CN115000660B - 基于hfss的双螺旋谐振器及设计方法、电压放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于HFSS的双螺旋谐振器，包括谐振器腔体、第一螺旋线圈、第二螺旋线圈、第一输出端、第二输出端、天线线圈和天线输入端；第一螺旋线圈、第二螺旋线圈均设于谐振器腔体内，并且形成双螺旋结构；第一输出端、第二输出端均设于谐振器腔体的顶部，并且第一输出端与第一螺旋线圈的第一端电性连接、第二输出端与第二螺旋线圈的第一端电性连接；天线线圈设于谐振器腔体内，并且位于第一螺旋线圈、第二螺旋线圈形成双螺旋结构与谐振器腔体的底壁之间；并且，天线线圈的第一端固定于谐振器腔体的底壁、第二端延伸至谐振器腔体的外部与天线输入端电性连接。本发明还公开了基于HFSS的双螺旋谐振器的设计方法及电压放大装置。

Description

基于HFSS的双螺旋谐振器及设计方法、电压放大装置

技术领域

本发明涉及谐振器，尤其涉及一种基于HFSS的双螺旋谐振器、设计方法、电压放大装置。

背景技术

离子阱在工作时刀片电极上所加射频电压频率通常为10～100MHz，电压幅值在100～1000V的量级。然而，一般的商业射频功率放大器输出的电压幅值智能达到100V作用，因此，为了解决上述射频电压幅值，一般是采用螺旋谐振器作为射频信号的电压放大装置，与SMA接头连接电缆电性连接，实现对射频信号的放大，以满足离子阱的刀片电极的工作电压。由于螺旋谐振器是较好的无源带通滤波器，可以有效抑制射频信号的高次谐波成分。

然而，目前对于螺旋谐振器的设计，一般是基于一些经验公式进行设计，比如为了得到高Q螺旋共装器，则就需要对螺旋谐振器的结构参数进行设定。然而这些参数一般是由设计人员根据前人的历史经验公式得出的，由于存在一些不确定的假设条件，会导致实际加工的产品性能和理论计算相差较大，造成产品制作过程和调试过程耗时耗力。同时，目前的一些经验公式也只针对单螺旋线圈所形成的谐振器的参数分析，无法应用到双螺旋谐振器中的参数设定。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供基于HFSS的双螺旋谐振器，其能够解决现有的螺旋谐振器的参数设计采用历史经验公式导致产品制作过程和调试过程耗时耗力的问题。

本发明的目的之二在于提供基于HFSS的双螺旋谐振器的设计方法，其能够解决现有的螺旋谐振器的参数设计采用历史经验公式导致产品制作过程和调试过程耗时耗力的问题。

本发明的目的之三在于提供一种离子阱的电压放大装置，其能够解决采用螺旋谐振器对电压放大时，螺旋谐振器的参数设计采用历史经验公式导致产品制作过程和调试过程耗时耗力的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

基于HFSS的双螺旋谐振器，包括谐振器腔体、第一螺旋线圈、第二螺旋线圈、第一输出端、第二输出端、天线线圈和天线输入端；其中，所述第一螺旋线圈、第二螺旋线圈均设于所述谐振器腔体内，并且第一螺旋线圈与第二螺旋线圈形成双螺旋结构；

所述天线线圈设于谐振器腔体内，并且位于第一螺旋线圈、第二螺旋线圈形成双螺旋结构与谐振器腔体的底壁之间；并且，天线线圈的第一端固定于所述谐振器腔体的底壁、第二端延伸至所述谐振器腔体的外部与天线输入端电性连接，进而与外部的射频信号源连接，用于接收外部的射频信号；

所述第一输出端、第二输出端均设于所述谐振器腔体的顶部，与离子阱射频电极的两端对应连接，同时第一输出端与第一螺旋线圈的第一端电性连接、第二输出端与第二螺旋线圈的第一端电性连接；所述第一输出端、第二输出端，用于将放大后的射频信号输出到离子阱射频电极的两端。

进一步地，所述第一螺旋线圈的第一端延伸至所述谐振器腔体的外部，以形成第一输出端；所述第二螺旋线圈的第一端延伸至所述谐振器腔体的外部以形成第二输出端；天线的第二端通过套设第三SMA接头以形成天线输入端。

进一步地，所述第一输出端与谐振器腔体的腔体壁之间设有绝缘介质，所述第二输出端与谐振器腔体的腔体壁之间设有绝缘介质；所述绝缘介质为特弗伦介质。

进一步地，包括第一短路帽和第二短路帽；其中，所述第一螺旋线圈的第二端延伸至所述谐振器腔体的外部，与所述第一短路帽电性连接；所述第二螺旋线圈的第二端延伸至所述谐振器腔体的外部，与所述第二短路帽电性连接。

