【導讀】諸如磁場感應(yīng)、校準和科學實驗的許多應(yīng)用都經(jīng)常用高頻亥姆霍茲線圈來產(chǎn)生均勻但隨時間變化的高頻磁場。產(chǎn)生這樣的磁場需要用到高頻亥姆霍茲線圈驅(qū)動器。因為磁場密度正比于電流，所以為了產(chǎn)生大的磁場，需要產(chǎn)生大的電流。然而，在高頻情況下線圈阻抗也變成高阻抗了。
對于一個給定的驅(qū)動器電壓幅度，線圈電流反比于線圈阻抗。因此影響磁場的兩個相反因素是電流和頻率。實現(xiàn)高頻磁場是很困難的。本文討論了三種幫助高頻亥姆霍茲線圈產(chǎn)生強磁場的技術(shù)。
高頻亥姆霍茲線圈基礎(chǔ)
亥姆霍茲線圈是因德國物理學家Hermann von Helmholtz而命名的，由兩個完全相同且并行放置的電磁線圈組成，這兩個線圈中心在同一軸線上，就像鏡像一樣，如圖1所示。當電流以相同方向經(jīng)過這兩個高頻亥姆霍茲線圈時，就會在線圈內(nèi)的三維空間內(nèi)產(chǎn)生一個高度均勻的磁場。這些亥姆霍茲線圈經(jīng)常用于抵消背景(地球)磁場、測量和校準，以及電子設(shè)備敏感性測試中的磁場。
圖1：單軸高頻亥姆霍茲線圈由一對半徑為R、間距等于R的兩個線圈組成。
亥姆霍茲線圈的設(shè)計和制造
高頻亥姆霍茲線圈是由兩個線圈搭建而成的。因為兩個磁性線圈設(shè)計成完全相同，因此當線圈半徑等于間隔距離時就能產(chǎn)生均勻的磁場。這兩個線圈以串聯(lián)的方式連接在一起，因此給它們饋送的電流相同，從而產(chǎn)生兩個相同的磁場。這兩個磁場疊加在一起就會在兩個并行線圈中心的圓柱形空間中產(chǎn)生均勻的磁場。
這個圓柱形空間的均勻磁場約等于25%的線圈半徑(R)，長度等于兩個線圈之間間距的50%。高頻亥姆霍茲線圈可以做成1、2或3軸。多軸磁性線圈可以在亥姆霍茲線圈對內(nèi)部的三維空間內(nèi)產(chǎn)生任意方向的磁場。最常見的高頻亥姆霍茲線圈是圓形的。方形的亥姆霍茲線圈也經(jīng)常使用。
亥姆霍茲的磁場計算
每個亥姆霍茲線圈都是由電(銅)線環(huán)制成。當電流經(jīng)過它時就會產(chǎn)生磁場。磁場密度正比于電流。亥姆霍茲線圈磁場公式如下：
B=單位為特斯拉的磁場
n=線圈的匝數(shù)
I=單位為安培的電流
r=單位為米的線圈半徑
從公式1可以看出，半徑更小的線圈可以產(chǎn)生更高的磁場密度。每個線圈中匝數(shù)越多，磁場也越強。
高頻亥姆霍茲線圈模型
亥姆霍茲磁場可以用交流也可以用直流產(chǎn)生。大多數(shù)亥姆霍茲線圈應(yīng)用是使用直流產(chǎn)生的靜態(tài)(恒定)磁場。像科學試驗等一些應(yīng)用需要用到高頻率的非靜態(tài)磁場(kHz到MHz)。本文主要討論高頻亥姆霍茲線圈。
圖2：串聯(lián)方式連接的兩個亥姆霍茲線圈的電路模型。
圖2顯示了由一對高頻線圈組成的電路模型。每個線圈可以被建模為一個寄生電阻串聯(lián)一個理想的電感。寄生電阻的阻抗一般很小。對于大多數(shù)高頻亥姆霍茲線圈應(yīng)用來說，由于測試頻率遠低于自諧振頻率，因此這種模型是足夠的。
如果亥姆霍茲線圈的工作頻率足夠接近其自諧振頻率，那么電路模型還必須包含其寄生電容(CP1和CP2)。寄生電容與串聯(lián)的每組電感電阻呈并聯(lián)關(guān)系，如圖3所示。
