多层PCB结构三维磁场线圈制造技术

本发明专利技术提供了一种多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：包括至少三层PCB板；多层PCB构成三个相互正交的测量线圈，三个线圈的中心重合，可进行同一空间位置的三维磁场精确测量；X方向测量线圈和Y方向线圈测量线圈分别利用顶层和底层以及中间层的PCB板布线，顶层和底层的PCB板布线构成线圈主体，并通过中间层PCB板布线的消除测量线圈对YZ方向磁场和XZ方向磁场的顆合面积；Z方向测量线圈利用中间层的PCB板布线构成线圈主体，并通过所述各层PCB板连接次序及过孔位置消除测量线圈对XY方向磁场的耦合面积。

Three-dimensional magnetic field coil with multi-layer PCB structure

【技术实现步骤摘要】
多层PCB结构三维磁场线圈
本专利技术涉及磁场测量领域。具体地说，本专利技术涉及一种多层PCB结构三维磁场线圈，尤其适用于磁场较强且变化率较大的测试场合，可用于脉冲大电流系统的三维空间磁场分布测量。
技术介绍
磁场测量常采用霍尔元件、磁阻元件、磁通门或线圈，霍尔元件、磁阻元件、磁通门只适合较低强度磁场测量，线圈可用于测量不同强度的磁场。获取高强度磁场的三维特性，可采用三个相互正交的测量线圈；分辨不同空间位置的磁场差异，要求测量线圈的尺度小且一致性高。由于绕制线圈的工艺差异，很难保证不同测量线圈的一致性，不利于比较不同空间位置的磁场测量差异。印刷电路板PCB线圈的制造工艺一致性较好，但PCB布线无法交叉，常规PCB线圈很难避免不同测量方向的磁场耦合干扰。如图1的双层PCB线圈，实线为顶层PCB布线、虚线为底层PCB布线，其设计用于Z方向磁场的测量，线圈位于XY平面；但在顶层与底层PCB之间存在对Y方向磁场的感应面积，因此其测量值中会包含Y方向磁场的耦合干扰；尤其，当Z方向磁场较小时，Y方向强磁场的耦合干扰会使图1线圈测试数据产生较大偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是为了克服上述
技术介绍
不足，提供一种多层PCB结构三维磁场线圈，减小或消除三个正交方向测量线圈的耦合磁场干扰。本专利技术提供了一种多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：包括至少三层PCB板；多层PCB构成三个相互正交的测量线圈，三个线圈的中心重合，可进行同一空间位置的三维磁场精确测量；X方向测量线圈和Y方向线圈测量线圈分别利用顶层和底层以及中间层的PCB板布线，顶层和底层的PCB板布线构成线圈主体，并通过中间层PCB板布线的消除测量线圈对YZ方向磁场和XZ方向磁场的耦合面积；Z方向测量线圈利用中间层的PCB板布线构成线圈主体，并通过所述各层PCB板连接次序及过孔位置消除测量线圈对XY方向磁场的耦合面积。上述技术方案中，各层PCB板位于XY平面，X方向向右，Y方向向上，在Z方向有六层PCB板。上述技术方案中，通过改变XYZ三个方向测量线圈的匝数，可独立调整各方向测量线圈的等效面积，从而适应三维磁场不同强度的测量需求。上述技术方案中，X方向测量线圈采用第二层和第四层以及底层的PCB板布线；Y方向测量线圈采用顶层和第三层以及以及第五层PCB板布线；Z方向测量线圈采用第二层、第三层、第四层和第五层PCB板布线。上述技术方案中，X/Y方向测量线圈的两侧过孔均匀且间隔布置，上下层线圈主体布线重合，通过中间层的曲折布线消除Z方向磁场耦合，并通过连接中间层的辅助过孔消除Y/X方向的磁场耦合；Z方向测量线圈的各层PCB交替采用由外向内和由内向外的螺旋式布线，并通过各层连线的过孔位置及连接顺序循序的交错消除XY方向的磁场耦合。本专利技术多层PCB结构三维磁场线圈的六层PCB线圈布线示意图，可用于三维空间磁场的精确测量，具有以下优点：(1)采用多层PCB结构，实现三个相互正交的三维磁场测量线圈；其运用上的优势是三个正交PCB线圈的中心重合，可实现同一点的三维磁场测量；(2)通过精确PCB布线，消除测量线圈对其他方向磁场的耦合干扰；所述布线方式的X/Y方向测量线圈通过中间层的曲折布线消除Z方向磁场耦合，并通过连接中间层的辅助过孔消除Y/X方向的磁场耦合；Z方向测量线圈通过各层连线过孔位置及连接顺序循序的交错消除XY方向的磁场耦合。(3)各方向线圈面积可独立调整，适应各方向磁场强度的差异。成对地增加或减小XY测量线圈的过孔数量，可调整XY线圈的测量灵敏度；增加或减小各层Z测量线圈的匝数，可调整Z线圈的测量灵敏度。附图说明图1是常规PCB线圈的磁场耦合干扰示意图；图2a-f是本专利技术多层PCB结构三维磁场线圈示意图，其中图2a是top层，图2b是mid-1层，图2c是mid-2层，图2d是mid-3层，图2e是mid-4层，图2f是bottom层；图3a-c是本专利技术X方向磁场测量线圈在XYZ方向投影示意图，其中图3a是X方向YZ平面投影-4匝线圈，图3bshiY方向XZ平面投影，图3c是Z方向XY平面投影；图4a-c是本专利技术Y方向磁场测量线圈在XYZ方向投影示意图，其中图4a是X方向YZ平面投影，图4b是Y方向XZ平面投影-4匝线圈，图4c是Z方向XY平面投影；图5a-c是本专利技术Z方向磁场测量线圈在XYZ方向投影示意图，其中图5a是X方向YZ平面投影，图5b是Y方向XZ平面投影，图4c是Z方向XY平面投影-6匝线圈；图6本专利技术总体示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，便于清楚地了解本专利技术，但它们不对本专利技术构成限定。