谈谈品质因数—Q

电感线圈和电容器都是无线电回路的基本元件，用它们可以组成各式各样的回路，产生各种不同的作用。

理想的电容器就应该只供给电容性的电抗——容抗，而不损耗能量。但实际上在高频电流通过电容器的时候，总有一部分电能被损耗掉。电容器损耗能量的原因，主要是它的引线和电容器金属片有接触电阻以及引线本身有电阻的原故。除此以外，介质中的电子，在电场的作用下来回移动，也消耗极小部分的能量。介质表面的漏电电阻，也产生能量损失。

我们常用一个完全无损失的电容器和一个有效电阻所组成的串联等效回路来表示一个实际的电容器，如图1。这个有效电阻R\(_{C}\)用来表示电容器损耗能量的性质。电容器耗损能量越大，则RC越大；反之，损耗越小， R\(_{C}\)越小。

如果一个电容器，容抗X\(_{C}\)很大，而有效电阻RC很小，那末，从损耗能量方面来看，可以说这个电容器品质优良。反之，如果容抗很小，而有效电阻却相当大，它的品质自然欠佳。因此，我们常用电容器的容抗对有效电阻的比来表示电容器的品质。这个比值就叫做电容器的品质因数Q\(_{C}\)。

一个理想的电感线圈应该只供给电感性的电抗——感抗，而不损耗能量。但实际上也不是这样。当直流或者频率低的电流流过电感线圈的时候，线圈导线的直流电阻损耗能量。频率增高以后，出现了集肤效应，同时线圈的导线因为受到线圈磁场的感应而产生涡流，线圈的损耗渐渐增大。频率更高时，线圈架和导线的绝缘物的介质损耗将使线圈的损耗更大。如果线圈用的是磁心，或者线圈外面有隔离罩，还会造成一些附加的损耗。

电感线圈损耗能量的性质，也用电阻来表示。一个实际所用的电感线圈可以用一个完全无损失的电感线圈和一个有效电阻所组成的串联等效回路来表示，如图2。电感线圈损耗能量越大，R\(_{L}\)就越大；反之，越小。

同样，我们用电感线圈的感抗X\(_{L}\)对有效电阻RL的比来衡量电感线圈的品质。这个比值就叫做电感线圈的品质因数Q\(_{L}\)。

谐振回路和摆锤、琴弦及音叉等相似，具有储能于振荡的性质。为了便于说明，我们先来谈谈摆锤的振荡。

摆锤受到外力作用而摆动的时候，它的内部就储积了能量。当摆锤摆到尽头，运动停止时，它处在重力场的最高位置。这时，储积在振荡中的能量是处于势能状态。摆锤从尽头摆回来时。势能逐渐变为动能，直到到达最低位置，储积的能量全部改变成动能。这时它运动的速度最大。摆锤经过最低位置再摆过去，动能又逐渐改变成势能，直到到达另一个尽头，储积着的能量全部改变成势能。摆锤在摆动期间，储积的能量就这样不断地由势能变成动能，又由动能变成势能。如果摆锤在摆动中不损耗能量，摆锤便将永远不停的这样摆动下去。实际自然不会是这样。摆锤在空气中摆动时，储积的能量由于摩擦而逐渐损失，摆动的幅度渐渐减小，直到全部储积的能量损失干净，摆动便完全停止。要想摆动的幅度不减小，便须不断的补充能量来补偿运动中的损耗。

在时钟里面，维持钟摆摆动的能量是由钟簧或者重锤供给，经由擒纵机构在时钟摆锤摆动的每次尽头补充的。

在谐振回路里面，当电流等于零的时候，储积的能量全部都在电容器里；而当电流为最大，其改变时率为零的时候，全部能量都在线圈里。在一个周期间，能量就这样由电容器转移到线圈，又由线圈回转到电容器。如果能量在电路里面没有损耗，振荡便会永远继续下去。实际当然不是这样。前面已经说过，组成谐振回路的电感线圈和电容器都损耗能量，因此振荡的幅度会逐渐减小，直到能量损失干净，振荡完全停止。要想使振荡的幅度不减小而保持一定，就必须不断补充能量。

