一种提供核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性PCB线圈的制作方法

本发明涉及一种提供核磁共振陀螺(nuclearmagneticresonancegyro,ornmrg)三轴均匀磁场的柔性pcb线圈，对新一代小型化、集成化、高精度的nmrg的研制有重要意义，属于工程电磁学与惯性导航领域。

背景技术：

核磁共振陀螺(nmrg)具有易于小型化、集成化的优势，一旦其精度达到导航级，必将对惯性技术领域产生革命性的影响。近年来，由于技术的进步与惯性导航系统的迫切需求，各国都致力于小型化、集成化、高精度的nmrg研制。磁场线圈是nmrg内部磁场调节控制的关键部件，其在工作区域内磁场的高度均匀性是保障nmrg系统性能的关键。如果磁场均匀性不够，则会显著降低系统功能原子的横向弛豫时间，从而降低信号强度，影响nmrg的分辨率。

具体来说，nmrg中需要产生xyz三个正交方向上的均匀磁场，分别提供x方向驱动磁场、z方向主轴磁场以及xyz三个方向的补偿磁场，其中z方向主轴磁场的均匀性要求最高。在原理实验中常采用三轴亥姆赫兹线圈来提供这三个方向的均匀磁场，然而随着nmrg系统的不断小型化与集成化，亥姆霍兹线圈的均匀性已不能满足要求，且由于其三轴线圈排布不够紧密，会浪费系统空间，因此需要采用新的结构进行替代。

随着nmrg系统体积的减小，在设计线圈时还需考虑一些新问题。第一，nmrg磁场线圈与其外层的磁屏蔽不断接近，线圈与磁屏蔽的耦合作用增强，因此在线圈设计时必须考虑到磁屏蔽对线圈均匀性的影响。第二，随着nmrg体积的减小，对零件加工精度的要求不断提高，惯常采用的先制作线圈框架后绕线的磁场线圈方案的缺点也越来越显著——系统体积越小，框架加工及绕线过程中的少许误差所造成的影响越大，从而降低nmrg的性能。且线圈绕制流程繁琐，不易于nmrg的工程化量产。基于以上分析，新型小型化集成化的nmrg研制迫切需要一种均匀性高、易于小型化、能考虑磁屏蔽影响、制作简单、加工精度高的三维磁场线圈。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种在nmrg系统中产生三轴均匀磁场的柔性pcb线圈，该线圈具有磁场均匀性高、考虑磁屏蔽与线圈磁场的耦合、易安装、易于小型化、制作简单、加工精度高等特点。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种提供核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性pcb线圈，包括一个非金属材料制成的线圈框架与一个柔性pcb线圈，其中柔性pcb线圈又包含一组提供z方向均匀磁场的多环线圈与两组鞍型线圈，两组鞍型线圈分别提供x方向和y方向均匀磁场；使用时将柔性pcb线圈包裹在线圈框架外并接好引线后就可以产生nmrg所需的三轴均匀磁场；

柔性pcb线圈中z方向均匀磁场的多环线圈的设计，首先利用biot-savart定律得到无磁屏蔽影响时多环线圈z方向的磁场分布情况b(z,λ)，其中λ为线圈匝数、位置、半径等参数，然后将线圈磁场的变化以线圈中心为零点展开：

本发明采用中心对称的布线方式后(1)式奇数项为零，得到：

其中b为磁场强度，z为纵向坐标，λ为线圈参数；

通过调整线圈参数λ使得(2)式中更多的级数为零就可以得到均匀性更好的多环均匀磁场线圈。本发明通过增加线圈环数，例如4环、6环等，增加可调参数个数，从而能使四阶、六阶等更多的展开级数为零，意思是针对(2)式的展开说的，通过增加线圈环数与调节线圈参数λ可以使四阶b””(0,λ)、六阶b”””(0,λ)等高阶展开系数为零，从而使磁场强度不随纵向坐标改变，最终得到均匀磁场，从而得到更加优化的z方向均匀磁场的多环线圈；

z方向均匀磁场的多环线圈还需要考虑与磁屏蔽的耦合作用，即以上述参数为起点建立线圈与磁屏蔽耦合的有限元仿真模型，通过仿真结果对称地调整每一环线圈到线圈中心的距离，直至线圈均匀性不再提高。另一方面，考虑到磁屏蔽的不对称开孔，使得线圈所处磁场环境对称性遭到破坏，将线圈整体在屏蔽桶内进行平移达到最优的线圈均匀性。如此两步后，可以将多环线圈中心10％区域内的磁场不均匀性

δbz＝max|[bz(z)-bz(0)]/bz(0)|降低到1e-4量级；

z方向均匀磁场多环线圈制板时，为避免功能区出现焊点影响结构精度，将各环移位并列出线，将pcb板裹在线圈支架上，后只有一个出线位置，磁屏蔽上只需要一个开孔，最大限度的保护磁屏蔽的屏蔽效率；

