基于超导材料的无线电收发天线研究.pdf

55上海信息化超导材料（Superconducting Material）是在极低温度下表现出零电阻和完全抗磁性的材料。当温度降至超导材料的临界温度以下，这些材料将表现出超导态，材料体中的电流可以不受到任何电阻的阻碍持续流动。超导材料的特性还包括梯度抗磁性、临界磁场、临界温度、伦敦穿透深度以及迈斯纳长度等物理特性。在无线电领域，超导材料的使用能够使天线在接收和发射特定频段及功率的无线电信号时，具有比较明显的优势，同时其制备过程和工作环境也要满足较为特别的要求。超导材料超导材料在超导态下具有零电阻，这意味着电流可以在其中自由流动，而不会损耗能量。这种特性使得超导材料在电力输送和电路应用中具有巨大潜力，可以减少能源损耗。超导材料处于超导态时，会表现出强烈的磁场排斥效应，即梯基于超导材料的无线电收发天线研究文 朱烨超导材料能够使天线在接收和发射特定频段及功率的无线电信号时具有明显优势，这一特性决定了它未来可能被用于制造高灵敏度的量子接收器，从而提升量子通信的传输距离和信号灵敏度。当前，业界还关注常温超导技术方面的研究，随着技术发展，超导天线将会拥有更广阔的应用场景。度抗磁性（迈斯纳效应）。超导材料会将外部磁场排斥出去，使得磁场无法渗透到其内部。超导材料具有临界磁场，即在超过一定的外部磁场强度下，将失去超导性。超过临界磁场时，材料内部将出现磁通穿透，电阻将重新出现。临界温度是超导材料转变为超导态时的温度。超过这个温度，超导材料将失去超导性。不同的超导材料具有不同的临界温度，如YBCO（钇钡铜氧化物）的临界温度相对较高，通常在液氮温度（77K或-196C）以上。在超导态下，磁场无法完全渗透进超导材料，而是在一定深度内逐渐减小，可以使用伦敦穿透深度这一物理量来描述超导材料的这种磁场渗透程度。迈斯纳长度是表示超导材料内部磁场被完全排斥的距离的物理量，当外部磁场作用在超导材料上时，磁场会在迈斯纳长度内被完全排斥出去。56上海信息化较天线性能的重要参数，增益越高，天线在特定方向上的传输距离越远。极化电磁波的极化描述了电场的振荡方向。天线的极化通常与电流在天线上的方向相关，水平极化和垂直极化是两种常见的极化方式，适用于不同使用场景。波束宽度和方向性天线的波束宽度指的是天线在特定方向上的辐射范围。方向性较强的天线通常有较窄的波束宽度，能够将信号集中辐射在特定方向上，增加传输距离和接收灵敏度。接收和发射在接收模式下，天线接收到传入的电磁波并将其转换为电流，然后通过电缆传输到接收器。在发射模式下，天线接收到来自发射器的电流，并将其转换为电磁波进行发射。电磁波传播公式麦克斯韦方程组（时域）：其中，是电荷密度，是真空电容率，是真空磁导率，J是电流密度，E是电场，B是磁场，t是时间。电磁波的传播速度公式：电磁波在真空中的传播速度（c）可以通过真空电容率（）和真空磁导率（）计算得到：其中，c约等于3X108/秒，即光速。进入超导状态的超导体分为两个类型，分别是一类超导体和二类超导体，一类超导体通常在低于临界磁场时完全排斥磁场，而二类超导体则在高于临界磁场但低于另一个临界磁场时，允许磁场穿透其中，在达到某一程度时体现出排斥效应。以上这些特性使得超导材料应用在许多领域，包括高性能电子器件、磁悬浮技术、磁共振成像（MRI）等，超导材料的出现整体提高了电子电气系统使用方面的效率和性能。无线电收发天线原理无线电收发天线是无线电收发业务中重要的一个环节，其信号传输原理涉及电磁波传播的基本原理。无线电收发天线的设计和选择一般参照特定应用需求，包括传输距离、覆盖范围、方向性、极化方式和频率等因素。各种类型的天线，如偶极天线、方向天线、螺旋天线等，都有特定的应用场景和性能特点，因此需要根据具体需求选择合适的天线类型。无线电收发天线的原理如下：电磁波传播当天线被连接到无线电发射器时，电流在天线上产生振荡。这个振荡电流会在天线周围产生变化的电磁场。电磁场以光速传播，形成电磁波。电磁波携带信息，例如音频、视频、数据等，可以在空间中传播。辐射模式每种天线都有其特定的辐射模式，显示了天线在水平和垂直方向上的辐射强度。天线的形状和结构也会影响辐射模式。天线增益天线增益是指相对于理想点源天线而言，实际天线在特定方向上的辐射能力。天线增益是一个比感知无线PERCEIVE WIRELESS57上海信息化超导天线传输原理由于电流密度为零（超导体内部电流为零），超导状态下天线传输的麦克斯韦方程组的形式会发生变化。在超导材料内部，电场和磁场之间的关系将受到超导性质的影响。电场和磁场的关系可以通过伦敦方程来描述。伦敦方程描述了超导体内电流密度（J）与电场（E）和磁场（B）之间的关系，具体形式为：第一个伦敦方程：第二个伦敦方程：其中，是真空磁导率。是真空介电常数，E是电场，B是磁场，J是电流密度，t是时间。在超导状态下，电流密度J为零，即J=0，因此伦敦方程可以简化为：第一个伦敦方程（简化）：第二个伦敦方程（简化）：超导天线制作方式以下介绍一种使用超导材料钇钡铜氧化物制作超导天线的方法（见下表）。