这篇帖子给出一些多层线圈的“高频特性”的仿真结果。“高频”是指最高上百MHz。仿真中主要关注的是线圈“电感”和“等效串联电阻”随频率的变化,特别是第一个自谐振点的频率。因为仿真的速度很慢,所以这篇帖子以连载的形式发出。
一. 2024年3月26日的结果:
仿真模型如下图。这是一个矩形截面的多层空芯圆柱形线圈。线圈线径是0.9mm,材质为铜,仿真中将“圆形”的导线近似成“六/八边形”。线间距是0.1mm。每层有10匝,一共有6层,下图中各层用不同颜色显示。每层都是螺旋形,层间互联是通过加一个小方块实现的。线圈内径是10mm,外径22mm,长10mm。仿真中的馈源是一个集总端口,阻抗50Ohm,它通过一小截线和线圈的两端相连。
一般来说,这种线圈会用Ansys Maxwell这种准静磁学软件进行仿真。但是这篇帖子里,仿真用Ansys HFSS进行。这是因为“准静磁学”中,“位移电流”被认为是零,即不存在电容。而我们想要观察的自谐振特性,显然和电容高度相关。因此不能用准静磁仿真,必须用电磁仿真。
线圈的网格如下图。因为线圈的结构是“曲面+细线”,必须划分非常多的网格,所以仿真速度很慢,内存占用也比较多。这层楼里的出现的三个仿真结果,在i7-9750H的笔记本上,一共需要仿真大约10个小时,最多占用内存30 GB左右。
这层楼里一共有三个仿真结果:
结果1中使用较大的空气盒子,使用八边形导线
结果2中使用较小的空气盒子,使用六边形导线
结果3中使用较小的空气盒子,使用六边形导线,且勾选了solve inside。
结果2和3的仿真的磁场强度如下。一共有四张图,仿真频率均为1MHz,这些图使用了对数标尺。HFSS中,金属材料默认是不solve inside的,即假设电流只在金属表面流动,金属内部磁场为零。前两张图(结果2)就是在这种条件下的结果。这种假设在HFSS的常规应用条件下,比如几GHz的频率,是正确的。但是这里我们的频率最低会仿到1kHz,此时这个假设就很错误了。因为这种低频下,磁场可以充分渗透到导线内部。后两张图的仿真中(结果3)纠正了这个错误。
上两张图是没有勾选solve inside时(结果2)的磁场强度,第二张是线圈部分的细节图
上两张图是勾选了solve inside时(结果3)的磁场强度
下两张图是结果3中,1MHz时的磁场动图,以及16MHz时(自谐振频率附近)的电场动图。我还看了其他频率时的电场和磁场图,我没有看出自谐振点附近有什么特别的现象,场分布基本没有变化。
仿真的电感如下图。横轴是频率,纵轴是电感量(单位是uH)。绿色虚线是结果1,红色线是结果2,蓝色线是结果3。可以看出,结果1和结果2的差别不大,说明使用小空气盒子和六边形线问题不大。结果2和3的自谐振点在16.7MHz左右,比结果1的频率略高一点。这是比较合理的,毕竟六边形之间的电容,显然会比八边形的更小。低频时,结果3和结果1,2的差别很大,主要体现在低频时结果3的电感明显更小。
作为对比,使用常见的hacoilgun模拟器计算这个线圈的电感和电阻,结果如下图。结果3的电感,在低频下和hacoilgun的极为接近。
仿真的电阻如下图。纵轴单位是欧姆。其中结果3在1kHz时的电阻是99.8mOhm,而且电阻率的上升发生在更高频率处,看起来都更加合理。
结果3看起来更正确一些,不过代价也很大,主要体现在仿真速度上。结果2只需要不到2个小时,而结果3需要七个多小时。
仿真文件如下:
coil hf 240326.aedt
1.58MB
AEDT
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