采用特定的并列出线位置，使得pcb裹上后电流一进一出的走线正好重合，从而抵消掉多余的磁场；

pcb移位出线时会出现线路交叉的情况，本发明为了避免线路交叉、减少pcb层数，采用将交点拉开的磁场等效布线方法；

所述z方向均匀磁场的多环线圈采用并列出线及交点拉开的布线方法。

所述x方向和y方向均匀磁场的鞍形线圈采用移位出线与交点拉开的布线方法。

所述线圈框架由非金属材料制成。

本发明柔性pcb线圈中x和y方向的鞍形均匀磁场线圈的设计，先以弧度120度，直径与高度比为1:2的一对鞍形线圈为起点，建立线圈与磁屏蔽耦合的仿真模型，优化线圈弧度、高度等参数，提高鞍形线圈的均匀性。本发明优化后的鞍形线圈，在其中心10％区域内不均匀度能够降低到1e-3量级；

本发明x和y方向的两组鞍形线圈需要抛开成一个平面，以方便pcb的制作。抛开后采用移位出线与交点拉开的布线方法。且pcb裹上后，出线磁场抵消，且与z方向线圈出线位置相同，无需磁屏蔽增加开孔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明将nmrg所需xyz方向三轴磁场线圈集成在一张pcb上，更有利于nmrg的小型化与集成化；

2)能够根据实际需要通过增加线圈环数来提高z方向磁场的均匀性；

3)充分考虑了磁屏蔽与线圈磁场的耦合效应，借助有限元仿真，通过参数的调整使得本发明在磁屏蔽中使用的性能更优；

4)本发明采用单孔出线、外部焊接的布线技术，在不影响磁屏蔽性能的基础上提高了线圈精度；

5)本发明采用移位并列出线与交点拉开等布线技术，一方面实现了出线磁场的抵消，提高了磁场均匀性，另一方面减少了pcb所需层数，有效降低了pcb加工难度。

附图说明

图1柔性pcb线圈设计流程图；

图2pcb移位出线；

图3pcb交点拉开的等效布线图；

图4x方向线圈pcb线路示意图；

图5y方向线圈pcb线路示意图；

图6z方向线圈pcb线路示意图；

图7pcb制版图；

图8柔性pcb线圈支架。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明一种核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性pcb线圈作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种核磁共振陀螺三轴均匀磁场的柔性pcb线圈的设计方案主要分为三个步骤：磁场强度和磁场均匀度的理论模型计算和参数确定、在开孔磁屏蔽作用下的参数优化和检验、柔性pcb板的布线与制作；

磁场线圈的设计需要从磁屏蔽系统的限制和内部原子气室工作区域出发。线圈需要与磁屏蔽系统紧密贴合；同时其产生的主磁场能够满足原子气室所在工作区域的均匀度需求；产生的补偿磁场和驱动磁场能够满足原子气室正常工作的需求；

由于磁屏蔽与线圈紧贴时，两者之间耦合作用，表现为线圈产生的磁场强度与理论计算值差异较大，因此，需要对理论计算完成的线圈进行磁屏蔽作用下的建模仿真和参数优化。对于多环线圈，需要优化的参数是其中每个线圈的位置；对于鞍型线圈，需要优化的参数是线圈的高度和圆弧角度；

由于磁屏蔽开孔在磁屏蔽体积较小时对屏蔽效率等影响较大，因此需要对线圈进行参数检验与优化。沿着磁屏蔽轴向方向进行整体平移，检验该位置的线圈结构均匀度是否最佳，若非最佳，则进行整体平移，平移的范围在轴线中心左右0.5mm范围以内；

在以上优化好的结构基础上需要对线圈进行沿z轴方向的刨分，使其成为一张平面的柔性pcb。刨分的关键是保证柔性pcb裹上后功能走线的位置与优化的三维线圈位置一致，其它非功能性的电流进出走线尽量重合，以避免产生不必要的磁场；

在具体布线过程中主要使用了图2所示的移位出线与图3所示的交点拉开的布线核心技术。它们在保证产生磁场等效不变的情况下，能够实现三维磁场的复杂走线，且不必采用过多的pcb层数。图4至图6分别给出了“移位出线”与“交点拉开”技术在x,y,z三轴线圈布线中的具体应用，其中虚线表示通过过孔到pcb不同层走线。

图7给出了柔性pcb线圈的一个具体制板图。其中xyz三个方向线圈的具体布线分别如图4、图5、图6所示，使用时将该柔性pcb板绕在图8所示支架上，并使左右两端的出线端重合。图8支架上的开槽用来固定pcb的位置。经过上面流程优化设计后，三个方向的磁场不均匀度都能达到1e-3量级，能够满足核磁共振陀螺的使用。