超导射频接收线圈品质因数

肖景魁，宋礼兴，吴春俐

（1.沈阳大学 师范学院，辽宁 沈阳 110044；2.东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110004）

射频接收线圈在无线电技术中有着广泛的应用.当被接收的电磁信号非常微弱时，改善接收线圈的性能、提升接收线圈的信噪比便成了有效探测信号的重要途径.射频接收线圈的重要组成部分是谐振回路，提升谐振回路的品质因数即可提升接收线圈的信噪比［1］.本文从实验和仿真两个方面研究了超导材料应用于谐振回路时，对射频接收线圈品质因数的影响.

1 接收线圈的品质因数

谐振回路的等效电路如图1所示，图中RS为谐振回路的等效串联电阻，由电容等效串联电阻和电感等效串联电阻组成.若选用高品质因数的电容作为谐振电路中的谐振电容，其等效串联电阻将远小于电感等效串联电阻，可忽略不计.因此，只要设法降低电感的等效串联电阻，就可以提高谐振回路的品质因数，进而提升接收线圈的信噪比.超导材料的直流电阻为零，若用其取代常规导体制作电感线圈，将可能降低电感的等效串联电阻［2］.

图1 谐振回路等效电路Fig.1 The equivalent circuit of resonance tank

2 超导材料的交流损耗

超导材料的直流电阻虽然为零，但工作在射频环境时却存在一定交流损耗，其交流损耗主要有磁滞损耗、涡流损耗和自场损耗［3］.由于接收线圈主要用来接收微弱电磁信号，自场损耗很小，可忽略不计.根据电磁理论，磁滞损耗可表示为式（1），涡流损耗可表示为式（2）.

式中，Pm为磁滞损耗；Pe为涡流损耗；Hm为交变磁场的峰值；f为交变磁场的频率；Hp为超导体的完全穿透磁场；lp为导丝的扭矩；σ为基体材料的电导率.由式（1）、式（2）可见，磁滞损耗与频率成正比，涡流损耗与频率的平方成正比.因此，在射频环境下，随着工作频率的提高，超导谐振电感的交流损耗将主要由涡流损耗构成.

3 超导接收线圈品质因数的实验研究

为验证超导材料用于射频接收线圈中的实际应用效果，本文采用由西北有色金属研究院提供的MgB2超导环制作了谐振回路，实物如图2所示.样品外圆半径为30mm，内圆半径为20mm，厚度为4mm.为了进行对比试验，同时用几何形状与MgB2超导环完全一样的铜环制作谐振回路.两谐振回路的谐振频率均为30MHz.

图2 接电容后的MgB2Fig.2 MgB2connected with capacitor

对谐振回路品质因数的测试，可采用双线圈探测法.测试原理如图3所示.将两个同样的探测线圈分别放置在待测谐振回路两侧，使得两探测线圈间的耦合尽可能小［4－5］.发射线圈接扫频仪的RF输出，接收线圈接Y输入.

图3 谐振回路品质因数测试原理图Fig.3 The schematic resonant circuit quality factor test

当待测谐振回路放在两探测线圈间时，两探测线圈就通过待测谐振回路传递能量.两探测线圈间的传输损耗曲线与待测谐振回路的谐振峰形一致.测量两探测线圈间的传输损耗曲线的带宽和中心频率即可算出待测谐振回路的品质因数.

将MgB2超导谐振回路和铜谐振回路分别被装入恒温器安装于GM制冷机中［6］，制冷机内部结构如图4所示.启动制冷机降温至15K，测试两谐振回路的品质因数，测试结果如表1所示.

图4 制冷机内部实物图Fig.4 The inner structure of the refrigerating machine

表1 铜环和MgB2环的品质因素和等效电阻比较Table1 Comparison of quality factor and the equivalent resistance of copper ring and MgB2ring

由表1知，在常温和15K下，铜环品质因数变化不大，而 MgB2环品质因数变化很大.15K下MgB2环品质因数是相同温度下铜环品质因数的1.34倍，是常温下铜环品质因数的1.44倍.可见，使用MgB2制作超导谐振回路可提高其品质因数.常温下MgB2环的品质因数远低于铜环的品质因数，说明MgB2环只有在低于临界温度处于超导态时，才有较高的品质因数.在MgB2接收线圈实际使用时，应保持低温，避免失超.

4 超导接收线圈品质因数的仿真分析

高温超导线材最常用的制备方法是粉末套管法.它是将超导粉末填充到金属套管后，采用旋锻、拉伸、轧制设备生产超导线带材的方法.此法制作的超导线材外层有一层金属护套，用其制作射频接收线圈时，由于接收线圈工作在高频信号下，受集肤效应影响，电流将大部分从金属外皮流过，较少从超导芯流过.这将影响谐振回路品质因数的提高.目前高温超导材料很脆，要在不损坏超导线的情况下完全去除金属护套很难.本文针对金属护套对谐振回路品质因数的影响，运用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真分析，研究了部分去除金属包套超导线圈的品质因数.

为了研究线材不同侧面的金属护套对谐振回路品质因数的影响，仿真模型中线材截面设定为正方形，尺寸为1mm×1mm、护套材质为铜，厚度0.1mm，谐振回路半径85mm、谐振频率10 MHz.谐振回路品质因数的测试仿真模型见图5.带铜护套的超导线材剖面见图6，去除不同侧面铜护套的超导谐振回路品质因数仿真结果见表2.

图5 谐振回路品质因数的测试模型Fig.5 Testing model of quality factor of resonant tank

仿真结果表明，在谐振频率为10MHz附近时用带有铜护套的超导线材制作的接收线圈的品质因数与相同规格铜线圈的品质因数基本一样，说明超导线材应用于射频接收线圈时必须进行去护套处理.去除部分铜护套，仅保留圆环内层护套时，品质因数提高3.3倍.说明使用仅保留圆环内层护套超导线材制作谐振电感，也可有效提高谐振回路的品质因数.有部分护套保护会提高超导线材的力学性能，有利于超导线材加工成接收线圈要求的形状，促进实用超导接收线圈的研制.

图6 有铜护套的超导线材Fig.6 Copper sheathed superconducting wire rod

表2 铜护套对品质因数的影响Table 2 Impact of copper sheath on the quality factor

5 结 语

将超导材料应用于射频接收线圈时，即便存在交流损耗，仍能提高线圈的品质因数.使用Ansoft HFSS软件分析超导线材表面铜护套层对品质因数的影响，结果显示使用仅保留圆环内层护套的超导谐振电感，也可有效提高谐振回路的品质因数.

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