进一步地，所述第一短路帽和第二短路帽均设于所述谐振器腔体的侧壁上，并以所述谐振器腔体对称设置。

进一步地，所述谐振器腔体为圆柱形腔体。

进一步地，所述谐振器腔体的腔体壁为金属，腔体壁的厚度为1mm～4mm；所述谐振器腔体的内壁设有镀层，所述镀层为金或银，并且镀层的厚度为10um～30um。

进一步地，所述双螺旋谐振器的结构参数通过对双螺旋谐振器进行3D建模，并通过HFSS电磁波仿真软件结合预期负载阻抗设计进行设定，并根据预期负载阻抗设计得出双螺旋谐振器的结构参数；其中，结构参数包括第一螺旋线圈的匝数、第二螺旋线圈的匝数、螺距和线圈直径。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种如本发明的目的之一采用的基于HFSS的双螺旋谐振器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

建模步骤：根据双螺旋谐振器的结构进行3D建模，以生成双螺旋谐振器的3D模型；

获取步骤：获取预期性能参数；

分析步骤：通过HFSS电磁仿真软件对双螺旋谐振器的3D模型进行场路协同分析，进而得出双螺旋谐振器的结构参数；

设计步骤：根据双螺旋谐振器的结构参数和双螺旋谐振器的3D模型设计得出双螺旋谐振器。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

一种用于离子阱的电压放大装置，所述电压放大装置包括如本发明的目的之一采用的基于HFSS的双螺旋谐振器。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过提供一种双螺旋谐振器，作为离子阱的电压放大装置，可满足离子阱的刀片电极的工作电压，同时有效抑制射频信号的高次谐波成分，同时，采用HFSS电磁仿真软件来实现双螺旋谐振器的结构参数的设置，避免现有通过人工经验公式设定导致产品的制作过程和调试过程耗时耗力的问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于HFSS的双螺旋谐振器的结构示意图；

图2为图1中的基于HFSS的双螺旋谐振器的内部结构示意图；

图3为本发明提供的基于HFSS的双螺旋谐振器的场路协同分析电路图。

图中：1、谐振器腔体；2、第一螺旋线圈；21、第一输出端；22、第一短路帽；3、第二螺旋线圈；31、第二输出端；32、第二短路帽；4、天线线圈；41、天线输入端。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-2所示，本发明提供一种基于HFSS(High Frequency StructureSimulator，三维电磁仿真软件)的双螺旋谐振器，包括谐振器腔体1、第一螺旋线圈2、第二螺旋线圈3、第一输出端21、第二输出端31、天线线圈4和天线输入端41。

其中，第一螺旋线圈2、第二螺旋线圈3设于谐振器腔体1内，并且第一螺旋线圈2与第二螺旋线圈3间隔缠绕形成双螺旋结构，置于谐振器腔体1内。

第一输出端21、第二输出端31均设于谐振器腔体1的顶部，并且第一输出端21与第一螺旋线圈2的第一端电性连接、第二输出端31与第二螺旋线圈3的第二端电性连接。

通过第一输出端21、第二输出端31与外部的设备电性连接，以将放大后的电压输出到外部设备，满足离子阱的电压需求。更为具体地，第一输出端21与离子阱射频电极的第一端(RF1)电性连接、第二输出端31与离子阱射频电极的第二端(RF2)电性连接，天线输入端41与射频信号源连接，用于接收射频信号。通过本发明将接收到的射频信号进行放大处理后，通过第一输出端21、第二输出端31输出到离子阱射频电极的两端，从而满足离子阱的电压需求。

进一步地，第一螺旋线圈2的第一端向谐振器腔体1的外部延伸，以形成第一输出端21，第二螺旋线圈3的第一端向谐振器腔体1的外部延伸，以形成第二输出端31。

同时，第一螺旋线圈2的第一端与谐振器腔体1的腔体壁之间、第一螺旋线圈2的第一端与谐振器腔体1的腔体壁之间均设有绝缘介质。具体地，绝缘介质为特弗伦介质。通过特弗伦介质来确保线圈与谐振器腔体1的腔体壁之间绝缘，避免螺旋线圈与金属的腔体壁之间相互干扰。

进一步地，天线线圈4设于谐振器腔体1内部，并且位于第一螺旋线圈2、第二螺旋线圈3形成双螺旋结构与谐振器腔体1的底壁之间。天线线圈4的第一端固定于谐振器腔体1的底壁上、第二端延伸至谐振器腔体1的外部与天线输入端41电性连接，进而与外部的射频信号源连接，实现射频信号的接收。

