基于HTc rf SQUID的通信传感器技术*

陶 伟(海军装备研究院,北京100161)

基于HTc rf SQUID的通信传感器技术*

陶 伟
(海军装备研究院,北京100161)

超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Devices,简记为SQUID)是迄今为止灵敏度最高的磁场传感器,高温超导射频量子干涉仪(HTc rf SQUID)更以其良好的实用性而备受业界关注。将HTc rf SQUID技术引入到低频段通信中,可以有效解决目前低频段通信中收信天线设备笨重、灵敏度不高的问题。文中分析了超导技术发展现状和HTc rf SQUID技术原理,总结了该技术的特点和应用于低频段通信的优势,结合CSAMT试验方法验证了应用HTc rf SQUID进行低频段收信的可行性,提出了HTc rf SQUID实用化的技术途径。

HTc rf SQUID 低频段通信 超导

0 引 言

随着超导电子学技术的飞速发展,基于磁通量子化现象和约瑟夫森效应研制的、以超导体零电阻特征为典型标志的各类仪器和设备已经在国计民生的多个领域得到应用。其中,超导量子干涉仪(下文简称为SQUID)作为迄今为止磁场检测领域灵敏度最高的测量仪器,其灵敏度高达10-15T/(Hz)1/2。目前以SQUID为核心的各种弱磁场检测设备已初步在深空磁测、生物磁测量、无损检测、探潜、扫雷等领域显示出良好的应用前景。

虽然目前SQUID的主要应用领域是磁场检测,但其在通信领域的应用效果同样令人期待。由于电磁波由电场分量和磁场分量组成,通过检测并接收磁场分量同样可以实现收信,基于这个原理,将SQUID用作传感器,辅以信号处理前端和常规的解调、解码模块可实现常规的通信。原则上,SQUID的高灵敏度及其在极宽频段上的良好频率响应可使其应用于多个频段的通信,但在低频段(如几KHz以下)范围的应用则更加令人期待。传统的低频段通信对系统设计和装备能力要求很高,不仅发射功率巨大、发信天线庞大,收端传感器也存在设备笨重、灵敏度不高的问题,影响了通信效果。将高温超导技术引入到低频段通信中来,可有效解决收信端天线相关问题,提高收信质量。在这方面,国外研究工作者已经开展了卓有成效的研究工作,并取得了很好的成绩。例如,1997年,David Reagor[1]等人开发了基于HTc SQUID的超导低频接收机,其SQUID采用了基于YBa2Cu3O7和PrBa2Cu3O7的超导边界结技术,SQUID的调制幅度高达150μv/Φ0,磁通噪声约为5μΦ0/(Hz)1/2(76K)。利用该接收机,David Reagor等人实现了室内环境下对简易发射机发射的载频3 KHz、速率0.1 bps的FSK信号的无误码接收。2004年,Jose Vasquez等人[2]开发了应用于坑道内通信的基于HTc SQUID的超导低频接收机,并成功实现了在100米岩层两端对采用4 KHz载波调制的500 Hz带宽压缩语音的有效传输。

1 HTc rf SQUID原理

SQUID是融合了磁通量子化现象和Josephson隧道Φ0结效应的极端灵敏的磁通传感器。磁通量子化现象要求穿过超导环的磁通量以一个磁通量子Φ0为量化单位,这里Φ0=h/2e≈2.07×10-15Tm2,其中h=2×π为普朗克常数,e是电子电量。而Josephson隧道结效应则表述了穿过分隔两个超导体的薄绝缘势垒的库伯电子对(Cooper pairs)的隧道行为,当电流低于临界值时,库伯电子对在超导环中形成超流,此时Josephson结上的电压为零。当含有Josephson结的超导闭合环路被适当大小的电流偏置后会呈现一种宏观量子现象,即隧道结两端的电压是该闭合环路中外磁通量变化的周期型函数,周期为一个磁通量子Φ0,通过测量该电压即可实现对穿过环孔的磁通量的检测,进而可实现对磁场强度的检测。

SQUID有多种分类方法。一种是按照工作温度不同分为低温SQUID(LTc SQUID)和高温SQUID (HTc SQUID),前者工作于液氦温区(～4.2K),后者工作于液氮温区(～77K),鉴于液氦制冷系统复杂,造价高昂且稳定性不高,自1986年铜氧化物超导体首次发现之后,因为高Tc SQUID可在液氮或制冷机制冷条件下工作,实用性明显优于低温SQUID,所以大量的研究集中到高温SQUID上来,将超导技术的实用化进程向前推进了一大步。另一种分类方法是根据所含Josephson结的数目将SQUID分为dc SQUID和rf SQUID(如图1所示),前者是含有两个Josephson结的超导环,采用直流偏置;而后者是只含一个Josephson结的超导环,采用射频偏置。dc SQUID和rf SQUID各有特点,由于dc SQUID的性能与所含两个Josephson结的一致性有关,当前技术条件下rf SQUID的工程化应用前景更好。

