超導(dǎo)射頻接收線圈品質(zhì)因數(shù)

肖景魁，宋禮興，吳春俐

（1.沈陽大學(xué) 師范學(xué)院，遼寧 沈陽 110044；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

射頻接收線圈在無線電技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用.當(dāng)被接收的電磁信號(hào)非常微弱時(shí)，改善接收線圈的性能、提升接收線圈的信噪比便成了有效探測(cè)信號(hào)的重要途徑.射頻接收線圈的重要組成部分是諧振回路，提升諧振回路的品質(zhì)因數(shù)即可提升接收線圈的信噪比［1］.本文從實(shí)驗(yàn)和仿真兩個(gè)方面研究了超導(dǎo)材料應(yīng)用于諧振回路時(shí)，對(duì)射頻接收線圈品質(zhì)因數(shù)的影響.

1 接收線圈的品質(zhì)因數(shù)

諧振回路的等效電路如圖1所示，圖中RS為諧振回路的等效串聯(lián)電阻，由電容等效串聯(lián)電阻和電感等效串聯(lián)電阻組成.若選用高品質(zhì)因數(shù)的電容作為諧振電路中的諧振電容，其等效串聯(lián)電阻將遠(yuǎn)小于電感等效串聯(lián)電阻，可忽略不計(jì).因此，只要設(shè)法降低電感的等效串聯(lián)電阻，就可以提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而提升接收線圈的信噪比.超導(dǎo)材料的直流電阻為零，若用其取代常規(guī)導(dǎo)體制作電感線圈，將可能降低電感的等效串聯(lián)電阻［2］.

圖1 諧振回路等效電路Fig.1 The equivalent circuit of resonance tank

2 超導(dǎo)材料的交流損耗

超導(dǎo)材料的直流電阻雖然為零，但工作在射頻環(huán)境時(shí)卻存在一定交流損耗，其交流損耗主要有磁滯損耗、渦流損耗和自場(chǎng)損耗［3］.由于接收線圈主要用來接收微弱電磁信號(hào)，自場(chǎng)損耗很小，可忽略不計(jì).根據(jù)電磁理論，磁滯損耗可表示為式（1），渦流損耗可表示為式（2）.

式中，Pm為磁滯損耗；Pe為渦流損耗；Hm為交變磁場(chǎng)的峰值；f為交變磁場(chǎng)的頻率；Hp為超導(dǎo)體的完全穿透磁場(chǎng)；lp為導(dǎo)絲的扭矩；σ為基體材料的電導(dǎo)率.由式（1）、式（2）可見，磁滯損耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率的平方成正比.因此，在射頻環(huán)境下，隨著工作頻率的提高，超導(dǎo)諧振電感的交流損耗將主要由渦流損耗構(gòu)成.

3 超導(dǎo)接收線圈品質(zhì)因數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證超導(dǎo)材料用于射頻接收線圈中的實(shí)際應(yīng)用效果，本文采用由西北有色金屬研究院提供的MgB2超導(dǎo)環(huán)制作了諧振回路，實(shí)物如圖2所示.樣品外圓半徑為30mm，內(nèi)圓半徑為20mm，厚度為4mm.為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)用幾何形狀與MgB2超導(dǎo)環(huán)完全一樣的銅環(huán)制作諧振回路.兩諧振回路的諧振頻率均為30MHz.

圖2 接電容后的MgB2Fig.2 MgB2connected with capacitor

對(duì)諧振回路品質(zhì)因數(shù)的測(cè)試，可采用雙線圈探測(cè)法.測(cè)試原理如圖3所示.將兩個(gè)同樣的探測(cè)線圈分別放置在待測(cè)諧振回路兩側(cè)，使得兩探測(cè)線圈間的耦合盡可能?。?－5］.發(fā)射線圈接掃頻儀的RF輸出，接收線圈接Y輸入.

圖3 諧振回路品質(zhì)因數(shù)測(cè)試原理圖Fig.3 The schematic resonant circuit quality factor test

當(dāng)待測(cè)諧振回路放在兩探測(cè)線圈間時(shí)，兩探測(cè)線圈就通過待測(cè)諧振回路傳遞能量.兩探測(cè)線圈間的傳輸損耗曲線與待測(cè)諧振回路的諧振峰形一致.測(cè)量兩探測(cè)線圈間的傳輸損耗曲線的帶寬和中心頻率即可算出待測(cè)諧振回路的品質(zhì)因數(shù).