进一步地，天线线圈4的第二端外部通过套设SMA接头以形成天线输入端41。

更为进一步地，本发明还包括第一短路帽22和第二短路帽32。其中，第一短路帽22与第二短路帽32均设于谐振器腔体1的外部侧壁上，并以谐振器腔体1对称设置。通过设置短路帽可保证螺旋线圈与腔体接触良好，避免引起不必要的接触电阻。

具体地，第一螺旋线圈2的第二端延伸至谐振器腔体1的外部，与第一短路帽22电性连接。第二螺旋线圈3的第二端延伸至谐振器腔体1的外部，与第二短路帽32电性连接。

本实施例中的谐振器腔体1为圆柱形腔体，其谐振器腔体的壁厚1mm～4mm。比如，将腔体的壁厚设为2mm。

进一步地，本实施例中的谐振器腔体1的腔体壁的材质为金属，比如铜。另外，谐振器腔体的内壁设有镀层。镀层为银或金，并且镀层的厚度为10um～30um。比如将镀层设为金，镀层厚度为20um：由于金的电阻与铜的电阻小、耐氧化的特点，会使得谐振器的损耗电阻很小、有载品质因数(Q值)可达5700。同时，通过对本实施例进行仿真测试，空载时其有载品质因数可达4000。

由于双螺旋谐振器的结构参数是根据实际的需求进行设定的。本发明通过对双螺旋谐振器进行3D建模，再根据获取到的预期负载阻抗通过HFSS电磁仿真软件对3D建模进行场路协同分析，实现双螺旋谐振器的结构参数的设定。

另外，双螺旋谐振器的结构参数包括线圈的匝数、螺距和线圈直径。本发明通过采用HFSS电磁仿真软件对双螺旋谐振器的结构参数进行设定，解决了现有技术中通过采用经验公式来设定，使得产品在后续制作过程中耗时耗力等问题。通过采用HFSS电磁仿真软件来对设计出的双螺旋谐振器进行3D建模，并进行详细的场路协同分析，实现了双螺旋谐振腔小型化高性能的有效设计，提高了螺旋谐振腔的设计效率和设计精度，可根据预期负载阻抗设计所需谐振频率、保证高的有载品质因数，同时实现电压放大增益有效预测，极大的降低了调试的不确定性，避免了由于经验公式设计精度不够而导致产品的多次迭代对时间和金钱的浪费。

基于本发明提供的基于HFSS双螺旋谐振器，本发明还提供一种基于HFSS的双螺旋谐振器的设计方法，包括以下步骤：

首先，根据双螺旋谐振器的结构进行3D建模，以生成双螺旋谐振器的3D模型。这里建模时，是根据双螺旋谐振器中各个螺旋线圈的位置与谐振器腔体、天线线圈的结构进行建模，此时并不考虑线圈的匝数、线圈的螺距、线圈直径等结构参数。

其次，获取预期性能参数。其中，性能参数是指双螺旋谐振器所要达到的目标性能的参数数据。比如需要设计一个谐振频率为27HMz，负载阻抗为Z＝1-j1474Ω(也即，负载电阻为1Ω，电容为4pF)的双螺旋谐振器。

然后，通过HFSS电磁仿真软件根据预期性能参数对双螺旋谐振器的场路协同分析，以得出双螺旋谐振器的结构参数。

最后，根据双螺旋谐振器的结构参数和双螺旋谐振器的3D模型设计得出双螺旋谐振器。

其中，对双螺旋谐振器的3D模型进行场路协同分析时，还包括：首先、对双螺旋谐振器的结构参数进行设置、设定求解类型以及边界条件后再进行电磁场全波仿真，再结合Ansoft Designer电路仿真软件和HFSS求解结果协同仿真，以得出不同负载阻抗情况下谐振腔的性能，最后根据负载阻抗情况下双螺旋谐振器的性能对双螺旋谐振腔的阻抗匹配进行优化，从而使得双螺旋谐振器的结构参数的设计。

其中，求解类型是指双螺旋谐振器所需要达到的性能，比如其作为电压放大单元，对电压幅值的放大倍数等。

比如，本发明给出涉及谐振频率为27HMz，负载阻抗为Z＝1-j1474Ω(也即，负载电阻为1Ω，电容为4pF)的离子阱驱动电路所需的双螺旋谐振腔的场路协同分析电路，如图3所示，基于HFSS的双螺旋谐振器的第一输出端通过电阻Rt1与电容Ct1电性连接，进而接地；第二输出端通过电阻Rt2与电容Ct2电性连接，进而接地；天线输入端通过输入电压Vin的正极接地，输入电压Vin的负极接地。电容Cd1的一端通过电容Cd2接地、另一端接入基于HFSS的双螺旋谐振器的第一输出端与电阻Rt1之间。很明显，当输入电压1V时，通过本发明设计的双螺旋谐振器的输出端Uq输出的电压为220.97V，其电压放大约220倍。同时，利用示波器还可检测到Um处电压为1.099V。由于高压不便于示波器安全监测，所以通过Cd1＝5pF和Cd2＝1nF两个串联电容形成分压比200∶1，示波器可以间接测试Um处电压来得到谐振腔输出端Uq处电压，也就知道输入离子阱的射频电压具体值。