圖3：高頻亥姆霍茲線圈被建模為兩個串聯(lián)的LCR電路。
寄生電容和電感形成自諧振頻率。雖然線圈被設(shè)計成盡可能匹配，但它們之間的一些小差異還是可能存在的。每個線圈有它自己的串聯(lián)電阻和寄生電容。寄生電容和線圈電感形成自諧振頻率。
高頻亥姆霍茲線圈連接
高頻亥姆霍茲線圈可以串聯(lián)(圖2)或并聯(lián)(圖4)。串聯(lián)使得流經(jīng)兩個磁性線圈的電流完全相同。一般串聯(lián)可以支持最大的電流，從而可以產(chǎn)生最強的磁場。然而，由于兩個線圈是串聯(lián)的，總的阻抗也加倍了。更高的阻抗要求更高的驅(qū)動放大器電壓。如果使用下面所述的諧振技術(shù)，阻抗就可以減小。
圖4：并聯(lián)的亥姆霍茲線圈。
并聯(lián)亥姆霍茲線圈的優(yōu)勢是具有更低的阻抗。事實上阻抗減小一半，但電流也減小一半(電流被分成了兩份)，因此磁場更小。如果在一半電流條件下達到了所要求的磁場密度，并且要求低阻抗，比如在低壓放大驅(qū)動器場合，那么并聯(lián)就是可接受的。有關(guān)亥姆霍茲線圈阻抗的更多細節(jié)將在下面的直接驅(qū)動法章節(jié)中討論。
驅(qū)動高頻亥姆霍茲線圈
產(chǎn)生高頻交流磁場有三種方法。第一種方法是直接驅(qū)動法。這種方法是產(chǎn)生測試用磁場的最簡單方法。它很容易改變頻率和待測磁場。第二種方法是串聯(lián)諧振法。這是產(chǎn)生強磁場和頻率高達數(shù)百kHz甚至MHz磁場的很好方法。第三種方法是使用新的電流放大型諧振方法。這種方法產(chǎn)生最高的磁場密度。下面將詳細介紹每種方法。
直接驅(qū)動法
如果實驗是低頻的，或者線圈是低電感，或者兩個條件都具備，那就可以用波形放大驅(qū)動器(如Accel Instruments公司的TS250波形放大器)直接驅(qū)動亥姆霍茲線圈。由于是低頻或低電感，所以線圈阻抗足夠低，可以被放大器直接驅(qū)動，如圖5和圖6所示。
圖5：TS250波形放大器驅(qū)動一對亥姆霍茲線圈。
圖6：用波形放大器直接驅(qū)動一對串聯(lián)亥姆霍茲線圈的電路圖。
I是峰值電流
ω是角頻率，ω=2πf
L1+L2是總的電感，
R1+R2是總的電阻。
可以使用公式1計算獲得目標磁場所需的線圈電流。然后使用公式2計算所需的最大電壓。注意要忽略小的寄生電阻。最大電壓出現(xiàn)在電流和頻率同時達到最大值之時。接著就可以用大電流與高頻率放大驅(qū)動器(比如TS250函數(shù)發(fā)生放大器)驅(qū)動亥姆霍茲線圈。
串聯(lián)諧振法
如果產(chǎn)生的磁場是高頻的，亥姆霍茲線圈阻抗將隨頻率的提高而增加(Z = jwL)。在高頻時，線圈阻抗會很高，因此需要高電壓驅(qū)動大電流流過線圈。舉例來說，在200kHz時一個2mH的線圈阻抗是2512Ω。如果用40V來驅(qū)動這個線圈，你將得到約16mA(40V/2512Ω = 16mA)的電流。對大多數(shù)應(yīng)用來說，這個電流不足以產(chǎn)生足夠強的磁場。強磁場應(yīng)用需要更大的線圈電流。為了驅(qū)動2A的電流流過線圈，需要高達5024V的電壓！而在200kHz時產(chǎn)生5kV的電壓都很困難。
