基于HTc rf SQUID的通信傳感器技術*

陶 偉(海軍裝備研究院,北京100161)

基于HTc rf SQUID的通信傳感器技術*

陶 偉
(海軍裝備研究院,北京100161)

超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Devices,簡記為SQUID)是迄今為止靈敏度最高的磁場傳感器,高溫超導射頻量子干涉儀(HTc rf SQUID)更以其良好的實用性而備受業界關注。將HTc rf SQUID技術引入到低頻段通信中,可以有效解決目前低頻段通信中收信天線設備笨重、靈敏度不高的問題。文中分析了超導技術發展現狀和HTc rf SQUID技術原理,總結了該技術的特點和應用于低頻段通信的優勢,結合CSAMT試驗方法驗證了應用HTc rf SQUID進行低頻段收信的可行性,提出了HTc rf SQUID實用化的技術途徑。

HTc rf SQUID 低頻段通信 超導

0 引 言

隨著超導電子學技術的飛速發展,基于磁通量子化現象和約瑟夫森效應研制的、以超導體零電阻特征為典型標志的各類儀器和設備已經在國計民生的多個領域得到應用。其中,超導量子干涉儀(下文簡稱為SQUID)作為迄今為止磁場檢測領域靈敏度最高的測量儀器,其靈敏度高達10-15T/(Hz)1/2。目前以SQUID為核心的各種弱磁場檢測設備已初步在深空磁測、生物磁測量、無損檢測、探潛、掃雷等領域顯示出良好的應用前景。

雖然目前SQUID的主要應用領域是磁場檢測,但其在通信領域的應用效果同樣令人期待。由于電磁波由電場分量和磁場分量組成,通過檢測并接收磁場分量同樣可以實現收信,基于這個原理,將SQUID用作傳感器,輔以信號處理前端和常規的解調、解碼模塊可實現常規的通信。原則上,SQUID的高靈敏度及其在極寬頻段上的良好頻率響應可使其應用于多個頻段的通信,但在低頻段(如幾KHz以下)范圍的應用則更加令人期待。傳統的低頻段通信對系統設計和裝備能力要求很高,不僅發射功率巨大、發信天線龐大,收端傳感器也存在設備笨重、靈敏度不高的問題,影響了通信效果。將高溫超導技術引入到低頻段通信中來,可有效解決收信端天線相關問題,提高收信質量。在這方面,國外研究工作者已經開展了卓有成效的研究工作,并取得了很好的成績。例如,1997年,David Reagor[1]等人開發了基于HTc SQUID的超導低頻接收機,其SQUID采用了基于YBa2Cu3O7和PrBa2Cu3O7的超導邊界結技術,SQUID的調制幅度高達150μv/Φ0,磁通噪聲約為5μΦ0/(Hz)1/2(76K)。利用該接收機,David Reagor等人實現了室內環境下對簡易發射機發射的載頻3 KHz、速率0.1 bps的FSK信號的無誤碼接收。2004年,Jose Vasquez等人[2]開發了應用于坑道內通信的基于HTc SQUID的超導低頻接收機,并成功實現了在100米巖層兩端對采用4 KHz載波調制的500 Hz帶寬壓縮語音的有效傳輸。

1 HTc rf SQUID原理

SQUID是融合了磁通量子化現象和Josephson隧道Φ0結效應的極端靈敏的磁通傳感器。磁通量子化現象要求穿過超導環的磁通量以一個磁通量子Φ0為量化單位,這里Φ0=h/2e≈2.07×10-15Tm2,其中h=2×π為普朗克常數,e是電子電量。而Josephson隧道結效應則表述了穿過分隔兩個超導體的薄絕緣勢壘的庫伯電子對(Cooper pairs)的隧道行為,當電流低于臨界值時,庫伯電子對在超導環中形成超流,此時Josephson結上的電壓為零。當含有Josephson結的超導閉合環路被適當大小的電流偏置后會呈現一種宏觀量子現象,即隧道結兩端的電壓是該閉合環路中外磁通量變化的周期型函數,周期為一個磁通量子Φ0,通過測量該電壓即可實現對穿過環孔的磁通量的檢測,進而可實現對磁場強度的檢測。

