无论是血压传感器还是电子货币卡，平面线圈广泛应用智能电子设备中。这些线圈被制备在印刷电路板（PCB）上，是感应耦合的理想选择，尤其是在空间有限的情况下。在设计这些线圈时，计算它们的电感和电阻很重要，因为这些参数在设备性能中起着关键作用。借助 COMSOL® 软件中的多层壳特征，工程师能够在一个平面上对整个线圈进行建模。
平面线圈的优点及其应用
平面线圈是因线圈导线主要位于同一平面上（几乎是平坦的）而得名的。与其他电感器相比，它们占用的空间更少，因此适用于任何尺寸受限的应用，例如MEMS或植入式医疗设备（例如心脏泵）。平面线圈可以在刚性和非刚性表面上制造，这意味着它们可以被集成到 PCBs 和柔性电路上。平面线圈也可以批量生产，从而实现低成本、高效益的制造过程。
由于这些特性，平面线圈在高频领域有许多不同的应用。下面是一些应用示例：
- 远程健康监控（例如血压传感器）
- 无线电源传输（例如可穿戴/可植入医疗设备）
- 射频识别（例如电子货币卡）
- 感应加热（例如电磁炉）
平面线圈可用于可穿戴设备的 PCB 中，例如图中的健身追踪器。
在设计平面线圈时，有两个重要参数：电感和电阻。电阻应极低（理想值为 0），因为任何电阻都会使线圈的效率降低。但是，电感应较高，以便在不同设备之间进行感应耦合。确定电阻和电感可能很复杂，因为我们需要考虑线圈材料、匝数以及电场和磁场之间的耦合等各方面因素。
为了解决上述难题，工程师可以使用电磁仿真软件计算 PCBs 线圈中的电阻和电感。为了使建模过程更有效，我们可以使用 COMSOL Multiphysics 的附加产品 —— AC/DC 模块内置的壳内电流 接口，将线圈设计看作（基本上是）平面进行分析。下面，我们来看一个简单的平面线圈模型的仿真示例。
平面线圈电磁仿真示例
如下图所示，平面线圈模型由 PCBs 上的铜线组成。该线圈有三匝；两个通孔；两个端子，其中一个接电压，而另一个接地。电流从顶层的端子流入。然后，经过通孔流到底层导线，再经过另一个通孔返回到顶层，经过所有导线，最后到达接地端。线圈中的电流会产生磁场，电流与磁场的比值决定电感的大小。
平面线圈的几何形状和电势分布。
由于铜线圈非常薄（厚度仅 0.1 mm，铜线的宽度和通孔高度为 0.5 mm），因此可以将通孔简化为二维表面而不是三维实体。我们可以使用 COMSOL® 软件 5.4 版本中的壳内电流 接口在一个平面上模拟线圈的几何形状。此外，我们可以使用该物理接口以及 磁场 接口来计算电流和磁场，并评估线圈的电阻和电感。此过程包括两个部分：
- 壳内电流 接口可计算整个线圈的集总电阻和表面电流密度。此接口求解边界上流动的电流。
- 磁场 接口使用壳内电流 接口计算的表面电流密度来计算线圈周围空间中的磁场分布。
此示例非常简单，如果您对此感兴趣，还可以对不同的和更复杂的几何形状使用相同的方法建模。有关建模的详细信息，请查看 COMSOL 案例库中的平面 PCB 线圈案例教程”。在这里，您可以查看建模步骤的说明。如果您有有效的软件许可证，请下载相关的 MPH 文件。
可视化电磁仿真的结果
运行模型仿真后，自动生成的结果将显示常用物理量，例如电势（如上图所示）以及线圈电流产生磁场的分布（如下图所示）。除了这些可视化结果以外，我们还可以计算其他物理量例如，此示例中的电阻和电感。此线圈设计中，电感为 0.06μH，电阻为 21.6mΩ。
线圈周围的磁通密度（彩色图）以及电流密度（箭头图）。
由上述示例可知，我们可以利用 AC/DC 模块中的多层壳功能对平面线圈建模并确定其电阻和电感。利用该仿真结果，工程师可以轻松地优化特定应用的线圈设计，例如通过增加匝数以获得更高的电感。如下图所示，当添加第4层线圈时，电感从 0.06μH 增加到 0.11μH。
3 匝线圈与 4 匝线圈的电阻和电感的仿真结果比较 ，以及一个 4 匝线圈的可视化仿真结果。
后续操作
如想自己尝试建模，请单击下面的按钮，进入 COMSOL 案例库，下载平面 PCB 线圈案例教程，您可以在案例库中找到该模型的 MPH 文件和文档。
相关资源
- 在 COMSOL 博客上了解有关电磁建模的更多信息：
- 观看 18 分钟的教学视频，了解使用 COMSOL 模拟电磁设备的介绍
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