CN110233019B - 多层pcb结构三维磁场线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多层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。

Description

多层PCB结构三维磁场线圈
技术领域
本发明涉及磁场测量领域。具体地说，本发明涉及一种多层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。
背景技术
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。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服上述背景技术不足，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。
本发明提供了一种多层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。
本发明多层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-2f是本发明多层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-3c是本发明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3b是Y方向XZ平面投影，图3c是Z方向XY平面投影；
图4a-4c是本发明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-5c是本发明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5c是Z方向XY平面投影-6匝线圈；
图6本发明总体示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
本发明多层PCB结构三维磁场线圈结构如图2a-2f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，详细描述本发明的具体实施方式，所述是对本发明的解释而不是限定。
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3a-3c为X方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,图3a、图3b中垂直线段及图3c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板的曲折布线设计,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、mid-2和mid-4三层PCB布线,包含9个过孔:图4a-4c为Y方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,图4a、图4b中垂直线段、图4c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mid-2层PCB板的曲折布线设计,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5a-5c为Z方向磁场测量线圈在XYZ三个方向的投影示意图,图5a、图5b中垂直线段及图5c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板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2a-图5c，本发明的多层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，以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多层PCB结构三维磁场线圈，其特征在于：包括六层PCB板；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；六层PCB板构成三个相互正交的测量线圈，三个线圈的中心重合，进行同一空间位置的三维磁场精确测量：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；X方向测量线圈和Y方向测量线圈分别利用底层和顶层的PCB板布线构成线圈主体，并通过中间层的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，通过中间层的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；X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方向的磁场耦合；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X方向的磁场耦合；Z方向测量线圈的各层PCB板交替采用由外向内和由内向外的螺旋式布线，并通过各层PCB板连线的过孔位置及连接顺序的交错,消除X方向和Y方向的磁场耦合。
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：通过改变XYZ三个方向测量线圈的匝数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。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111885824B (zh) * 2020-07-15 2022-04-12 北京航天控制仪器研究所 一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5281941A (en) * 1991-08-14 1994-01-25 Elliot Bernstein Coil form and coil for antenna coils, or the like
DE10148288A1 (de) * 2001-09-29 2003-04-24 Abb Research Ltd Dreidimensionale Wicklungsanordnung
CN2572521Y (zh) * 2002-09-02 2003-09-10 北京瑞达思科技开发公司 不等轴三维磁场空间线圈装置
CN2705991Y (zh) * 2004-03-22 2005-06-22 北京华东森源电气有限责任公司 一种采用印刷电路板构造的空芯线圈
CN2741319Y (zh) * 2004-10-12 2005-11-16 威盛电子股份有限公司 线路基板
US20080204183A1 (en) * 2007-02-23 2008-08-28 Infineon Technologies Ag 3d-coil for saving area used by inductances
EP2242067A1 (en) * 2009-04-16 2010-10-20 SEPS Technologies AB A transformer
CN102568770A (zh) * 2010-12-08 2012-07-11 上海华虹Nec电子有限公司 叠层射频变压器结构
US20160012958A1 (en) * 2014-07-09 2016-01-14 Industrial Technology Research Institute Three-dimension symmetrical vertical transformer
CN109073684A (zh) * 2016-07-29 2018-12-21 株式会社高本技术 具有多层印刷电路板芯结构的电流检测元件
CN109196368A (zh) * 2016-05-31 2019-01-11 通用电气公司 可折叠线圈阵列
CN109489650A (zh) * 2018-10-31 2019-03-19 中国人民解放军国防科技大学 一种提供核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性pcb线圈
CN208861757U (zh) * 2016-04-14 2019-05-14 株式会社村田制作所 无源元件阵列以及印刷布线板

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06109820A (ja) * 1992-09-25 1994-04-22 Hitachi Ltd ３次元検出コイル
US8723048B2 (en) * 2010-11-09 2014-05-13 Broadcom Corporation Three-dimensional coiling via structure for impedance tuning of impedance discontinuity
US8966991B2 (en) * 2011-10-14 2015-03-03 Boise State University Sensor device
KR101532150B1 (ko) * 2013-12-09 2015-06-26 삼성전기주식회사 직교형 플럭스게이트 센서
US9678169B2 (en) * 2014-07-09 2017-06-13 Voltafield Technology Corp. Testing assembly for testing magnetic sensor and method for testing magnetic sensor
CN106952710B (zh) * 2017-05-12 2018-10-30 福州大学 一种用于多负载的无线充电磁耦合结构及其电路

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5281941A (en) * 1991-08-14 1994-01-25 Elliot Bernstein Coil form and coil for antenna coils, or the like
DE10148288A1 (de) * 2001-09-29 2003-04-24 Abb Research Ltd Dreidimensionale Wicklungsanordnung
CN2572521Y (zh) * 2002-09-02 2003-09-10 北京瑞达思科技开发公司 不等轴三维磁场空间线圈装置
CN2705991Y (zh) * 2004-03-22 2005-06-22 北京华东森源电气有限责任公司 一种采用印刷电路板构造的空芯线圈
CN2741319Y (zh) * 2004-10-12 2005-11-16 威盛电子股份有限公司 线路基板
US20080204183A1 (en) * 2007-02-23 2008-08-28 Infineon Technologies Ag 3d-coil for saving area used by inductances
EP2242067A1 (en) * 2009-04-16 2010-10-20 SEPS Technologies AB A transformer
CN102568770A (zh) * 2010-12-08 2012-07-11 上海华虹Nec电子有限公司 叠层射频变压器结构
US20160012958A1 (en) * 2014-07-09 2016-01-14 Industrial Technology Research Institute Three-dimension symmetrical vertical transformer
CN208861757U (zh) * 2016-04-14 2019-05-14 株式会社村田制作所 无源元件阵列以及印刷布线板
CN109196368A (zh) * 2016-05-31 2019-01-11 通用电气公司 可折叠线圈阵列
CN109073684A (zh) * 2016-07-29 2018-12-21 株式会社高本技术 具有多层印刷电路板芯结构的电流检测元件
CN109489650A (zh) * 2018-10-31 2019-03-19 中国人民解放军国防科技大学 一种提供核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性pcb线圈

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于多层可级联PCB空心线圈的磁场测量单元设计;徐嘉龙等;《高压电器》;20161130;第52卷(第11期);第81-87页 *

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