SQUID有多種分類方法。一種是按照工作溫度不同分為低溫SQUID(LTc SQUID)和高溫SQUID (HTc SQUID),前者工作于液氦溫區(～4.2K),后者工作于液氮溫區(～77K),鑒于液氦制冷系統復雜,造價高昂且穩定性不高,自1986年銅氧化物超導體首次發現之后,因為高Tc SQUID可在液氮或制冷機制冷條件下工作,實用性明顯優于低溫SQUID,所以大量的研究集中到高溫SQUID上來,將超導技術的實用化進程向前推進了一大步。另一種分類方法是根據所含Josephson結的數目將SQUID分為dc SQUID和rf SQUID(如圖1所示),前者是含有兩個Josephson結的超導環,采用直流偏置;而后者是只含一個Josephson結的超導環,采用射頻偏置。dc SQUID和rf SQUID各有特點,由于dc SQUID的性能與所含兩個Josephson結的一致性有關,當前技術條件下rf SQUID的工程化應用前景更好。

圖1 (a)dc SQUID原理示意圖Fig.1(a)Schematic representation of dc SQUID

圖1 (b)rf SQUID原理示意圖Fig.1(b)Schematic representation of rf SQUID

rf SQUID由插入一個Josephson結的超導環構成,該超導環耦合到一個LC諧振回路上。諧振電路兩端的電壓幅度隨外加磁通量呈周期性變化。圖1(b)采用對SQUID輸出的微弱信號進行直接放大的方式,這種方式容易引入干擾和噪聲,加上SQUID傳感器自身非線性傳輸函數影響,導致SQUID的輸出難以準確反映/輸入的變化。為解決上述問題,實際的SQUID傳感器通常工作于磁通鎖定環路模式,如圖2所示。該模式在輸入級采用隔離度很高的方向耦合器,極大地緩解了SQUID傳感器高諧振阻抗對具有50歐姆輸入阻抗的射頻前置放大器工作的影響,因此允許在高溫超導rf SQUID傳感器設計中采用品質因數非常高的平面超導諧振器。同時,因目前在器件制備過程中尚不能對平面超導諧振器的諧振頻率實現準確設計與控制,該磁通鎖定電路的射頻前級放大器采用大帶寬、低噪聲放大器方案,能大幅度地降低傳感器固有噪聲電平的高偏置頻率。最后,磁通鎖定電路混頻器的本振頻率與SQUID傳感器偏置頻率相同,不但降低了電路復雜性,還可實現磁通鎖定電路的集成設計,這一點對于需要較多通道的SQUID傳感器系統而言非常重要。

圖2 HTc rf SQUID磁通鎖定環路原理圖Fig.2 Schematic of flux-locked loop for HTc rf SQUID

2 HTc rf SQUID的特點及用于低頻段通信的優勢

2.1 HTc rf SQUID的特點

HTc rf SQUID傳感器具有如下優點:

1)檢測靈敏度高。其靈敏度可達10-15T,相當于大地磁場(10-5T)的十億分之一。

2)工作頻帶寬,幾乎覆蓋整個無線通信頻段。3)能量轉換效率高,無需額外附加天線,SQUID自身就可作為接收傳感器。

4)尺寸小,單個SQUID僅為平方厘米量級,可陣列布置,便于安裝和維護。

5)制冷技術相對簡單,成本不高。通過使用液氮即可對HTc rf SQUID傳感器進行制冷。

2.2 HTc rf SQUID用于低頻段通信的優勢

HTc rf SQUID傳感器雖然適用于更寬泛的頻段,但鑒于低頻段通信進一步提升能力所面臨的技術和成本困境,將其用于低頻段更能夠發揮其突出的作用,具體表現在:

1)應用HTc rf SQUID傳感器具有靈敏度高的特點,可以有效拓展低頻段通信的距離,反過來在通信距離既定且可達的前提下,可以減小發信系統功率。同時其極高的能量轉換效率也能夠有效提高通信效果。

2)應用HTc rf SQUID傳感器體積小的特點,可以大大簡化收信設備體積,減小空間占用。

3)應用HTc rf SQUID傳感器可陣列布置的特點,可以實現全向收信。

3 試驗研究

為證明HTc rf SQUID傳感器技術可用于低頻段通信,采用大地電磁測量典型方法(CSAMT法)進行了試驗驗證?？煽卦匆纛l大地電磁方法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric, CSAMT)是一種在地球物理和地質勘探領域中廣泛使用的測量方法,其特點是可以通過人為控制消除地質構造走向對待測磁場強度的影響;同時,待測低頻電磁場由人工方法所產生,其頻率和方向都可以由人工控制。圖3給出CSAMT裝置接收、發射設備配置示意。