图1 (a)dc SQUID原理示意图Fig.1(a)Schematic representation of dc SQUID

图1 (b)rf SQUID原理示意图Fig.1(b)Schematic representation of rf SQUID

rf SQUID由插入一个Josephson结的超导环构成,该超导环耦合到一个LC谐振回路上。谐振电路两端的电压幅度随外加磁通量呈周期性变化。图1(b)采用对SQUID输出的微弱信号进行直接放大的方式,这种方式容易引入干扰和噪声,加上SQUID传感器自身非线性传输函数影响,导致SQUID的输出难以准确反映/输入的变化。为解决上述问题,实际的SQUID传感器通常工作于磁通锁定环路模式,如图2所示。该模式在输入级采用隔离度很高的方向耦合器,极大地缓解了SQUID传感器高谐振阻抗对具有50欧姆输入阻抗的射频前置放大器工作的影响,因此允许在高温超导rf SQUID传感器设计中采用品质因数非常高的平面超导谐振器。同时,因目前在器件制备过程中尚不能对平面超导谐振器的谐振频率实现准确设计与控制,该磁通锁定电路的射频前级放大器采用大带宽、低噪声放大器方案,能大幅度地降低传感器固有噪声电平的高偏置频率。最后,磁通锁定电路混频器的本振频率与SQUID传感器偏置频率相同,不但降低了电路复杂性,还可实现磁通锁定电路的集成设计,这一点对于需要较多通道的SQUID传感器系统而言非常重要。

图2 HTc rf SQUID磁通锁定环路原理图Fig.2 Schematic of flux-locked loop for HTc rf SQUID

2 HTc rf SQUID的特点及用于低频段通信的优势

2.1 HTc rf SQUID的特点

HTc rf SQUID传感器具有如下优点:

1)检测灵敏度高。其灵敏度可达10-15T,相当于大地磁场(10-5T)的十亿分之一。

2)工作频带宽,几乎覆盖整个无线通信频段。3)能量转换效率高,无需额外附加天线,SQUID自身就可作为接收传感器。

4)尺寸小,单个SQUID仅为平方厘米量级,可阵列布置,便于安装和维护。

5)制冷技术相对简单,成本不高。通过使用液氮即可对HTc rf SQUID传感器进行制冷。

2.2 HTc rf SQUID用于低频段通信的优势

HTc rf SQUID传感器虽然适用于更宽泛的频段,但鉴于低频段通信进一步提升能力所面临的技术和成本困境,将其用于低频段更能够发挥其突出的作用,具体表现在:

1)应用HTc rf SQUID传感器具有灵敏度高的特点,可以有效拓展低频段通信的距离,反过来在通信距离既定且可达的前提下,可以减小发信系统功率。同时其极高的能量转换效率也能够有效提高通信效果。

2)应用HTc rf SQUID传感器体积小的特点,可以大大简化收信设备体积,减小空间占用。

3)应用HTc rf SQUID传感器可阵列布置的特点,可以实现全向收信。

3 试验研究

为证明HTc rf SQUID传感器技术可用于低频段通信,采用大地电磁测量典型方法(CSAMT法)进行了试验验证。可控源音频大地电磁方法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric, CSAMT)是一种在地球物理和地质勘探领域中广泛使用的测量方法,其特点是可以通过人为控制消除地质构造走向对待测磁场强度的影响;同时,待测低频电磁场由人工方法所产生,其频率和方向都可以由人工控制。图3给出CSAMT装置接收、发射设备配置示意。

图3 CSAMT方法原理图Fig.3 Schematic representation of CSAMT

CSAMT测量装置是一种典型的低频无线电系统。传统CSAMT系统接收端使用的磁性传感器(天线)主要是感应线圈磁强计,由于其的输出电压与磁场的时间变化率成正比,接收天线的低频响应较差导致CSAMT系统的低频信噪变差。显然,如果用灵敏度高、低频响应好的HTc rf SQUID传感器置换现有CSAMT系统接收机的感应线圈磁强计,该系统的信噪比将得到大幅度的提高。

试验系统由HTc SQUID传感器(CSAMT系统接收机的接收天线),数据采集系统和数据采集分析和控制软件构成。通过试验接收系统的瞬时测频和FFT分析功能,将时域信号的数字化记录转化为频域中对接收信号的频率、幅度、相位等特征的分析。

为了避开工频及其谐波的干扰,测试地点选在远离城市基本无人居住的地区。为确保发电机近场工频干扰情况下的试验效果,通过控制发信电流将发信功率提高到合理水平。实验结果显示,对于大地测量所用的十几赫兹的低频信号,在距离发射天线约11公里处,由发射天线建立的磁感应强度约等于4×10-11T,信号非常微弱,而基于HTc SQUID传感器的收信系统实现了对该微弱信号的接收,对该结果进行窄带滤波后即可得到所需信号。

4 实际应用需解决的几个关键问题

将HTc rf SQUID用于低频段通信系统,是希望利用其高灵敏度优势来弥补各种特殊应用场合的极端信道条件所造成信号的剧烈衰减。但SQUID作为超导器件,其自身特性使其实用化进程仍面临诸多挑战,即使发展到今天,其中一些问题仍无法彻底解决,如进一步降低磁通噪声谱密度、提高摆率、发展无磁制冷系统等,都需要继续开展有针对性的深化研究。

