مدل مقدماتی: مطالعه قدرت سیگنال سیم پیچ های RF

فن آوری سیم پیچ RF در همه جا در سراسر جهان وجود دارد و به عنوان یکی از اجزای اصلی فناوری ها، از تجهیزات پزشکی گرفته تا اتصال بی سیم، عمل می کند. مهم است که اطمینان حاصل شود که کویل های موجود در این دستگاه ها اطلاعات را از یک منبع به مقصد به درستی منتقل می کنند.

کویل های RF چیست؟

سیم پیچ های RF سیم پیچ های الکترومغناطیسی (EM) هستند که سیگنال های فرکانس رادیویی (RF) را ارسال و دریافت می کنند. سیم پیچ فرستنده، فیلدهای EM را تولید می کند، در حالی که سیم پیچ گیرنده، همانطور که از نام پیداست، آنها را دریافت می کند. سیم پیچ های RF را می توان در دستگاه های مختلفی مانند سیستم های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) یافت. در تجهیزات اسکن MRI، از امواج رادیویی و میدان های مغناطیسی یکنواخت و قوی برای تشکیل تصاویری از آناتومی بیمار استفاده می شود. سیم پیچ های RF همچنین برای تطبیق امپدانس دستگاه های عمدتا خازنی مانند راکتورهای پلاسما RF برای ساخت نیمه هادی استفاده می شود.

یک سیم پیچ RF

یک ویژگی مهم سیم پیچ RF پاسخ فرکانسی آن است، به ویژه فرکانس تشدید . فرکانسی که در آن قسمت واکنشی امپدانس بین ورودی و خروجی یک سیم پیچ صفر می شود.

یافتن فرکانس رزونانس یک سیم پیچ RF

یکی از آموزش های مقدماتی ما برای مدل سازی RF شامل مدل سیم پیچ RF است. با استفاده از COMSOL Multiphysics و ماژول RF، می‌توانیم قدرت سیگنال یک سیم‌پیچ RF را با حل فرکانس تشدید و ضریب Q، از جمله خواص دیگر، تجزیه و تحلیل کنیم.

بیایید نگاهی به یک سیم پیچ مسی ساخته شده از دو پیچ داشته باشیم.

نسخه 1

ابتدا می خواهیم فرکانس تشدید بنیادی یعنی پایین ترین فرکانس سیم پیچ را پیدا کنیم. ما این کار را با انجام تجزیه و تحلیل فرکانس ویژه هندسه مدل انجام می دهیم که در زیر نشان داده شده است.

هندسه سیم پیچ RF.

ما سیم پیچ را یک رسانای الکتریکی کامل در نظر خواهیم گرفت، بنابراین فقط باید معادله فرکانس ویژه امواج الکترومغناطیسی در حوزه هوای اطراف را حل کنیم.

نسخه 2

در مرحله بعد می خواهیم کمترین فرکانس ویژه مدل را پیدا کنیم. ما از یک پورت توده ای برای اعمال ولتاژ پورت رانندگی هماهنگ با زمان بین دو سر سیم پیچ استفاده می کنیم. به پورت یک امپدانس کابل خارجی 50 Ω و ولتاژ محرک 1 ولت (V) اختصاص داده شده است.

مش استفاده شده در یک نسخه رانده از مدل. یک برش بریده می شود و حوزه هوا برای نشان دادن سیم پیچ نامرئی می شود.

بر اساس نتایج ما در نسخه 1، مدل خود را از طریق طیف وسیعی از فرکانس‌ها در اطراف فرکانس رزونانس اجرا می‌کنیم. پس از انجام تجزیه و تحلیل فرکانس ویژه، متوجه می شویم که کمترین فرکانس ویژه 180 مگاهرتز است.

سپس، می‌توانیم توزیع میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را در این رزونانس بدست آوریم:

شبیه سازی میدان الکتریکی (برش) و چگالی شار مغناطیسی (فلش) در فرکانس تشدید اساسی.

از آنجایی که این سیم پیچ خاص سیگنال ها را از طریق رزونانس ارسال یا دریافت می کند، تعیین ضریب Q ، یعنی فاکتور کیفیت، مهم است. ضریب Q یک پارامتر بدون بعد است که میزان میرایی یک نوسانگر یا تشدید کننده را توصیف می کند. با نسبت فرکانس پیک به عرض کامل در نصف حداکثر برای پاسخ فرکانسی امپدانس سیم پیچ تعیین می شود. ضریب Q بالاتر نشان می دهد که نوسانات کندتر از بین می روند و سیم پیچ در فرکانس رزونانس کارآمدتر خواهد بود. با این حال، همچنین نشان می دهد که سیم پیچ دارای پهنای باند باریکی است، بنابراین به هرگونه عدم تطابق فرکانس حساس تر خواهد بود.

فاکتور Q را می توان با ترسیم امپدانس ورودی در مقابل فرکانس استخراج کرد. امپدانس الکتریکی مقاومت کل در برابر یک جریان متناوب توسط یک مدار الکتریکی را توصیف می کند. با استفاده از نتایج قبلی، تحلیل خود را ادامه می دهیم و امپدانس مدل را در طیفی از فرکانس ها در اطراف فرکانس تشدید 180 مگاهرتز حل می کنیم.

نمودار بزرگی امپدانس ورودی در مقابل فرکانس، که در آن f ₀ اوج یا فرکانس رزونانس و Δf عرض کامل در نصف حداکثر است.

ضریب Q برای مدل ما حدود 300 است، که تأیید می کند که سیستم کم میرایی ندارد و پهنای باند فرکانس کافی را نشان می دهد.

دانلود مدل

• مدل آموزشی نشان داده شده در اینجا از گالری مدل و کتابخانه مدل با دستورالعمل های گام به گام و یک فایل MPH قابل دسترسی است.