圖3 CSAMT方法原理圖Fig.3 Schematic representation of CSAMT

CSAMT測量裝置是一種典型的低頻無線電系統。傳統CSAMT系統接收端使用的磁性傳感器(天線)主要是感應線圈磁強計,由于其的輸出電壓與磁場的時間變化率成正比,接收天線的低頻響應較差導致CSAMT系統的低頻信噪變差。顯然,如果用靈敏度高、低頻響應好的HTc rf SQUID傳感器置換現有CSAMT系統接收機的感應線圈磁強計,該系統的信噪比將得到大幅度的提高。

試驗系統由HTc SQUID傳感器(CSAMT系統接收機的接收天線),數據采集系統和數據采集分析和控制軟件構成。通過試驗接收系統的瞬時測頻和FFT分析功能,將時域信號的數字化記錄轉化為頻域中對接收信號的頻率、幅度、相位等特征的分析。

為了避開工頻及其諧波的干擾,測試地點選在遠離城市基本無人居住的地區。為確保發電機近場工頻干擾情況下的試驗效果,通過控制發信電流將發信功率提高到合理水平。實驗結果顯示,對于大地測量所用的十幾赫茲的低頻信號,在距離發射天線約11公里處,由發射天線建立的磁感應強度約等于4×10-11T,信號非常微弱,而基于HTc SQUID傳感器的收信系統實現了對該微弱信號的接收,對該結果進行窄帶濾波后即可得到所需信號。

4 實際應用需解決的幾個關鍵問題

將HTc rf SQUID用于低頻段通信系統,是希望利用其高靈敏度優勢來彌補各種特殊應用場合的極端信道條件所造成信號的劇烈衰減。但SQUID作為超導器件,其自身特性使其實用化進程仍面臨諸多挑戰,即使發展到今天,其中一些問題仍無法徹底解決,如進一步降低磁通噪聲譜密度、提高擺率、發展無磁制冷系統等,都需要繼續開展有針對性的深化研究。

4.1 減小磁通噪聲

HTc rf SQUID傳感器的磁場檢測靈敏度取決于系統的噪聲,噪聲越小其靈敏度越高,因此降低磁通噪聲是提高靈敏度的關鍵。事實上,雖然基于量子理論的超導器件噪聲分析非常復雜,但截至目前超導界仍然缺乏關于HTc rf SQUID傳感器磁通噪聲的準確公式。對于降低于磁通噪聲sφ的方法,Zimmerman[3]給出了如下簡單估計:

當ω?R/Ls時,rf SQUID的磁通噪聲譜密度經典極限為:

式中,kB=1.3806×10-23J/K是玻耳茲曼常數,T為工作溫度,R為rf SQUID中Josephson結的分路電阻,LS是環電感。

從式中可以看出增大約瑟夫森結的正常態電阻R或減少SQUID的環電感Ls都可以降低SQUID的磁通噪聲。鑒于低頻段通信應用對于接收靈敏度有著極高的要求,所以后續必須在提高結電阻R和減小環電感LS這兩個主流研究方向上開展深化研究。

4.2 增大擺率

擺率指的是使SQUID不失鎖的最大磁通變化率,是SQUID的重要指標。SQUID是通過測量穿過超導環的外磁通量來實現對磁場的測量的,在SQUID處于鎖定狀態下時,輸出電壓與外磁通量值之間呈現對應關系。當外磁通相對于時間的變化率ΔΦe超過某一特定值時,SQUID會失鎖,此時輸出電壓值與外磁通(磁場)之間不再具有一一對應關系,系統失效。

HTc rf SQUID的擺率取決于噪聲、失鎖幾率和音頻磁通調制頻率。對于任一給定的磁通噪聲ΦN,當要求失鎖幾率不大于p時,頻率為f的正弦輸入磁通對時間的最大變化率(即擺率)S為[4]:

式中,fc為rf SQUID磁通鎖定電路中積分器的帶寬。

可見要使S的值大,就要求fc大,而fc的最大值就是音頻調制磁通的頻率fm。因此理論上提高音頻調制頻率可以提高擺率,但實驗證明,一味提高音頻調制頻率并不能使擺率線性提高,由于受到噪聲和SQUID實現形式的影響,準確的擺率與其具體參數的關系尚未被研究人員找到。后續研究中,需要通過具體實驗設計,找到對應具體磁通噪聲指標條件下,最優的擺率指標,并加以實現。

4.3 優化制冷設備

SQUID在正常工作時必須處于低溫環境,需要低溫冷卻條件來保障。由于超導電子器件體積微小,自身并不消耗能量,所需的制冷量處于毫瓦級。在設計為SQUID提供制冷條件的制冷系統時應明確這一特性。目前,可采用的為HTc SQUID制冷的方法主要有液氮蒸發冷卻和低溫制冷機冷卻兩種方法。