4.1 减小磁通噪声

HTc rf SQUID传感器的磁场检测灵敏度取决于系统的噪声,噪声越小其灵敏度越高,因此降低磁通噪声是提高灵敏度的关键。事实上,虽然基于量子理论的超导器件噪声分析非常复杂,但截至目前超导界仍然缺乏关于HTc rf SQUID传感器磁通噪声的准确公式。对于降低于磁通噪声sφ的方法,Zimmerman[3]给出了如下简单估计:

当ω≪R/Ls时,rf SQUID的磁通噪声谱密度经典极限为:

式中,kB=1.3806×10-23J/K是玻耳兹曼常数,T为工作温度,R为rf SQUID中Josephson结的分路电阻,LS是环电感。

从式中可以看出增大约瑟夫森结的正常态电阻R或减少SQUID的环电感Ls都可以降低SQUID的磁通噪声。鉴于低频段通信应用对于接收灵敏度有着极高的要求,所以后续必须在提高结电阻R和减小环电感LS这两个主流研究方向上开展深化研究。

4.2 增大摆率

摆率指的是使SQUID不失锁的最大磁通变化率,是SQUID的重要指标。SQUID是通过测量穿过超导环的外磁通量来实现对磁场的测量的,在SQUID处于锁定状态下时,输出电压与外磁通量值之间呈现对应关系。当外磁通相对于时间的变化率ΔΦe超过某一特定值时,SQUID会失锁,此时输出电压值与外磁通(磁场)之间不再具有一一对应关系,系统失效。

HTc rf SQUID的摆率取决于噪声、失锁几率和音频磁通调制频率。对于任一给定的磁通噪声ΦN,当要求失锁几率不大于p时,频率为f的正弦输入磁通对时间的最大变化率(即摆率)S为[4]:

式中,fc为rf SQUID磁通锁定电路中积分器的带宽。

可见要使S的值大,就要求fc大,而fc的最大值就是音频调制磁通的频率fm。因此理论上提高音频调制频率可以提高摆率,但实验证明,一味提高音频调制频率并不能使摆率线性提高,由于受到噪声和SQUID实现形式的影响,准确的摆率与其具体参数的关系尚未被研究人员找到。后续研究中,需要通过具体实验设计,找到对应具体磁通噪声指标条件下,最优的摆率指标,并加以实现。

4.3 优化制冷设备

SQUID在正常工作时必须处于低温环境,需要低温冷却条件来保障。由于超导电子器件体积微小,自身并不消耗能量,所需的制冷量处于毫瓦级。在设计为SQUID提供制冷条件的制冷系统时应明确这一特性。目前,可采用的为HTc SQUID制冷的方法主要有液氮蒸发冷却和低温制冷机冷却两种方法。

液氮蒸发冷却是将液氮承装于容器(杜瓦)中,要求杜瓦具有良好的热稳定性和机械稳定性,同时还要满足无磁性干扰。但低温恒温器同制冷机相比具有自身的弱电。首先,液态氮在传输、补给和安全等方面存在一定困难;而在某些特殊场合(如封闭空间),则不允许蒸发气体污染有限空间。

另一种小型独立冷却系统就是用氦气作为工质的制冷循环,它能够在300K温度环境下维持超导温度,具有性能优良、操作简单、小型紧凑、可靠性高、成本低廉的特点。但由于SQUID的磁场灵敏度指标非常高,对周围环境中磁场干扰也非常敏感。一般的商用制冷机若不采取特殊的附加措施根本无法与之配合工作,因为常规制冷机的振动和噪声较大,导致SQUID的输出毫无意义。同时,磁场中金属排出器的往复运动会导致感应涡流,从而产生磁场变化。因而,在SQUID制冷机中应避免使用磁性材料,以免引起导致上述问题的剩余磁矩。为解决上述问题,可采取基于塑料材质的新型制冷机,这种制冷机采用非金属材料尼龙和玻璃钢来制作排出器推移活塞和气缸,在结构和工艺上与普通金属制冷机有着明显区别。与此同时,采用低速、低功率操作可以减小振动,以实现制冷机设计最佳化,从而实现输出制冷功率的最佳化。

5 结 语

SQUID是迄今为止最灵敏的磁场检测器件,以SQUID为核心部件的超导传感器在地磁探测、物理原理验证、无损检测等领域所发挥的重要作用有目共睹。低频远程通信的信道衰减致使接收端信号非常微弱,急需灵敏度高的传感器件在恶劣环境中检测出信号,rfSQUID传感器对此非常适用。将SQUID传感器用于低频段通信有着非常广阔的前景,但也要解决一系列实际问题。通过采用抑制SQUID传感器磁通噪声、提高摆率、开发满足SQUID传感器低功耗/无磁制冷机等措施,可使HTc rf SQUID尽快步入实用化。

[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.超导量子干涉器[M].西安:西北大学出版

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

文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2015)02-0130-05

陶 伟(1974—),男,博士,主要研究方向为超导天线、天线数值计算、信道编译码技术等。

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.