（c）和图（f）的比较，磁场在螺旋结构上方的能量出现了明显的聚集。

这也就说明，通过在螺旋结构上方搭建由金属小贴片构成的四棱锥罩，可以有效地改变磁场的分布，让磁场的能量更加集中，实现聚焦效应。

3 结语

本设计以HFSS为操作平台，对双螺旋阿基米德平面线圈来进行研究。通过仿真实验，观测在其结构上方增设金属小贴片构成的金属罩后，此结构对磁场分布的影响。从实验结果可以看出，在搭建了此结构后，双螺旋阿基米德平面线圈上方中心位置的磁场强度有明显的增强，成功达到了磁场的聚焦效应的效果。

参考文献

[1] 黄松龄.电磁无损检测新技术[M].清华大学出版社，2014.

[2] 李杰，杨方清，董建峰.左手材料在天线中的应用研究进展[J].材料导报，2011，25（07）：56-62.

[3] 趙博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].中国水利水电出版社，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