本专利技术多层PCB结构三维磁场线圈结构如图2所示。图中，圆点为过孔，实线为PCB布线；各层PCB位于XY平面，X方向向右，Y方向向上，虚线网格间距为1mm；在Z方向有六层PCB，各层PCB间距为1mm。下面结合附图，详细描述本专利技术的具体实施方式，所述是对本专利技术的解释而不是限定。x方向测量线圈利用Mid-1、Mid-3和Bottom三层PCB布线,包含9个过孔；图3为X方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,ab图中垂直线段及c图中圆点为过孔。其在X方向为4匝线圈,磁场探测的等效面积为4匝×6mm×4m-1.5m×2mm＝93mm2；通过Mid-3层PCB的曲折布线设计,使其对Y方向磁场和Z方向磁场的耦合面积基本为零，从而消除YZ方向磁场对X方向测量线圈的耦合干扰。Y方向测量线圈利用Top、Mid2和Mid4三层PCB布线,包含9个过孔:图4为Y方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,ab图中垂直线段及c图中圆点为过孔。其在Y方向为4匝线圈,磁场探测等效面积为4匝×14mm×4mm+2mm×4mm＝232mm2:通过Mid2层PCB的曲折布线设计,使其对X方向磁场和Z方向磁场的耦合面积基本为零，从而消除XZ方向磁场对Y方向测量线圈的耦合干扰。Z方向测量线圈利用Mid-1、Mid-2、Mid3和Mid-4四层PCB布线,包含3个过孔:图5为Z方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,ab图中垂直线段及c图中圆点为过孔。其在Z方向为6匝线圈,磁场探测的等效面积为3匝×22mm×14mm+3匝×20mm×12mm＝1644mm2:通过四层PCB布线连接次序及过孔位置设计,使其对X方向磁场和Y方向磁场的耦合面积基本为零,从而消除XY方向磁场对Z方向测量线圈的耦合干扰。结合图2和图3、图4、图5，本专利技术的多层PCB结构三维磁场线圈,实现了三个相互正交的磁场测量线圈,其XYZ三个方向测量线圈的等效面积分别为93mm2、232mm2和1644mm2,对非测量方向的磁场耦合面积基本为零,可用于三维磁场分布的精确测量,使用中,X方向可指向较强磁场方向,而Z方向应指向较弱磁场方向,也可通过改变各方向线圈的匝数，调整不同方向线圈的等效测量面积。应当理解的是，以上仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本专利技术所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：包括至少三层PCB板；多层PCB构成三个相互正交的测量线圈，三个线圈的中心重合，可进行同一空间位置的三维磁场精确测量；X方向测量线圈和Y方向线圈测量线圈分别利用顶层和底层以及中间层的PCB板布线，顶层和底层的PCB板布线构成线圈主体，并通过中间层PCB板布线的消除测量线圈对YZ方向磁场和XZ方向磁场的顆合面积；Z方向测量线圈利用中间层的PCB板布线构成线圈主体，并通过通过所述各层PCB板连接次序及过孔位置消除测量线圈对XY方向磁场的耦合面积。

【技术特征摘要】
1.一种多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：包括至少三层PCB板；多层PCB构成三个相互正交的测量线圈，三个线圈的中心重合，可进行同一空间位置的三维磁场精确测量；X方向测量线圈和Y方向线圈测量线圈分别利用顶层和底层以及中间层的PCB板布线，顶层和底层的PCB板布线构成线圈主体，并通过中间层PCB板布线的消除测量线圈对YZ方向磁场和XZ方向磁场的顆合面积；Z方向测量线圈利用中间层的PCB板布线构成线圈主体，并通过通过所述各层PCB板连接次序及过孔位置消除测量线圈对XY方向磁场的耦合面积。2.根据权利要求1所述的多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于各层PCB板位于XY平面，X方向向右，Y方向向上，在Z方向有六层PCB板。3.根据权利要求1所述的多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：通过改...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵治华，程龙，李建轩，张向明，李文禄，孟进，张磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42