為了實現(xiàn)大電流和高頻電磁場，推薦使用串聯(lián)諧振技術(shù)。
圖7：波形放大器驅(qū)動處于諧振點的亥姆霍茲線圈中流過大電流。
為了操作處于諧振模式的高頻亥姆霍茲線圈，需要增加一個串聯(lián)電容，如圖7所示。串聯(lián)電容的阻抗具有與電感相反的極性。這樣電容就作為一個阻抗抵消器件，它會減小總的阻抗。在諧振時，電容的電抗(阻抗的虛數(shù)部分)可完全抵消電感的電抗。這是因為電感和電容的電抗幅度相等，但極性相反。
因此只有電感的寄生電阻保留了下來。由于只剩電阻，函數(shù)發(fā)生放大器(TS250)即使在高頻時也可以驅(qū)動大電流流過亥姆霍茲線圈(LCR電路)。這種方法能夠使信號放大器驅(qū)動大電流通過高頻線圈，但它只能工作在諧振頻率附近很窄的頻率范圍。諧振技術(shù)的缺點是，當你改變頻率時你需要同時改變電容。
亥姆霍茲線圈的串聯(lián)諧振頻率用公式3給出。串聯(lián)電容CS可以用公式4進行計算。串聯(lián)電容上的電壓可以用上面的公式2進行計算。在高頻率和大電流時，電壓可能達數(shù)千伏。舉例來說，流過2mH高頻亥姆霍茲線圈的是200kHz、1A電流時，電容上的電壓為2512V！因此這個電容的額定值必須至少能達到這個電壓。
注意：潛在的電氣沖擊
上述大電流亥姆霍茲(電磁)線圈可以存儲足夠的能量因而變得具有電擊危險。確保所有電氣連接與高壓絕緣器件絕緣。導線必須具有上述的額定電壓等級。在連接或斷開線圈和電容之前永遠要記得關(guān)閉波形放大器輸出。
電流放大諧振法
比串聯(lián)諧振更加強大的另外一種諧振被稱為電流放大器諧振。這種新發(fā)明的諧振可以將亥姆霍茲線圈電流提升2倍。也就是說，線圈電流是源放大驅(qū)動器電流的2倍。因此這種諧振可以放大電流和磁場。有關(guān)這種新發(fā)明的諧振的詳細信息可以在應(yīng)用筆記《高頻磁場發(fā)生器(High Frequency Magnetic Field Generator)》找到。
圖8：使用電流放大諧振方法可以使高頻亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場翻倍。
圖8顯示了使用電流放大諧振法的高頻亥姆霍茲線圈連線圖。這里需要兩個相同容量的電容。一個電容與線圈串聯(lián)，這與上述的串聯(lián)諧振相同。第二個諧振電容與兩個線圈并聯(lián)。這個并聯(lián)電容類似于上述高頻亥姆霍茲線圈電路模型中的寄生電容。
諧振頻率用公式6表示。兩個電容的容值可以用公式8進行計算。在諧振點，亥姆霍茲線圈阻抗是阻性的，4倍于線圈寄生電阻。當在電流放大的諧振中使用時最好設(shè)計低阻抗的線圈。另外要記住，由于趨膚效應(yīng)的影響，磁性線圈的交流阻抗要比直流阻抗大。
本文小結(jié)
本文討論了驅(qū)動高頻亥姆霍茲線圈的三種方法。直接驅(qū)動方法最簡單，但一般用于低頻或低電感場合。使用串聯(lián)諧振方法驅(qū)動亥姆霍茲線圈可以產(chǎn)生大的電流和高頻磁場。創(chuàng)新的電流放大諧振法甚至可以在高頻時產(chǎn)生更強的磁場。
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