在一个电子管放大器里，电子管像钟表里的擒纵器控制从钟簧给到钟摆的能量一样，控制着从屏极电源给到谐振回路的能量。能量得到不断的补充，振荡才得以维持下去。

谐振回路和摆锤里面的能量变动情形，见图3。

谐振回路里所储积的能量对回路里每周所耗损的能量的比，或是谐振回路里的感抗（或者容抗）对回路总的有效电阻的比，就表示这个回路的品质因数（Q\(_{K}\)）。如果储积的能量一定，回路的品质因数QK越高，每周损耗的能量就越小，振荡能维持的时间就越长（如果不继续补充能量的话）。

谐振回路的有效电阻等于电感线圈的有效电阻R\(_{L}\)加上电容器的有效电阻RC。因此，谐振回路的品质因数Q\(_{K}\)，就等于感抗对线圈和电容器有效电阻的比值。在谐振时，这个QK就等于线圈和电容器品质因数的乘积对两品质因数的和的比值。

电容器的品质因数Q\(_{C}\)，随介质而变的情形约如下表：

品质优良的空气电容器，Q\(_{C}\)最高可达数十万。

电感线圈的品质因数Q\(_{L}\)，约在几十到几百之间 。一般收信机所用的线圈，约为50—300。发射机所用的小功率线圈，约为100—200；几十或几百千瓦的大功率线圈，约为500—800。

在谐振回路里，一般都使用空气电容器，Q\(_{C}\)远大于QL。因此，我们可以认为Q\(_{K}\)接近于QL回路的品质因数主要由电感线圈的品质因数来决定。

谐振回路在无线电技术中是十分重要的，利用谐振回路可以发生、放大和鉴别不同频率的振荡。回路的品质因数Q\(_{K}\)对于这些工作有直接影响。QK越大，则放大的能力越高、选择性越好、放大器传输电能到负载上去的效率越高、排除谐波的能力越强、振荡器的频率越稳定。因此，如何提高回路的品质因数是一个很重要的问题。

谐振回路的品质因数既是由回路里的电感线圈决定，因此，提高电感线圈的品质因数是有决定意义的。下面我们来谈谈怎样才能提高线圈的品质因数。

很明显的，要想提高线圈的品质因数，就须设法减小它的有效电阻，换句话说，就是降低它所损耗的能量。

前面曾经提到，电感线圈损耗能量，主要由于集肤效应和因磁场感应而在导线中产生的涡流。集肤效应所产生的损耗和线圈导线的直径差不多成反比。因为增大导线直径，可以使导线横截面的周界增加，因而减小导线对高频电流的电阻。涡流所产生的损耗和线圈导线直径差不多成正比，导线的直径越大，损耗就越大。由此可以看出，集肤效应损耗和导线中的涡流损耗对于导线直径的关系是相互矛盾的，要想减低两方面的总的损耗，决不可一味的增大或者减小导线的直径。导线的直径只有在某一定数值时，总的损耗才是最小，这可参阅图4的曲线。因此选用最适当直径的导线是很重要的。

在发射机里面，经常使用铜管来绕制电感线圈，这是因为用铜管可以使只有在电流密度最大的地方才有导体，因而虽然导线截面的周界增大，集肤效应损耗减小，涡流损耗却不致显著增加。

在较低的高频中（1—2兆周以下），为了减小损耗，常常使用高频多股线（李滋线）来绕线圈。高频多股线是一种用多股互相绝缘的细线编合起来的导线。因为各股细线内外交叉，限制了集肤效应，同时各股互相绝缘，切断了涡流的路径，因而损耗减小。收音机的中频变压器线圈，大都是使用高频多股线来绕制的。不过频率高于1—2兆周时，使用高频多股线却不合宜。因为对于较高的频率，各股线间的绝缘等于没有。不仅如此，甚至因为各股细线间绝缘中的位移电流，引起附加的介质损失，反而会使高频多股线线圈的损失超过实线线圈的损失。

线圈的损耗和它的尺寸大小有密切关系。线圈的直径越大，导线中的涡流损失越小。外径一定的单层电感线圈，其长度和外径的比值为0.7时，线圈的损耗最小。对于多层线圈，长度和外径的比为0.2—0.5时，损耗最小。用隔离罩罩起来的线圈，长度和外径比为0.8—1.2时，损耗最小。

频率较高时（短波波段），介质损耗也相当重要。为了减小介质损耗，须采用高频介质（陶瓷或聚苯乙烯等）来做线圈架，并应设法减小线圈分布的电容。（李昌猷）