超导材料只在极低温度下（通常在液氮温度以下）才能保持超导状态，因此需要实验室具备超低温冷冻相关条件。材料准备基底材料使用单晶氧化铝或其他特定基底材料高温超导材料使用钇钡铜氧化物薄膜磁控溅射设备（或其他沉积技术）用于在基底上沉积钇钡铜氧化物薄膜光刻设备用于定义天线的几何形状腔体和液氮冷却系统用于将天线冷却到液氮温度以下电阻仪和测量设备用于测试天线性能超导天线制作方式超导天线使用特性低损耗：超导材料的零电阻特性使其在传输过程中几乎没有能量损耗，这可以大大提高天线的传输效率；高灵敏度：由于零电阻特性，超导天线可以更灵敏地接收弱信号，尤其适用于需要高灵敏度的应用场景；机械性能：超导材料通常比传统材料脆弱，容易受到机械应力的影响，这可能导致天线的稳定性和耐久性方面受到影响；高频信号传输限制：在高频率范围内（例如毫米波和太赫兹波段），由于高频信号可能引入超导体内部的能隙结构，导致超导材料的性能受到限制，其具体引发原因主要有以下几点：第一，外部高频电场作用。当外部高频电场作用于超导体表面时，会在超导体内部产生变化的电场。高频电场会在超导体中引起电子的振荡运动，这种运动会与外部高频电场的频率匹配，从而影响超导效应。第二，能隙结构的变化。外部高频电场的作用可以引入能隙结构的变化。在超导体内部，电子受到外部电场的驱动，可能导致电子跃迁到不同的能量态，这些能态可能会和库珀对的能隙相互作用，导致能隙变化，影响超导效应。制备过程基底准备清洁和处理基底表面，确保表面光滑和无杂质沉积钇钡铜氧化物薄膜使用磁控溅射等技术，在基底表面上沉积钇钡铜氧化物薄膜。沉积过程需要在高真空条件下进行，并在特定温度下沉积薄膜定义天线几何形状使用光刻技术，在钇钡铜氧化物薄膜表面定义天线的几何形状，包括天线的长度、宽度和形状等参数电性能测试测量天线的电阻、电感等性能参数，确保超导性能符合要求冷却将制备好的超导天线放入腔体中，并通过液氮冷却系统将天线冷却到液氮温度以下，使其进入超导状态性能测试在专用实验室中使用精密测量设备在超导状态下测试天线的性能，包括发射和接收性能58上海信息化第三，非平衡态效应。在外部高频电场作用下，超导体可能处于非平衡态，从而导致电子的分布和能隙结构可能发生变化，超导性质暂时改变。第四，非线性效应。在高频电场较强的情况下，非线性效应会引入更为复杂的能隙结构变化。非线性效应指的是电场强度较高时，电子响应与电场强度不成比例的现象，可能导致电子的高阶振荡模式和非线性的能隙结构，从而影响到超导效应。第五，大功率信号传输限制。使用超导天线传输大功率无线电信号时，由于会产生较大的磁场和电流密度，这就导致超导材料失去超导性或引起超导不稳定的现象，具体原因有：首先是高功率引起的能量损耗。在传输大功率信号时，超导材料内部会产生较大的能量密度。虽然超导体具有零电阻特性，电流在超导材料中可以无阻碍地流动，但实际上，在超导体内部仍然存在极小电阻。当电流密度较大时，超导材料内部会产生焦耳热现象，即电流通过超导材料时会产生热量。这种高功率下的能量损耗会导致超导材料局部升温，而失去超导性。其次是外部磁场强度过高。由于高功率无线电信号需要在强磁场环境中才能传递，当外部磁场强度超过超导材料的临界磁场时，超导材料会从超导态转变为正常态，该现象也被称为磁场诱导的超导性损失。最后是非线性效应。在高功率传输下，超导材料可能发生非线性效应，例如高阶的非线性电流-电压关系，该效应会导致电流在材料内部分布不均匀，从而丧失局部超导性。综上所述超导天线的优点与局限，在毫米波频率以下（即26.5GHz以下频段）传输较小功率无线电信号时，建议使用超导天线作业来提高信号的传输效率，减少功耗，同时提高系统的接收灵敏度，使系统更易接收到微小信号。超导天线的实际应用及技术展望超导天线通常有以下应用场景：信号分析和频谱监测。超导天线能够在高频率范围内实现高灵敏度的信号分析和频谱监测。它们可以被用于无线电信号的频谱分析，帮助监测和识别无线电信号特征，用于通信信号的分析和无线电频率和台站业务方面的管理。无源追踪和定位。在一些无源追踪和定位系统中，超导天线可以用于接收和定位无线电发射源，例如一些大型雷达系统中的无源目标追踪定位技术就使用了超导技术。高灵敏度接收器。超导天线的零电阻特性使其成为高灵敏度接收器的理想选择。它们能够接收到非常微弱的信号，适用于无线电天文学、射电望远镜等需要高灵敏度接收器的应用场景，帮助科学家研究宇宙背景辐射、星际信号等。当前，超导天线技术研究已经进入新阶段，业界目前较为关注常温超导技术方面的研究，即开发更高临界温度的、接近室温的超导材料，使得无需极低温度就能实现超导状态，这将大大降低制造和使用超导天线的成本和复杂性，也能够使其拓展更多应用领域。超导材料的特性也决定了其或许可以在未来用于制造高灵敏度的量子接收器，从而提高量子通信的传输距离和信号灵敏度，使得高温超导天线在量子通信和量子雷达领域发挥作用。相信随着技术的发展以及相关研究的不断深入，超导天线将会拥有更广阔的应用场景。感知无线PERCEIVE WIRELESS