超導射頻接收線圈品質因數

肖景魁，宋禮興，吳春俐

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

射頻接收線圈在無線電技術中有著廣泛的應用.當被接收的電磁信號非常微弱時，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信號的重要途徑.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因數即可提升接收線圈的信噪比［1］.本文從實驗和仿真兩個方面研究了超導材料應用于諧振回路時，對射頻接收線圈品質因數的影響.

1 接收線圈的品質因數

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電阻，由電容等效串聯電阻和電感等效串聯電阻組成.若選用高品質因數的電容作為諧振電路中的諧振電容，其等效串聯電阻將遠小于電感等效串聯電阻，可忽略不計.因此，只要設法降低電感的等效串聯電阻，就可以提高諧振回路的品質因數，進而提升接收線圈的信噪比.超導材料的直流電阻為零，若用其取代常規導體制作電感線圈，將可能降低電感的等效串聯電阻［2］.

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

2 超導材料的交流損耗

超導材料的直流電阻雖然為零，但工作在射頻環境時卻存在一定交流損耗，其交流損耗主要有磁滯損耗、渦流損耗和自場損耗［3］.由于接收線圈主要用來接收微弱電磁信號，自場損耗很小，可忽略不計.根據電磁理論，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為交變磁場的峰值；f為交變磁場的頻率；Hp為超導體的完全穿透磁場；lp為導絲的扭矩；σ為基體材料的電導率.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，在射頻環境下，隨著工作頻率的提高，超導諧振電感的交流損耗將主要由渦流損耗構成.

3 超導接收線圈品質因數的實驗研究

為驗證超導材料用于射頻接收線圈中的實際應用效果，本文采用由西北有色金屬研究院提供的MgB2超導環制作了諧振回路，實物如圖2所示.樣品外圓半徑為30mm，內圓半徑為20mm，厚度為4mm.為了進行對比試驗，同時用幾何形狀與MgB2超導環完全一樣的銅環制作諧振回路.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

對諧振回路品質因數的測試，可采用雙線圈探測法.測試原理如圖3所示.將兩個同樣的探測線圈分別放置在待測諧振回路兩側，使得兩探測線圈間的耦合盡可能?。?－5］.發射線圈接掃頻儀的RF輸出，接收線圈接Y輸入.

圖3 諧振回路品質因數測試原理圖Fig.3 The schematic resonant circuit quality factor test

當待測諧振回路放在兩探測線圈間時，兩探測線圈就通過待測諧振回路傳遞能量.兩探測線圈間的傳輸損耗曲線與待測諧振回路的諧振峰形一致.測量兩探測線圈間的傳輸損耗曲線的帶寬和中心頻率即可算出待測諧振回路的品質因數.

將MgB2超導諧振回路和銅諧振回路分別被裝入恒溫器安裝于GM制冷機中［6］，制冷機內部結構如圖4所示.啟動制冷機降溫至15K，測試兩諧振回路的品質因數，測試結果如表1所示.

圖4 制冷機內部實物圖Fig.4 The inner structure of the refrigerating machine

表1 銅環和MgB2環的品質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，銅環品質因數變化不大，而 MgB2環品質因數變化很大.15K下MgB2環品質因數是相同溫度下銅環品質因數的1.34倍，是常溫下銅環品質因數的1.44倍.可見，使用MgB2制作超導諧振回路可提高其品質因數.常溫下MgB2環的品質因數遠低于銅環的品質因數，說明MgB2環只有在低于臨界溫度處于超導態時，才有較高的品質因數.在MgB2接收線圈實際使用時，應保持低溫，避免失超.

4 超導接收線圈品質因數的仿真分析

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

為了研究線材不同側面的金屬護套對諧振回路品質因數的影響，仿真模型中線材截面設定為正方形，尺寸為1mm×1mm、護套材質為銅，厚度0.1mm，諧振回路半徑85mm、諧振頻率10 MHz.諧振回路品質因數的測試仿真模型見圖5.帶銅護套的超導線材剖面見圖6，去除不同側面銅護套的超導諧振回路品質因數仿真結果見表2.

圖5 諧振回路品質因數的測試模型Fig.5 Testing model of quality factor of resonant tank

仿真結果表明，在諧振頻率為10MHz附近時用帶有銅護套的超導線材制作的接收線圈的品質因數與相同規格銅線圈的品質因數基本一樣，說明超導線材應用于射頻接收線圈時必須進行去護套處理.去除部分銅護套，僅保留圓環內層護套時，品質因數提高3.3倍.說明使用僅保留圓環內層護套超導線材制作諧振電感，也可有效提高諧振回路的品質因數.有部分護套保護會提高超導線材的力學性能，有利于超導線材加工成接收線圈要求的形狀，促進實用超導接收線圈的研制.

圖6 有銅護套的超導線材Fig.6 Copper sheathed superconducting wire rod

表2 銅護套對品質因數的影響Table 2 Impact of copper sheath on the quality factor

5 結 語

將超導材料應用于射頻接收線圈時，即便存在交流損耗，仍能提高線圈的品質因數.使用Ansoft HFSS軟件分析超導線材表面銅護套層對品質因數的影響，結果顯示使用僅保留圓環內層護套的超導諧振電感，也可有效提高諧振回路的品質因數.

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