本发明可根据预期负载阻抗灵活设计双螺旋谐振器所需的谐振频率，实现较好的阻抗匹配，其反射系数S11可小于-40dB、谐振腔的有载品质因数(Q值)可为3689.8。同时，通过本发明设计的双螺旋谐振器可使得电压放大增益得到有效预测。

本发明的双螺旋谐振器的腔体的直径为58mm、高度为105mm，实现了稳定囚禁离子所需射频频率和电压增益，是现有其他同类谐振腔的尺寸的一半，实现了明显的小型化。同时，本发明结合HFSS软件实现产品的结构参数的设计，极大的降低了调试的不确定性，避免了由于经验公式设计精度不够而导致产品的多次迭代对时间和金钱的浪费。

本发明提供的基于HFSS双螺旋谐振器可用于离子阱的电压放大装置，满足离子阱的刀片电极的工作电压。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.基于HFSS的双螺旋谐振器，其特征在于，包括谐振器腔体、第一螺旋线圈、第二螺旋线圈、第一输出端、第二输出端、天线线圈和天线输入端；其中，所述第一螺旋线圈、第二螺旋线圈均设于所述谐振器腔体内，并且第一螺旋线圈与第二螺旋线圈形成双螺旋结构；

所述天线线圈设于谐振器腔体内，并且位于第一螺旋线圈、第二螺旋线圈形成双螺旋结构与谐振器腔体的底壁之间；并且，天线线圈的第一端固定于所述谐振器腔体的底壁、第二端延伸至所述谐振器腔体的外部与天线输入端电性连接，进而与外部的射频信号源连接，用于接收外部的射频信号；

所述第一输出端、第二输出端均设于所述谐振器腔体的顶部，与离子阱射频电极的两端对应连接，同时第一输出端与第一螺旋线圈的第一端电性连接、第二输出端与第二螺旋线圈的第一端电性连接；所述第一输出端、第二输出端，用于将放大后的射频信号输出到离子阱射频电极的两端；

所述第一螺旋线圈的第一端延伸至所述谐振器腔体的外部，以形成第一输出端；所述第二螺旋线圈的第一端延伸至所述谐振器腔体的外部以形成第二输出端；所述天线线圈的第二端通过套设第三SMA接头以形成天线输入端；

所述第一输出端与谐振器腔体的腔体壁之间设有绝缘介质，所述第二输出端与谐振器腔体的腔体壁之间设有绝缘介质；所述绝缘介质为特弗伦介质；

包括第一短路帽和第二短路帽；其中，所述第一螺旋线圈的第二端延伸至所述谐振器腔体的外部，与所述第一短路帽电性连接；所述第二螺旋线圈的第二端延伸至所述谐振器腔体的外部，与所述第二短路帽电性连接；

所述第一短路帽和第二短路帽均设于所述谐振器腔体的侧壁上，并以所述谐振器腔体对称设置；

所述谐振器腔体为圆柱形腔体；

所述谐振器腔体的腔体壁为金属，腔体壁的厚度为1mm～4mm；所述谐振器腔体的内壁设有镀层，所述镀层为金或银，并且镀层的厚度为10um～30um；

所述双螺旋谐振器的结构参数通过对双螺旋谐振器进行3D建模，并通过HFSS电磁波仿真软件结合预期负载阻抗设计进行设定，并根据预期负载阻抗设计得出双螺旋谐振器的结构参数；其中，结构参数包括第一螺旋线圈的匝数、第二螺旋线圈的匝数、螺距和线圈直径。

2.一种如权利要求1所述的基于HFSS的双螺旋谐振器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

建模步骤：根据双螺旋谐振器的结构进行3D建模，以生成双螺旋谐振器的3D模型；

获取步骤：获取预期性能参数；

分析步骤：通过HFSS电磁仿真软件对双螺旋谐振器的3D模型进行场路协同分析，进而得出双螺旋谐振器的结构参数；

设计步骤：根据双螺旋谐振器的结构参数和双螺旋谐振器的3D模型设计得出双螺旋谐振器。

3.一种用于离子阱的电压放大装置，其特征在于，所述电压放大装置包括如权利要求1所述的基于HFSS的双螺旋谐振器。