多层PCB结构三维磁场线圈的制作方法

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。

技术实现要素：

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-f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-c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3bshiy方向xz平面投影，图3c是z方向xy平面投影；

图4a-c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-c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4c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。