液氮蒸發冷卻是將液氮承裝于容器(杜瓦)中,要求杜瓦具有良好的熱穩定性和機械穩定性,同時還要滿足無磁性干擾。但低溫恒溫器同制冷機相比具有自身的弱電。首先,液態氮在傳輸、補給和安全等方面存在一定困難;而在某些特殊場合(如封閉空間),則不允許蒸發氣體污染有限空間。

另一種小型獨立冷卻系統就是用氦氣作為工質的制冷循環,它能夠在300K溫度環境下維持超導溫度,具有性能優良、操作簡單、小型緊湊、可靠性高、成本低廉的特點。但由于SQUID的磁場靈敏度指標非常高,對周圍環境中磁場干擾也非常敏感。一般的商用制冷機若不采取特殊的附加措施根本無法與之配合工作,因為常規制冷機的振動和噪聲較大,導致SQUID的輸出毫無意義。同時,磁場中金屬排出器的往復運動會導致感應渦流,從而產生磁場變化。因而,在SQUID制冷機中應避免使用磁性材料,以免引起導致上述問題的剩余磁矩。為解決上述問題,可采取基于塑料材質的新型制冷機,這種制冷機采用非金屬材料尼龍和玻璃鋼來制作排出器推移活塞和氣缸,在結構和工藝上與普通金屬制冷機有著明顯區別。與此同時,采用低速、低功率操作可以減小振動,以實現制冷機設計最佳化,從而實現輸出制冷功率的最佳化。

5 結 語

SQUID是迄今為止最靈敏的磁場檢測器件,以SQUID為核心部件的超導傳感器在地磁探測、物理原理驗證、無損檢測等領域所發揮的重要作用有目共睹。低頻遠程通信的信道衰減致使接收端信號非常微弱,急需靈敏度高的傳感器件在惡劣環境中檢測出信號,rfSQUID傳感器對此非常適用。將SQUID傳感器用于低頻段通信有著非常廣闊的前景,但也要解決一系列實際問題。通過采用抑制SQUID傳感器磁通噪聲、提高擺率、開發滿足SQUID傳感器低功耗/無磁制冷機等措施,可使HTc rf SQUID盡快步入實用化。

[1] David Reagor,Yan Fan,Catherine Mombourquette,et al.A High-Temperature Superconducting Receiver for Low-Frequency Radio Waves[J],IEEE TRANSACTIONSON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY.1997,7 (4):3845-3849.

[2] Jose Vasquez,Victor Rodriguez,David Reagor.Underground Wireless Communications Using High-Temperature Superconducting Receivers[J],IEEE TRANSACTIONSON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY.2004,14 (1):46-53.

[3] Zimmerman JE,Silver A H.Macroscopic quantum interference effects through superconducting point contacts [J].Phys.Rev.,1966,141(15):367-375.

[4] 王其俊.超導量子干涉器[M].西安:西北大學出版

社,1988:66-67.

Wang Qijun,Superconducting Quantum Interference Devices[M].Xi'an:Northwestern University Press,1988: 66-67.

Communication Sensor Technolegy based on HTc rf SQUID

TAOWei
(Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China)

SQUID(Superconducting Quantum Interference Devices)is up to now,themost sensitivemagnetic field sensor,and with excellent application performance,HTc rf SQUID attracts great attention from the industry.HTc rf SQUID,applied to low frequency communication field,could effectively resolve the problems of cumbersomeness and low sensitivity of the receiving antenna.This paper discusses the development status quo of superconducting technology and the technical principle of HTc rf SQUID,summarizes the technical characteristics of HTc rf SQUID and the superiorities of its application in low frequency communication.Meanwhile by integrating the testmethod of CSAMT,the applicability of HTc rf SQUID in low frequency receiving is verified.Finally the technical approaches in HTc rf SQUID application are proposed. Key words:HTc rf SQUID;low frequency communication;superconduction

date：2014-09-11;Revised date：2014-12-27

文獻標志碼：A 文章編號：1002-0802(2015)02-0130-05

陶 偉(1974—),男,博士,主要研究方向為超導天線、天線數值計算、信道編譯碼技術等。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.003

2014-09-11;

2014-12-27

TAOWei(1974-),male,Ph.D.,mainly working at superconducting antenna,antenna numerical calculation,channel encoding and decoding technology.