將MgB2超導(dǎo)諧振回路和銅諧振回路分別被裝入恒溫器安裝于GM制冷機(jī)中［6］，制冷機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示.啟動(dòng)制冷機(jī)降溫至15K，測(cè)試兩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

圖4 制冷機(jī)內(nèi)部實(shí)物圖Fig.4 The inner structure of the refrigerating machine

表1 銅環(huán)和MgB2環(huán)的品質(zhì)因素和等效電阻比較Table1 Comparison of quality factor and the equivalent resistance of copper ring and MgB2ring

由表1知，在常溫和15K下，銅環(huán)品質(zhì)因數(shù)變化不大，而 MgB2環(huán)品質(zhì)因數(shù)變化很大.15K下MgB2環(huán)品質(zhì)因數(shù)是相同溫度下銅環(huán)品質(zhì)因數(shù)的1.34倍，是常溫下銅環(huán)品質(zhì)因數(shù)的1.44倍.可見，使用MgB2制作超導(dǎo)諧振回路可提高其品質(zhì)因數(shù).常溫下MgB2環(huán)的品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)低于銅環(huán)的品質(zhì)因數(shù)，說明MgB2環(huán)只有在低于臨界溫度處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，才有較高的品質(zhì)因數(shù).在MgB2接收線圈實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)保持低溫，避免失超.

4 超導(dǎo)接收線圈品質(zhì)因數(shù)的仿真分析

高溫超導(dǎo)線材最常用的制備方法是粉末套管法.它是將超導(dǎo)粉末填充到金屬套管后，采用旋鍛、拉伸、軋制設(shè)備生產(chǎn)超導(dǎo)線帶材的方法.此法制作的超導(dǎo)線材外層有一層金屬護(hù)套，用其制作射頻接收線圈時(shí)，由于接收線圈工作在高頻信號(hào)下，受集膚效應(yīng)影響，電流將大部分從金屬外皮流過，較少從超導(dǎo)芯流過.這將影響諧振回路品質(zhì)因數(shù)的提高.目前高溫超導(dǎo)材料很脆，要在不損壞超導(dǎo)線的情況下完全去除金屬護(hù)套很難.本文針對(duì)金屬護(hù)套對(duì)諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響，運(yùn)用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真分析，研究了部分去除金屬包套超導(dǎo)線圈的品質(zhì)因數(shù).

為了研究線材不同側(cè)面的金屬護(hù)套對(duì)諧振回路品質(zhì)因數(shù)的影響，仿真模型中線材截面設(shè)定為正方形，尺寸為1mm×1mm、護(hù)套材質(zhì)為銅，厚度0.1mm，諧振回路半徑85mm、諧振頻率10 MHz.諧振回路品質(zhì)因數(shù)的測(cè)試仿真模型見圖5.帶銅護(hù)套的超導(dǎo)線材剖面見圖6，去除不同側(cè)面銅護(hù)套的超導(dǎo)諧振回路品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果見表2.

圖5 諧振回路品質(zhì)因數(shù)的測(cè)試模型Fig.5 Testing model of quality factor of resonant tank

仿真結(jié)果表明，在諧振頻率為10MHz附近時(shí)用帶有銅護(hù)套的超導(dǎo)線材制作的接收線圈的品質(zhì)因數(shù)與相同規(guī)格銅線圈的品質(zhì)因數(shù)基本一樣，說明超導(dǎo)線材應(yīng)用于射頻接收線圈時(shí)必須進(jìn)行去護(hù)套處理.去除部分銅護(hù)套，僅保留圓環(huán)內(nèi)層護(hù)套時(shí)，品質(zhì)因數(shù)提高3.3倍.說明使用僅保留圓環(huán)內(nèi)層護(hù)套超導(dǎo)線材制作諧振電感，也可有效提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù).有部分護(hù)套保護(hù)會(huì)提高超導(dǎo)線材的力學(xué)性能，有利于超導(dǎo)線材加工成接收線圈要求的形狀，促進(jìn)實(shí)用超導(dǎo)接收線圈的研制.

圖6 有銅護(hù)套的超導(dǎo)線材Fig.6 Copper sheathed superconducting wire rod

表2 銅護(hù)套對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響Table 2 Impact of copper sheath on the quality factor

5 結(jié) 語

將超導(dǎo)材料應(yīng)用于射頻接收線圈時(shí)，即便存在交流損耗，仍能提高線圈的品質(zhì)因數(shù).使用Ansoft HFSS軟件分析超導(dǎo)線材表面銅護(hù)套層對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響，結(jié)果顯示使用僅保留圓環(huán)內(nèi)層護(hù)套的超導(dǎo)諧振電感，也可有效提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù).

［1］ 高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（Gao Jinzhan.Detection of Weak Signals［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.）

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